基于雙級(jí)振動(dòng)篩馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真

黃偉鋒，孫 浩

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350028）

0 引言

馬鈴薯作為世界經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)物，具有耐寒、耐旱、適應(yīng)性強(qiáng)等特性，能為人類提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1]。我國(guó)馬鈴薯產(chǎn)量在世界位列前茅，種植面積高達(dá)520.5 萬(wàn)公頃[2]。隨著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的不斷壯大，種植面積的擴(kuò)增，低機(jī)械化水平已不能滿足馬鈴薯收獲的要求。設(shè)計(jì)一種高效率的馬鈴薯收獲機(jī)不僅能改善土薯分離效果，而且降低了馬鈴薯?yè)p傷率，具有重要的意義。

國(guó)內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)發(fā)展緩慢，技術(shù)落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家。人工收獲和機(jī)械收獲是主要的兩種收獲形式。部分地區(qū)仍然靠人畜力，這種方式需要消耗大量人力而且費(fèi)時(shí)。直到20世紀(jì)60年代，中國(guó)研究者開(kāi)始分析歐美國(guó)家機(jī)具的基礎(chǔ)上研發(fā)了第一臺(tái)升運(yùn)鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)，但是因?yàn)閭砺矢叩葐?wèn)題，并沒(méi)有得到廣泛的推廣和應(yīng)用[3]。20 世紀(jì)70 年代中期，國(guó)內(nèi)手扶拖拉機(jī)的興起帶動(dòng)了馬鈴薯收獲機(jī)發(fā)展，于是鼠籠式馬鈴薯收獲機(jī)隨之出現(xiàn)。但由于動(dòng)力條件限制并沒(méi)得到廣泛的應(yīng)用。直到70 年代末，我國(guó)成功研發(fā)了配套動(dòng)力50～80 馬力，生產(chǎn)效率每小時(shí)可達(dá)5～9 畝，1979 年農(nóng)機(jī)展覽會(huì)后，馬鈴薯收獲機(jī)的研發(fā)得到重視為后來(lái)的發(fā)展提供了有利的環(huán)境，國(guó)家將所有馬鈴薯收獲機(jī)樣機(jī)都投放在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究院，為研究單位相互交流提供方便[4]。20 世紀(jì)90 年代中期，隨著國(guó)產(chǎn)四輪拖拉機(jī)的興起，馬鈴薯收獲機(jī)的研發(fā)進(jìn)入高潮階段[5]。我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)研究已經(jīng)有幾十年了，但是技術(shù)發(fā)展緩慢，主要有兩個(gè)原因：1）配套動(dòng)力不足以滿足機(jī)具性能要求。相比于國(guó)外，最低配套動(dòng)力可達(dá)187 kW 以上，而國(guó)內(nèi)對(duì)小型收獲機(jī)只有9 kW～11 kW 配套動(dòng)力，難以滿足薯塊挖掘和分離的動(dòng)力。2）明薯機(jī)構(gòu)不夠完善，土薯分離率不高。目前升運(yùn)鏈?zhǔn)胶驼駝?dòng)式為馬鈴薯收獲機(jī)主要的兩種形式。升運(yùn)鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)存在的主要問(wèn)題：輸送鏈輸送距離短，導(dǎo)致土-薯沒(méi)有足夠的分離時(shí)間，因此需要后續(xù)的撿拾才能完成土薯分離，增加了勞動(dòng)力；升運(yùn)鏈輸送速度不合理會(huì)導(dǎo)致挖掘鏟部位土塊堆積從而增加整機(jī)牽引阻力，影響作業(yè)效率。振動(dòng)式馬鈴薯挖掘機(jī)在使用中存在的問(wèn)題：動(dòng)力匹配困難、振動(dòng)頻率單一、土薯分離效果差、傷薯率高等問(wèn)題。

本文利用偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)振動(dòng)原理設(shè)計(jì)一種雙級(jí)振動(dòng)篩。其中一級(jí)振動(dòng)篩振幅、速度、加速度都大于二級(jí)振動(dòng)篩，來(lái)適應(yīng)馬鈴薯在收獲過(guò)程中不同階段對(duì)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特性要求，以期改善馬鈴薯的損傷情況。

