葉菜類收割機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

高玉芝，王君玲，高欣，張衛(wèi)國 ,馬強(qiáng)，趙學(xué)軍，仁德志

（1.063000 河北省 唐山市 河北省智能裝備數(shù)字化設(shè)計及過程仿真重點實驗室，唐山學(xué)院；2.063000 河北省 唐山市 唐山蘭坨機(jī)械設(shè)備有限公司；3.110866 遼寧省 沈陽市 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)）

0 引言

我國是蔬菜生產(chǎn)大國，近年來，蔬菜產(chǎn)量、產(chǎn)值均超糧食，成為我國第一大農(nóng)產(chǎn)品[1]。蔬菜的產(chǎn)銷量中葉菜類蔬菜占到了30%～40%[2]。在葉菜類蔬菜中，北方地區(qū)又以韭菜居多。韭菜是中國大規(guī)模種植的蔬菜，常年種植面積占蔬菜田總面積的60%～70%[3]。

在蔬菜生產(chǎn)作業(yè)中，收獲作業(yè)約占整個作業(yè)量的40%[4]。以韭菜收獲為例，我國韭菜產(chǎn)地多在北方地區(qū)，基本上種植在春季拱棚和冬季溫室大棚中。首先由于設(shè)施空間小、不標(biāo)準(zhǔn)，普遍存在著作業(yè)機(jī)械“路難走、門難進(jìn)、邊難耕、頭難掉”的現(xiàn)象，導(dǎo)致行走裝置難以達(dá)到良好的通過性[4]，在這樣的空間中進(jìn)行作業(yè)，對于收獲機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)提出了較高的要求；其次，韭菜的采收有一定的農(nóng)藝要求，特別是對割茬高度要進(jìn)行精準(zhǔn)控制。割茬過高不但影響到收割產(chǎn)量，還可能導(dǎo)致割刀在在葉柄的基部之上進(jìn)行切割，從而導(dǎo)致散葉；割茬過低可能會傷害韭菜葉鞘的分生組織和幼芽，進(jìn)而影響后期產(chǎn)量，嚴(yán)重的可能會傷到根部，影響韭菜的生長。多年生韭菜收割時葉鞘基部要留5 cm 左右，不能割得過高或過低[5]。因此，要求收割機(jī)既能適應(yīng)種植環(huán)境條件，又可以根據(jù)地面高度自動調(diào)節(jié)割刀高度，從而自動調(diào)節(jié)割茬高度，以滿足韭菜的收割要求。

課題組根據(jù)我國北方設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際，研究和設(shè)計了一款結(jié)構(gòu)緊湊、易于操作和控制的葉菜類收割機(jī)。本文主要對所設(shè)計收割機(jī)的關(guān)鍵部分即四輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向水平微調(diào)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計（包括工作參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計和選型）進(jìn)行分析、機(jī)構(gòu)工作原理進(jìn)行了闡述，同時對機(jī)架部分受力進(jìn)行了有限元分析。為后續(xù)的機(jī)器加工和制造奠定了基礎(chǔ)。

1 四輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向水平微調(diào)行走機(jī)構(gòu)總體設(shè)計

蔬菜收獲機(jī)的行走裝置是解決收獲機(jī)在田間行走、移動、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)場等問題的機(jī)構(gòu)[6]。要求行走裝置對田間起伏不平的地形和土壤環(huán)境具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、行走平穩(wěn)性、高通過性、低打滑率，并且要減少對田地的碾壓。

1.1 整體結(jié)構(gòu)組成

四輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向水平微調(diào)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括機(jī)架，以及由行走電機(jī)、離合器、輪胎等構(gòu)成的行走機(jī)構(gòu)。機(jī)架作為基礎(chǔ)，上面安裝有動力電池、收割刀架及收割刀、柔性震蕩梳理機(jī)構(gòu)、打捆機(jī)構(gòu)等主要功能部件，下面裝有行走機(jī)構(gòu)。

圖1 四輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向水平微調(diào)行走機(jī)構(gòu)Fig.1 Four-wheel drive differential steering and horizontal fine tuning walking mechanism

設(shè)計的行走機(jī)構(gòu)具有2 個功能：（1）機(jī)器四輪驅(qū)動行走，具有差速轉(zhuǎn)向功能；（2）為保證割茬高度，可以實現(xiàn)在水平面高度的微調(diào)功能。

