木薯種莖整理排序裝置設(shè)計(jì)與優(yōu)化

張 俊, 何輝波, 鄧干然, 李華英,崔振德, 鄭 爽, 譚 梁, 茍于江

1. 西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715； 2. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091

我國(guó)木薯種植主要分布在廣西、廣東、海南、福建、云南等省區(qū)，全國(guó)年種植面積46.67萬公頃左右，年產(chǎn)鮮薯約900萬噸．2018年8月，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議確定了生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)總體布局，要求加快建設(shè)木薯燃料乙醇項(xiàng)目．木薯作為重要的生物質(zhì)原料和稻谷、玉米等陳化糧的調(diào)節(jié)替代品，其重要性和戰(zhàn)略地位將更加突出，我國(guó)對(duì)木薯及木薯加工品的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大．但是我國(guó)種植的木薯仍難以滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，每年還需要從國(guó)外進(jìn)口大量的木薯干片和木薯淀粉[1-4]，主要原因在于國(guó)內(nèi)的木薯種植機(jī)械化技術(shù)發(fā)展緩慢，絕大多數(shù)地區(qū)仍采用傳統(tǒng)的人工種植，成本高、效率低[5-7]．目前國(guó)內(nèi)在推廣的木薯種植機(jī)械技術(shù)僅有崔振德等[8]設(shè)計(jì)的一種木薯種植機(jī)種莖切斷裝置，采用實(shí)時(shí)切種、種植的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械化種植，提高了種植效率，但是需要兩個(gè)工人在機(jī)器上工作，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大．而相比實(shí)時(shí)種植，預(yù)切種式種植方式能夠極大地降低工人勞動(dòng)量，進(jìn)一步提高種植效率[9]．

針對(duì)木薯預(yù)切種式種植機(jī)械的空缺，結(jié)合木薯種植農(nóng)藝要求，本文設(shè)計(jì)一種木薯種莖整理排序裝置[10]，運(yùn)用SoildWorks建立三維模型，通過Abaqus有限元分析軟件對(duì)種箱底板進(jìn)行靜力學(xué)分析，基于仿真結(jié)果，提出優(yōu)化目標(biāo)，使用Isight對(duì)種箱底板的各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，并試制物理樣機(jī)，以華南9號(hào)木薯莖稈進(jìn)行自動(dòng)取種試驗(yàn)，通過試驗(yàn)對(duì)該裝置的可行性進(jìn)行驗(yàn)證．

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1. 撥料電機(jī)； 2. 撥料鏈條； 3. 升降電機(jī)； 4. 出種板； 5. 滾筒； 6. 電 機(jī)Ⅰ； 7. 取種槽； 8. 取種鏈條； 9. 木薯種莖； 10. 排種板； 11. 機(jī)架； 12. 電機(jī)Ⅱ； 13. 槽型輸送帶； 14. 種箱； 15. 種箱底板； 16. 控制箱．圖1 整體結(jié)構(gòu)

木薯種莖整理排序裝置主要由出種機(jī)構(gòu)、整理排列機(jī)構(gòu)、取種機(jī)構(gòu)和機(jī)架組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示．出種機(jī)構(gòu)主要由撥料電機(jī)、撥料鏈條、升降電機(jī)、出種板、種箱底板和種箱組成．整理排列機(jī)構(gòu)主要是滾筒、電機(jī)Ⅰ、電機(jī)Ⅱ、排種板和槽型輸送帶組成．取種機(jī)構(gòu)主要由取種槽和取種鏈條組成．出種機(jī)構(gòu)、整理排列機(jī)構(gòu)和取種機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)架上，整理排列機(jī)構(gòu)位于出種機(jī)構(gòu)后，取種機(jī)構(gòu)位于整理排列機(jī)構(gòu)后，通過三者的配合作用，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)大量木薯種莖整理排序，并且自動(dòng)取出．

1. 升降電機(jī)； 2. 撥桿； 3. 撥料鏈條； 4. 導(dǎo)軌； 5. 種箱底板； 6. 升降螺母； 7. 絲桿．圖2 出種原理圖

1.2 出種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于木薯種莖表面具有不規(guī)則的節(jié)子[11]，容易發(fā)生相互勾連，在數(shù)量較多時(shí)整理排序難度大．出種機(jī)構(gòu)的作用是每次從種箱中取出少量種莖，使其進(jìn)入整理排列機(jī)構(gòu)，從而降低整理的難度．出種機(jī)構(gòu)由升降機(jī)構(gòu)和撥料機(jī)構(gòu)組成，升降機(jī)構(gòu)選用絲桿螺母，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，有自鎖性； 撥料機(jī)構(gòu)選用鏈傳動(dòng)，能在惡劣環(huán)境條件下工作； 通過兩者配合作用可實(shí)現(xiàn)少量取種．圖2所示為出種原理圖．

