馬鈴薯二階凸面挖掘鏟的設(shè)計與研究

郭新峰， 馮靜安， 王衛(wèi)兵， 郭世魯

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000)

挖掘鏟為馬鈴薯收獲機(jī)的核心部件。馬鈴薯收獲機(jī)在收獲時挖掘鏟是在馬鈴薯塊莖、殘根和含有石塊的土壤中工作的，工作阻力大，這就要求挖掘鏟具有良好的抗變形能力和耐磨性。目前，對現(xiàn)有挖掘鏟從鏟形上可以分為平鏟(三角鏟、條形鏟)、凹面鏟、槽形鏟等[1]，其中應(yīng)用最多的為三角平面挖掘鏟，它具有結(jié)構(gòu)簡單、無需動力傳動等優(yōu)點，但缺點是易造成機(jī)前壅土和傷薯。壅土的原因是鏟面碎土性差，易被大土塊、大石塊擁堵，且易被雜草纏繞[2]；傷薯的原因是挖掘深度不夠或者是鏟形的設(shè)計不合理。本研究針對現(xiàn)有挖掘鏟存在的壅土和傷薯問題，設(shè)計出一種二階凸面挖掘鏟。

1 挖掘鏟的設(shè)計

通過分析挖掘鏟的工況、工作要求、類型可知，在進(jìn)行挖掘鏟的設(shè)計時應(yīng)從以下2個方面進(jìn)行[3]：(1)挖掘鏟類型的選?。?2)挖掘鏟相關(guān)參數(shù)的設(shè)計。

1.1 挖掘鏟類型的選取

本研究設(shè)計的挖掘鏟主要應(yīng)用在小型馬鈴薯收獲機(jī)(一般收獲行數(shù)為單行)上，挖掘鏟的裝配類型選固定式，選取多片鏟，鏟形設(shè)計成多段凸面。該挖掘鏟為連體式兩階面焊接體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不僅提高了挖掘過程中的碎土能力，同時也可避免在收獲時出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，從而有效地降低了機(jī)器的能量損耗，挖掘鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

1.2 挖掘鏟的動力學(xué)分析

在對挖掘鏟進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)計時，首先要對挖掘鏟進(jìn)行動力學(xué)分析，挖掘鏟在進(jìn)行挖掘運動時主要克服的力為阻力，須要對挖掘鏟進(jìn)行牽引阻力模型的創(chuàng)建。挖掘鏟的作業(yè)對象除馬鈴薯之外，還有土壤。土壤的強(qiáng)度、含水率、附著力、內(nèi)聚力因數(shù)、外摩擦因數(shù)、內(nèi)摩擦因數(shù)、密度等是影響挖掘鏟挖掘性能的物理機(jī)械特性[4-5]。挖掘鏟力學(xué)模型如圖2所示。

在對馬鈴薯進(jìn)行收獲時挖掘鏟受到的阻力來源于土壤、馬鈴薯、碎石塊等，在建立受力模型時要對研究對象進(jìn)行簡化(忽略馬鈴薯與碎石塊的影響)，主要以挖掘鏟、土壤為研究對象進(jìn)行受力分析，假設(shè)土壤所受的法向載荷為NL，當(dāng)挖掘鏟在掘起土壤時土壤的臨界面所受的法向載荷為Nl；根據(jù)圖2-a、圖2-b建立馬鈴薯收獲機(jī)挖掘鏟的工作參數(shù)、土壤的物理機(jī)械特性參數(shù)等因素與挖掘鏟的水平力的函數(shù)關(guān)系式[6-7]，得到挖掘鏟在土壤中的阻力模型，可表示為

(1)

1.3 挖掘鏟相關(guān)參數(shù)的確定

根據(jù)挖掘鏟裝置的工作特點可知，挖掘鏟的參數(shù)包括設(shè)計參數(shù)和工作參數(shù)[9-10]；主要的設(shè)計參數(shù)為挖掘鏟寬度b(mm)、鏟刃傾角γ(°)、鏟面傾角α(°)、鏟的總體長度L(mm)。其中運動參數(shù)主要為收獲機(jī)的收獲速度v(m/s)、挖掘鏟的挖掘深度h(mm)，如圖3所示。

1.3.1 鏟寬的確定 在對馬鈴薯進(jìn)行收獲時，馬鈴薯收獲機(jī)的工作幅寬為1 100 mm，兩側(cè)板的厚度為6 mm，其中挖掘鏟裝配方式為固定式，形狀為多片凸面鏟；在對多片鏟進(jìn)行裝配時要在鏟與鏟之間留出間距，鏟間距取18.8 mm，鏟寬b取 100 mm。本設(shè)計除鏟的寬度由機(jī)架的寬度確定外，其余的設(shè)計參數(shù)都要依據(jù)公式(1)挖掘鏟的阻力進(jìn)行分析設(shè)計。

1.3.2 鏟刃傾角的確定 圖3-b為挖掘鏟的受力分析，為了保證鏟刃在工作時能把土壤順利的滑切開，所要克服的鏟刃摩擦力為

Fzsin(90°-γ)>F。

(2)

