大蒜收獲機(jī)的設(shè)計與試驗研究

武 豐，王東偉，李瑞川，尚書旗

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

大蒜收獲機(jī)的設(shè)計與試驗研究

武 豐，王東偉，李瑞川，尚書旗

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

針對大蒜種植模式和農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種大蒜收獲機(jī)，并利用UGNX8.0建立三維模型，對挖掘裝置、夾持輸送裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行了進(jìn)一步研究。同時，設(shè)計了一種適用于大蒜收獲的梯形挖掘鏟，依據(jù)收獲方式確定其長度、寬度、入土角等關(guān)鍵參數(shù)，應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析，結(jié)果表明：設(shè)計的挖掘鏟所受的應(yīng)力與應(yīng)變都在材料所允許的安全范圍內(nèi)。對大蒜拔起時進(jìn)行受力分析，確定了最佳拔起的狀態(tài)的條件。在某大蒜生產(chǎn)基地進(jìn)行田間試驗，結(jié)果表明：挖掘鏟的漏果率為1.45%，傷果率為1.12%，損失率2.3%，滿足大蒜收獲的技術(shù)要求。

大蒜收獲機(jī)；挖掘鏟；夾持輸送裝置；有限元分析

0 引言

近幾年，我國大蒜的種植規(guī)模不斷增加，種植面積約占世界總種植面積的 1/3，產(chǎn)量約為世界產(chǎn)量的75%[1]。但目前大部分大蒜收獲主要依靠人工來完成，機(jī)械化程度過低，造成收獲過程生產(chǎn)效率低、勞動時間長、勞動強度大。收獲機(jī)械化技術(shù)的嚴(yán)重落后，已成為制約大蒜生產(chǎn)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)成長的主要瓶頸，亟待研制出適于我國農(nóng)藝要求的大蒜收獲機(jī)械[2-5]。

挖掘鏟作為大蒜收獲機(jī)的主要部件，其主要功能是將地表之下的大蒜鱗莖的周圍土壤盡量松碎，這就要求挖掘鏟應(yīng)當(dāng)具有較好的入土性能、松土效果及耐磨性，還要避免收獲機(jī)作業(yè)過程中發(fā)生壅土和纏草[6]。目前，我國大蒜收獲機(jī)械還處于發(fā)展階段，應(yīng)用在大蒜收獲機(jī)械上的挖掘鏟一般是在薯類作物挖掘鏟和深松機(jī)挖掘鏟的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，存在易傷果且挖掘不徹底等問題，對大蒜收獲的專用性和適應(yīng)性還有待提高。

挖掘鏟的結(jié)構(gòu)形狀和幾何參數(shù)對收獲機(jī)的挖凈率、破損率及損失率等有非常重要的影響。在大蒜的收獲過程中，挖掘鏟工作環(huán)境最為復(fù)雜，受到阻力最大，其所消耗的功率占到收獲機(jī)總功率消耗的50%以上[7-8]。因此，在挖掘部分的設(shè)計中，只有正確選取參數(shù)，才能使收獲機(jī)在工作時所受阻力最小，且能保證完成碎土工作和切斷大蒜根須工作的順利完成，并提高生產(chǎn)率。本文在農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種與四輪拖拉機(jī)配套的大蒜收獲機(jī)，應(yīng)用ANSYS軟件對主要受力部件挖掘鏟進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析，在某大蒜試驗基地進(jìn)行裝機(jī)試驗，通過對結(jié)果的分析，不斷進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對其適應(yīng)性、可靠性等進(jìn)行深入、系統(tǒng)的后續(xù)研究。

1 大蒜收獲機(jī)的整體結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的大蒜收獲機(jī)主要由拖拉機(jī)、傳動系統(tǒng)、扶禾裝置、挖掘裝置、夾持輸送裝置、清土裝置及對外輸送鋪放裝置等部件組成，可以一次完成大蒜的扶禾、破膜、挖掘、夾持輸送、去土及田間鋪放等功能，如圖1所示。

1.扶禾器 2.破膜刀 3.挖掘裝置 4.夾持輸送裝置 5. 橫向擺拍式清土裝置 6.液壓提升裝置 7.條鋪裝置圖1 大蒜收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of garlic harvesting machine

