木薯仿生挖掘鏟的設(shè)計(jì)及有限元靜力學(xué)分析

李生紅 易子鈞 盧建新 張?zhí)烊? 黃植功

[摘 ? ?要 ]針對(duì)木薯植株在被收獲過程當(dāng)中，挖掘鏟容易出現(xiàn)自身質(zhì)量過大、碎土性能不佳、減輕土壤黏性差等問題，基于仿生學(xué)理論，設(shè)計(jì)了一種土撥鼠仿生挖掘鏟。首先用MATLAB對(duì)土撥鼠爪趾進(jìn)行曲線擬合得到其多項(xiàng)式函數(shù)，再在SolidWorks里面設(shè)計(jì)出土撥鼠仿生挖掘鏟的三維模型。最后導(dǎo)入到 ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元靜力學(xué)仿真分析。通過對(duì)比普通挖掘鏟、實(shí)心仿生挖掘鏟、空心仿生挖掘鏟的應(yīng)力應(yīng)變情況，選擇出一種滿足設(shè)計(jì)要求的實(shí)心挖掘鏟。對(duì)比分析結(jié)果得到：實(shí)心仿生挖掘鏟擁有良好的力學(xué)性能、使用壽命及較好的質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]木薯植株;挖掘鏟;仿生;有限元靜力學(xué)分析

[中圖分類號(hào)]S225.71 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）06–00–02

[Abstract]In the process of cassava plant harvesting， the digging shovel is prone to the problems of excessive weight， poor soil crushing performance and poor soil viscosity. Based on the bionics theory， a bionic digging shovel of woodchuck is designed. Firstly， the polynomial function of the claw toe of the groundhog is obtained by curve fitting with MATLAB， and then the three-dimensional model of the bionic digging shovel of the groundhog is designed in SolidWorks. Finally， it is imported into ANSYS Workbench for finite element static simulation analysis. By comparing the stress and strain of ordinary digging shovel， solid bionic digging shovel and hollow bionic digging shovel， a solid digging shovel meeting the design requirements is selected. The results show that the solid bionic excavator has good mechanical properties， service life and good quality.

[Keywords]cassava plant; Digging shovel; bionics; Finite element static analysis

在木薯產(chǎn)業(yè)中，收獲木薯的方式會(huì)對(duì)其產(chǎn)生重要的影響，隨著木薯種植面積的不斷擴(kuò)大，僅僅只依靠手工收割方式已經(jīng)無法滿足收獲大量木薯的需求?，F(xiàn)如今我國(guó)木薯農(nóng)業(yè)發(fā)展潮流的主要趨勢(shì)是木薯收獲的機(jī)械化，挖掘鏟作為木薯收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)中的核心部分之一，其性能好壞將直接影響到木薯收獲機(jī)的收獲效率以及機(jī)械性能。目前市面上常見的挖掘鏟存在阻力過大、土壤殘留過多等問題，因此設(shè)計(jì)可靠實(shí)用的挖掘鏟對(duì)實(shí)現(xiàn)木薯收割機(jī)械化具有極其重要的意義。

2013年12月，鄒翔翔等人發(fā)現(xiàn)當(dāng)前木薯收獲機(jī)的挖掘鏟存在質(zhì)量過重以及入土、碎土困難的問題，以東方螻蛄前足趾爪作為原型，設(shè)計(jì)了一種仿生挖掘鏟，該鏟具有較好的抗疲勞強(qiáng)度和良好的入土性能，同時(shí)降低了作業(yè)中所受牽引阻力。2015年10月，王濤等人基于土壤的碎裂理論，參考薯類等塊根類收獲挖掘鏟設(shè)計(jì)出了多階挖掘鏟，該多階挖掘鏟與普通挖掘鏟相比，其碎土性能有所提高，并且減少了應(yīng)力的集中，從而減少了變形量，但其排土性能較差。2018年10月，益愛麗等人以中華田園犬的前爪為參考，設(shè)計(jì)出一種入土阻力小且碎土能力強(qiáng)的仿生挖掘鏟，但因其模仿狗爪這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，傷薯率較高。2020年6月，端木令堅(jiān)以黃毛鼠前足爪趾為仿生原型，利用仿生減阻理論、仿生設(shè)計(jì)技術(shù)方法、離散元仿真及土壤破碎理論，設(shè)計(jì)出了一種鏟齒型木薯仿生挖掘鏟，該鏟具有較好減阻效果，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，排土性不高。

