黃芪收獲機分離裝置的設(shè)計與仿真分析

許 淵， 王 鋒， 張方圓， 楊 一， 宋學鋒， 戴 飛， 張鋒偉

(甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

分離裝置是黃芪收獲機的重要組成部分，分離效果的優(yōu)劣對黃芪根莖的質(zhì)量、收獲時操作人員的勞動強度及功率損耗等具有重要的意義[1-2]。由于黃芪是深根莖類中草藥，主根的入土深度為20～80 cm[3]，挖掘過程中入土深度較大，掘出物為大塊的莖土混合物，如果不能將大塊的土垡破碎分離，將造成堵塞壅土現(xiàn)象，增大整機負載，且無法將莖土徹底分離，影響藥用質(zhì)量[4]。

定西市農(nóng)機站研發(fā)的YW-160型長根莖型中草藥挖掘機，采用振動分離篩作為分離裝置，其安裝在輸送鏈后端，整機在作業(yè)時輸送鏈將大量的莖土混合物運送到振動篩上，振動篩通過曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動做往復直線運動，將小于振動篩網(wǎng)格的土塊散落拋回地面，分離效果比較徹底，但整機結(jié)構(gòu)尺寸較大，運行穩(wěn)定性差，動力消耗大。為了提高整機運行的平穩(wěn)性[5-8]，甘肅省農(nóng)機推廣站、定西市農(nóng)機化技術(shù)推廣站研制了4WGX-120/150型根莖草藥挖掘機，該機采用滾筒式攪拌分離篩，分離篩安裝在輸送裝置的最后端，工作過程中在變速箱中心軸帶動下不停轉(zhuǎn)動，對輸送鏈運送過來的莖土混合物進行分離，將小于網(wǎng)格的雜質(zhì)拋回地面，但分離效果不明顯，容易被雜草纏繞造成擁堵，整機結(jié)構(gòu)尺寸也較大，難以在小地塊中正常作業(yè)[9-12]。

本文根據(jù)黃芪生長特性和收獲要求，以減少整機結(jié)構(gòu)尺寸、降低能耗、莖土分離徹底為目的對黃芪收獲機分離裝置進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用ANSYS Workbench對其進行強度校核，在結(jié)構(gòu)簡化的基礎(chǔ)上滿足收獲要求。

1 分離裝置設(shè)計

1.1 分離裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

黃芪收獲機采用柵條式分離篩作為分離裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該分離篩主要由彎型分離柵條、柵條固定板及底部圓柱狀篩條組成，由擺桿與機架鉸接固定，皮帶輪上安裝的偏心輪通過連桿與柵條連接。黃芪挖掘機作業(yè)時，柵條分離篩在偏心輪的帶動下做往復式直線運動，將挖掘鏟掘起的土垡通過快速抖動進行破碎，大部分土壤破碎后通過篩條散落至地表，經(jīng)過分離后的黃芪根莖被拋送至輸送鏈處通過輸送鏈運送到后方進一步篩選。

圖1 柵條分離篩結(jié)構(gòu)1.篩條；2.S型分離柵條；3.擺桿；4.支撐軸；5.搖桿；6.柵條固定板

柵條分離篩運動簡圖如圖2所示。分離篩篩體可簡化成雙搖桿機構(gòu)，該機構(gòu)在水平—垂直方向上均具有位移，并且在運動期間存在快速返回。由于篩體的長度和搖臂的長度遠大于偏距，因此垂直方向上的位移很小，可以忽略急回特性。分離篩上各點隨著B點運動而運動，故將分離篩的運動簡化為直線往復運動，振幅A=2r，r為偏距。

圖2 柵條分離篩運動簡圖

將偏心輪最右位置作為位移和時間的起始點，并規(guī)定角度以逆時針為正，則位移-加速度-速度與時間的關(guān)系為：

x=r(cosωt-1)

(1)

(2)

(3)

式中：r為偏心距(m)；ω為角速度(rad/s)；t為時間(s)。

由以上公式可以得出，影響振動篩的主要因素是偏心輪轉(zhuǎn)速和偏心距。根據(jù)配套拖拉機的動力可知，偏心輪的轉(zhuǎn)速為280～320 r/min。