具體工作過程為：由四輪拖拉機(jī)提供行走和工作動力，收獲機(jī)由挖掘鏟、扶禾器、傳送皮帶、清土抖動裝置、機(jī)架及其相應(yīng)部件組成。作業(yè)時，拖拉機(jī)帶動收獲機(jī)前進(jìn)，扶禾器把所要收獲的那行大蒜的秧葉扶起，并向內(nèi)集中引導(dǎo)至夾持輸送的喂入口，挖掘鏟在液壓裝置及自身質(zhì)量的作用下進(jìn)行切土使大蒜周圍的土壤松碎；夾持輸送帶將夾住的大蒜拔起向后輸送，在傳輸?shù)倪^程中由橫向擺拍去土裝置實現(xiàn)大蒜與黏附的土壤分離；大蒜繼續(xù)向后輸送在鋪放裝置的柵條上滑落到地面，既降低了大蒜從高處直接拋落時的碰撞損傷，又利于大蒜在田間有序鋪放；最后，完成了大蒜的收獲過程。

2 挖掘裝置的設(shè)計

2.1 挖掘裝置的結(jié)構(gòu)形式

結(jié)合大蒜的種植方式與生長特性及收獲機(jī)結(jié)構(gòu)，挖掘鏟設(shè)計為對稱式多邊形傾斜平面挖掘鏟形式，包括鏟柄和挖掘鏟，鏟面為梯形形狀，如圖2所示。由于1次收獲1行大蒜，而挖掘鏟要完成1次鏟松土壤和切斷根須的過程。為了使拔起過程順利，該對稱式挖掘鏟的鏟面寬度需要大于種植兩行大蒜間的有效寬度，對稱鏟之間的距離要小于兩行大蒜之間的距離[9]。挖掘鏟與鏟柱連接在一起，并有一定的間隙角度和入土角度，從而滑切入土，以減少阻力及壅土。

圖2 挖掘裝置的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of digging part

2.2 挖掘鏟工作參數(shù)的確定

挖掘鏟的外形尺寸是影響機(jī)器工作性能的重要參數(shù)，只有正確地選取參數(shù)，才能使機(jī)器在工作時受到的阻力最小，又能保證完成碎土工作和切斷大蒜根須工作的順利完成，且提高生產(chǎn)率。

2.2.1 挖掘鏟寬度的確定

考慮到大蒜的種植模式和株距、行距，在保證把大蒜都挖出來的前提下盡可能少地挖掘起多余的土壤，減少能耗。兩挖掘鏟鏟面寬度為

S=D+W+Cn+C1

其中，D為大蒜種植行距；W為大蒜常態(tài)分布偏差寬度；Cn為大蒜種植行株偏差距離；C1為收獲機(jī)行進(jìn)偏差。

大蒜的種植行間距為D=160mm，經(jīng)試驗測定W=3σ=27mm，σ=9mm，Cn=9mm，C1=40mm，計算得到鏟面寬度為S=236mm。受起壟的影響取兩挖掘鏟的最大寬度為250mm。

2.2.2 挖掘鏟長度的確定

挖掘鏟的挖掘深度主要由大蒜的生長深度決定， 我國大蒜的生長深度一般為30～50mm，為了避免挖掘鏟傷到大蒜鱗莖，挖掘裝置的挖掘深度應(yīng)大于大蒜的生長深度，并針對不同的大蒜種類進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，可調(diào)深度范圍在0～170mm。

挖掘鏟的長度為

其中，H為大蒜的挖掘深度；α為入土角。

由挖掘鏟的長度計算公式，取挖掘深度H為150mm，當(dāng)大蒜收獲機(jī)的入土角α在15°～30°之間時，挖掘鏟的長度范圍為300～580mm。為了確定挖掘鏟的長度，需要對入土角α做進(jìn)一步研究。

2.2.3 入土角α的選定

入土角α是由挖掘鏟工作面與水平面之間的夾角，是決定機(jī)器工作質(zhì)量的另一重要參數(shù)。α過小，導(dǎo)致挖掘鏟無法順利入土，挖掘鏟底部摩損嚴(yán)重，使用壽命大大降低；α過大，挖掘鏟入土較深，會出現(xiàn)翻土現(xiàn)象[10]。大蒜收獲機(jī)在工作時，對挖掘鏟進(jìn)行受力分析，如圖3所示。

圖3 挖掘鏟工作時的受力簡圖Fig.3 The stress analysis of digging shovel

作用在挖掘鏟上的力有如下關(guān)系，即

Fcosα-Gsinα-Ff=0

FN-Fsinα-Gcosα=0

Ff=μFN

由以上3個公式可得到入土角α的表達(dá)式為

其中，F(xiàn)為挖掘鏟掘起土壤所需要的作用力(N)；G為鏟上土壤自重(N)；FN為土壤受到的鏟的反作用力(N)；Ff為土壤所受沿鏟面的摩擦力(N)；μ為土壤與鏟的摩擦因數(shù)(N/cm2)。

