灘涂文蛤收獲機(jī)挖掘鏟的設(shè)計與分析

申屠留芳，張　炎，孫星釗，張學(xué)生，秦紹波

(1.淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港　222005；2.連云港市元天農(nóng)機(jī)研究所，江蘇 連云港　222006；3.連云港正業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 連云港　222006)

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灘涂文蛤收獲機(jī)挖掘鏟的設(shè)計與分析

申屠留芳1，張炎1，孫星釗2，張學(xué)生3，秦紹波3

(1.淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港222005；2.連云港市元天農(nóng)機(jī)研究所，江蘇 連云港222006；3.連云港正業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 連云港222006)

摘要：灘涂文蛤具有很高的營養(yǎng)價值，而其采收多采用人工采集，勞動強(qiáng)度大，采收效率低。本設(shè)計為一種新型的文蛤收獲機(jī)，作業(yè)寬度1 000mm，挖掘深度100~150mm，適合灘涂文蛤等貝類的采收。為研究機(jī)器在收獲中遇到的阻力影響，對挖掘鏟進(jìn)行動力學(xué)分析設(shè)計，并通過受力分析構(gòu)建工作阻力力學(xué)模型。同時，對挖掘鏟進(jìn)行靜力學(xué)分析，添加載荷及約束，對挖掘鏟進(jìn)行有限元分析，得到挖掘鏟的變形、應(yīng)力及應(yīng)變云圖。計算結(jié)果與挖掘鏟的材料性能對比，驗證了設(shè)計的合理性。

關(guān)鍵詞：文蛤收獲機(jī)；參數(shù)；挖掘鏟

0引言

我國海岸線綿長，自北向南大量的沿海灘涂文蛤養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)業(yè)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。文蛤類穴居深度在3~15cm，肉味鮮美，營養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)含量高，氨基酸的種類組成及配比合理；脂肪含量低，不飽和脂肪酸較高，易被人體消化吸收，還有各種維生素和藥用成分；有軟堅、化痰之功效，有的貝類還有益精潤肺的作用[1-2]。傳統(tǒng)的采收由人工完成，勞動強(qiáng)度大，工作效率低，即使現(xiàn)有的機(jī)械化、自動化的采收設(shè)備只能進(jìn)行深水海上作業(yè)，不能適應(yīng)淺灘養(yǎng)殖的蛤類收獲，而且集中化程度不高[3]。我國國立臺灣大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械工程學(xué)系與臺灣省水產(chǎn)試驗所臺西分所聯(lián)合開發(fā)完成收獲及后處理裝置，進(jìn)行研制帶花蛤深水捕撈機(jī)械進(jìn)行海上作業(yè)，但是不能適應(yīng)淺灘涂養(yǎng)殖的文蛤，而且集中化程度不高。

針對目前文蛤采收技術(shù)落后的現(xiàn)狀，改變傳統(tǒng)的收獲方法，采用機(jī)器挖掘，利用機(jī)器上的輸送鏈抖動輸送，高壓清洗，最后集裝的方式完成，大大減輕漁民的勞動強(qiáng)度，提高了效率。采用機(jī)器化采收有廣闊的前景，可解決目前存在的一系列問題，本設(shè)計效率穩(wěn)定，操作方便，對沿海灘涂有很好的適應(yīng)性。

1設(shè)計任務(wù)及主要技術(shù)參數(shù)

1.1　設(shè)計任務(wù)

灘涂自走式文蛤收獲機(jī)的設(shè)計需要解決以下3個關(guān)鍵技術(shù)問題：一是灘涂泥沙較硬且具有較強(qiáng)的吸附性，采收時易吸附在挖掘鏟和輸送帶上，影響機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)；二是灘涂地質(zhì)松軟，采收機(jī)在行走中由于自身的重力和機(jī)器的振動會發(fā)生輪陷；三是文蛤的尺寸大小不同，為了讓幼小的文蛤繼續(xù)留在灘涂內(nèi)進(jìn)行再次生長，需要對其進(jìn)行篩選分離。

本設(shè)計采用自走式履帶拖拉機(jī)提供動力，以解決灘涂淪陷的問題[4-7]。工作時，前面挖掘鏟通過液壓系統(tǒng)控制，并配有噴水槍，以利于解決灘涂泥沙的吸附性困擾；中間的輸送振動裝置可以有效地分離打散泥沙；后面的分離滾筒可將幼小的蛤類將送篩孔中落下，撒落回灘涂面，再次生長。

1.2　主要技術(shù)參數(shù)

自走式文蛤收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　自走式文蛤收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表1

2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及其工作原理

2.1　總體結(jié)構(gòu)