1.2 柵條分離篩的運動分析

為了使分離篩工作時水平方向的運動可以將莖土混合物向后拋送，分離篩的水平方向分速度va應大于收獲機的前進速度vb[13]。分離篩的安裝傾斜度不但要保證莖土混合物能沿篩條上升至輸送鏈前端，還要保證莖土混合物在重力的作用下不下滑或保持靜止。柵條分離篩受力分析如圖3所示。

圖3 柵條分離篩受力分析

分離篩柵條安裝傾角的理論值可由掘莖土混合物在篩條上的受力平衡方程確定[14]：

Pcosα-T-Gsinα≥0

(4)

P-Gcosα-Psinα=0

(5)

T=f1R

(6)

式中：P為掘起物沿齒面移動所需的力(N)；R為齒面對土壤的反作用力(N)；G為掘起物的重力(N)；T為齒面對崛起物的摩擦力(N)；f1為土壤對鋼的摩擦系數(shù)。

從公式(6)可以得到：

(7)

如果α超過上述值，莖土混合物就會壅堵在柵條面上，不能拋送至輸送鏈前端。研究表明，α的大小與分離篩將莖土混合物拋送的高度、土壤特性以及對土壤的破碎程度有關(guān)。莖土混合物拋送高度由操作者調(diào)節(jié)拖拉機液壓系統(tǒng)控制黃芪收獲機的入土深度確定。α增大可以使土垡破碎的更徹底，但增大了挖掘機的入土深度。將柵條分離篩兩側(cè)做成柵條狀，可以與挖掘鏟組合對橫向土垡進行切割和破碎，底部用圓柱狀篩條對土壤進行縱向剪切，使大塊土垡破碎成小顆粒，從篩條間隔散落到地表面，提高分離效率。柵條分離篩的長度為L，中間柵條結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 中間柵條結(jié)構(gòu)

假設(shè)黃芪的根莖混合物在篩條的A點，運動速度與機具的前進速度相等，篩條的長度為L，根莖混合物在A處所具有的動能為：

(8)

式中：E為掘起物在A點的動能(J)；m為掘起物質(zhì)量(kg)；um為挖掘鏟作業(yè)速度(m/s)。

當莖土混合物從A點運動到分離篩末端B點處時，莖土混合物相對篩條靜止，沿著篩條的末端開始散開。說明在提升段L上莖土混合物的相對速度降低到零(V相=0)，即在莖土混合物通過提升段時總的動能轉(zhuǎn)化為自身的重力勢能和克服摩擦力做的功。

摩擦力做功：

At=RfL=GLf1cosα

(9)

克服重力做功：

Ag=Gh=GLsinα

(10)

式中：f1為摩擦系數(shù)，土壤對鋼的摩擦系數(shù)為0.577～0.721。

由能量守恒定理可得：

E=At+Ag

(11)

(12)

(13)

根據(jù)式(13)可計算出提升段篩條的總長度，為了減小整機重量和能量損耗，柵條分離篩在滿足使用要求的前提下整體長度應盡可能縮短，這樣不僅可減少整機長度，還可以使莖土混合物在篩條末端具有一定的初速度以順利地運動到輸送鏈的前端，從而保證莖土混合物可輸送到機具后端做進一步分離，同時避免堵塞。

為了保證黃芪挖掘的徹底性，采用最大挖掘深度 800 mm、機具前進速度為 1.13 m/s、柵條面傾角30°時，可得L=677，本設(shè)計取L為 700 mm[15]。

柵條分離篩的底部篩條間隙寬度必須保證不漏掉由挖掘鏟運送過來的黃芪根莖，黃芪根莖直徑為10～20 mm，挖掘鏟的有效挖掘?qū)挾壤碚撋吓c分離篩的寬度相等，都取1 800 mm，本設(shè)計中底部圓柱狀篩條直徑d=8 mm、桿條間隙40 mm。