挖掘鏟受到的牽引力為

Fc=ASρtan(α+φ)+KA+KpG2

F=Gtan(α+φ)=ASρgtan(α+φ)

其中，S為梯形鏟的寬度；A為沉切土壤的面積；K為挖掘土壤的比阻；ρ為土壤的密度；Kp為鏟面受土壤在前進(jìn)方向上的阻力系數(shù)；G2為鏟面上掘起物的重力；KA為收獲機(jī)破碎土壤所需要的力；KpG2為收獲機(jī)行進(jìn)中克服的阻力。

3 夾持輸送裝置的設(shè)計

夾持輸送裝置在整個收獲過程中起著至關(guān)重要的作用，它將挖掘起來的大蒜的秧葉夾持好并拔出，同時斜向上傳輸大蒜使其正確進(jìn)入到蒜土分離裝置。夾持輸送裝置由帶輪、張緊裝置、傳送皮帶及安裝支架等組成，如圖4所示。其中，夾持輸送帶選用軟質(zhì)橡膠材料的異型帶，既能保證足夠的力度將莖葉充分夾持，又不會將大蒜秧葉夾斷。異型帶內(nèi)側(cè)呈等腰梯形的凸起帶嵌入帶輪的輪槽中，可以有效地防止在帶輪連續(xù)的工作的時候，夾持帶脫離帶輪,同時還起到增大接觸面積、增加摩擦力的作用。

圖4 夾持裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of clamping conveying device

大蒜秧葉被夾持后進(jìn)行拔起的最佳受力條件是：沿著大蒜生長的中心方向施加向上的拔起力。這樣可以使拔起力最小，并且不易拔斷大蒜。向上的拔起力的方向要與斜向上的夾持輸送帶的絕對速度方向一致，可以通過機(jī)器行駛的速度、夾持輸送帶的相對傳送速度和夾持輸送帶的傾角進(jìn)行求解。由于受到挖掘鏟推力的作用，大蒜植株在被拔起前會隨被挖掘起的土垡的翻滾方向向前傾斜一個角度，大蒜的中心也會隨之偏轉(zhuǎn)一定的角度。所以，若要達(dá)到最佳拔起的狀態(tài)，應(yīng)該保證滿足的條件如圖5所示。

圖5 大蒜拔起示意圖Fig.5 The diagram Garlic of diagram pulling

由三角形定理可得

η+λ=90°

聯(lián)立以上兩式得

其中，Va為夾持帶的絕對速度；Vr為夾持帶相對速度；Vm為收獲機(jī)行進(jìn)速度；θ為夾持帶與地面的傾角；λ為大蒜植株的前傾角度(一般取5°～10°)；η為大蒜拔起方向與行走速度夾角。

4 有限元仿真分析

大蒜收獲機(jī)工作時，挖掘鏟受到的應(yīng)力和變形等各種力產(chǎn)生條件比較復(fù)雜，取入土角α為15°、20°、25°、30°時，利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析。

4.1 定義材料屬性與劃分單元

大蒜收獲機(jī)實際工作環(huán)境比較復(fù)雜，要求挖掘鏟要有較好的抗變形性和耐磨性[11]。挖掘鏟選取的材料為45鋼，屈服強度為355MPa。本研究的挖掘鏟只有一種材料屬性，只需要定義其彈性模量和泊松比即可[12-13]。查閱資料可知：密度為7 890kg/m3，彈性模量E為2.09×1011，泊松比為0.3。所設(shè)計的挖掘鏟為具有一定厚度的零件模型，所以在ANSYS單元庫里的單元類型設(shè)置為Solid—45，網(wǎng)格劃分采用Free自由網(wǎng)格，并對重要工作部位進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化，以保證分析的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分Fig.6 The finite element meshing

4.2 施加約束與載荷

梯形挖掘鏟通過螺栓與鏟柱聯(lián)接，所以對鏟面上的兩個螺栓孔施加固定約束，限制此處的轉(zhuǎn)動和移動自由度。本文梯形鏟加載載荷的深度取170mm，由計算可知梯形鏟的所受到的最大阻力約為2 000N，利用幾何關(guān)系，將其按照一定角度等效細(xì)分并加載到受力截面。

4.3 結(jié)果與分析

挖掘鏟的入土角度對于挖掘鏟的入土性能和挖掘阻力有著非常重要的影響[14]。本文模擬深松鏟真實工作情況，分別選取10°、15°、20°、25°、30°等5個入土角度進(jìn)行靜應(yīng)力分析得到挖掘鏟的應(yīng)力圖和變形云圖。