式中：Fz為鏟刃所受到的總阻力，N；F為土壤與鏟刃之間的摩擦力，N。

根據(jù)相應(yīng)的摩擦定律可知：

F=N2tanφ；

(3)

N2=Fzcos(90°-γ)。

(4)

式中：N2為垂直于鏟刃的分力，N。

把公式(2)與公式(3)聯(lián)立可得：

N2tanφ

(5)

公式(4)、(5)聯(lián)立可得：φ<90°-γ。

鏟刃的傾角對收獲時的影響：鏟刃傾角越大則挖掘鏟在切入土壤時與土壤的接觸面積越大，增大了機(jī)械的功耗；當(dāng)鏟刃傾角較小時，會導(dǎo)致挖掘鏟的形狀變尖、變長，從而會加速挖掘鏟的磨損，在收獲時容易對薯塊造成損傷。當(dāng)內(nèi)摩擦角φ取20°時，鏟刃傾角γ<70°，本設(shè)計γ取50°。

1.3.3 鏟面傾角的確定 設(shè)計挖掘鏟之前對新疆石河子市銳益達(dá)機(jī)械裝備有限公司所生產(chǎn)的收獲機(jī)進(jìn)行實地測繪，通過測繪不同機(jī)型的挖掘鏟鏟面傾角發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)鏟面傾角范圍為18°～25°，通過公式(1)分析鏟面傾角對阻力的影響，可以得出鏟面傾角與阻力的關(guān)系，見圖4[11]。

由圖4可知，挖掘鏟所受的阻力隨鏟面傾角的變大而變大，所以在設(shè)計鏟面傾角時根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)計顯得尤為重要，在鏟面傾角相同的情況下，曲面鏟所受阻力最小。本設(shè)計鏟面傾角α取20°。

1.3.4 收獲機(jī)收獲速度的確定 不同地區(qū)在進(jìn)行馬鈴薯收獲時，對于小型馬鈴薯收獲機(jī)收獲速度一般控制在0.5～1.5 m/s 范圍內(nèi)，本設(shè)計的收獲速度選取1.2 m/s。

1.3.5 挖掘鏟長度的確定 如圖3-a所示，挖掘鏟的長度與鏟面傾角、挖掘深度、運動速度有關(guān)，設(shè)計鏟形主要是兩段式，前段長度為L1，后段長度為L2，還包括鏟座部分長度L3，在這3段設(shè)計中主要設(shè)計前后段。在多段鏟當(dāng)中一階鏟一般承受著主要的挖掘工作，根據(jù)對馬鈴薯實際的生長深度進(jìn)行測量分析(圖5)，挖掘深度確定為h1=150 mm，則

L1=h1/sinα；

(6)

(7)

已知h1=150mm，v=1.2m/s，φ=20°，α=20°，代入上式可得：L1=438.5 mm，L2=105.2 mm，即挖掘鏟的總長度為L=543.7 mm(此長度為挖掘鏟傾斜長度，而實際的投影長度肯定小于此長度)，此長度為理論長度，文獻(xiàn)[11]指出，當(dāng)α為 14°～20°時，鏟的最佳長度為350 mm。在實際設(shè)計當(dāng)中鏟的總長度要比理論長度短。

1.3.6 挖掘深度的確定 通過對馬鈴薯生長深度進(jìn)行測量，確定一階凸面鏟的挖掘深度h1=150 mm，根據(jù)長度計算可知二階凸面挖掘鏟的挖掘深度h2=36 mm，所以總的挖掘深度h=186 mm。

1.4 阻力的計算

本研究結(jié)果表明，當(dāng)α=20°時，挖掘鏟鏟起的壟臺重力為314～315 N，取ρ=1 400 kg/m3，設(shè)壟頂寬500 mm，挖掘深度186 mm，μ=0.58，μ1=0.60，Z=1，β=30°，C=0.3 N/cm2，S1=1 800 cm2，A0=3 600 cm2，代入公式(1)求得：W=2 281 N，W

2 挖掘鏟的靜力學(xué)分析

對挖掘鏟進(jìn)行靜力學(xué)分析時，所使用的分析軟件為ANSYS Workbench靜力學(xué)分析模塊，通過SolidWorks建立三維模型，將其模型保存為ANSYS Workbench的接口文件后，在ANSYS Workbench處理后求解。

2.1 挖掘鏟的實體建模

按照所確定的挖掘鏟參數(shù)利用SolidWorks進(jìn)行三維實體建模，對于所設(shè)計的兩階面挖掘鏟在進(jìn)行三維建模時，須要注意在一階挖掘鏟面與二階鏟面之間，所要確立的基準(zhǔn)建模面的準(zhǔn)確角度，然后進(jìn)行建模、拉伸、拔模特征命令，對挖掘鏟進(jìn)行實體創(chuàng)建，三維模型如圖6所示。