2 分離篩的有限元分析

柵條分離篩工作過程中所承受的載荷主要為挖掘鏟掘起的莖土混合物，分離篩的強度性能對收獲質(zhì)量有重要的影響，在最大挖掘深度、全幅寬作業(yè)條件下作業(yè)時有必要對分離篩進行強度校核分析，防止在作業(yè)過程出現(xiàn)變形破壞而影響收獲質(zhì)量和作業(yè)效率。通過ANSYS軟件對柵條分離篩進行強度分析，提取應力應變圖，分析作業(yè)過程中是否出現(xiàn)變形在黃芪收獲機分離裝置設(shè)計中具有重要意義。

2.1 模型建立

柵條分離篩主要底部受力，為了簡化模型提高計算速度，只需考慮底部篩條和兩側(cè)柵板受力，并忽略焊縫對分離篩性能的影響。按設(shè)計要求用Solid Works軟件建立柵條分離篩三維實體模型，導入ANSYS軟件。柵條分離篩模型如圖5所示。

圖5 柵條分離篩模型

2.2 材料定義與約束

綜合考慮優(yōu)質(zhì)廉價、便于加工，同時能保持優(yōu)良的機械性能、不易變形等要求，柵條分離篩材料選取Q235鋼。材料參數(shù)如下：密度 7.85 g/cm3、彈性模量 210 MPa、泊松比0.3、屈服極限為235 MPa。網(wǎng)格類型為六面體網(wǎng)格，根據(jù)分離篩的工作運動方式對其進行載荷約束，在拉桿的固定下只能進行前后往復式運動，無法上下平移和轉(zhuǎn)動。

2.3 載荷添加

分離篩在挖掘過程中受到的全部載荷來源于掘出的莖土混合物和自身的重力，收割機的最大挖掘深度800 mm，振動篩整個底部均參與工作(最大寬度為1 800 mm)?；谏鲜鰲l件，振動篩篩面上最大莖土混合物重力Fg為：

Fg=Vρg

(14)

V=DBL

(15)

式中：V為全幅寬挖掘時藥材與土壤混合物的體積(m3)；D為最大挖掘深度(mm)；B為挖掘鏟的全幅寬(mm)；L為振動篩篩面長度(mm)；ρ為莖土混合物的密度，ρ=1 500 kg/m3。

根據(jù)計算得Fg=15 120 N，垂直于挖掘鏟鏟面的重力分量Fgy=Fgcosα，即Fgy=13 094 N。

2.4 有限元結(jié)果分析

有限元分析結(jié)果可以客觀準確地表明分離篩的參數(shù)特性，為分離篩的實際作業(yè)提供參考依據(jù)，通過分析得到振動篩的應力云圖和變形位移云圖，分別如圖6、圖7所示。從圖中可以看出分離篩在外載荷作用下應力和變形的分布情況。

圖6 分離篩應力云圖

圖7 分離篩變形位移云圖

通過有限元分析可知：

(1)分離篩所受最大等效應力發(fā)生在分離篩底部中間位置和與擋板焊縫處，其值為91.536 MPa，低于材料的屈服應力，所以不會產(chǎn)生塑性變形。

(2)分離篩的最大變形位移為1.42 mm，位移變形集中在篩底中部，形變?yōu)?.000 78，滿足材料使用要求。

(3)分離篩的最小安全系數(shù)為 2.566，滿足安全系數(shù)要求。

3 模態(tài)分析

柵條分離篩在工作過程中受到動載荷影響，當動載荷的頻率與分離篩某階固有頻率接近時會引起分離篩的振動變形，造成漏土漏藥從而影響分離效果[16-18]。因此，有必要對分離篩進行模態(tài)分析，較全面地了解其結(jié)構(gòu)特性，防止外部激振頻率產(chǎn)生共振。本文主要通過ANSYS軟件對分離篩進行模態(tài)分析，提取前六階固有頻率和振形，在激振頻率的基礎(chǔ)上分析分離篩的變形程度以及是否會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

