荸薺收獲機泥果分離的動力學(xué)仿真

王銳 宋少云 廖劍 李旭 尹芳 仲崇舟

摘要：使用多學(xué)科聯(lián)合仿真的方式對荸薺（Heleocharis dulcis（Burm. f.） Trin.）收獲機泥果分離過程進(jìn)行了虛擬動力學(xué)試驗。設(shè)計泥果分離裝置的虛擬樣機，然后建立其剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型并進(jìn)行動力學(xué)仿真，獲得振動裝置的運動規(guī)律。同時，創(chuàng)建荸薺-泥土的顆粒系統(tǒng)模型，并進(jìn)行離散元仿真。改變彈簧鋼板的厚度和寬度進(jìn)行多次仿真，結(jié)果表明，在一定的范圍內(nèi)，鋼板的厚度越大，其分離效果越顯著，而鋼板的寬度對分離效果沒有明顯的影響。

關(guān)鍵詞：荸薺（Heleocharis dulcis（Burm. f.） Trin.）收獲機;泥果分離;動力學(xué)仿真;聯(lián)合仿真

中圖分類號：TH12? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）08-0133-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.08.031? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Abstract： Virtual dynamic experiment was carried out on mud-fruit separation of water chestnut harvester by muti-disciplinary collaborative simulation. Firstly，virtual prototype of mud-fruit separation equipment was set up， and then dynamic simulation was carried out on its rigid-flexible coupled dynamic model to get motion law of vibration equipment. Subsequently particle system model of water chestnut-mud was created and discrete element simulation was carried out on it. Several simulation experiments were carried out by changing the thickness and wideness of spring steel plate. The result showed that separation effect was better with the increasing thickness of? the spring steel plate in certain extent， but the wideness of it had less impact.

Key words： water chestnut harvester; mud-fruit separation; dynamic simulation; coupled simulation

荸薺（Heleocharis dulcis（Burm. f.） Trin.）又名馬蹄，具有較高的實用價值和藥用價值，在中國荸薺栽培面積5萬hm2[1]。荸薺易種難收，中國歷代以來其收獲以人工挖掘為主，而人工挖掘勞動強度大、效率低、收獲成本高。近年來，為了替代人工作業(yè)，農(nóng)業(yè)機械工程師對其進(jìn)行了設(shè)計，研發(fā)了系列結(jié)構(gòu)新穎的荸薺收獲機[2-4]。但是，目前中國對于荸薺機械化收獲技術(shù)的研究還處于發(fā)明專利和實用新型專利的申請層面，除陜西科技大學(xué)的荸薺采收船有進(jìn)一步的理論研究[5]外，鮮見荸薺收獲機械的理論及試驗研究。因此，加強對荸薺機械化收獲技術(shù)的理論、試驗及仿真研究具有重要的現(xiàn)實意義。

本研究研發(fā)并試制了一種新型的荸薺收獲機，為了考察該樣機的性能并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，項目團(tuán)隊對該樣機進(jìn)行了下田試驗。但各種實際困難使得經(jīng)常性下田試驗難以進(jìn)行，從而很難獲得泥果分離率與分離裝置之間結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，使得結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計遇到很大的困難，從而使得該機器上市的周期大大延長。

為了加快結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計，項目團(tuán)隊創(chuàng)建了荸薺收獲機的虛擬樣機，然后對其中的泥果分離裝置進(jìn)行了動力學(xué)仿真，建立了荸薺-泥土的多顆粒系統(tǒng)模型并進(jìn)行了仿真研究，獲得了泥果分離效果與結(jié)構(gòu)參數(shù)的初步關(guān)系。