升降機(jī)構(gòu)由升降電機(jī)、絲桿、導(dǎo)軌、種箱底板和升降螺母組成，為使升降螺母受力均勻以減小升降阻力，絲桿位于種箱底板的中心，導(dǎo)軌的作用是加強(qiáng)種箱底板的穩(wěn)定性．種箱底板和種箱壁形成的空間用于存放木薯種莖，升降電機(jī)可通過絲桿螺母帶動(dòng)種箱底板和箱內(nèi)的木薯種莖升降，通過控制升降電機(jī)即可改變箱內(nèi)木薯種莖的堆放高度．撥料機(jī)構(gòu)主要由撥桿和撥料鏈條組成，撥桿安裝在撥料鏈條上，撥料鏈條向種箱的出口方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)撥桿將箱內(nèi)最上層的木薯種莖撥出．

1.3 整理排列機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

整理排列機(jī)構(gòu)的主要功能是將雜亂無章的木薯種莖整理排列．牟向偉等[12]設(shè)計(jì)的一種相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)式木薯種塊主動(dòng)調(diào)姿的自動(dòng)均勻排種器，李尚平等[13]設(shè)計(jì)的一種預(yù)切種開式橫向甘蔗播種器，都是采用帶有凹槽的皮帶(鏈)用于整理排種．但是木薯種莖形狀并不規(guī)則，與甘蔗差距較大，僅靠槽型輸送帶整理效果不佳，因此增加滾筒機(jī)構(gòu)將木薯種莖整理成朝向一致．

滾筒機(jī)構(gòu)位于出種板后方，位于輸送帶上方，主要由兩組傳動(dòng)鏈條和4個(gè)滾筒組成，如圖3所示．4個(gè)滾筒以相同間隙排列，木薯種莖的最大直徑約為40 mm，加上節(jié)子長(zhǎng)度，相鄰滾筒的間距取為65 mm，以便于整理后的種莖掉入輸送帶．由圖3可知，電機(jī)Ⅰ連接第二鏈條組，電機(jī)Ⅱ連接第一鏈條組，并且每個(gè)鏈條組連接的兩個(gè)滾筒不相鄰．

進(jìn)行整理工作時(shí)，電機(jī)Ⅰ逆時(shí)針低速轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)Ⅱ順時(shí)針快速轉(zhuǎn)動(dòng)，使相鄰滾筒轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速都不同．在此種情況下，木薯種莖自動(dòng)調(diào)整成與滾筒平行的姿態(tài)從間隙中落至輸送帶，隨后被輸送帶送至排種板排列，排種板呈一定斜度安裝，使木薯種莖能在重力作用下向取種槽滑動(dòng)．

1.4 取種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

取種機(jī)構(gòu)主要由取種電機(jī)、取種槽和取種鏈條構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示．取種鏈條由兩根鏈條并行布置，取種電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)取種鏈條向上運(yùn)動(dòng)； 取種槽安裝在兩根取種鏈條上，呈水平布置，隨著取種鏈條向上運(yùn)動(dòng)，取種槽的空間只能容納一根木薯種莖，在經(jīng)過排種板時(shí)取走一根木薯種莖，從而實(shí)現(xiàn)逐個(gè)取種．調(diào)節(jié)取種電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以改變?nèi)》N的速度，進(jìn)而調(diào)整取種效率．

1. 輸送電機(jī)； 2. 滾筒； 3. 第一鏈條組； 4. 電機(jī)Ⅰ； 5. 木薯種莖； 6. 輸送帶； 7. 排種板； 8. 第二鏈條組； 9. 電機(jī)Ⅱ．圖3 整理排列機(jī)構(gòu)

1. 取種鏈條； 2. 取種電機(jī)； 3. 種莖； 4. 取種槽； 5. 排種板．圖4 取種機(jī)構(gòu)

