馬鈴薯輸送線動(dòng)堆積角與輸運(yùn)效率優(yōu)化分析計(jì)算

程鵬飛，于文強(qiáng)，李學(xué)強(qiáng)，孫　軍

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博　255000；2.樂陵市天成工程機(jī)械有限公司，山東 樂陵　253600)

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馬鈴薯輸送線動(dòng)堆積角與輸運(yùn)效率優(yōu)化分析計(jì)算

程鵬飛1，于文強(qiáng)1，李學(xué)強(qiáng)2，孫軍1

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博255000；2.樂陵市天成工程機(jī)械有限公司，山東 樂陵253600)

摘要：中國是世界上馬鈴薯總產(chǎn)最多的國家，且在2015年啟動(dòng)了馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，然而我國卻還處在以人力為主的半機(jī)械化狀態(tài)，針對馬鈴薯播種、收獲及分選輸運(yùn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究甚少。馬鈴薯在運(yùn)輸過程中輸送裝置的提升角度與輸送速度是影響輸運(yùn)效率和馬鈴薯破皮率的重要因素，通過有限元方法分析馬鈴薯輸送裝置動(dòng)堆積角與輸送速度之間的關(guān)系，確定動(dòng)堆積角與輸送速度的最優(yōu)參數(shù)，旨在對提高馬鈴薯的輸送效率和減少馬鈴薯的破皮率提供參考。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；動(dòng)堆積角；有限元；破皮率；輸送速度

0引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，馬鈴薯表皮破損極易使受損組織發(fā)黑變質(zhì)，影響貯存。一些調(diào)查者在英國665個(gè)農(nóng)場對馬鈴薯損傷情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)表皮損傷占23%，內(nèi)部損傷占13%。Brook估測每1%的表皮損傷就代表著英國馬鈴薯750萬美元的損失，因此減少馬鈴薯的表皮損傷，可以減少農(nóng)場的經(jīng)濟(jì)損失[1]。然而，馬鈴薯表皮損傷主要發(fā)生在運(yùn)輸過程中馬鈴薯與皮帶之間的挫傷損害，所以研究馬鈴薯輸送裝置的堆積角與輸送速度之間的關(guān)系，對提高馬鈴薯質(zhì)量有著重大意義。

輸送裝置在工作過程中依據(jù)動(dòng)堆積角取值范圍設(shè)定的提升角度，理論上對應(yīng)于一個(gè)最佳的輸送速度，既能將馬鈴薯的表皮破損減少到最小，又能做到馬鈴薯最大輸送效率。因此，找出馬鈴薯輸送裝置動(dòng)堆積角與輸送速度之間的關(guān)系，對提高馬鈴薯的輸送效率有著重大意義。

1輸送裝置模型及工作原理

皮帶線在礦山、物料輸送中存在很多種傳動(dòng)方式，本文所要分析的平帶輸送機(jī)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡單，以及具有良好的彈性和撓度、輸送距離大和傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。

輸運(yùn)裝置如圖1所示。工作過程中，通過調(diào)節(jié)托架上的千斤頂來改變輸送裝置的提升角度，以便裝車或入庫；輸送帶在實(shí)際工作過程中依據(jù)馬鈴薯動(dòng)堆積角取值范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。電機(jī)輸出動(dòng)力通過鏈條使得主動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過主動(dòng)滾筒與輸送帶之間的摩擦力從而帶動(dòng)輸送帶運(yùn)動(dòng)，此時(shí)可通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來改變輸送帶的傳送速度。圖1中所示兩前輪呈“八”字形設(shè)置，以防止調(diào)節(jié)提升角度以及運(yùn)輸速度改變時(shí)時(shí)輸送裝置發(fā)生前后移動(dòng)。輸送裝置實(shí)物如圖2所示。

1.電機(jī)　2.鏈條　3.輸送帶　4.輸送架收縮外壁　5.千斤頂位置處

2運(yùn)送馬鈴薯時(shí)的運(yùn)動(dòng)分析

已知農(nóng)業(yè)機(jī)械中馬鈴薯與輸送帶的摩擦因數(shù)為0.6；輸送速度v不超過2m/s；輸送裝置堆積角不超過30°。

圖2　輸送裝置實(shí)物

圖3　受力分析簡圖

已知輸送裝置堆積角與輸送帶速度v均為變參數(shù)，采用控制變量法，得出速度一定時(shí)輸送裝置堆積角與相對滑動(dòng)位移的關(guān)系如圖4所示。

(a)　v=0.4m/s

(b)　v=0.6m/s

(c)　v=0.8m/s

(d)　v=1.0m/s

(e)　v=1.2m/s

(f)　v=1.4m/s

不同速度時(shí)，堆積角與滑動(dòng)位移曲線關(guān)系如圖5所示。

圖5　滑動(dòng)位移一定時(shí)不同速度對應(yīng)的最大堆積角曲線圖

由經(jīng)驗(yàn)可知：馬鈴薯與輸送帶相對滑動(dòng)的位移不要超過0.4m，否則導(dǎo)致馬鈴薯的表皮磨損。

3有限元模擬分析

3.1建立模型

首先用三維軟件建立處幾何模型圖，本模型是由SolidWorks軟件建模，馬鈴薯的大體尺寸是跟實(shí)際情況相同的，取得樣本中馬鈴薯的均值，模型如圖6所示。因?yàn)橹环治鲴R鈴薯在輸送帶上的運(yùn)動(dòng)情況，將模型簡化為如圖7所示的模型。這樣不僅可以減少后面的仿真計(jì)算，也可以減少一些約束的添加，從而提高分析精度。

