連桿自鎖式花生拔采機(jī)的設(shè)計(jì)與有限元分析

李 競，畢 偉，蘆 迪，黎毓鵬，許海浪

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004 )

連桿自鎖式花生拔采機(jī)的設(shè)計(jì)與有限元分析

李 競，畢 偉，蘆 迪，黎毓鵬，許海浪

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004 )

設(shè)計(jì)了一種連桿自鎖式花生拔采機(jī)，可實(shí)現(xiàn)花生機(jī)械化拔起采摘的功能。通過對個體農(nóng)戶人工采摘花生現(xiàn)狀的分析，給出了花生拔起動作和采摘工藝流程，設(shè)計(jì)出一種適合大面積花生拔起采摘機(jī)，利用UG建立三維模型導(dǎo)入ADAMS和MATLAB進(jìn)行仿真，并利用ANAYS進(jìn)行有限元分析，最后進(jìn)行研制。該拔起采摘機(jī)可以高效完成花生拔起采摘動作，關(guān)鍵部件滿足強(qiáng)度和剛度要求，并能適應(yīng)花生在播種過程中存在的直線誤差問題，實(shí)現(xiàn)了多自由度的拔采，對提高大面積花生采摘效率、減少勞動強(qiáng)度具有重要意義。

花生拔采機(jī)；連桿自鎖式；有限元分析；ANAYS

0 引言

花生是一種具有良好食用價值、藥物價值及食療價值的農(nóng)作物，需求量極大。當(dāng)前的拔采工作在個體農(nóng)村戶中都是以人工的方式進(jìn)行，其工作量和勞動強(qiáng)度都是十分巨大，且單人的勞動效率不高。由于工作條件與工作強(qiáng)度的雙重問題，農(nóng)民極易發(fā)生各種不適的反映，甚至因此烙下病根。為解決上述問題，本文提出一種連桿自鎖花生拔采機(jī)。為使該機(jī)結(jié)構(gòu)合理、輕巧牢固、操作方便，需引進(jìn)更加合理、先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。因此，利用UG建立三維模型，將模型導(dǎo)入基于虛擬樣機(jī)技術(shù)平臺上進(jìn)行仿真與分析，在未真正生產(chǎn)出真實(shí)的物理樣機(jī)之前就對其進(jìn)行仿真模擬，提前知道產(chǎn)品的各種性能，并利用ANAYS對重要零件進(jìn)行剛度和強(qiáng)度分析，驗(yàn)證其是否滿足工作要求，防止各種設(shè)計(jì)缺陷的存在，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以改善其工作性能，并提高其可靠性。最后，進(jìn)行了機(jī)器的研制和試地試驗(yàn)，結(jié)果表明：連桿自鎖花生拔采機(jī)可以高效地完成花生簇拔起采集動作，能適應(yīng)花生在播種過程中存在的直線誤差問題，實(shí)現(xiàn)了多自由度的拔采，對提高大面積花生采摘效率、減少勞動強(qiáng)度具有重要意義。

1 工作原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 連桿自鎖式花生拔采機(jī)的工作原理

花生拔采機(jī)為半機(jī)械化機(jī)械，其主要動力是來自于人力。該機(jī)械在田地的行走機(jī)構(gòu)靠人力推動，到達(dá)一簇花生的位置后操縱手桿，四連桿帶動剪叉機(jī)構(gòu)使得夾具收攏，最終夾緊花生簇。為了提高可提供的拔采的摩擦力和拔采過程中出現(xiàn)因花生桿變形過大斷裂的現(xiàn)象，在夾具的前端與花生桿直接接觸的地方套有橡膠套。在夾具夾緊花生桿后，用過壓旋轉(zhuǎn)手桿式的夾具繞著支撐板的中心向上旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)花生的拔采動作。在花生種植的過程中，由于是人工種植，單行花生簇的所在位置不在一條直線上，相似于波浪線，為增加花生拔采機(jī)的適應(yīng)性，可通過在水平方向旋轉(zhuǎn)手桿實(shí)現(xiàn)夾具在水平方向有一定的擺動范圍。為適應(yīng)使用者的自身高度，可以松開固定螺釘調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)手桿與調(diào)節(jié)螺桿的相對位置，以實(shí)現(xiàn)花生拔采機(jī)的高度可調(diào)性，增加對使用者的適應(yīng)性。

