馬鈴薯收獲機升運帶塊莖運動碰撞分析

王興東，文懷賢，曾 鏞，謝松良

(1.武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院，武漢 430080；2.湖北農(nóng)知鮮農(nóng)業(yè)有限公司，湖北 荊門 448000)

馬鈴薯收獲機升運帶塊莖運動碰撞分析

王興東1，文懷賢1，曾 鏞1，謝松良2

(1.武漢科技大學(xué) 機械自動化學(xué)院，武漢 430080；2.湖北農(nóng)知鮮農(nóng)業(yè)有限公司，湖北 荊門 448000)

升運帶運行參數(shù)(激振頻率和幅度)是影響其工作性能的最重要的參數(shù)。為尋求升運帶最佳運行參數(shù)，達到提高塊莖脫泥效果并減少損傷的目的，對單個馬鈴薯塊莖在升運帶上的輸送過程進行了模擬，分析了升運帶運行參數(shù)對塊莖碰撞效果的影響規(guī)律?；诜治鼋Y(jié)果，對塊莖脫泥效果提出的一套評價方法，即碰撞次數(shù)多且塊莖表皮碰撞點分布均勻時塊莖的脫泥效果好，碰撞力低于碰撞損傷力時塊莖損傷機率較小。研究結(jié)果表明：在所研究的激振頻率和幅度的范圍內(nèi)，隨頻率和幅度的增加，塊莖碰撞力增大，同時塊莖碰撞次數(shù)減少且碰撞點分布更均勻。最后，得到了有利于塊莖脫泥且塊莖損傷機率低的升運帶運行參數(shù)，為升運帶的設(shè)計提供了量化性的評價體系。

馬鈴薯收獲機；升運帶；塊莖碰撞；脫泥評價

0 引言

桿條式抖動升運帶是馬鈴薯收獲機上進行含薯土垈運輸及土薯分離工作的輸送分離裝置，其運行參數(shù)直接影響收獲機的傷薯率、明薯率等收獲機行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是薯類收獲機械最重要的技術(shù)參數(shù)。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對輸送分離裝置上的物料運動進行了一定的研究。張健[1]仿真出了不同升運帶參數(shù)下馬鈴薯的位移和加速度。王成軍等[2]分析了棉籽顆粒在振動分離裝置上的運動規(guī)律，并認(rèn)為增加裝置X和Y方向的振動時會增加物料的篩分效率。李洪昌等[3]為了提高振動分離裝置的透篩效率并減少清選損失，分析了篩分裝置的運動學(xué)參數(shù)對物料運動的影響。王冰等[4]為改進升運器對甘薯的損傷，探究了升運器在輸送過程中產(chǎn)生損傷的原因并提出了減少損傷的改進措施。M. Bentini[5]、 J Chiputula[6]等現(xiàn)場試驗了機械部件對馬鈴薯損傷的影響。

學(xué)者們[1-10]大多針對剛性物料在輸送分離裝置上的運動進行了探討，但馬鈴薯塊莖大多是非球形的柔性體，其輸送過程中有翻轉(zhuǎn)、拋擲等運動狀態(tài)；同時，由于升運帶篩面是由兩根柔性同步帶搭載，振動規(guī)律復(fù)雜，所以針對柔性物料在具有柔性特征的輸送分離裝置上運動研究未見相關(guān)文獻。

本文針對單個橢球形的柔性體馬鈴薯塊莖，分析了塊莖在升運帶上的運動情況。為預(yù)估塊莖脫泥效果和損傷率，對塊莖碰撞效果提出一種評價方法；并基于該評價方法，對升運帶不同激振頻率和幅度時馬鈴薯塊莖的輸送過程進行模擬分析，探討了升運帶運行參數(shù)對塊莖碰撞效果的影響規(guī)律。

1 升運帶結(jié)構(gòu)及建模

升運帶主要由同步帶、抖動輪、桿條等部件組成，如圖1所示。

圖1 升運帶結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Mechanism diagram of elevator belt