圖6　實(shí)際建立的模型圖

圖7　簡化后的模型圖

3.2賦予模型材料

確定馬鈴薯密度為1 100kg/m3，彈性模量為2×106，泊松比為0.25，輸送帶材料采用的是“Neoprene Rubber”(氯丁橡膠)。

3.3添加約束條件

設(shè)置輸送帶與馬鈴薯之間的摩擦因數(shù)為0.6，給馬鈴薯添加一豎直向下的重力，給輸送帶一傾斜向上的變參數(shù)速度值，同時(shí)堆積角度也設(shè)置為變參數(shù)值，約束后的狀況如圖8所示。

圖8　添加約束條件

3.4劃分網(wǎng)格

因馬鈴薯形狀不規(guī)則，采用的四面體劃分網(wǎng)格的方法，輸送帶則采用的六面體劃分網(wǎng)格法，劃分網(wǎng)格如圖9所示。

四面體劃分網(wǎng)格主要有兩種方法：TGRID算法與ICEM CFD Tetra算法?；赥GRID算法其主要特點(diǎn)是劃分網(wǎng)格以此從邊、面、體的順序劃分；劃分網(wǎng)格時(shí)都要考慮模型的面以及邊界，包括邊界層上網(wǎng)格的設(shè)置；同一個(gè)模型可以有不同的網(wǎng)格類型；適用于比較“干凈”的模型?；贗CEM CFD Tetra算法主要特點(diǎn)是劃分網(wǎng)格以此從模型的體、面、邊順序劃分；適用于比較“爛”的模型；模型的面以及邊界等的影響往往可能被忽略，對馬鈴薯的劃分采用的是ICEM CFD Tetra算法。

六面體劃分網(wǎng)格也稱為“Hex Dominant”網(wǎng)格劃分，算法是在外表面生成一個(gè)平面網(wǎng)格，然后經(jīng)過向內(nèi)拖拉形成塊或錐，最后再在內(nèi)部添加錐形的四面體網(wǎng)格，輸送帶則采用的六面體劃分網(wǎng)格法。

圖9　劃分后的網(wǎng)格

3.5求解計(jì)算輸出結(jié)果

根據(jù)理論計(jì)算得出的一定速度時(shí)的最大堆積角，來確定輸送帶的參變量速度與其對應(yīng)的最大堆積角，輸出結(jié)果如圖10所示。

圖10　輸出馬鈴薯相對滑動(dòng)的位移云圖結(jié)果

理論計(jì)算與仿真結(jié)果對比如表1所示。

表格中的誤差分析公式為

4結(jié)論

以馬鈴薯與輸送帶為研究對象，利用三維軟件SolidWorks、ANSYS Workbench有限元軟件分析軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，分別在輸送帶速度分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4m/s，堆積角相對應(yīng)分別為30°、29°、27°、24°、22°、19°時(shí),分析馬鈴薯相對滑動(dòng)的位移。分析結(jié)果表明：

1)輸送帶的速度過大時(shí)，其輸送裝置堆積角應(yīng)該相應(yīng)減小一些，這樣堆積角在一定范圍內(nèi)變化既能保證輸送效率，也能減少馬鈴薯相對滑動(dòng)的距離，從而減少馬鈴薯表皮的磨損。

2)經(jīng)過計(jì)算與仿真得出：堆積角調(diào)至到30°時(shí)，對應(yīng)的最佳輸送速度為0.4m/s。同理，堆積角調(diào)至29°、27°、24°、22°、19°時(shí)，對應(yīng)的最佳輸送速度分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4m/s。分析誤差范圍在2%～6%之間，理論上應(yīng)用該數(shù)據(jù)是可行的。

3)通過有限元模擬對分析馬鈴薯與輸送帶之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有著十分重要的意義，既避免了試驗(yàn)中輸送裝置繁瑣的角度調(diào)整與大量參數(shù)的測量，又能直觀地將結(jié)果以云圖形式呈現(xiàn)出來，便于取值分析。

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[2]屈冬玉,謝開云,金黎平,等.中國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2007(7):4-7.

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The Analysis between Dynamic Pile Angle and Transportation Speed on the Transportation Equipment of Potatoes

Cheng Pengfei1, Yu Wenqiang1, Li Xueqiang2, Sun Jun1

(1.School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000,China; 2.Leling Transce Engineering Machinery Co.,Ltd, Leling 253600,China)

Abstract：Currently, the output of potatoes in china is the first in the world,and starting a strategy of making potatoes become staple food either.However,China is still very much a semi-mechanization and labor force country.The mechanical design and optimization of the potato is still poor.While potatoes are being transported,the relationship between dynamic pile angle and transportation speed has an obvious influence on the rate of skin destruction.Analysis the relationship between the two factors and get the best combination by finite element software that has an important significance on the transportation efficiency, and can reduce the rate of skin destruction.

Key words：potatoes; dynamic pile angle; finite element; rate of skin destruction; transportation speed

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0095-05

中圖分類號(hào)：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：程鵬飛(1990-)，男，山東德州人，碩士研究生，(E-mail) 872989864@qq.com。通訊作者：于文強(qiáng)(1976-)，男，天津人，副教授，碩士，(E-mail) yyu2000@126.com，13581021304。

基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2015GNC112012)

收稿日期：2015-06-22