1.2 桿自鎖式花生拔采機(jī)主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

連桿自鎖式花生拔采機(jī)包括行走機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)及連桿自鎖機(jī)構(gòu)，利用UG建立三維模型，如圖1所示。

2 連桿自鎖式花生拔采機(jī)的運(yùn)動學(xué)分析

2.1 花生力學(xué)性能分析

在花生采摘的過程中，拔采機(jī)通過夾緊花生簇的莖部將花生簇拔起，花生簇在被夾緊和拔起的過程中主要受到剪切力和拉伸力的作用。此過程采摘的成功率和花生損壞率一直是收獲的主要問題，剪切力和拉伸力對采摘成功率和花生損壞率產(chǎn)生直接影響。對花生莖、根進(jìn)行力學(xué)性能的試驗(yàn)和分析，可為夾持機(jī)構(gòu)對夾緊花生的夾緊力和拉伸力的確定提供理論依據(jù)。

花生力學(xué)性能主要體現(xiàn)在組織含量和纖維含量，莖纖維致密可以更好承受拉伸力和剪切力?；ㄉo稀疏的部位在拔起過程中容易被折斷，容易造成較大的收獲損失。為此，利用深圳鑫三硅檢測有限公司制造的萬能試驗(yàn)機(jī)(模型：ctm-4503；規(guī)格：5 kN；精度等級：0.5級)對花生莖節(jié)點(diǎn)的位置的拉伸阻力和剪切力進(jìn)行測試，部分結(jié)果如表1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Physical picture表1 花生莖的拉伸應(yīng)力和剪切力的部分試驗(yàn)結(jié)果

樣本件號采摘時間/天莖固有含水量/%夾持高度/mm臨界張力/N臨界剪切力/N1148.7343.629.1423.432446.37120.732.6025.763839.94216.439.7328.9341226.74116.154.1437.16

續(xù)表1

利用MatLab擬合工具箱，擬合出最大拉伸力Ft與時間t的關(guān)系為

Ft=-0.0706t2+3.1469t+19.157

(R2=0.8415,Sig.=0.015478)

最大剪切力Fs與時間t的關(guān)系為

Fs=-0.0614t2+2.8461t+31.158

(R2=0.8724,Sig.=0.01749)

假設(shè)花生在最佳收獲期被采摘，此時花生的固有含水量較高，莖節(jié)點(diǎn)和根節(jié)點(diǎn)的抗拉和抗剪性能達(dá)到最高，根據(jù)花生莖的力學(xué)模型得

Fmax=[σ]·S(S=πd2/4)

2.2 連桿自鎖式花生拔采機(jī)夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

將三維模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行加持機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真，得到夾持機(jī)構(gòu)左右夾具4個極點(diǎn)A、B、C、D的位移曲線。將仿真結(jié)果導(dǎo)出MatLab中，得到總體運(yùn)動軌跡：一是單次夾具有效夾緊范圍；二是夾具夾緊位置在水平方向的旋轉(zhuǎn)范圍。

2.2.1 連桿自鎖式花生拔采機(jī)單次有效范圍分析

將夾緊過程仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入MatLab 進(jìn)行分析，可得到夾具有效范圍圖如圖2所示。

圖2 花生拔采機(jī)單次夾具有效范圍圖Fig.2 Peanut mining machine single fixture range diagram

如圖2可知：其封閉曲線的所圍成的封閉圖形即為花生拔采機(jī)的單次夾具有效范圍，有效范圍面積約為312mm2。這說明，其范圍相對一簇花生所占面積大得多，是可行的。