升運帶的工作面是由若干等間距的桿條組成的一個連續(xù)移動的篩面，桿條鉚接在兩根平行同步帶上，并隨著同步帶一起運動。抖動輪轉(zhuǎn)動時對同步帶產(chǎn)生激振作用，使篩面不斷上下振動。抖動輪將同步帶頂起的最大高度為抖動輪激振幅度，每秒激振次數(shù)為抖動輪激振頻率。

按照升運帶機械結(jié)構(gòu)尺寸建立其三維簡化模型，以帶輪的中心線平面為水平面，升運帶模型的篩面尺寸約為1 400mm×600mm，桿條間隙為28mm，桿條直徑為10mm。

2 塊莖運動仿真分析

本文利用ADAMS動力學(xué)分析方法[11-13]，以單個橢球形馬鈴薯塊莖為研究對象，不考慮其他雜余，對馬鈴薯塊莖在升運帶上的輸送過程進行模擬。針對大西洋品種的小中大3種尺寸塊莖，建立塊莖模型，塊莖模型尺寸[14]設(shè)置如表1所示。塊莖物理參數(shù)[15]分別為泊松比0.4，彈性模量5.37MPa，密度1.12×10-3g/mm3?？紤]到塊莖在碰撞的過程中會發(fā)生形變，故將模擬分析中的塊莖模型建成柔性體。

表1 馬鈴薯塊莖模型尺寸

馬鈴薯塊莖前頂點向上，長軸與水平面成30°角、逆時針旋轉(zhuǎn)60°與桿條成30°角，在升運帶上方100mm以平行于水平面的初速度平拋至升運帶上，升運帶驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速為1.1r/s。馬鈴薯收獲機的收獲效率約0.13～0.2hm2/h，故可估算馬鈴薯塊莖平拋初速度約為400mm/s。

圖2表示大塊莖分別以200、400、600mm/s初速度平拋后質(zhì)心垂直位移曲線，圖3表示3種不同尺寸的塊莖以400mm/s的速度平拋后質(zhì)心垂直位移曲線；圖4表示大塊莖以400mm/s的速度平拋后塊莖長軸頂點、塊莖質(zhì)心和平拋時塊莖下方的桿條質(zhì)心垂直位移曲線。A1～A6點是塊莖開始周期性隨著篩面一起上升，并隨后被拋擲的起點。從圖2、圖3和圖4可以看出：

1)不同初速度的大塊莖質(zhì)心在垂直位移曲線上基本一致，所以在本文研究的初速度范圍內(nèi)，平拋初速度對塊莖質(zhì)心垂直位移影響不明顯。

2)不同大小塊莖質(zhì)心在垂直位移曲線波動次數(shù)大致相同，但波動幅度有一定的差異，所以塊莖大小對其質(zhì)心垂直位移存在一定的影響。

3)塊莖在升運帶上垂直運動呈現(xiàn)一定的周期性。在A2、A4、A5和A6點之后塊莖與桿條的距離增大，塊莖被拋離篩面，隨后兩者距離急劇減小，塊莖與桿條碰撞；塊莖質(zhì)心和塊莖長軸頂點的位移差不斷變化，塊莖運動過程中不斷翻轉(zhuǎn)。

圖2 不同初速度大塊莖質(zhì)心垂直位移曲線Fig.2 Vertical displacement of big tuber centroid with different initial velocity

圖3 不同大小塊莖質(zhì)心垂直位移曲線Fig.3 Vertical displacement of tuber centroid of different sizes

圖4 大塊莖長軸頂點、大塊莖質(zhì)心和桿條質(zhì)心垂直位移Fig.4 Vertical displacement of major axis vertex, centroid of big tuber and rob-link centroid

3 升運帶運行參數(shù)對塊莖碰撞影響分析及碰撞效果評價

隨著抖動輪激振頻率和激振幅度等運行參數(shù)的不同，升運帶上塊莖的運動狀態(tài)會發(fā)生改變，從而影響塊莖碰撞效果。本文分別對升運帶不同運行參數(shù)進行模擬研究，并對塊莖碰撞效果提出了一種評價方法，以選擇最有利于塊莖脫泥并減少塊莖損傷的運行參數(shù)。