1.2 工作原理

（1）四輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向功能

由圖1 可以看出，行走機(jī)構(gòu)位于機(jī)架沿著行走方向的兩側(cè)，包括定行走機(jī)構(gòu)（后輪）和動行走機(jī)構(gòu)（前輪）。

定行走機(jī)構(gòu)包括2 個行走輪、離合器以及2個動力減速電機(jī)，兩側(cè)行走機(jī)構(gòu)分別和機(jī)架固定。

動行走機(jī)構(gòu)的組成基本上與定行走機(jī)構(gòu)相同，不同的是定行走機(jī)構(gòu)包括了一個固定板，固定板上設(shè)置有軸套，動行走機(jī)構(gòu)和機(jī)架采用軸桿連接。定行走機(jī)構(gòu)和動行走所采用的減速電機(jī)、輪胎、離合器型號相同。

行走機(jī)構(gòu)的運動主要由圖1 中部件3 行走控制中心進(jìn)行控制，電機(jī)與車輪的動力傳輸由離合器分離和結(jié)合實現(xiàn)。按照輪轂電機(jī)原理，同側(cè)為一組可正反驅(qū)動，4 個輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速可以單獨進(jìn)行控制。路面平整時，4 個行走輪以相同的速度進(jìn)行直線行駛；原地轉(zhuǎn)向時，由內(nèi)側(cè)車輪反轉(zhuǎn)、外側(cè)車輪正轉(zhuǎn)實現(xiàn)，大大減小了轉(zhuǎn)彎半徑，這對于棚室狹小空間作業(yè)至關(guān)重要。并且，4 個輪轂電機(jī)的獨立驅(qū)動保證了行走平穩(wěn)性，降低了輪胎的打滑率。

（2）水平微調(diào)功能

沿著機(jī)器的行走方向，機(jī)架前方安裝有收割刀架及收割刀。實際工作中，當(dāng)左右兩側(cè)行走輪地面高度不一致時，動行走機(jī)構(gòu)中的前輪托架5之上安裝的前輪旋轉(zhuǎn)軸承6 之內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸就會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。假定工作時左邊的土壤表面高于右邊的土壤表面，旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)時，托架左側(cè)就會向上傾斜，帶動左側(cè)的割刀同時向上傾斜，右邊的動行走機(jī)構(gòu)由于高度未發(fā)生變化，托架上的割刀仍然正常保持水平。割刀的高度隨著地面的起伏由水平微調(diào)機(jī)構(gòu)自動進(jìn)行調(diào)整，隨著行走輪高度的調(diào)整進(jìn)行仿形運動，從而降低了收割刀具兩端上下浮動頻率，保證了收割產(chǎn)品質(zhì)量及留茬高度。此外，定行走機(jī)構(gòu)的左右驅(qū)動輪之間的距離小于動行走機(jī)構(gòu)的左右驅(qū)動輪之間的距離。這樣就保證了前后車輪在運動中不同轍，解決了同轍對地面重復(fù)碾壓的危害。

2 行走機(jī)構(gòu)工作參數(shù)計算及電機(jī)選型

2.1 行走機(jī)構(gòu)工作參數(shù)計算

行走機(jī)構(gòu)所需要的功率與機(jī)器的行走速度、收割機(jī)質(zhì)量以及土壤條件等有關(guān)。蔬菜收獲機(jī)在行走時，車輪與地面之間會產(chǎn)生滾動摩擦力。收割機(jī)正常工作時以 0.5 m/s 的速度行駛，輪子直徑D=200 mm，收割機(jī)整機(jī)質(zhì)量80 kg，按照800 N 進(jìn)行計算。工作時，收割機(jī)驅(qū)動輪與地面會產(chǎn)生切向、法向的相互作用力，阻礙輪子行走的力被稱為滾動阻力，用Ff表示。

依據(jù)收割機(jī)的機(jī)械設(shè)計手冊可得出驅(qū)動輪滾動阻力

式中：G——收割機(jī)整機(jī)總重，取為800 N；μ——滾動阻力系數(shù)，滾動阻力系數(shù)根據(jù)機(jī)械設(shè)計手冊可知選取0.25[7]：α——坡角度，取值為0（因為棚室土地較為平整）。

