一種木薯收獲機仿生挖掘鏟的設(shè)計方法

益愛麗，廖宇蘭，呂凱英,熊 佳

(海南大學 機電工程學院，?？?570100)

0 引言

木薯主要分布在熱帶及亞熱帶地區(qū)。19世紀20年代，木薯最早傳入我國廣東，幾十年過去后，目前不止廣東，廣西、云南及海南也成為主要分布省區(qū)，同時貴州、福建、湖南和江西也有少量種植。由于木薯耐干旱、耐貧瘠的特點，對生長環(huán)境要求較低，同時木薯容易管理且不與其他糧食作物爭地，導致木薯廣受歡迎[1-2]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2009年我國木薯的種植面積約為100萬hm2。木薯收獲方式在木薯產(chǎn)業(yè)中有重要的影響，隨著種植量的擴大，簡單的人工收獲已無法滿足。木薯收獲機械化將是我國木薯方面的主要趨勢之一，薯收獲機械化不但有利于提高木薯產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，更可以推動我國木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程。挖掘鏟作為木薯收獲機的關(guān)鍵部件，如何減小挖掘阻力是優(yōu)化挖掘鏟的一大難點。目前存在的挖掘鏟排土功能不理想、土壤的附著越多所需牽引力越大的問題，不僅對木薯的收獲有影響，而且會降低木薯挖掘機壽命，甚至損壞木薯挖掘裝置。挖掘鏟作為木薯收獲機的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形態(tài)與幾何參數(shù)將直接影響著木薯收獲機的收獲效率、機械性能、機械牽引功耗及挖掘牽引阻力。因此，可靠實用的木薯收獲機挖掘鏟在木薯機械化收獲機的研制中有極其重要的意義。

2010年，廖宇蘭、孫佑攀等人設(shè)計出了4UMS-1型木薯收獲機。該機配置了三角形凸面鏟，該鏟前段為三角平面鏟和凸面鏟構(gòu)成，后端為柵條。三角形凸面鏟前段凸面有較好的碎土效果，但入土較困難；后端柵條減輕了整體質(zhì)量的同時便于碎土和落土。2012年，陳丹萍碩士論文中提出了柵條挖掘鏟，該鏟整體結(jié)構(gòu)簡單，僅由10根棒材和連接板焊接而成。柵條鏟具有很好的入土性能，大幅度減輕了鏟的質(zhì)量，也降低了挖掘鏟的牽引阻力。2015年，余瑞明設(shè)計的仿生挖掘鏟以穿山甲鱗片與蚯蚓為原型，采用創(chuàng)新技法中的組合法和仿生法，提高了碎土能力，入土阻力較??；但該鏟結(jié)構(gòu)過于復雜，實際工作中漏土能力較弱，大部分土壤容易卡在支架結(jié)構(gòu)上，不利于排土。2015年，王濤等人基于土壤破碎理論，結(jié)合傳統(tǒng)的挖掘鏟機構(gòu)和力學分析，提出多階式的挖掘鏟[3]。此挖掘鏟在木薯挖拔式收獲方式下有較好的碎土性，且可減少應力集中，從而降低其變形，入土性相對提高，但排土性較低。

基于工程仿生學理論，從土壤動物挖削土壤中獲得啟發(fā)[4]，對木薯挖掘機挖掘鏟觸土部件進行仿生改形設(shè)計,進而提高其減阻性能,是一種新的研究途徑。模仿田鼠爪趾彎曲輪廓形狀設(shè)計的仿生彎曲型深松部件減阻效果明顯[5-6]。狗是一種挖掘能力強的動物，作為主要觸土部件,其爪趾在構(gòu)形與形態(tài)方面處于最優(yōu)化狀態(tài),可將切削土壤時的阻力減至最小。因此，提取狗前爪的下輪廓側(cè)面曲線信息,設(shè)計出木薯收獲機的仿生挖掘鏟。該挖掘鏟的設(shè)計會大大減少木薯上土壤的附著，有利于木薯挖掘收獲機的工作。

1 木薯種植模式

海南地區(qū)木薯種植采用壟作模式，如圖1所示。研究表明[7]：木薯種植的株距80cm,行距85cm，平均偏心距為20cm。考慮到木薯的收獲率，挖掘鏟工作幅寬設(shè)置為40cm；為避免車輪碾壓木薯，故選用輪距為600mm的雷沃歐豹M804拖拉機作為牽引動力設(shè)備。

圖1 木薯種植示意圖

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機結(jié)構(gòu)

挖拔式木薯收獲機主要由牽引懸掛裝置、機架及挖掘裝置組成，如圖2所示。

1.拖拉機 2.懸掛裝置 3.挖掘鏟 4.機架圖2 整機結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理