2.2 有限元分析

2.2.1 材料選取 在進(jìn)行材料選取時，首先考慮材料的耐磨性、抗彎性，本研究中的挖掘鏟材料選Q275，彈性模量為E=2.10×1011Pa，密度為ρ=7 800 kg/m3，泊松比為0.3，安全系數(shù)n取2，許用應(yīng)力值[σ]=σ/2=137.5 MPa。

2.2.2 網(wǎng)格劃分 將“2.1”節(jié)建立完成的三維實體圖保存為x-t格式的文件，然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，網(wǎng)格的粗糙程度設(shè)置為中等，邊界網(wǎng)格設(shè)置為最優(yōu)，網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為5 mm，網(wǎng)格劃分形式一般為自由網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格如圖7所示。

2.2.3 添加載荷、約束 網(wǎng)格的劃分完成后，對挖掘鏟添加約束、載荷；在螺紋孔處添加固定約束，載荷施加在一階挖掘鏟的鏟面上，并且施加的載荷垂直于鏟面，大小為 2 281 N。

2.2.4 結(jié)果分析 經(jīng)過分析之后得到應(yīng)力云圖、總的應(yīng)變云圖、總形變云圖。由圖8-a可知，挖掘鏟在進(jìn)行挖掘時所受到的阻力對挖掘鏟的最大總變形為0.5 mm，此變形對挖掘鏟的正常工作影響不大；由圖8-b可知，當(dāng)挖掘鏟所受阻力為2 281 N 時， 挖掘鏟最大應(yīng)力出現(xiàn)在螺紋孔處，則最大應(yīng)力值為σmax=9.6198×107Pa，σmax≤[σ]=137.5 MPa，所以該設(shè)計滿足強(qiáng)度條件，挖掘鏟可以安全工作。

3 通用平面三角挖掘鏟有限元分析

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，平面三角挖掘鏟為馬鈴薯收獲機(jī)的通用挖掘鏟，通過測繪對該鏟形進(jìn)行三維建模，然后通過上述分析過程對所建立的模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，在進(jìn)行受力分析時保證網(wǎng)格劃分、約束、加載都與所設(shè)計的挖掘鏟一樣，經(jīng)過分析，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，平面三角挖掘鏟的最大總形變?yōu)? mm，最大應(yīng)變值為225 MPa，最大總的應(yīng)變?yōu)?.2 mm。

4 挖掘鏟的靜力分析對比

對2種不同的挖掘鏟施加相同的分析條件，然后對比分析兩者的靜力。由表1可知，2種挖掘鏟在受到同等力的作用時，平面三角挖掘鏟的總形變量是二階凸面鏟的4倍。平面三角鏟的應(yīng)變值已經(jīng)超出了所選材料的許用應(yīng)力值，而所設(shè)計的凸面鏟應(yīng)變值滿足應(yīng)用要求。二階凸面鏟的總應(yīng)變量相對于平面鏟較小。綜上所述，在受到同等力的作用時，二階凸面鏟的性能要優(yōu)于平面三角鏟。

表1 2種挖掘鏟靜力分析對比

5 試驗分析

試驗田選取新疆馬蘭馬鈴薯種植基地，選取五壟待收獲的馬鈴薯薯壟，如圖10所示。把設(shè)計完整的馬鈴薯挖掘鏟安裝在馬鈴薯收獲機(jī)上，對所選取的試驗薯壟進(jìn)行挖掘收獲。

通過實際試驗得出，本設(shè)計的二階凸面挖掘鏟不會造成壅土現(xiàn)象，在收獲后分別對平鋪的馬鈴薯作傷薯統(tǒng)計，如圖11所示。

對上述試驗收獲平鋪的馬鈴薯進(jìn)行分段統(tǒng)計，從所選的試驗田中對收獲后平鋪的馬鈴薯進(jìn)行隨機(jī)選取各壟的 100 m，然后從所選取的100 m平鋪的馬鈴薯中對傷薯率進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見表2。

表2 傷薯率統(tǒng)計分析

經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，實際傷薯率小于5%，該挖掘鏟符合馬鈴薯的收獲要求；通過本試驗可以說明，該挖掘鏟設(shè)計可以有效降低壅土和傷薯問題。

6 結(jié)論

本設(shè)計主要針對挖掘鏟在挖掘過程中的壅土和傷薯問題進(jìn)行分析，通過建立動力學(xué)模型確定挖掘鏟的鏟形、相關(guān)參數(shù)；通過動力學(xué)模型對挖掘鏟的實際阻力進(jìn)行計算可知，W≤F牽max=6 000 N，所以該設(shè)計滿足工作條件。

對設(shè)計的二階凸面鏟進(jìn)行有限元分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，挖掘鏟的最大應(yīng)力值小于挖掘鏟材料的許用應(yīng)力值，即σmax≤[σ]=137.5 MPa，所以該挖掘鏟可以安全工作。通過與通用平面三角挖掘鏟進(jìn)行靜力分析對比可知，在受到同等力的作用時，二階凸面鏟的性能優(yōu)于平面三角鏟。

對設(shè)計的挖掘鏟進(jìn)行試驗，利用數(shù)理統(tǒng)計分析方法，驗證了該挖掘鏟的傷薯率小于5%，符合收獲要求。