3.1 建立模型與材料定義

模態(tài)分析和力學分析采用的分離篩模型相同，且材料參數(shù)一致，添加載荷與約束相同。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)分析可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或者以特定的頻率振動，從而可以分析結(jié)構(gòu)對不同類型動力載荷的響應情況，考慮到黃芪收獲機在工作過程中的轉(zhuǎn)速較慢，所以只對分離篩的前六階模態(tài)進行分析。通過求解，得到分離篩的1～6階變形云圖，如圖8～13所示，分離篩的固有頻率見表1。

表1 分離篩固有頻率

圖8 一階模態(tài)

圖9 二階模態(tài)

圖10 三階模態(tài)

圖11 四階模態(tài)

圖12 五階模態(tài)

圖13 六階模態(tài)

由模態(tài)分析可知：

(1)固有頻率范圍在49.685 ～114.89 Hz之間，頻率依次遞增且表現(xiàn)出無阻尼振動的隨機性。

(2)分離篩的一階固有頻率為49.685 Hz，模態(tài)變形集中在兩側(cè)柵條和連接軸處，變形類型為沿X軸的扭轉(zhuǎn)變形，最大變形量為4.923 7 mm；二階固有頻率為53.334 Hz，模態(tài)變形集中在兩柵條連接軸處，變形類型為沿X軸的彎曲變形，最大變形量為8.791 5 mm；三階固有頻率為62.442 Hz，變形集中在底部支撐梁和連接軸處，變形類型為沿Y軸的彎曲變形，最大變形量為8.071 7 mm；四階固有頻率為67.347 Hz，變形集中在底部支撐梁和連接軸處，變形類型為沿Y軸的彎曲變形，最大變形量為5.580 2 mm；五階固有頻率為99.344 Hz，變形集中在底部支撐梁處，變形類型為沿著Z軸彎曲，最大變形量為5.910 9 mm；六階固有頻率為114.89 Hz，變形集中在底部支撐梁處，變形類型為沿Z軸彎曲，最大變形量為14.828 mm。

分離篩在工作時產(chǎn)生的振動主要來源于拖拉機牽引產(chǎn)生的振動和自身運動產(chǎn)生的振動，拖拉機在運動時產(chǎn)生的振動頻率集中為3～4 Hz，自身運動產(chǎn)生的振動主要包括路面不平整產(chǎn)生的外部激勵振動和自身轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的振動。

其中路面不平產(chǎn)生的激勵頻率通過如下公式計算：

(1)

式中：f為激勵頻率(Hz)；v為整機作業(yè)速度(km/h)；λ為路面不平波長(m)。

根據(jù)收獲機規(guī)范和設(shè)計要求，整機行走速度為0～6 km/h，此處選取時速為6 km/h，路面不平度波長為0.32 m[17]，可得路面的最高激勵頻率為5.21 Hz。

路面不平產(chǎn)生的激振頻率和拖拉機振動頻率均小于最低階固有頻率，說明振動篩正常工作時不會共振產(chǎn)生大的變形，能滿足基本工程作業(yè)使用要求。

4 小結(jié)

根據(jù)黃芪收獲機分離裝置的工作要求和運動特征設(shè)計了分離篩的結(jié)構(gòu)尺寸，然后根據(jù)作業(yè)時受到的載荷情況，用ANSYS Workbench對分離篩進行靜力學和模態(tài)分析，確定分離篩的強度、剛度能否滿足工作要求，結(jié)構(gòu)是否會發(fā)生共振現(xiàn)象。得到以下結(jié)論：

(1)根據(jù)黃芪收獲要求，設(shè)計分離裝置的運動特征并確定分離裝置的具體結(jié)構(gòu)，采用柵條分離篩作為黃芪的莖土分離裝置，通過理論計算和受力分析確定柵條分離篩的安裝角度和結(jié)構(gòu)尺寸。

(2)利用有限元分析法對分離篩進行力學分析和模態(tài)計算，直觀可靠地反映了分離篩在工作時各點的受力情況和固定頻率。通過分析可知分離篩的應力與形變滿足使用要求，工作平穩(wěn)，無共振現(xiàn)象。