S型鏈式馬鈴薯收獲機挖掘裝置的設計及有限元分析

王政增,吳秀豐,楊然兵,2,楊曉龍,趙 晗,崔功佩

(1．青島農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,山東 青島 266109;2．山東省薯類全程機械化智能裝備工程技術研究中心,山東 青島 266315)

0 引言

馬鈴薯作為廣泛種植的根莖類糧食作物,其田間收獲要求比較高且收獲作業(yè)較為繁重。國內(nèi)已有的馬鈴薯收獲機田間作業(yè)對土壤要求嚴格,且容易出現(xiàn)壅土、傷薯等現(xiàn)象,無法滿足用戶的挖掘需求[1-3]。因此,研制一種結構合理的馬鈴薯收獲機對于減少馬鈴薯挖掘損傷和提高機械化收獲水平具有極其重要的意義。

本文依據(jù)S型鏈式馬鈴薯收獲機的結構特點,重點對挖掘裝置存在傷薯、纏草及壅土的缺陷進行研究設計,研發(fā)了新型固定式挖掘裝置,并依據(jù)作業(yè)要求和力學性能分析對挖掘鏟進行結構尺寸確定及有限元分析,同時進行田間試驗。

1 整機的工作原理

S型鏈式馬鈴薯收獲機的整機結構如圖1所示。該機需配合拖拉機使用,由拖拉機為其提供動力輸出。田間作業(yè)時,挖掘鏟切入馬鈴薯壟將土壤疏松后連帶馬鈴薯一同進入輸送分離裝置,將馬鈴薯從土壤中分離出來;作業(yè)過程中混雜的秧蔓及雜草經(jīng)過旋轉滾筒裝置及時清除,可避免發(fā)生纏繞;馬鈴薯和土塊混雜通過輸送分離裝置經(jīng)過振動及其在滾軸上的摩擦使得土塊松散并清除;馬鈴薯經(jīng)集攏鋪放裝置集中落入田間,方便進行撿拾收獲[4-6]。

1.懸掛裝置 2.變速箱 3.機架 4.輸送分離裝置 5.集攏鋪放裝置 6.后驅(qū)動裝置 7.行走裝置 8.旋轉滾筒裝置 9.挖掘鏟裝置圖1 S型鏈式馬鈴薯收獲機示意圖Fig.1 Diagram of S-shaped Chain Type Potato Harvester。

2 挖掘裝置的設計

2.1 馬鈴薯挖掘裝置結構的確定

目前,國內(nèi)已有的馬鈴薯挖掘鏟裝置在實際操作過程中存在適應性差,容易壅土和纏繞等問題,極大地降低了收獲機的挖掘效果及工作效率[7]。針對上述問題及田間作業(yè)要求,筆者研制了新型固定式挖掘裝置,包括旋轉滾筒、挖掘鏟片及鏟座等結構,如圖2所示。挖掘鏟片由1對左右對稱刀刃組成,鏟體與鏟坐焊接固定。鏟座后方焊接多個固定板,通過柵條連接將鏟刀過渡板安裝在挖掘裝置后方,鏟刀過渡板可繞柵條做小幅度的轉動,降低了挖掘裝置受土壤阻力及對馬鈴薯損傷率,提高了入土能力優(yōu)化了整機性能,可實現(xiàn)馬鈴薯自動化脫土輸送作業(yè)。鏟座固定板兩端設置轉動軸承,旋轉滾筒裝置由動力驅(qū)動繞中心軸旋轉,將經(jīng)過裝置的秧蔓及雜草等及時清理,防止了機器堵塞。

1.旋轉滾筒裝置 2.機架平面鏟片 3.輸送分離裝置 4.鏟座 5.平面鏟片圖2 挖掘裝置Fig.2 Digging device。

2.2 挖掘鏟的主要結構尺寸

1)鏟體寬度B。該機可一次進行兩壟收獲作業(yè),作業(yè)幅寬為1 300mm,因此鏟體寬度B設置為1 430mm;分為兩個尖鏟,每個單體寬度為715mm。為滿足挖掘鏟抗沖擊、擠壓、磨損性能要求,其材質(zhì)選為65Mn,并對鏟刃進行調(diào)質(zhì)處理。

2)鏟面傾角α。對挖掘過程中的鏟面進行受力分析(見圖3),可得如下方程,即

FN-Psinα-Gcosα=0

(1)

Pcosα-Gsinα-Fμ=0

(2)

Fμ=μFN

(3)

式中FN—鏟體對土塊的支撐力(N);

P—挖掘裝置受到土塊的反作用力(N);

α—鏟面與水平作業(yè)面的夾角(°);

G—馬鈴薯及黏附土壤的重力(N);

Fμ—挖掘鏟對土壤的摩擦力(N);

μ—土壤與挖掘鏟面間的摩擦因數(shù),μ=0.577～ 0.721[8]。

經(jīng)計算可得

(4)

P與F為相互作用力,挖掘阻力F的計算公式為

F=kab

(5)

式中F—挖掘阻力(N);

k—單位面積橫斷面面積阻力(N/mm2);

a—挖掘深度(mm);

b—挖掘作業(yè)幅寬(mm)。

根據(jù)馬鈴薯種植土壤確定k的取值在4～5之間。由馬鈴薯挖掘要求確定該裝置挖掘深度為150～250mm,整機作業(yè)寬度為1 430mm。因此,取值k=4.5×10-2N/mm2,a=200mm,b=1 430mm。將各因素數(shù)值代入公式(5)中,求得挖掘阻力F為12 870N。土壤的平均密度為2.65×10-3g/mm3,挖掘長度定為650mm,代入公式得G=4 827.823N。