總體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.分離滾筒　2.操作臺　3.輸送帶　4.液壓油缸

2.2　工作原理

以履帶式牽引機(jī)為載體，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓缸控制挖掘鏟的深淺，挖掘鏟前配有噴水噴頭，以解決灘涂泥沙附著問題。當(dāng)挖掘鏟挖起的泥沙混合物，經(jīng)過振動機(jī)構(gòu)后，部分的泥沙混合物經(jīng)過震蕩回落到灘涂，剩余部分泥沙及較大的文蛤經(jīng)輸送裝置運(yùn)送至機(jī)器后部的分離滾筒中，進(jìn)行最后的分離篩選。整套設(shè)備由1臺柴油機(jī)提供動力，并將機(jī)器的動力經(jīng)皮帶機(jī)鏈條輸送至各部分機(jī)構(gòu)。

3挖掘鏟的設(shè)計及分析

為研究采收機(jī)在灘涂上運(yùn)行時所受到的阻力影響，對挖掘鏟進(jìn)行了動力學(xué)分析，以確保實際運(yùn)行中的可靠性。

3.1　挖掘鏟設(shè)計

挖掘鏟在挖掘文蛤時，需要深入土層15cm左右，為了確保能將所有文蛤挖盡，需要對挖掘鏟挖掘的深度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。因鏟刃邊緣和底部與土壤接觸，會對挖掘鏟產(chǎn)生很大的運(yùn)動阻力，降低采收挖掘的速度和效率，因此要通過控制鏟刃水平位置傾角α，使土壤可以沿挖掘鏟順利滑動，從而減小挖掘鏟的阻力。

3.1.1挖掘鏟水平位置傾角的確定

挖掘鏟傾角的設(shè)計原則：在保證挖掘物不回落的前提下，能夠使挖掘物沿著鏟面順利上升，并順利輸送到后面的振動及分離系統(tǒng)。挖掘面的受力分析如圖2所示。[8]

圖2　挖掘鏟面受力分析

由圖2力學(xué)分析得

G·sinα+f-F·cosα=0

(1)

F·sinα+G·cosα-N=0

(2)

f=u·N

(3)

聯(lián)立式(1)~式(3)解得

其中，F(xiàn)為挖掘鏟的推力；N為鏟面對挖掘物的反力；G為挖掘物所受的重力；μ為鏟面摩擦因數(shù)；α為挖掘鏟水平傾角。

3.1.2挖掘鏟的鏟體長度確定

根據(jù)挖掘鏟平面尺寸的幾何關(guān)系(見圖3)，即得

L=h/sinα

(4)

其中，h為挖掘鏟的豎直高度；α為挖掘鏟水平傾角。

設(shè)計挖掘鏟寬幅1 000mm，鏟面寬度400mm。

圖3　挖掘鏟結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2　挖掘鏟的動力學(xué)分析與建模

3.2.1土壤的受力分析

取鏟面上中黏粒砂質(zhì)土壤為研究對象，挖掘深度為15mm，受力情況如圖4所示。

影響挖掘性能的土壤物理性質(zhì)有土壤含水率、土壤內(nèi)聚力因素C、土壤強(qiáng)度、土壤的附著力因素Cα、土壤密度ρ、土壤摩擦因素μ，以及土壤與挖掘鏟之間的摩擦因素μ1等。進(jìn)行受力分析，可列出如下的靜平衡方程式[9-11]。

豎直方向上平衡方程為

G-N0(cosα-μ1sinα)-N1(cosβ-μsinβ)+

CaB0sinα+(CF1+FA)sinβ=0

(5)

水平方向上平衡方程

(6)

其中，G為土壤的重力；B0為挖掘鏟的面積；N0為作用于鏟面的法向載荷；N1為前失效面法向載荷；F1為土壤的剪切面積；FA為土壤運(yùn)動的加速力；β為土壤的前失效面傾角。

圖4　挖掘鏟面上土壤的力分析

3.2.2挖掘鏟的受力分析

收獲機(jī)工作時，挖掘鏟主要受到機(jī)器牽引力F、鏟面土壤作用的法向載荷、土壤的摩擦力Ff、土壤附著力Fa，以及土壤切削力Fb的影響，其受力分析如圖5所示。

圖5　挖掘鏟受力分析

水平方向的平衡方程式為

F=N0sinα+(Ff+Fa+Fb)cosα

(7)

Ff=μN(yùn)0，F(xiàn)a=CaB0，F(xiàn)b=kb

(8)

灘涂中的純切削阻力很小，只有當(dāng)土壤中有石頭或刃口變鈍時，切削阻力才顯得重要。如果不存在這些情況，則土壤的純切削阻力Fb可以忽略不計。即

F0=N0sinα+μN(yùn)0cosα+C2B0cosα

(9)

聯(lián)立式(5)、式(6)，展開整理后得

(10)

將式(9)代入式(10)整理得

(11)

(12)

3.2.3動力學(xué)模型構(gòu)建

土塊速度與長度幾何關(guān)系如圖6所示。其中，L1為土壤沿鏟尖伸出的距離(m)；L3為土壤沿鏟尾伸出的距離(m)；L2為土壤鏟尖至鏟尾的距離(m)。

圖6　土塊速度與長度幾何關(guān)系

挖掘鏟面土壤重力為

(13)