工作時，輪式拖拉機在前面牽引著后面的挖拔式木薯收獲機前進，挖掘部件正對著木薯種植的方向，挖掘部件對木薯塊根周圍土壤進行松土；隨著挖掘部件的前行，木薯塊根被拖拽出地面，從而完成木薯的收獲。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

挖拔式木薯收獲機主要通過挖掘部件對木薯塊根周圍土壤進行松土和對木薯塊根的推拉作業(yè)等方式，完成木薯塊根的收獲。其整機結(jié)構(gòu)采用輕量化機架設(shè)計[8-9]，挖掘部件通過焊接方式與機架相連，機具結(jié)構(gòu)緊湊簡單、質(zhì)量輕、可通過調(diào)節(jié)入土深度及入土角適應不同種植深度的木薯收獲作業(yè)的特點，改善了機具作業(yè)的通用性及靈活性，減輕了熱區(qū)木薯種植戶的勞動強度，提高了木薯收獲效率，促進了熱區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展。挖拔式木薯收獲機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 木薯收獲機主要技術(shù)參數(shù)

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計

3.1 設(shè)計依據(jù)

仿生學是人類對自然萬物的一種模仿，在優(yōu)勝劣汰的生存法則下，每個生物都有自身生存下來的優(yōu)點，人們將這些優(yōu)點進行學習與模仿。生命結(jié)構(gòu)本身就融合了從材料、結(jié)構(gòu)到功能多方面的優(yōu)化。在仿生學的影響下，現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展迅速，因此將仿生學應用到機械設(shè)計中是一種依靠自然界進行優(yōu)化與進步的方式。

3.2 爪的描述

本文選用狗爪作為土壤耕作部件，通過我國東北地區(qū)農(nóng)戶飼養(yǎng)的中華田園犬獲取狗爪標本。中華田園犬是東北地區(qū)最常見的犬類，它們的爪鋒利且彎曲。為了便于分析研究，本文選用田園犬5只爪中的最大爪作為研究對象?，F(xiàn)實生活當中，狗爪的運動是復雜多變的，其運動取決于不同的情況和特有的目的?？紤]到田間作業(yè)時挖掘鏟的最主要的運動形式為平移運動，故本文只對狗爪的平動進行分析。

3.3 狗前爪仿生信息的獲取

利用三維激光掃描儀對狗爪標本(見圖3)進行掃描，從而獲取狗爪的精確形狀和尺寸。首先，狗爪標本被多方位掃描以獲取其點集云圖；然后，基于逆向工程技術(shù)，利用逆向造型軟件(CorelDrawX6)對點集云圖數(shù)據(jù)進行分析，從而獲取狗前爪的外輪廓，將位圖經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成矢量圖；為方便之后的下輪廓提取，將上述圖片保存為dwg格式的文件。

圖3 狗前爪實物圖

3.4 擬合函數(shù)獲取

用SolidWorks軟件打開狗前爪輪廓掃描圖(見圖4)，取狗前爪下輪廓的點集坐標如表2所示，對點集坐標進行多項式擬合如圖5所示。擬合函數(shù)為

y=0.2291x2+45.804x+2284.3

(1)

R2=0.999 6,回歸系數(shù)接近于1，說明此函數(shù)比較貼合真實狗前爪結(jié)構(gòu)。

圖4 狗前爪輪廓掃描圖

xyxy-102.2553.6790-102.0653.8480-101.8854.0070-101.5684.2600-101.3674.4080-101.1134.5462-100.824.6942-100.584.7682-100.2784.8520-99.9294.8528

圖5 擬合曲線圖

3.5 挖掘鏟的仿生設(shè)計

對于本次仿生鏟的設(shè)計，主要解決的問題為減小入土阻力和提高碎土能力。根據(jù)擬合方程函數(shù)，則有

f(x)=0.2291x2+45.804x+2284.3

(2)

根據(jù)測量華南號木薯單株木薯薯塊在土壤中的分布寬度為530～610mm，考慮到木薯品種不同，薯塊的分布寬度也不同，因此一般薯塊分布范圍為600～800mm[10]。研究表明：挖掘?qū)挾葹?00mm時，薯塊損失率僅為1.6%[11]。

由于考慮到植株蓮稈中心線的偏離及不同駕駛員的操作熟練程度,所以整個鏟的寬度L選擇1 000mm。正常情況下，鏟面傾角的大小根據(jù)挖掘高度和對土壤的破碎要求而設(shè)計，但本次設(shè)計是根據(jù)仿生狗前爪彎曲弧度而定。按照擬合函數(shù)方程，需確定的參考量分別為仿生鏟在水平方向的投影長度L1或豎直挖掘深度H、鏟齒后端直徑D、鏟齒數(shù)量N和齒間距S。為保證木薯挖凈率，豎直挖掘深度H設(shè)定為40cm,則

f(x)=0.2291x2+45.804x+2284.3

(3)