將各項數(shù)據(jù)代入公式(4)中,可知鏟面傾角α的取值范圍為33.6°～39.5°。

3)鏟體長度L。挖掘深度h、鏟體長度L和鏟面傾角α之間滿足以下關系,即

h=Lsinα

(6)

根據(jù)上文已知已知數(shù)據(jù),確定鏟體長度為320mm。

4)鏟刃夾角γ。若鏟刃夾角偏大,則鏟刀前進時受較大的正壓力,降低了鏟刃入土性能,產(chǎn)生較大工作阻力并發(fā)生壅土;若鏟刃夾角過小,則前進時產(chǎn)生較大的切向力,鏟刃入土能力較好,但鏟尖容易對馬鈴薯造成切傷。綜上所述,本文設計的鏟刃夾角為150°。

2.3 鏟座支撐的設計

挖掘鏟田間作業(yè)受土壤阻力產(chǎn)生變形[9],若挖掘鏟發(fā)生較大的變形則會導致鏟刀彎折甚至斷裂,直接降低作業(yè)性能。通過挖掘鏟與鏟座焊接的方式固定到機架上,能夠有效解決鏟片易損的問題。鏟座支撐如圖4所示。

1.鏟座固定板 2.鏟座主板 3.鏟座后板 4.鏟刀固定板圖4 鏟座支撐Fig.4 Digging shovel support。

針對傳統(tǒng)固定式挖掘裝置存在的問題進行優(yōu)化設計,采用多個鏟刀固定板焊接到鏟座后板后方,可有效解決挖掘鏟壅土。相鄰鏟刀固定板間通過柵條將鏟刀過渡板固定,裝置作業(yè)時鏟刀過渡板和鏟座后板上表面共面;每兩個過渡板間相距35mm,即可防止工作時漏薯發(fā)生,且間隙可使土塊松碎及碎土還田。

3 基于ANSYS的挖掘鏟靜力學分析

3.1 挖掘鏟的仿真模型

挖掘鏟在田間作業(yè)時受到較大的外力作用,對鏟片的塑性和強度有較高的要求。選定65Mn鋼為挖掘鏟的材質(zhì),密度為7 850kg/m3;設定其模型類型為線性、彈性及各項同性,抗拉強度為735MPa,屈服極限為430MPa,延伸率為9%,斷面收縮率為30%,彈性模量為2 000MPa,泊松比為0.394[10]。對模型進行網(wǎng)格劃分,選取四面體形式建立模型,每個單元網(wǎng)格大小取5×10-3m,邊緣尺寸最小取2×10-3m。劃分結果如圖5所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh of model。

對裝置進行靜力學分析,將焊接板兩側上、下表面及后板下表面進行固定約束,如圖6(a)所示。將挖掘鏟受力部分加載相應的壓強,如圖6(b)所示。

圖6 固定約束及壓強負載Fig.6 Fixed support and pressure。

3.2 結果及分析

1)彈性應變。由彈性應變云圖(見圖7)可知:挖掘鏟彈性應變最大值為1.062×10-4m,最小值為7.084 9×10-22m。分析挖掘鏟彈性應變可知外力作用對鏟刀的影響甚微,不會對挖掘鏟整體結構及性能造成影響。

圖7 彈性應變云圖Fig.7 Equivalent elastic Strain。

2)應力分析。由應力云圖(見圖8)可知:挖掘鏟所受應力最大值為2.113 3×10-7Pa,最小值為1.414 8×10-10Pa,鏟體在受外力作用下的應力值遠小于材料的屈服極限,符合田間作業(yè)要求。

圖8 應力云圖Fig.8 Equivalent Stress。

3)總變形分析?？傋冃问茄b置作業(yè)時挖掘鏟受外力作用下在土壤中的變形情況。由總變形云圖可知(見圖9):挖掘鏟變形的最大值為8.982 7×10-5m。分析可知:挖掘鏟在田間作業(yè)時,鏟尖部分的變形最顯著,向后則呈現(xiàn)銳減趨勢。雖然鏟尖處變形不足以對整機工作產(chǎn)生影響,但隨著機器在田間長時間作業(yè),鏟尖部分會出現(xiàn)明顯磨損,當屬合理現(xiàn)象。就方便更換零件節(jié)約成本等方面而言,在挖掘裝置設計過程中要考慮鏟尖的可拆卸性。

圖9 總變形云圖Fig.9 Total deformation。

4 田間試驗

對S型鏈式馬鈴薯收獲機田間收獲性能進行試驗檢驗,分析明薯率、傷薯率、破皮率和生產(chǎn)率等試驗指標,選取最優(yōu)參數(shù)組合,結果如表1所示。

表1 試驗結果Table 1 Test results。

續(xù)表1。

5 結論

針對S型鏈式馬鈴薯收獲機的挖掘裝置進行研發(fā)設計,通過對我國馬鈴薯種植現(xiàn)狀及現(xiàn)有挖掘裝置存在不足的分析,確定新型固定式挖掘裝置的結構。通過對挖掘鏟受力分析及相關計算,確定鏟體的一系列參數(shù),對鏟座支撐結構進行優(yōu)化設計。利用ANSYS軟件對挖掘鏟進行有限元分析,通過對彈性應變云圖、應力云圖和總變形云圖的分析可知:該挖掘裝置具有良好的力學性能,符合農(nóng)機設計要求及田間作業(yè)標準。對S型鏈式馬鈴薯收獲機田間試驗結果進行分析,證實各項指標均符合標準,作業(yè)性能良好,完全能夠滿足收獲需求。