1 振動(dòng)篩建模和工作原理

如圖1 所示，通過(guò)Solidworks 三維建模軟件建立電機(jī)軸、偏心輪、連桿、振動(dòng)篩并進(jìn)行裝配。電機(jī)軸偏心距r1,在偏心輪外套著連桿1，距離電機(jī)軸r2位置為凸起的銷軸，與連桿2 連接。電機(jī)軸扭矩經(jīng)過(guò)偏心輪帶動(dòng)連桿1、連桿2 運(yùn)動(dòng)。在連桿帶動(dòng)下，一級(jí)、二級(jí)振動(dòng)篩做不同振幅的振動(dòng)。一級(jí)振動(dòng)篩（前篩）振動(dòng)加速度大，使土壤和馬鈴薯運(yùn)動(dòng)程度劇烈，加快土塊破碎、透篩。二級(jí)振動(dòng)篩（后篩）振動(dòng)速度緩慢，篩上主要以馬鈴薯為主，此時(shí)振動(dòng)幅值小，降低馬鈴薯向后拋送過(guò)程中的損傷率。

圖1 雙級(jí)振動(dòng)篩模型

2 前后振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)分析

圖1三維模型可以簡(jiǎn)化為如圖2所示的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖。由于曲柄長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連桿，所以振動(dòng)篩可以看作振幅A=2r 的往復(fù)振動(dòng)。以振動(dòng)篩振動(dòng)方向?yàn)閄軸，垂直X軸方向?yàn)閅軸建立直角坐標(biāo)系，前后振動(dòng)篩振動(dòng)方向近似看作重合，都沿X 軸方向，因此共用一個(gè)坐標(biāo)系，其中α1、α2為前后振動(dòng)篩篩面傾角，ε1、ε2為前后振動(dòng)篩振動(dòng)方向角，前振動(dòng)篩曲柄半徑為r1=30 mm，后振動(dòng)篩曲柄半徑為r2=20 mm。以曲柄與X 軸正半軸重合位置為位移起始相位，推導(dǎo)振動(dòng)篩位移、速度、加速度關(guān)系：

ω-曲柄角速度(rad/s)，t-時(shí)間（s）。

3 振動(dòng)篩設(shè)計(jì)要求及運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 振動(dòng)篩設(shè)計(jì)要求

根據(jù)馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)要求，馬鈴薯在不跳離篩面的情況下，向篩口滑動(dòng)的距離大于向篩尾滑動(dòng)的距離，一般要求損傷率小于5%，擺幅15 mm ≤A ≤35 mm 振動(dòng)篩質(zhì)心X方向速度|Vx|≤1 m/s，振動(dòng)篩質(zhì)心Y方向速度|Vy|≤0.2 m/s，質(zhì)心合成加速度平均值a≤20 m/s2[6-7]。

圖2 雙級(jí)振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

3.2 Adams運(yùn)動(dòng)仿真與分析

振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特性直接決定土薯的分離效果及馬鈴薯的損傷情況，因此需要對(duì)所建立的模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。將三維模型保存為igs 格式后導(dǎo)入Adams 軟件，設(shè)置材料為45#鋼，對(duì)曲軸添加轉(zhuǎn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速w=220 r/min，對(duì)連桿、吊桿、振動(dòng)篩以及偏心輪添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，前振動(dòng)篩篩面傾角α1=5.5°后振動(dòng)篩篩面傾角α2=6.5°，仿真時(shí)間5 s，步長(zhǎng)0.01 s,通過(guò)Adams后處理獲得振動(dòng)篩位移、速度、加速度相應(yīng)曲線。

圖3、圖4 為前后振動(dòng)篩振幅隨時(shí)間變化情況，表現(xiàn)為周期振動(dòng)。其中前振動(dòng)篩振幅約為30 mm，后振動(dòng)篩振幅約為20 mm，前振動(dòng)篩的振幅大于后振動(dòng)篩這與曲柄半徑大小設(shè)計(jì)有關(guān)。

圖3 振動(dòng)前篩振幅

圖4 振動(dòng)后篩振幅

圖5 為前后振動(dòng)篩在收獲機(jī)前進(jìn)方向的速度變化，前振動(dòng)篩速度最大值約為0.75 m/s，后振動(dòng)篩速度最大值約為0.48 m/s。圖6為前后振動(dòng)篩在Y方向的速度變化絕對(duì)值均小于0.2 m/s 且后振動(dòng)篩在Y 向的速度明顯小于前振動(dòng)篩，此時(shí)馬鈴薯不易被拋起減小與振動(dòng)篩柵條的碰撞損傷。