根據(jù)仿生工程理論，從擅長(zhǎng)挖掘土壤的動(dòng)物中獲得木薯挖掘鏟的仿生改造設(shè)計(jì)，從而提高其降低阻力的性能，是一種新型研究方法。土撥鼠是嚙齒類動(dòng)物中的一種，在外形和生活方式上與老鼠相似，身體肥厚、脖子粗、吻寬、耳朵小眼睛細(xì)、四肢短而粗、尾巴短而松、爪子十分堅(jiān)硬鋒利，具有高超的挖掘能力。因此，通過用Corel DRAW2019圖形設(shè)計(jì)軟件來提取土撥鼠前爪的外部輪廓曲線，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一款新型木薯仿生挖掘鏟，運(yùn)用Solidworks軟件進(jìn)行仿生鏟的三維建模，最后在Ansys軟件中對(duì)其進(jìn)行有限元靜力分析，分析其應(yīng)力與應(yīng)變，并與市面常見普通挖掘鏟進(jìn)行對(duì)比，選擇性能更加優(yōu)良的挖掘鏟。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

挖拔式木薯聯(lián)合收獲機(jī)的主要組成部分包括牽引裝置、挖掘裝置、夾持拔起裝置、機(jī)架。

1.2 工作原理

木薯收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，農(nóng)用拖拉機(jī)在木薯收獲機(jī)的前方牽引，木薯種植方向與收獲機(jī)的挖掘裝置方向正對(duì)，拔起裝置在挖掘裝置的后方，隨著拖拉機(jī)向前行進(jìn)，挖掘裝置在拔起裝置的前方對(duì)木薯塊根周圍的土壤進(jìn)行松土，拔起裝置在后方進(jìn)行拔起，木薯塊根向上離開土地，挖拔工作完成。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

挖拔式木薯聯(lián)合收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)詳見表1。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

描述木薯植株主要由葉片、莖干、塊根3部分組成。木薯的塊根比較脆，因此在設(shè)計(jì)挖掘鏟時(shí)就需要考慮到對(duì)塊根完整性的保護(hù)。基于眾多有關(guān)工程仿生學(xué)的理論，發(fā)現(xiàn)土撥鼠作為一種長(zhǎng)期棲息在草原和高山草甸中的動(dòng)物，其彎曲而鋒利的前爪使其在挖掘深的巖石洞道時(shí)，表現(xiàn)出極強(qiáng)的挖掘能力。由于我國(guó)的土壤黏性較大，因此本文以土撥鼠的爪子作為研究對(duì)象，研究仿生挖掘鏟。

2.2 外輪廓的提取

土撥鼠爪子的后四根趾較為發(fā)達(dá)。以土撥鼠爪的第二趾為例，對(duì)其縱向截面的最大輪廓曲線作為仿生原型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

將Auto CAD軟件的的點(diǎn)集的批量導(dǎo)入Matlab中對(duì)點(diǎn)集進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，通過調(diào)整擬合系數(shù)，選取最合適的多項(xiàng)式擬合函數(shù)如下：內(nèi)輪廓曲線函數(shù)表達(dá)式為f（x）=559.3×x2-1781×x+1407，和方差SSE=0.0001762，確定系數(shù)R-square=0.9576;外輪廓曲線函數(shù)函數(shù)表達(dá)式為：f（x）=20.28×x2-65×x+41.33，和方差SSE=4.705e-06，確定系數(shù)R-square=0.9986;趾尖輪廓曲線函數(shù)表達(dá)式為：f（x）=164.5×x2-742.7×x+827.6，和方差SSE=3.026e-06，確定系數(shù)R-square=0.9746。

上訴多項(xiàng)式擬合函數(shù)的和方差均接近于0，確定系數(shù)均接近1，則說明模型選擇和擬合效果好。

2.3 挖掘鏟的仿生設(shè)計(jì)