1? 荸薺收獲機泥果分離裝置簡介

荸薺收獲機的總體組成如圖1所示。該荸薺收獲機主要由5部分組成。機器由柴油機驅(qū)動液壓系統(tǒng)2，為整臺機器提供動力;挖掘輸送裝置1使用挖掘鏟切割泥塊，然后通過一個鏈傳動裝置將分割的泥土-荸薺混合體向上提升;提升到頂點后的稀泥塊墜入到泥果分離裝置3的振動篩上，振動篩在一個含有彈簧鋼板的六桿機構(gòu)驅(qū)動下進(jìn)行高頻往復(fù)振動，從而將稀泥與荸薺分開。稀泥經(jīng)由振動篩中的篩孔落入田間，而荸薺則被振動篩上的傳動鏈輸送到機器后側(cè)，落入荸薺框中，由此完成了荸薺與泥土的分離。除了上述主要裝置以外，機車底盤4為動力系統(tǒng)2和泥果分離裝置3提供了支撐作用，而履帶行走裝置5則用于在泥濘的田間行走。該裝置上無需坐人，操作者站在田埂上進(jìn)行遙控操作，通過PLC控制整臺機器的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎，并對各處的液壓馬達(dá)進(jìn)行控制。

在荸薺收獲機中，泥果分離裝置是其中的核心裝置，該裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其組成及工作原理為振動箱體1由四根彈簧鋼板4懸掛在機架5上，電機2則通過一套連桿機構(gòu)3帶動振動箱體做高頻往復(fù)運動，振動箱體1中包含了一套鏈傳動帶動的均勻間隔排列的振動桿，振動桿之間的距離小于最小荸薺的尺寸。彈簧鋼板4的結(jié)構(gòu)尺寸直接影響到振幅，從而對泥果分離效果造成了重要影響。仿真的主要目的就是考察當(dāng)彈簧鋼板的厚度和寬度尺寸發(fā)生改變時，其泥果分離效果是如何變化的。

2? 泥果分離裝置的仿真框架

要得到彈簧鋼板的尺寸與泥果分離率的關(guān)系，從學(xué)科角度來說存在兩個關(guān)鍵問題：①剛?cè)狁詈蠙C構(gòu)的動力學(xué)分析。圖2所示的電動機-連桿機構(gòu)總體上是一個剛性機構(gòu)，但彈簧鋼板是依靠其彈性振動工作的，所以它是一個剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)，國內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者對這種系統(tǒng)進(jìn)行了動力學(xué)分析[6]。②顆粒系統(tǒng)的動力學(xué)分析。荸薺-泥土的混合物是一種兩相顆粒系統(tǒng)，該混合物落到振動篩體上，依靠振動篩的振動而使得荸薺和泥土分離，其分離過程從理論上屬于顆粒系統(tǒng)動力學(xué)問題，對于這種顆粒物的動力學(xué)分析，國內(nèi)也有不少研究者做了仿真研究[7-10]。

由于荸薺-泥土的分離是在振動篩上進(jìn)行的，而振動篩的運動是通過剛?cè)狁詈险駝佑嬎愕玫降?，因此這是一個單向耦合振動仿真問題。首先進(jìn)行剛?cè)狁詈险駝臃抡妫缓髮⒌玫降恼駝芋w的運動方程作為顆粒系統(tǒng)動力學(xué)仿真的輸入，以進(jìn)行泥果分離仿真，本研究提出的仿真框架如圖3所示。

首先在對荸薺收獲機進(jìn)行設(shè)計，并在三維設(shè)計軟件SolidWorks中建立其幾何模型。然后對該模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，去掉與仿真無關(guān)的部分，將核心機構(gòu)依次導(dǎo)入到機構(gòu)動力學(xué)仿真軟件ADAMS中，設(shè)置所有剛性構(gòu)件的質(zhì)量屬性，建立構(gòu)件之間的運動副，從而建立剛體機構(gòu)動力學(xué)模型。為了考慮機構(gòu)中彈簧鋼板的柔性性能，將其三維CAD模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，設(shè)置單元屬性、材料屬性，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并設(shè)置好連接點，再生成模態(tài)中性文件。然后將上述模態(tài)中性文件導(dǎo)入到ADAMS中，替換其對應(yīng)的構(gòu)件，再建立該柔性構(gòu)件與周圍構(gòu)件之間的運動副，建立了剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型。對電機設(shè)置轉(zhuǎn)速后，對剛?cè)狁詈蠙C構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)仿真，得到振動篩的運動規(guī)律。