3.1 升運帶運行參數(shù)對塊莖碰撞的影響

3.1.1 激振頻率對塊莖碰撞的影響

在抖動輪激振幅度為50mm時，分別選取激振頻率為2、3、4、5Hz進行模擬，驅(qū)動輪對應(yīng)轉(zhuǎn)速分別為1.1、1.64、2.2、2.76r/s，塊莖平拋初速度為400mm/s。

表2表示激振頻率在2～5Hz范圍內(nèi)時馬鈴薯輸送過程中的碰撞次數(shù)和最大碰撞力。激振頻率增大，塊莖碰撞次數(shù)減少，碰撞力顯著增大；同一激振頻率下，大塊莖碰撞力明顯大于小塊莖的碰撞力。大西洋馬鈴薯的損傷力為149.95N[14]、激振頻率為4、5Hz時，大塊莖的碰撞力大于損傷力，塊莖損傷率較大。

表2 不同激振頻率馬鈴薯碰撞次數(shù)和最大碰撞力(幅度50mm)

Table 2 Impact number and largest force of potato with different excitation frequency (amplitude 50mm)

激振頻率/Hz小塊莖碰撞次數(shù)碰撞力/N中塊莖碰撞次數(shù)碰撞力/N大塊莖碰撞次數(shù)碰撞力/N22568.62274.52389.431980.6219718134.2417103.617117.316167.3515125.813148.714231.3

3.1.2 激振幅度對塊莖碰撞的影響

表3為在激振頻率為3Hz、激振幅度在30～60mm范圍內(nèi)馬鈴薯輸送過程中的碰撞次數(shù)和最大碰撞力。激振幅度越大，塊莖碰撞次數(shù)減少，碰撞力越大；對于同一激振幅度，塊莖越大，塊莖碰撞力也越大。激振幅度為60mm時，大塊莖碰撞力略大于損傷力，但考慮到馬鈴薯收獲時附著有泥土，塊莖應(yīng)不會損傷。

表3 不同激振幅度馬鈴薯碰撞次數(shù)和最大碰撞力(頻率3Hz)

Table 3 Impact number and largest force of potato with different excitation amplitude (frequency 3Hz)

激振幅度/mm小塊莖碰撞次數(shù)碰撞力/N中塊莖碰撞次數(shù)碰撞力/N大塊莖碰撞次數(shù)碰撞力/N302264.62380.420103.44019752384.918112.5501980.6219718134.2601682.318113.415154.1

3.2 碰撞效果評價

在保證一定的損傷幾率的情況下，塊莖脫泥效果不僅與碰撞次數(shù)有關(guān)，還與塊莖表皮上的碰撞點分布有關(guān)。

本文在塊莖的不同初始擺放狀態(tài)(塊莖長軸在不同平面)及塊莖掉落在升運帶上時篩面的不同振動狀態(tài)等系統(tǒng)初始狀態(tài)下，模擬了3種尺寸的塊莖在激振頻率為2～5Hz、幅度為30～60mm時輸送過程，仿真結(jié)果基本一致。

圖5為3.1.1中激振頻率為2～4Hz時大塊莖表皮碰撞點位置分布圖，圖6為3.1.2中激振幅度為40～60mm時大塊莖表皮碰撞點位置分布圖。圖5和圖6子圖中左右部分分別為塊莖的正面和反面(塊莖平拋時正面向前、反面向后)，將塊莖正面和反面劃分為8塊區(qū)域，塊莖接觸升運帶初始其正面3、4區(qū)域和反面7、8區(qū)域分別支撐在兩根桿條上。表4為不同尺寸塊莖表皮不同區(qū)域的碰撞點個數(shù)。

從圖5和表4可以看出:在2～4Hz范圍內(nèi)，激振頻率越大，碰撞點在馬鈴薯表皮上分布的區(qū)域越多且各區(qū)域之間點數(shù)差越小，碰撞點分布越均勻。從圖6和表4可看出：在40～60mm范圍內(nèi)，激振幅度越大，碰撞點分布也越均勻。