(14)

(15)

其中，ρ為泥土密度；b為寬幅；H為挖掘深度。

土壤剪切面積為

(16)

土壤的加速力為

(17)

(18)

將式(13)、式(16)、式(18)代入式(12)后整理得

(19)

式(19)即為所求系統(tǒng)動力學(xué)模型，F(xiàn)0為忽略泥沙剪切力的挖掘鏟推力。

設(shè)計參數(shù)各項取值如表2所示。

表2　設(shè)計參數(shù)各項數(shù)值

取α=20°,Ca=3,μ1=0.3,求解得 F0=1 200N。

3.2.4挖掘鏟靜力學(xué)分析

將建好的模型導(dǎo)入到WB軟件中，進(jìn)過網(wǎng)格劃分，定義材料屬性，生成有限元模型。

材料屬性：挖掘鏟厚10mm，挖掘深度150mm，彈性模量2.06×105N/mm2，密度7.8×10-6kg/mm3，泊松比0.3。網(wǎng)格劃分后模型有1 008個實體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為7 178，根據(jù)模型的受力情況添加約束載荷，挖掘鏟受力有土壤法向力N、摩擦力f、挖掘阻力F，及土壤附著力等。由于其他載荷相對于法向力及摩擦力較小，可忽略不計。挖掘鏟與機(jī)架固定板固定，鏟部在泥土下，Y、Z方向受到約束，X方向為自由3個旋轉(zhuǎn)方向為約束。

不同入土角壤對兩種挖掘鏟的阻力及導(dǎo)致效應(yīng)力云圖，如表1及圖7~圖9所示。

表3　不同入土角時土壤對兩種挖掘鏟的載荷及挖掘阻力

(a)　20°　　　　　　　　　 (b)　25°

(a)　傾角20°　　　　　　　(b)　傾角25°

(a)　傾角20°　　　　　　　(b)　傾角25°

1)從平面鏟的總體應(yīng)力分布可以看出：應(yīng)力主要分布在挖掘鏟中間與固定板接觸的位置，隨著入土角α的變化而變化，α為25°時的最大應(yīng)力值為45.821MPa，α為20°時最大應(yīng)力為76.805MPa，挖掘鏟采用Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼屈服極限強(qiáng)度為235MPa，因此挖掘鏟強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

2)通過分析平面鏟變形云圖可以得出：變形最大處位于鏟尖，位移量最大為1.746mm，這個數(shù)值相對于整個鏟長來說，肉眼觀察不到，可以忽略不計。

4結(jié)論

本灘涂自走式文蛤收獲機(jī)的設(shè)計結(jié)合了江蘇沿海當(dāng)前蛤類養(yǎng)殖發(fā)展特點(diǎn)、灘涂沙土粘性的獨(dú)特地理條件及文蛤的實際生長狀況，具有一定的實用價值。影響挖掘鏟主要參數(shù)是運(yùn)動過程中挖掘深度及鏟傾角，在對各個參數(shù)適當(dāng)調(diào)整后就可以得到最優(yōu)的運(yùn)動效果。本設(shè)計適用于沿海灘涂蛤類及其他貝類養(yǎng)殖的收獲，可以完成挖掘、分離土壤和平鋪在地面上的任務(wù)，降低人力需求，減輕農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，能夠降低收獲作業(yè)成本。

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Beach Clam Harvester Design and Analysis of Digging Shovel

Shentu Liufang1,Zhang Yan1，Sun Xingzhao2，Zhang Xuesheng3， Qin Shaobo1

(1.HuaiHai Institute of Technology，Lianyungang 222005,China；2.Lianyungang Yuantian Agricultural Machinery Research Institute，Lianyuangang 222006，China；3. Lianyungang Zhengye Machinery Manufacture Corporation, Lianyuangang 222006,China)

Abstract：Beach clam has a high nutritional value, China clam harvesting by hand-picked, labor intensive,low efficiency of oil recovery.This design for a new of paper clam harvest machine, job width 1000mm , for Beach paper clam, shellfish of harvest,mining depth 100-150mm, for research machine in harvest in the encountered of resistance effect,special on mining shovel for Dynamics analysis design, and through by force analysis building work resistance mechanical model,last statics analysis shovel for, added load Yu constraints , on mining shovel for limited Yuan analysis,get mining shovel of deformation, and stress,and strain contours, comparison of results with the digging shovel the material properties,verify that the rationality of the design.

Key words：calm harvesters; parameter; digging shovel

中圖分類號：S972.69+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0113-05

作者簡介：申屠留芳(1965-),女，浙江東陽人，副教授，博士，(E-mail) stlf@hhit.edu.cn。

基金項目：江蘇省科技支撐計劃(農(nóng)業(yè))子項目(BE2014339-3)；連云港市“521工程”項目(2015-2017)

收稿日期：2015-10-20