2 種箱底板的參數(shù)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化分析

種箱底板承受著所有木薯種莖的重力，還要能夠升降，因此使用直線光軸作為導(dǎo)軌增加底板的穩(wěn)定性，而導(dǎo)軌會(huì)影響種莖出箱，所以導(dǎo)軌的數(shù)量不宜過多，設(shè)計(jì)兩根即可避免底板轉(zhuǎn)動(dòng)和側(cè)翻．為減小升降電機(jī)的功率，對(duì)種箱底板進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，同時(shí)也要避免種箱底板出現(xiàn)局部變形過大，因此需要對(duì)種箱底板的主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化．種箱底板的主要參數(shù)如圖5所示．圖中H為種箱底板的寬度，L為長(zhǎng)度，a、b為兩根導(dǎo)軌到左側(cè)的距離，f為底板的厚度，Da、Db為導(dǎo)軌的安裝直徑，D為絲桿的安裝直徑，c為兩根導(dǎo)軌安裝孔的距離，導(dǎo)軌由導(dǎo)軌座安裝在種箱壁上，因此c與H相關(guān)．

種箱底板的寬度H、長(zhǎng)度L與底板的升降高度形成了種箱的容納空間，根據(jù)播種工作要求，設(shè)定一箱容納1 000根，容積約為0.288 m3滿足要求，結(jié)合絲桿的升降范圍和種莖的長(zhǎng)度，選定寬度H為600 mm，長(zhǎng)度L為700 mm，根據(jù)光軸固定支撐座的規(guī)格確定c為540 mm．根據(jù)直線光軸和絲桿螺母相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，初步取定Da，Db為16 mm，D為26 mm，a為350 mm，b為350 mm，f為6 mm．

2.2 種箱底板的有限元仿真

使用有限元法對(duì)種箱底板進(jìn)行仿真分析．根據(jù)種箱底板的工作條件和要求，定義材料屬性為Q235，彈性模量為2.12×1011N/m2，泊松比0.288，質(zhì)量密度7.86×103kg/m3，屈服強(qiáng)度σs為235 MPa．許用應(yīng)力計(jì)算公式為

(1)

式中： [σ]為材料許用應(yīng)力(MPa)，σs為材料屈服強(qiáng)度(MPa)，n為安全系數(shù)．

取安全系數(shù)為1.5，代入公式(1)計(jì)算出Q235碳鋼的許用應(yīng)力[σ]為156 MPa．代入種箱底板的初始參數(shù)，使用Abaqus進(jìn)行建模仿真．種箱底板承受載荷為箱內(nèi)木薯種莖總質(zhì)量，1 000根木薯種莖的總質(zhì)量最大值為200 kg，故對(duì)種箱底板表面添加2 000 N的均布載荷，在兩個(gè)導(dǎo)軌孔處設(shè)置限制x、y方向的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)約束，絲桿孔處約束繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)之外的5個(gè)自由度，如圖6所示．

圖5 種箱底板主要參數(shù)

圖6 載荷與邊界條件

圖7 應(yīng)力云圖

圖8 位移云圖

種箱底板整體采用尺寸為10 mm的網(wǎng)格種子，3個(gè)孔位置布置尺寸為2 mm網(wǎng)格種子，網(wǎng)格單元類型為C3D8H，控制屬性為六面體，采用中性軸算法[14]．計(jì)算得應(yīng)力云圖如圖7，位移云圖如圖8所示．從圖可看出，整體的最大應(yīng)力值Smax為123.9 MPa，小于許用應(yīng)力，但是四角存在較大變形，最大位移值為1.886 mm．

2.3 優(yōu)化目標(biāo)

種箱底板存在較大位移時(shí)會(huì)影響升降過程中的穩(wěn)定性，因此需要降低最大位移值．增加板厚可降低板的位移，同時(shí)板厚也影響著升降電機(jī)的功率，種箱底板的厚度越小，升降電機(jī)的功率越?。孕鑼?duì)種箱底板各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在將位移Umax降低到合格范圍的同時(shí)，板厚f越小越好．結(jié)合兩者的重要性和量綱統(tǒng)一，取f比例因子為10，權(quán)重為0.7；Umax比例因子為1，權(quán)重為0.3，得目標(biāo)函數(shù)為

(2)

式中：Umax為種箱底板最大位移值(mm)，f為種箱底板厚度(mm)．

2.4 優(yōu)化變量及約束條件

選擇影響種箱底板最大位移的參數(shù)作為優(yōu)化變量，得6個(gè)設(shè)計(jì)變量

X=(x1，x2，x3，x4，x5，x6)=(Da，Db，D，a，b，f)

(3)