圖5 前后振動(dòng)篩X 方向速度

圖6 前后振動(dòng)篩Y 方向速度

圖7 為前后振動(dòng)篩合成加速度均小于20 m/s2。仿真結(jié)果表明各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)符合馬鈴薯收獲機(jī)振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)要求，可以滿足物料向后輸送的條件。且前振動(dòng)篩振幅、速度和加速度都大于后振動(dòng)篩，這有利于土-薯分離和減小馬鈴薯在振動(dòng)篩上的損傷率。

圖7 前后振動(dòng)篩合成加速度

4 偏心輪有限元分析

該雙級(jí)振動(dòng)篩的實(shí)現(xiàn)主要靠偏心輪提供振動(dòng)源，因此需要對(duì)偏心輪的強(qiáng)度及其振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行有限元分析。偏心輪材料為45#鋼，材料具體屬性如表1所示[8]。

表1 45#鋼材料參數(shù)

4.1 偏心輪靜力學(xué)分析

將偏心輪導(dǎo)入Ansys Workbench中并賦予材料、劃分網(wǎng)格、添加約束和載荷。對(duì)偏心輪添加圓柱副約束，同時(shí)施加轉(zhuǎn)速載荷，轉(zhuǎn)速大小為ω=230 rad/s。仿真結(jié)果如圖8所示：偏心輪最大位移為0.000 4 mm 相對(duì)于結(jié)構(gòu)的總體尺寸，偏心輪變形量非常小，可以忽略；最大應(yīng)力為5.43 MPa位于孔的邊緣處,且小于材料的屈服強(qiáng)度220 MPa，強(qiáng)度校核安全。

圖8 偏心靜力學(xué)分析結(jié)果

4.2 偏心輪模態(tài)分析

模態(tài)分析主要是求固有頻率和振型，低階固有頻率對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大，低階振型直接決定結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)結(jié)構(gòu)固有頻率的提取的意義在于在為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，避免發(fā)生共振，模態(tài)分析可以簡(jiǎn)單的分為有約束的普通模態(tài)分析和無(wú)約束的自由模態(tài)分析，本文對(duì)偏心輪采用有約束的模態(tài)分析即對(duì)偏心輪添加圓柱副約束。該設(shè)計(jì)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速為220 r/min，在該運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)動(dòng)基頻為3.667 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最小固有頻率，因此不會(huì)發(fā)生共振，滿足振動(dòng)特性設(shè)計(jì)要求，偏心輪前6 階固有頻率如表2 所示。圖9 為偏心輪前六階振型，其中第一階振型表現(xiàn)為偏心輪沿周向旋轉(zhuǎn)，第二階振型表現(xiàn)為上下擺動(dòng)，第三階、第五階、第六階振型表現(xiàn)為左右擺動(dòng)，第四階振型為橫向拉伸。

表2 偏心輪前6 階固有頻率

圖9 偏心輪前六階振型

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前小型馬鈴薯收獲機(jī)傷薯率高，土-薯分離效果差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種雙級(jí)振動(dòng)篩，使馬鈴薯在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生不同程度的振動(dòng)響應(yīng)來(lái)提高馬鈴薯收獲率，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證其合理性。主要結(jié)論如下：

1）通過(guò)偏心輪振動(dòng)原理利用Solidwork 建模，設(shè)計(jì)一種雙級(jí)振動(dòng)篩，在同一個(gè)動(dòng)力源下產(chǎn)生不同振幅、速度、加速度的運(yùn)動(dòng)特性來(lái)滿足和適應(yīng)馬鈴薯收獲要求。

2）通過(guò)Adams 運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，其中兩級(jí)振動(dòng)篩振幅、速度、加速度均滿足馬鈴薯收獲機(jī)振動(dòng)特性要求，且一級(jí)振動(dòng)篩振動(dòng)篩振幅為30 mm，X方向的速度最大值為0.75 m/s，二級(jí)振動(dòng)篩振幅為20mm，X方向的速度最大值為0.48 m/s，一級(jí)振動(dòng)篩Y 向速度、加速度均大于二級(jí)振動(dòng)篩，有利于土-薯分離。

3）通過(guò)Ansys Workbench 對(duì)偏心輪進(jìn)行靜力學(xué)和振動(dòng)模態(tài)分析，偏心輪受到的最大應(yīng)力為5.43 MPa 位于孔的邊緣處,且小于材料的屈服強(qiáng)度220 MPa，強(qiáng)度校核安全。振動(dòng)偏心輪最小固有頻率3 893 Hz 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，因此不會(huì)發(fā)生共振。