仿真的另外一支是在顆粒系統(tǒng)仿真軟件EDEM中進(jìn)行。首先將SolidWorks中的模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，只引入振動篩相關(guān)部分，并根據(jù)上一步剛?cè)狁詈戏抡娼Y(jié)果設(shè)置振動篩的運動規(guī)律。在顆粒系統(tǒng)仿真軟件中設(shè)置好顆粒間作用的物理模型，并建立好荸薺、泥土的顆粒模型，確定顆粒工廠中顆粒物的產(chǎn)生方式，使得多種顆粒在初始時刻能夠正確地填充到初始空間。在顆粒系統(tǒng)仿真軟件中設(shè)置好仿真參數(shù)后對顆粒系統(tǒng)的運動進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后提取顆粒分離結(jié)果。將分離結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比，調(diào)整相關(guān)參數(shù)直到二者大體一致，然后修改相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)或者工作參數(shù)以進(jìn)行設(shè)計研究。

3? 泥果分離裝置的剛?cè)狁詈辖＜皠恿W(xué)仿真

將圖1中的泥果分離裝置4導(dǎo)入到機構(gòu)動力學(xué)分析軟件ADAMS中，設(shè)置所有構(gòu)件的材料屬性為Q235鋼材，再建立構(gòu)件內(nèi)部的連接關(guān)系以及構(gòu)件之間的約束關(guān)系，并將機架固定在地面上，得到機構(gòu)的動力學(xué)模型。將彈簧鋼板4導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中，使用PLANE183板單元對板的主體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在兩端連接孔處的中心點處創(chuàng)建一個單獨的節(jié)點，用LINK180連接該節(jié)點及孔上節(jié)點，形成蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)，然后生成模態(tài)中性文件。將生成的模態(tài)中性文件所對應(yīng)的柔性彈簧鋼板導(dǎo)入到ADAMS中，替換前述模型中的剛性彈簧鋼板，在其兩端蛛網(wǎng)中心點建立約束關(guān)系，得到的剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型如圖4所示。

設(shè)置電動機的轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，仿真時間為一個周期，進(jìn)行動力學(xué)仿真。提取出仿真后振動箱體（圖2中的部件1）質(zhì)心的位移-時間曲線如圖5所示（一個運動周期）。圖中橫坐標(biāo)是時間，縱坐標(biāo)是質(zhì)心的位移，該圖中所使用的彈簧鋼板寬度為? ?60 mm、厚度為6 mm。

從圖5可以看出，在一個周期內(nèi)振動箱體的運動是一條曲線，但是并非一般的正弦曲線，而是一條非對稱的曲線。該曲線在X軸上方的幅值較大且運行時間較長，而在X軸下方的幅值較小而運行時間較短。這種運動規(guī)律的形成，與彈簧鋼板這種彈性結(jié)構(gòu)有重要的關(guān)系。其目的是為了實現(xiàn)荸薺-泥土混合物的斜上拋運動，從而同時完成分離與輸送兩種操作。

4? 荸薺-泥土的顆粒系統(tǒng)建模與動力學(xué)仿真

在EDEM中建立顆粒系統(tǒng)的力學(xué)模型。設(shè)置顆粒物理模型為Hertz-Mindlin with JKR模型，并設(shè)置荸薺之間、泥土之間、荸薺-泥土之間的表面能分別為800、200、400 J/m2。用球體近似代表荸薺和泥土顆粒，創(chuàng)建兩種幾何尺寸不同的球形顆粒（這里將荸薺簡化為球形）并設(shè)置其質(zhì)量屬性。

將泥果分離裝置中與振動箱體相關(guān)的幾何部分導(dǎo)入到離散元仿真軟件EDEM中，對于振動篩網(wǎng)的運動規(guī)律設(shè)置為圖5所對應(yīng)的曲線。創(chuàng)建一個矩形框（700 mm×400 mm×100 mm）以表示被挖掘的一塊矩形泥土。根據(jù)實測情況，設(shè)置荸薺的顆粒工廠產(chǎn)生方式為靜態(tài)填充30個荸薺，而設(shè)置泥土的顆粒工廠為充滿方式。然后設(shè)置1 s的仿真時間進(jìn)行仿真，得到顆粒工廠剛生成時的圖片如圖6（a）所示，而在中間某個時刻泥土與荸薺分離的圖片如圖6（b）所示。