式中：Da為導(dǎo)軌孔Ⅰ的半徑(mm)，Db為導(dǎo)軌孔Ⅱ的半徑(mm)，D為絲桿孔的半徑(mm)，a為孔Ⅰ至左側(cè)的距離(mm)，b為孔Ⅱ至左側(cè)的距離(mm)，f為種箱底板厚度(mm)．

結(jié)合絲桿、直線光軸、鋼板的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和種箱底板的負(fù)載，確定Da，Db，D，f的取值范圍，根據(jù)L和Da、Db可確定a、b的取值范圍．通過鋼板承重升降試驗(yàn)，得Umax應(yīng)小于等于0.5 mm，得約束條件為Umax≤0.5，x1和x2取值范圍為12～70 mm，x3取值范圍為18～52 mm，x4和x5取值范圍為60～600 mm，x6取值范圍為4～30 mm．

2.5 優(yōu)化方法和結(jié)果分析

采用Isight中的多島遺傳算法(Multi-Island GA)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，多島遺傳算法是把總體分成幾個(gè)島嶼，在每個(gè)島嶼上分別執(zhí)行傳統(tǒng)的遺傳操作，然后從每個(gè)島嶼中隨機(jī)選擇一些個(gè)體，遷移到不同的島嶼．與傳統(tǒng)遺傳算法相比，多島遺傳算法具有更優(yōu)良的全局求解能力和更高的計(jì)算效率[15-18]，求解部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示．

表1 優(yōu)化結(jié)果

圖9 優(yōu)化后位移云圖

圖10 木薯種莖整理排序裝置

得到最優(yōu)目標(biāo)f(X)=1.121，Umax為0.473 mm，比優(yōu)化前減小了74.9%，f為14 mm，最大應(yīng)力值也遠(yuǎn)小于優(yōu)化前．得最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的各變量值為

將優(yōu)化得到的最優(yōu)變量組合代入Abaqus重新進(jìn)行仿真，得到優(yōu)化后的位移云圖如圖9所示．對(duì)比圖8可看出，最大位移值大幅度降低，并且大部分位置無明顯位移．

3 試 驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料和方法

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的木薯種莖整理排序裝置功能是否可靠，基于上節(jié)得到的優(yōu)化參數(shù)，試制了木薯種莖整理排序裝置(圖10)，進(jìn)行室內(nèi)自動(dòng)取種試驗(yàn)．

試驗(yàn)材料選用華南9號(hào)木薯莖稈，種莖直徑為2～4 cm，種莖長(zhǎng)度180±1 cm．試驗(yàn)內(nèi)容： 在種箱內(nèi)放入大量木薯種莖，之后啟動(dòng)出種機(jī)構(gòu)、整理排列機(jī)構(gòu)、取種機(jī)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)過程中成功取走的種莖數(shù)．本設(shè)計(jì)最終目的是實(shí)現(xiàn)將大量種莖逐個(gè)取出，以取種率為指標(biāo)考察裝置的可行性[19]，取種率越高，說明裝置的可行性越大．定義取種率為

(4)

式中：S為經(jīng)過排種板的取種槽數(shù)(根)，St為成功取走的種莖數(shù)(根)．

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

對(duì)華南9號(hào)進(jìn)行多組試驗(yàn)，每次試驗(yàn)5 min，得試驗(yàn)結(jié)果如表2所示．結(jié)果表明： 對(duì)華南9號(hào)能實(shí)現(xiàn)取種功能，且取種效果理想，平均取種率為83.11%．

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)預(yù)切種式木薯機(jī)械化種植的流程，設(shè)計(jì)了一種木薯種莖整理排序裝置，具備少量取種、整理排序和逐個(gè)取種三大功能，整體裝置能夠?qū)崿F(xiàn)從大量木薯種莖中自動(dòng)取種．

2) 通過Abaqus對(duì)重要受力部件種箱底板進(jìn)行了有限元分析，使用Isight中的多島遺傳算法(Multi-Island GA)對(duì)種箱底板的6個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，得到底板最大位移值為0.473 mm，比優(yōu)化前減小了74.9%，最小板厚為14 mm．根據(jù)優(yōu)化結(jié)果再次仿真，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后種箱底板大部分位置無明顯位移，提高了種箱底板的工作穩(wěn)定性．

3) 通過室內(nèi)自動(dòng)取種試驗(yàn)表明： 對(duì)華南9號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)取種功能，取種率為83.11%，驗(yàn)證了木薯種莖整理排序裝置的可行性．