甘薯收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵工作參數(shù)分析*

羅志豪 ， 劉 玉 ， 張慶俊 ， 徐志鵬 ， 吳利明 ， 李月琪 ， 尚可欣

（江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

歐美國家主要采用大型甘薯聯(lián)合收獲機(jī)，應(yīng)用較多的高新技術(shù)，如使用液壓、振動(dòng)、氣流、光電、傳感器等技術(shù)來提高挖掘精度、傳運(yùn)精度，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控操作等[1]。小型甘薯收獲機(jī)主要應(yīng)用在耕種地塊較小的地區(qū)，有著能耗低、效率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。日本東洋甘薯收獲機(jī)為國外小型甘薯收獲機(jī)的代表機(jī)型，該機(jī)器裝有橢圓形振動(dòng)篩，能夠快速地清理甘薯上的泥土，不僅清理速度快且可靠性強(qiáng)，這種甘薯收獲機(jī)可以完成從挖掘到裝袋的所有工作[2-3]。目前國外甘薯收獲機(jī)研發(fā)人員通過加大傳感器技術(shù)、振動(dòng)技術(shù)、液壓技術(shù)在甘薯收獲機(jī)上的應(yīng)用程度，不斷提高了甘薯收獲機(jī)的工作效率和精度[4-6]。

國內(nèi)甘薯收獲機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上大多借鑒其他莖塊類農(nóng)作物收獲機(jī)，對甘薯自身生長情況缺乏考慮，因此工作時(shí)常常產(chǎn)生諸多問題，如收獲能耗大、破薯率高、薯土分離程度低等，這些都是目前國內(nèi)甘薯收獲機(jī)研究亟待突破的重點(diǎn)問題。在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)械化的大背景下，迫切需要作業(yè)質(zhì)量高、實(shí)用性強(qiáng)、功能完善的適用于國內(nèi)的薯類收獲機(jī)。因此，深度分析甘薯挖掘條件，運(yùn)用現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)分析工具結(jié)合信息技術(shù)、液壓電子控制技術(shù)等現(xiàn)代化科學(xué)手段來解決這一系列問題，以滿足薯類作物產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展需求，成為國內(nèi)甘薯收獲機(jī)研究人員現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)[6-9]。

當(dāng)下國內(nèi)甘薯收獲技術(shù)水平較為一般，而國外甘薯收獲機(jī)器多數(shù)是針對本地地形條件進(jìn)行開發(fā)研究的。在國內(nèi)，甘薯種植有15%在低山丘陵地區(qū)[10-18]，目前并沒有適用于這種地形的專用收獲機(jī)。本研究針對低山丘陵地區(qū)沙土地甘薯種植模式，設(shè)計(jì)了一種滿足機(jī)械化收獲要求的小型甘薯收獲機(jī)，對甘薯挖掘鏟進(jìn)行模態(tài)分析，并分析挖掘速度、挖掘鏟速度、挖掘鏟角度等，以獲得最佳挖掘效果。

1 甘薯收獲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的甘薯收獲機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。甘薯經(jīng)過二級分離鏈條進(jìn)行精細(xì)化分離，每級鏈條設(shè)有抖動(dòng)輪等部件，第一升運(yùn)鏈的鏈條比第二鏈條疏散，故用于分離大顆粒土壤，而二級鏈條用于分離小顆粒土壤。故采用平面單鏟的形式，此方式不容易產(chǎn)生纏繞，同時(shí)結(jié)構(gòu)也較為簡單，成本也較為低廉；由四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)為甘薯收獲機(jī)提供動(dòng)力。

圖1 甘薯收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)甘薯收獲的相關(guān)要求[13-14]，確定甘薯收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 甘薯收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

2 挖掘鏟的建模

挖掘鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)有挖掘深度h、入土角、刃口傾角、鏟片長度L、柵條間距S、挖掘鏟寬B等。本設(shè)計(jì)中刃口傾角為55°、挖掘鏟的入土角變化范圍為16.5°～25°，牽引速度選取1.385 m/s，柵條長度取150 mm，三角平鏟部分長度為290 mm。土壤和挖掘鏟鏟片的幾何模型在Creo軟件中繪制完成后直接導(dǎo)入Workbench的LS-DYNA模塊中。本次幾何模型的入土角為16.5°，入土深度為150 mm，土壤體積為0.5 m×0.8 m×0.5 m。本次優(yōu)化分析主要研究挖掘鏟鏟片的可靠性，四片鏟片組成結(jié)構(gòu)相同，所以只取一片來分析即可，如圖2所示。