由此得出仿生挖掘鏟在水平方向投影長度L1=50cm。

N·D+S(N-1)=L

(4)

S≤S1

(5)

式中N——鏟齒數(shù)量(mm)；

D——鏟齒后端直徑(mm)；

S——鏟齒間距(mm) ；

S1——木薯最小寬度(mm) ；

L——整個鏟的寬度(mm)。

此設(shè)計的仿生挖掘鏟所選尺寸為S=50mm,N=6,D=100mm。

3.6 挖掘鏟形狀特性參數(shù)

就土壤耕作部件而言，挖掘鏟與土壤的接觸模型通過挖掘深度、入土角及挖掘?qū)挾?個參數(shù)來描述，如圖6所示。挖掘深度d定義為挖掘鏟與土壤接觸部分的垂直高度；入土角α定義為挖掘鏟工作刃面與水平面的夾角；挖掘?qū)挾葁隨著入土深度的不同而改變。

α為仿生挖掘鏟入土角；d為挖掘深度；w為挖掘?qū)挾取?/p>

4 挖掘鏟有限元靜力學分析

本次設(shè)計的仿生挖掘鏟由于地理及季節(jié)問題不易進行實地試驗，所以選擇將仿生挖掘鏟進行有限元靜力學分析。為得到更優(yōu)化的仿生挖掘鏟，將本次仿生挖掘鏟設(shè)計為實心仿生挖掘鏟和空心仿生挖掘鏟兩種，分別將兩種挖掘鏟進行模擬仿真。使用SolidWorks對兩種仿生挖掘鏟進行建模，考慮到本次對仿生挖掘鏟的有限元靜力學分析，排除挖掘鏟與機架連接強度不夠原因，故在模型中將挖掘鏟的后端連接處進行加厚設(shè)計，以便于提高其強度。首先，采用自動劃分網(wǎng)格的方式對之前建立的模型進行網(wǎng)格劃分，如圖8所示；然后，定義材料屬性，本次設(shè)計的仿生挖掘鏟材料類型為結(jié)構(gòu)鋼，彈性模量E=2.05N/m2，泊松比μ= 0.29，密度ρ=785kg/m3。其屈服強度σs≥430MPa，伸長率δ≥ 9%[12-13]，這兩個值可以作為設(shè)計校核值。

圖7 仿生挖掘鏟的三維模型

圖8 網(wǎng)格劃分模型

應力、位移及變形量分布云圖如圖9～圖16所示，挖掘鏟網(wǎng)格劃分結(jié)果如表3所示。由分析結(jié)果可知：最大變形量遠小于鏟體本身尺寸，遠小于9%。因此，該挖掘鏟滿足使用要求。

圖9 空心仿生挖掘鏟應力云圖Fig.9 The stress distribution graph of hollow digging shovels

圖10 實心仿生挖掘鏟應力云圖Fig.10 The stress distribution graph of solid digging shovels

圖11 實心仿生挖掘鏟應力云圖Fig.11 The stress distribution graph of solid digging shovels

圖12 空心仿生挖掘鏟應力云圖Fig.12 The stress distribution graph of hollow digging shovels

圖13 空心仿生挖掘鏟應力云圖Fig.13 The stress distribution graph of hollow digging shovels

圖14 實心仿生挖掘鏟應力云圖Fig.14 The stress distribution graph of solid digging shovels

圖15 實心仿生挖掘鏟應力云圖Fig.15 The stress distribution graph of solid digging shovels

圖16 實心仿生挖掘鏟應力云圖Fig.16 The stress distribution graph of hollow digging shovels

鏟型單元數(shù)節(jié)點數(shù)質(zhì)量/kg最大變形量/mm最大應力/MPa最小應力/MPa空心仿生挖掘鏟91401806488.17232.6660.00468180.0000086實心仿生挖掘鏟817014998215.9291.5700.00273820.0000074

5 結(jié)論與討論

1)所采用的擬合函數(shù)回歸系數(shù)接近于1，說明此函數(shù)比較貼合真實狗前爪結(jié)構(gòu)，模型選擇和擬合效果較好，數(shù)據(jù)預測也很成功。

2)仿生鏟的最大應力分布集中體現(xiàn)在鏟的后半部分，因此在加工時應增大此處強度；仿生鏟的最大形變量主要分布在鏟的前端，在生產(chǎn)中應該增大此處剛度。

3)兩種仿生挖掘鏟進行比較后，雖然實心仿生挖掘鏟的變形量相對來說更小，但其質(zhì)量比空心仿生挖掘鏟高很多，考慮實際實驗情況，綜合對比后，選擇空心仿生挖掘鏟更適合。

4)關(guān)于仿生挖掘鏟的入土性和碎土性能試驗，有待在下一步的研究過程中繼續(xù)完善。