計算得：Ff=200 N。

驅(qū)動整臺機(jī)器需要扭矩為

2.2 電機(jī)選型

電機(jī)每分鐘的轉(zhuǎn)速為

當(dāng)收割機(jī)以最快速度0.8 m/s 工作時，代入式（3），得到電機(jī)轉(zhuǎn)速為74 r/min。依據(jù)設(shè)計手冊，取傳動比i=4，傳動效率η=0.96，安全因數(shù)n=2，則電機(jī)額定轉(zhuǎn)速n額=304 r/min。

當(dāng)收割機(jī)以v=0.8 m/s 行走時輸出最高功率P=Fv=160 W。

通過計算，可以確定行走電機(jī)參數(shù)：額定電壓24 V，額定輸出功率80 W，額定轉(zhuǎn)速310 r/min，額定扭矩11 N·m，額定電流8.5 A，電機(jī)效率80%。

電機(jī)功率與牽引力、行駛速度、電機(jī)扭矩和電動機(jī)轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系[8]

式中：P——提供的最大牽引力，N；v——機(jī)器行走最大速度，m/s；T——扭矩，N·m；n——額定轉(zhuǎn)速，r/min；η——電機(jī)效率。

將上述數(shù)據(jù)代入公式計算可得F=345 N。

電機(jī)提供的牽引力大于驅(qū)動輪的滾動阻力，所以電機(jī)選型合適。

3 機(jī)架的有限元分析

機(jī)架是整機(jī)的核心承載區(qū)，需要對其進(jìn)行靜力有限元分析，驗證其強(qiáng)度。

3.1 機(jī)架的載荷施加

將模型導(dǎo)入，在DM 中建立印記面，進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，共15 151 個單元，52 107 個節(jié)點。施加邊界條件載荷和遠(yuǎn)端力載荷，并施加了線約束，如圖2 所示。

圖2 載荷施加情況Fig.2 Load application

3.2 結(jié)果分析

首先進(jìn)行變形分析，變形圖如圖3 所示。載重兩端變形量較大，最大變形量為1.117 mm，遠(yuǎn)小于許用變形量，剛度滿足使用要求。

圖3 變形圖Fig.3 Deformation

然后進(jìn)行Mises 應(yīng)力分析，應(yīng)力圖如圖4 所示。分析結(jié)果表明，最大應(yīng)力282.13 MPa，發(fā)生在切割臺連接處和水平微調(diào)機(jī)構(gòu)連接處，與實際情況相一致。因有線約束的存在，有應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖4 所示，左側(cè)探針標(biāo)出為應(yīng)力集中點，除去應(yīng)力集中點，應(yīng)力較大處為180 MPa 左右，其余位置為30 MPa 以下。分析結(jié)果表明，該機(jī)架滿足強(qiáng)度要求。

圖4 應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram

4 結(jié)語

根據(jù)我國設(shè)施蔬菜種植生產(chǎn)實際，針對葉菜類蔬菜收獲的特點與難題，設(shè)計了一款智能葉菜類蔬菜收割機(jī)。本文就行走機(jī)構(gòu)設(shè)計和機(jī)架受力分析得到如下結(jié)論：

（1）不同于傳統(tǒng)采用變速器的傳動機(jī)構(gòu)，本設(shè)計機(jī)器通過4 個輪轂電機(jī)驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)在狹小的棚室空間靈活進(jìn)行轉(zhuǎn)彎和轉(zhuǎn)向。

（2）針對其中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)即四輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向水平微調(diào)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計、工作原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述，計算了行走機(jī)構(gòu)工作參數(shù)，確定了行走電機(jī)參數(shù)：額定電壓24 V，額定輸出功率80 W，額定轉(zhuǎn)速310 r/min，額定扭矩11 N·m，額定電流8.5 A，電機(jī)效率80%。

（3）在蔬菜收割過程中，四輪驅(qū)動差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠根據(jù)地面高低起伏，自動調(diào)節(jié)刀架高度，從而控制割茬高度，按收割質(zhì)量要求完成收割。

（4）機(jī)架有限元分析結(jié)果表明：最大應(yīng)力282.13 MPa，發(fā)生在切割臺連接處和水平微調(diào)機(jī)構(gòu)連接處，機(jī)架滿足強(qiáng)度要求。