圖7 挖掘鏟的受力云圖Fig7 Stress cloud image of digging shovel表1 不同入土角度時挖掘鏟的受力值Table 1 The stress value of digging shovel from different penetrating angles

入土角度/(°)最小應(yīng)力/MPa最大應(yīng)力/MPa10022.3

續(xù)表1

圖8為梯形鏟應(yīng)變云圖，表2為梯形鏟應(yīng)變值。分析發(fā)現(xiàn)：梯形鏟的受力后工作刃面變形較大，最大變形量出現(xiàn)在鏟尖處；同時隨著入土角度的變大，梯形鏟的變形就越大，最大變形量為0.050 6mm，相對于整個鏟的尺寸可以忽略不計，變形量在允許的范圍內(nèi)。

圖8 挖掘鏟的應(yīng)變云圖Fig.8 The displacement contour plot of digging shovel表2 不同入土角度時挖掘鏟受力變形值Table 2 The displacement value of digging shovel from

different penetrating angles

入土角度/(°)最小變形量/mm最大變形量/mm1000.03151500.03042000.037325°00.04413000.0506

綜合考慮到挖掘鏟鏟的入土性能和受力情況，取入土角α為20°，于是得到挖掘鏟的長度為438mm。

5 田間試驗

2016年8月，在山東省文登市某大蒜試驗基地對設(shè)計的梯形挖掘鏟進(jìn)行田間試驗，該試驗田的大蒜種植模式為1壟4行，株距為80mm，行距為160mm，壟距600mm，壟高80mm，土壤濕度21.6%，土壤硬度25.4kPa。

梯形挖掘鏟檢測的主要性能包括大蒜的傷果率、漏果率及損失率等。在試驗中，大蒜收獲的傷果率、漏果率等性能指標(biāo)為

其中，η1為漏果率；η2為傷果率；N1為大蒜漏挖量；N2為大蒜損傷量。

大蒜收獲機(jī)每次試驗行走速度為0.75m/s，挖掘深度為150mm，重復(fù)試驗5次，每次行走距離為20m。統(tǒng)計每次試驗內(nèi)的大蒜總個數(shù)及試驗結(jié)束后的漏挖、損傷的大蒜數(shù)量，將5組的數(shù)據(jù)運用算術(shù)平均公式計算，則

試驗結(jié)果實測平均值如表3所示。

表3 大蒜收獲機(jī)的田間試驗結(jié)果

6 結(jié)論

1)對設(shè)計的挖掘鏟建立了受力模型，確定了挖掘鏟主要技術(shù)參數(shù)，并利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明：挖掘鏟隨著入土角度的增加，其變形量和工作阻力增大，隨著入土角度的減小其變形量和工作阻力也隨之降低。受牽引阻力時，梯形挖掘鏟的變形主要發(fā)生在工作刃上，尤其是鏟尖；應(yīng)力主要集中在與鏟柄連接的兩個螺栓孔處。梯形鏟的最大應(yīng)力和變形值均在所選材料的允許范圍內(nèi)，即45鋼結(jié)構(gòu)的強度、剛度能夠滿足梯形鏟的設(shè)計和使用要求。

2)田間實驗結(jié)果表明：挖掘鏟的傷果率1.12%，漏果率1.45%，損失率2.3%，均小于大蒜收獲的技術(shù)要求；收獲效率為0.25hm2/h，約為人工收獲的15～20倍。

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Design and Experimental Study no Garlic Harvesting Machine

Wu Feng, Wang Dongwei, Li Ruichuan, Shang Shuqi

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

According to the cultivation pattern and agronomic requirement of garlic, a kind of garlic harvester was designed, established three-dimensional model by UGNX8.0 software and did further research on digging device, holding and conveying mechanism. A kind of trapezoidal digging shovel was designed for the harvesting garlic. To determine the length, width and penetration angle etc. key parameters based on the harvest requirements and using the ANSYS software to conduct finite element analysis. Analysis results show that: the stress and strain of the digging shovel are allowed in the material. To analyze the stress of garlic pulled up , determine the best condition of pulling up. A field experiment was carried out in a garlic production base, the experiment results show that: The leakage rate was 1.45%, the injury rate is 1.12%, the loss rate of 2.3%,which meet the technical requirements of garlic harvest.

garlic harvesting machine; digging shovel; holding and conveying mechanism; finite element analysis

2016-09-19

山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目(2016YF044)；青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新計劃項目(QYC201526)

武 豐(1989-)，男，山東曹縣人，碩士研究生， (E-mail)wufeng692@126.com。

王東偉(1981-)，男，山東泰安人，副教授，(E-mail)W88030661@163.com。

S225.92

A

1003-188X(2017)12-0089-05