2.2.2 連桿自鎖式花生拔采機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)范圍分析

將兩個極限位置仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入MatLab 進(jìn)行分析，得到該機(jī)械工作部分在水平面上的旋轉(zhuǎn)范圍圖如圖3所示。

圖3 花生拔采機(jī)極限位置圖Fig.3 Peanut mining machine limit position diagram

由圖3可知：花生拔采機(jī)工作部分可使得夾緊位置左右旋轉(zhuǎn)9.5°，則其水平旋轉(zhuǎn)范圍為19°，對于因種植過程中導(dǎo)致的花生簇不再同一直線上的誤差有足夠的適應(yīng)度。

3 連桿自鎖式花生拔采機(jī)的有限元分析

3.1 導(dǎo)入三維模型和建立材料屬性

將用UG建立的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys Workbench16.2中，設(shè)定材料為45鋼，其彈性模量為2.1e11MPa，泊松比為0.3，通過Workbench的Engineering Data模塊進(jìn)行材料屬性編輯。

3．2 劃分網(wǎng)格和設(shè)置連接

首先通過size功能定義網(wǎng)格尺寸，采用六面體和四面體兩種方法分別對不同的部件進(jìn)行劃分，最終的有限元網(wǎng)格模型如圖4所示。其網(wǎng)格總數(shù)為87 626，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為427 258。對整個機(jī)構(gòu)添加完整的零件接觸約束，包活滑動副、轉(zhuǎn)動副以及固定副。模型如圖4所示。

圖4 花生拔采機(jī)有限元模型Fig.4 Peanut mining machine finite element model

3.3 施加載荷

拔采機(jī)加載花生莖節(jié)點(diǎn)上的作用力為夾持力及拉力，因此花生莖節(jié)點(diǎn)對花生拔采機(jī)的反作用力為：在拔起過程中，花生對機(jī)器豎直向下的反作用力經(jīng)試驗(yàn)計(jì)算為64.76N；另一種是機(jī)器夾緊花生莖節(jié)點(diǎn)時所受花生的反作用為45.25N。

3.4 有限元計(jì)算結(jié)果分析

經(jīng)有限元計(jì)算，最終的結(jié)果如圖5所示。

圖5 花生拔采機(jī)等效應(yīng)力云圖Fig.5 Equivalent stress cloud of peanut mining machine

3.4.1 夾持機(jī)構(gòu)有限元結(jié)果分析

夾持機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖6所示。經(jīng)有限元計(jì)算，夾持機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為311.77MPa，小于45鋼的屈服強(qiáng)度385MPa；最大應(yīng)變?yōu)?.001 75mm/mm，小于許用應(yīng)變。因此，夾持機(jī)構(gòu)滿足剛度和強(qiáng)度要求。

圖6 夾持機(jī)構(gòu)等效應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.6 Equivalent stress and deformation cloud of clamping mechanism

3.4.2 連桿自鎖機(jī)構(gòu)有限元結(jié)果分析

連桿自鎖機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖7 連桿自鎖機(jī)構(gòu)等效應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.7 Equivalent stress and deformation cloud of rod self-locking mechanism

經(jīng)有限元計(jì)算，連桿自鎖機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為198.4MPa，小于45鋼的屈服強(qiáng)度385MPa；最大應(yīng)變?yōu)?.000 995mm/mm，小于許用應(yīng)變。因此，連桿自鎖機(jī)構(gòu)滿足剛度和強(qiáng)度要求。

4 連桿自鎖式花生拔采機(jī)的研制和實(shí)際測試

4.1 連桿自鎖式花生拔采機(jī)的研制

通過分析可知，花生拔采機(jī)具有良好的工作可靠性及良好的適應(yīng)性，可運(yùn)用仿真過程中個零件尺寸進(jìn)行試制與實(shí)驗(yàn)。花生拔采機(jī)實(shí)物拍攝圖8所示。