圖2 挖掘鏟結(jié)構(gòu)圖

幾何模型導(dǎo)入后選中幾何模型中的土壤部分，以命令流插入K文件的方式來定義土壤材料。土壤材料特性如下：密度2 350 kg/m3，土粒比重2.68，體積模量2.8e-2GPa，剪切模量1.8e-2GPa，含水率18%，內(nèi)摩擦角0.436 rad，挖掘鏟鏟片材料選擇45鋼。

3 挖掘鏟的工作參數(shù)分析

3.1 挖掘鏟的模態(tài)分析

動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果顯示，在挖掘過程中挖掘鏟鏟片所受的力最大值為2 698.5 N且時(shí)間很短，在土中穩(wěn)定前進(jìn)時(shí)阻力均值為1 289.14 N。為確保挖掘鏟鏟片的可靠性，本次靜力學(xué)仿真分析在挖掘鏟鏟面添加3 000 N的力，大于顯式動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果的最大值。在挖掘鏟鏟片另一面的印記面處添加固定約束，用來模擬挖掘鏟鏟面與安裝架的固定接觸。

研究表明，選用45號鋼作為材料的挖掘鏟最大變形量比鑄鐵的挖掘鏟最大變形量小，其最大變形量為4.8 mm，位于挖掘鏟鏟尖處；挖掘鏟鏟片的最大應(yīng)力為2.807 7e8Pa，位于固定支撐邊界處，小于45鋼的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。

抖動(dòng)器使分離篩的工作面產(chǎn)生周期變化，整機(jī)工作過程中勢必會(huì)有不可忽視的振動(dòng)。主動(dòng)型抖動(dòng)器的抖動(dòng)頻率由傳動(dòng)系統(tǒng)決定，最優(yōu)抖動(dòng)頻率的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際工作的不同地區(qū)土壤情況來確定。本次設(shè)計(jì)對傳動(dòng)系統(tǒng)不進(jìn)行深入研究和計(jì)算。為了避免出現(xiàn)共振，保證挖掘鏟工作的可靠性，在此對挖掘鏟結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，以便在研究傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果對挖掘鏟結(jié)構(gòu)或者傳動(dòng)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，避免挖掘鏟的振動(dòng)頻率接近其固有頻率。

把在建模軟件中建好的幾何模型導(dǎo)入ANSYS Workbench模態(tài)分析模塊中，忽略影響較小的螺母連接裝置。對挖掘鏟模型進(jìn)行模態(tài)分析，在挖掘鏟鏟片安裝架的兩側(cè)施加固定約束。得到挖掘鏟前一階、三階、五階約束模態(tài)，如圖3所示。

圖3 挖掘鏟變形圖

模態(tài)分析結(jié)果顯示，挖掘鏟一階、三階、五階固有頻率分別為33.599 Hz、90.549 Hz、108 Hz。使挖掘鏟工作時(shí)的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離以上的固有頻率即可避免共振的產(chǎn)生。由以上振型圖可以看出，挖掘鏟振動(dòng)變形的最大值主要出現(xiàn)在鏟尖部分，在連接處沒有較大的變形發(fā)生，所以本挖掘鏟在工作中不會(huì)輕易脫落，性能穩(wěn)定。

3.2 挖掘鏟與土壤耦合分析

土壤底部設(shè)置固定約束，對挖掘鏟鏟片添加x軸方向-1.35 m/s速度，其他軸方向速度設(shè)置為0。鏟片完全進(jìn)入土壤需要0.296 s，設(shè)置分析總時(shí)間為0.5 s以便查看鏟片完全切入土壤后的阻力情況。截取挖掘過程中0.184 21 s的挖掘情況，如圖4（a）所示，此時(shí)鏟片部分已經(jīng)進(jìn)入土壤，部分土壤顆粒發(fā)生屈服，與實(shí)際挖掘情況基本符合。