由于木薯植株的偏離程度和駕駛?cè)藛T對(duì)機(jī)器的操作程度的熟悉難以得到一個(gè)確定的范圍，因此設(shè)計(jì)了一種挖掘?qū)挾葹?000 mm的挖掘鏟。土撥鼠爪趾輪廓曲線函數(shù)表達(dá)式為：f（x）=164.5×x2-742.7×x+827.6。因?yàn)閺娜A南8號(hào)木薯測(cè)量得到的木薯直徑在40～60 mm之間，在設(shè)計(jì)挖掘鏟的相鄰鏟齒的最小間距不能大于30 mm，以此保證木薯不從鏟齒之間的縫隙掉落。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種空心鏟，包括鏟齒和連桿均為空心，為了驗(yàn)證根據(jù)土撥鼠前爪設(shè)計(jì)出的仿生挖掘鏟相較于賈晶霞等人設(shè)計(jì)的普通馬鈴薯挖掘鏟，更具有良好的性能，進(jìn)而對(duì)比選擇出最佳的挖掘鏟類型。

2.4 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

挖掘鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)主要取決于鏟子的入土角度、挖掘深度、挖掘面寬度等3個(gè)參數(shù)，挖掘鏟的入土角度a是挖掘鏟在工作時(shí)刀刃面和水平地面所形成的夾角;挖掘深度h是挖掘鏟深入到土壤中與土壤接觸的垂直高度;挖掘面寬度w是隨著挖掘鏟深入土壤的不同深度而發(fā)生不斷變化的。

3 挖掘鏟有限元靜力學(xué)分析

考慮到外界地理環(huán)境的限制，本文所設(shè)計(jì)的土撥鼠仿生挖掘鏟采用對(duì)其進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析的形式，分析其工作時(shí)的最大形變量及應(yīng)力分布情況，以此作為更好對(duì)三種不同類型的挖掘鏟進(jìn)行選擇的理論依據(jù)。

ANSYS Workbench作為一款有限元分析軟件，在其中建立相對(duì)復(fù)雜的三維模型時(shí)，操作較為煩瑣。在SolidWorks中建立三種不同類型挖掘鏟的三維模型，并導(dǎo)入ANSYS。為選擇出一種性能更加優(yōu)良的基礎(chǔ)，本文將普通的挖掘鏟和所設(shè)計(jì)的實(shí)心和空心的土撥鼠仿生挖掘鏟進(jìn)行仿真，比對(duì)仿真結(jié)果，進(jìn)而選擇性能最佳的一種挖掘鏟。首先，對(duì)建立好的挖掘鏟的進(jìn)行材料屬性的定義，設(shè)計(jì)相應(yīng)的參數(shù)如下：材料類型定義為結(jié)構(gòu)鋼，密度ρ=7.85×10-6 kg/mm3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2×105 MPa;然后，選用分析精度為10mm的網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在實(shí)際使用的過程當(dāng)中，設(shè)計(jì)挖掘鏟所選用的材料是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中的65 Mn，其屈服強(qiáng)度σs≥430 MPa，伸長(zhǎng)率δ≥9%，這兩個(gè)值可以作為設(shè)計(jì)校核值。

本文設(shè)計(jì)的實(shí)心和空心兩種土撥鼠仿生挖掘鏟中，可以看出：實(shí)心和空心的挖掘鏟的最大應(yīng)力分別為160.81 MPa、192.14 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，可以滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)的條件;最大變形量分別為1.1529 mm、1.2517 mm，和仿生挖掘鏟的整體長(zhǎng)度相比，可以忽略，遠(yuǎn)小于9%。賈晶霞等人設(shè)計(jì)的普通挖掘鏟的最大應(yīng)力為828.61 MPa，比材料的屈服強(qiáng)度大，不滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求;最大變形量為12.754 mm，大于了挖掘鏟整體長(zhǎng)度的9%，在剛度方面不滿足設(shè)計(jì)要求。因此普通挖掘鏟相較于土撥鼠挖掘鏟而言，不能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）利用土撥鼠第二趾的外輪廓進(jìn)行曲線擬合，擬合后的方差接近0，確定系數(shù)接近1，說明了該函數(shù)能夠準(zhǔn)確模擬土撥鼠爪趾結(jié)構(gòu)，證明了模型以土撥鼠爪趾為原型能夠與擬合效果很好的吻合。

（2）無論是實(shí)心挖掘鏟還是空心挖掘、普通挖掘鏟，其應(yīng)力最大處在云圖中挖掘鏟的后半段顯示，為解決后半段應(yīng)力集中這一現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)時(shí)，加強(qiáng)對(duì)后半段挖掘鏟的設(shè)計(jì);最大形變量在云圖中會(huì)分布在鏟子的前端部分，因此，在設(shè)計(jì)挖掘鏟時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮鏟前端的剛度，加強(qiáng)其剛度。

參考文獻(xiàn)

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