圖8 花生拔采機(jī)實(shí)物拍攝圖Fig.8 Peanut mining machine photo graph

4.2 試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)對象及條件

選用南寧市宏利花生種植農(nóng)民專業(yè)合作社種植的花生，品種為粵選58號，土壤類型為沙壤土，種植形式為平作，行距為300mm,株距平均為180mm,平均株高為380mm,結(jié)果深度為50～120mm。

4.2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

試驗(yàn)指標(biāo)包括生產(chǎn)率、花生秧含土率、果實(shí)損失率、收獲寬幅，根據(jù)《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—花生收獲機(jī)作業(yè)質(zhì)量》(NY/7502-2002)進(jìn)行測定。

1)生產(chǎn)率的測定。測出拔采機(jī)收獲花生果的質(zhì)量，按照E=W/T進(jìn)行計(jì)算 。其中，E為生產(chǎn)率；W為采集的果實(shí)重量；T為純工作時間。

2)花生秧含土率。測定收獲花生秧的質(zhì)量和花生秧上土壤的質(zhì)量，按照H=Mt/M進(jìn)行計(jì)算。其中，Mt為所含土壤的質(zhì)量，M為花生秧的質(zhì)量。

3)果實(shí)損失率。測定收獲花生果實(shí)的總質(zhì)量和破損花生果實(shí)的質(zhì)量，按照S=Ms/M進(jìn)行計(jì)算。其中，MS為破損花生果實(shí)的質(zhì)量；M為收獲花生果實(shí)的總質(zhì)量。

4.2.3 結(jié)果與分析

花生拔采機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由性能考核技術(shù)參數(shù)可知：該拔采機(jī)作業(yè)性能較好，生產(chǎn)率為102kg/h，花生秧含土率為14.8%，果實(shí)損失率為3.6%，均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY/7502-2002，滿足生產(chǎn)要求。

表2 性能考核技術(shù)參數(shù)

5 結(jié)論

通過仿真、有限元結(jié)果分析及試驗(yàn)可知：花生拔采機(jī)關(guān)鍵部件滿足強(qiáng)度和剛度要求，具有良好的工作可靠性和良好的適應(yīng)性；實(shí)際的工作效率較高，技術(shù)參數(shù)均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；在滿足農(nóng)民個體戶生產(chǎn)效率的同時減少勞動力和勞動強(qiáng)度，可實(shí)現(xiàn)花生拔采工作的半人力半機(jī)械化的目標(biāo)。

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Design and Finite Element Analysis of Connecting Rod Self-locking Peanut Mining Machine

Li Jing, Bi Wei, Lu Di, Li Yupeng， Xu Hailang

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Objective Design and research a connecting rod self-locking peanut mining machine to achieve function of pulling up peanut to picking mechanically. Methods Through the analysis on the current status of artificial picking peanut for individual farmers, the technological process of picking and the action of pulling up was analyzed, a peanut mining machine fitting for large area peanut was designed. Using UG to establish a three-dimensional model and using ANAYS to carry out finite element analysis, the machine is tested finally. Results The machine can efficiently complete the picking action of the peanut. Conclusion this machine has good adaptability, implementation of mining multi degree of freedom with a wide range of purposes, realizing the peanut mining work do pull machine. To improve the efficiency of large areas of peanut harvesting, reduce labor intensity is of great significance.

peanut mining machine; connecting rod self-locking; finite element analysis; ANAYS

2016-10-13

廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(15-14030S007)；廣西大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510593004)

李 競(1972-)，女，廣西桂林人，副教授，(E-mail)57284114@qq.com。

黎毓鵬 (1971-)，男，廣西桂平人，工程師，(E-mail)1535868481@qq.com。

S225.7+3

A

1003-188X(2017)12-0048-05