鏟片對土壤的總力即為挖掘阻力，和土壤對鏟片的總力為一對作用力與反作用力，鏟片阻力數(shù)值情況如圖4（b）所示。數(shù)值結(jié)果顯示，鏟片所受阻力的最大值為2 698.5 N，0.3 s后鏟片完全進(jìn)入土壤，截取0.4 s ～ 0.5 s鏟片阻力數(shù)值，求得其平均值即挖掘鏟在土中平穩(wěn)前進(jìn)的阻力為1 289.14 N。

圖4 挖掘鏟阻力分析

3.3 挖掘鏟的速度分析

甘薯收獲機(jī)的牽引速度選取過大不切實(shí)際，本次選取1.185 m/s、1.285 m/s、1.385 m/s作為試驗(yàn)的變量。牽引速度對鏟片阻力的影響規(guī)律的試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 牽引速度對鏟片阻力的影響試驗(yàn)方案

以牽引速度為橫坐標(biāo)，以鏟片阻力為縱坐標(biāo)繪制牽引速度對鏟片阻力影響曲線如圖5所示。

圖5 牽引速度對鏟片阻力影響曲線

從圖5可知，牽引速度從1.185 m/s增大到1.385 m/s時(shí)鏟片所受阻力也隨之增大。由于牽引速度的增大，單位時(shí)間內(nèi)挖掘的物料變多，鏟片受到更多的土薯混合物的作用力，所以鏟片所受阻力也增大。

3.4 挖掘鏟的入土角度分析

為了分析刀具入土角度對鏟片阻力的影響，分別選取入土角度16.5°、20.5°、24.5°，試驗(yàn)方案如表3所示。

表3 入土角度對鏟片阻力的影響試驗(yàn)方案

通過模擬可得鏟片阻力如圖6所示，可知鏟片入土角度增大時(shí)，鏟片阻力也增大，入土角度的增大會(huì)使土壤不易向后輸送，所以鏟片阻力增大。

圖6 入土角度對鏟片阻力的影響曲線

3.5 挖掘鏟的綜合影響因素分析

本次試驗(yàn)因素是牽引速度、入土角度、入土深度。本次正交試驗(yàn)使用三個(gè)水平。本次試驗(yàn)因素水平關(guān)系表如表4所示。

表4 因素水平關(guān)系表

利用ANSYS進(jìn)行模擬獲得以下9組試驗(yàn)結(jié)果，如表5所示?？芍?dāng)牽引速度為1.385 m/s，入土角度為24.5°，入土深度為173 mm時(shí)，挖掘鏟鏟片阻力最大，其值為4 725.23 N。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用極差分析方法對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表6所示。均值的大小是三個(gè)選用對應(yīng)因素的三個(gè)水平試驗(yàn)結(jié)果的平均值。極差為最大均值減去最小均值。

表6 試驗(yàn)結(jié)果分析表

極差值的大小關(guān)系為入土角度＞入土深度＞牽引速度。極差值的大小反映的是對應(yīng)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度，根據(jù)極差值結(jié)果，挖掘鏟鏟片的工作阻力受到參數(shù)影響的主次順序是入土角度、入土深度、牽引速度。其中入土角度為挖掘鏟鏟片受到工作阻力的最主要影響參數(shù)。參考試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)甘薯收獲機(jī)的工作過程中出現(xiàn)挖掘阻力過大的情況下應(yīng)優(yōu)先調(diào)整入土角度來減小挖掘阻力。而后再根據(jù)具體作業(yè)實(shí)際情況調(diào)節(jié)入土深度以及牽引速度，從而使挖掘鏟鏟片所受到的工作阻力得到最小化，降低甘薯收獲機(jī)工作成本，提高甘薯收獲率。

4 結(jié)論

1）針對低山丘陵地區(qū)沙土地甘薯種植模式，本研究設(shè)計(jì)了一種滿足機(jī)械化收獲要求的小型甘薯收獲機(jī)。

2）挖掘鏟的一階、三階、五階固有頻率分別為33.599 Hz、90.549 Hz、108 Hz，通過模態(tài)分析得知最大變形量在挖掘鏟鏟尖部分。

3）對工作參數(shù)的單因素試驗(yàn)得出挖掘阻力會(huì)隨著牽引速度、入土角度的增大而增大，隨著入土深度的增大挖掘阻力數(shù)值會(huì)先增大然后逐步平穩(wěn)。

4）對工作參數(shù)的多因素試驗(yàn)表明工作參數(shù)對挖掘阻力的影響程度為入土角度＞入土深度＞牽引速度。