圖5 不同激振頻率大塊莖碰撞點分布圖Fig.5 Impact point distribution of big tuber with different excitation frequency

圖6 不同激振幅度大塊莖碰撞點分布圖Fig.6 Impact point distribution of big tuber with表4 馬鈴薯表皮不同區(qū)域的碰撞點個數(shù)Table 4 Impact point number in different regional of potato

激振頻率/Hz激振幅度/mm250350450340350360小塊莖10131122121121384434344436435121022601211177224218531233中塊莖10214242032132373353347323315002002602302178536528031433大塊莖10012012001101396456443322335002000600200074426448752452

本文基于動力學(xué)剛?cè)崤鲎灿嬎憬Y(jié)果，為預(yù)估塊莖脫泥效果和損傷率，對塊莖碰撞效果提出以下評價方法：碰撞次數(shù)多且塊莖表皮碰撞點分布均勻時，塊莖的脫泥效果好；碰撞力低于碰撞損傷力時，塊莖損傷機率較小。

在本文研究的范圍內(nèi)，激振的頻率和幅度越大，塊莖表皮上的碰撞點分布越均勻，塊莖的脫泥效果應(yīng)更好。表2和表3表明：激振的頻率和幅度增大時，塊莖碰撞力顯著增大，頻率為4、5Hz時大塊莖碰撞力大于損傷力，塊莖損傷的機率增大。根據(jù)研究可知：抖動輪激振頻率為3Hz、幅度為60mm時，塊莖損傷機率低且脫泥效果好。

4 結(jié)論

1) 對不同大小、不同平拋初速度的塊莖輸送過程進行模擬，結(jié)果表明：塊莖在輸送過程中有拋擲、翻轉(zhuǎn)等運動狀態(tài)，初速度對塊莖質(zhì)心垂直位移影響不明顯，但塊莖大小對其質(zhì)心垂直位移有一定的影響。

2) 本文基于動力學(xué)剛?cè)崤鲎灿嬎憬Y(jié)果，為預(yù)估塊莖脫泥效果和損傷率，對塊莖碰撞效果提出以下評價方法：碰撞次數(shù)多且塊莖表皮碰撞點分布均勻時，塊莖的脫泥效果好；碰撞力低于碰撞損傷力時，塊莖損傷機率較小。

3) 抖動輪激振頻率在2～5Hz范圍內(nèi)、幅度在30～60mm范圍內(nèi)時，隨著頻率和幅度的增加，塊莖碰撞力增大，同時塊莖碰撞次數(shù)減少但更均勻，塊莖脫泥效果更好。激振頻率為3Hz、激振幅度為60mm時，塊莖損傷機率低且脫泥效果好。

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ID:1003-188X(2018)02-0029-EA

Analysis of Movement and Impact of Tubers on Elevator Belt of Potato Harvest

Wang Xingdong1, Wen Huaixian1, Zeng Yong1, Xie Songliang2

(1.School of Machinery and Automation, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430080, China; 2.Hubei Nongzhixian Agriculture Co.Ltd., Jingmen 448000, China)

Abstract： In order to find the best operation parameters of elevator belt (excitation frequency and amplitude) , to reduce the damage rate and improve the effect of removing soil, the conveying process of single potato tuber was carried out. And a new kind of evaluation method about tubers impact effect is put forward, impact frequency and well-distributed, the effect of removing soil is good, impact force below the impact damage force, there will be low tuber damage rate. Simulation results showed that: In the range of excitation frequency 2Hz-4Hz,the range of amplitude 30mm-60mm, as frequency and amplitude increased respectively, impact force increased, less impact frequency and more well-distributed,the effect of removing soil is better.When the frequency is 3Hz and the amplitude is 60mm, low rate of tuber damage and good effect of removing soil. This study provides a reference for the parameter design of the elevator belt.

potato harrvest; eevator belt; tuber impact; removing soil evaluation

2016-12-07

國家自然科學(xué)基金項目(51105283)

王興東(1970-),男，江蘇高郵人，教授，博士，(E-mail)wangxingdong@ wust. edu. cn。

S225.7+1

A

1003-188X(2018)02-0029-05