從圖6（a）可以看出，荸薺與泥土混合在一起，表示挖掘的泥塊剛掉到振動篩網(wǎng)的情況;從圖6（b）可以看出，經(jīng)過振動以后，泥土顆粒紛紛墜落，表明泥土顆粒發(fā)生了解體，而且與荸薺之間也產(chǎn)生了分離。解體后的泥土顆粒因為尺寸小于振動桿之間的距離而落入振動篩下，而荸薺因為尺寸大于振動桿間距則停留在篩網(wǎng)上方。

設(shè)置彈簧鋼板的厚度為4.8、6.0、7.2 mm，其寬度為48、60、72 mm。使用全因素法進(jìn)行系列仿真試驗研究，以考察荸薺與泥土的分離效果。仿真結(jié)果表明，鋼板的厚度越大，則分離效果越顯著;而鋼板的寬度對于分離效果影響相對較小。將該仿真結(jié)果用到本樣機的試驗改造中，也得到了類似的規(guī)律。

4? 小結(jié)

采用多剛體動力學(xué)-有限元-離散元單向耦合仿真的方式，對荸薺收獲機中泥果分離裝置進(jìn)行了動力學(xué)仿真，結(jié)果表明，1 d的仿真試驗可以代替2個月左右的實物樣機試驗，而且二者取得了一致的結(jié)論。仿真表明，對于本樣機而言，彈簧鋼板的厚度越大，分離效果越顯著，而改變鋼板的寬度相對影響較小。

由于很難通過試驗獲得某種特定泥土黏結(jié)力以及泥土-荸薺黏結(jié)力的試驗數(shù)據(jù)，本研究仿真結(jié)果與該裝置的實際工作之間還有一定距離，將進(jìn)一步加大試驗力度，據(jù)此設(shè)置合理的黏結(jié)力參數(shù)，從而提高仿真的精度和效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李? 旭，廖? 劍，王? 銳，等.荸薺機械化收獲技術(shù)研究進(jìn)展[J].長江蔬菜，2017（18）：77-80.

[2] 周曉明.一種分層式荸薺挖掘機：CN201610334237.2[P].2016-05-18.

[3] 蓋國安，蓋? 碩.荸薺采收機：CN201520630043.8[P].2015-08-20.

[4] 吳紅順.全自動荸薺挖掘機：CN201420314478.7[P].2014-06-13.

[5] 李松鋒.荸薺采收振動挖掘系統(tǒng)的振動特性及減振研究[D].西安：陜西科技大學(xué)，2015.

[6] 趙? 燕，趙? 攀，阮成明，等.考慮剛?cè)狁詈咸匦缘腟UV控制臂強度分析[J].機械設(shè)計與制造，2018（8）：80-83.

[7] 劉? 波，劉邱祖，陸? 洋.圓盤旋轉(zhuǎn)沖擊粉碎機轉(zhuǎn)子參數(shù)優(yōu)化EDEM仿真[J].機械設(shè)計與制造，2018（4）：119-121.

[8] 紀(jì)玉杰，薛宏達(dá)，李成華.玉米精密排種器工作過程的離散元仿真分析[J].計算機仿真，2013，30（3）：393-397.

[9] 高? 輝，劉? 賓，張大偉，等.月壤表取采樣過程離散元仿真分析平臺研究[J].計算機仿真，2013，30（12）：92-97.

[10] 李祖吉，宋少云，李志方，等.碾米過程中的氣固兩相流耦合仿真初探[J].糧食與飼料工業(yè)，2015（11）：1-4.

收稿日期：2019-01-06

基金項目：湖北省糧食局“優(yōu)質(zhì)糧食工程”科技創(chuàng)新項目;武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院開放性課題（kfxkt201812）

作者簡介：王? 銳（1972-），男，湖北武漢人，高級工程師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機械、農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究，（電話）13659888872（電子信箱）13659888872@qq.com。