4J-1型自走式中藥材撿拾機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

關(guān)鍵詞：中藥材撿拾機(jī)；自走式；履帶式；有限元仿真

中圖分類號(hào)：S225 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2023）05-0105-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.05.018

0引言

山西省中藥材資源豐富，全省道地藥材有30多種，年種植面積達(dá)20多萬hm²，產(chǎn)量43萬t，中藥材產(chǎn)值約57億元，初步形成太行山、太岳山、恒山、呂梁山和晉南邊山5大道地中藥材優(yōu)勢(shì)區(qū)。特別是遠(yuǎn)志、黃芩和柴胡等根莖類藥材品種質(zhì)量好、市場(chǎng)占有率高，年產(chǎn)量約占全國(guó)的70%、40%和25%。但從現(xiàn)實(shí)情況來看，中藥材收獲是中藥材生產(chǎn)中最費(fèi)工、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的環(huán)節(jié)，中藥材收獲機(jī)作業(yè)時(shí)將土壤與根莖藥材經(jīng)過多級(jí)輸送鏈去土分離后，把中藥材平鋪在后側(cè)土壤表面后，每臺(tái)收獲機(jī)需配備撿拾人員10人左右。特別是部分中藥材落地被覆土掩埋后，需人工翻撿，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，而且經(jīng)常發(fā)生機(jī)具等人工撿拾的情況，嚴(yán)重制約了機(jī)械化收獲的綜合效率。針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種用于與根莖類收獲機(jī)相配套的自走式中藥材撿拾機(jī)，特別適合中藥材平鋪和集條作業(yè)后的撿拾收獲作業(yè)，可大大提高中藥材機(jī)械化聯(lián)合收獲作業(yè)效率。

1整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

4J-1型自走式中藥材撿拾機(jī)主要由收獲平鏟刀、喂入器、限深輪、一級(jí)輸送鏈、喂入器傳動(dòng)、一級(jí)輸送支架及下液壓總成、二及三級(jí)輸送鏈液壓總成、行走駕駛位、防護(hù)罩、二級(jí)輸送支架、三級(jí)輸送支架、二級(jí)輸送鏈、集裝箱、履帶行走總成和機(jī)架等部件組成，如圖1所示。

1.2工作原理

機(jī)具轉(zhuǎn)移或運(yùn)輸時(shí)，各液壓總成中的液壓桿控制一級(jí)、二級(jí)鏈和一級(jí)、三級(jí)支架收縮，方便行走。作業(yè)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將動(dòng)力輸入至變速箱，變速箱將動(dòng)力分別傳遞至各級(jí)輸送鏈和液壓總成。機(jī)具前進(jìn)時(shí)，平鏟刀和喂入器將作物和土壤混合物喂入一級(jí)輸送鏈，經(jīng)過一級(jí)、二級(jí)輸送鏈抖動(dòng)分離后的中藥材進(jìn)入集裝箱，土壤從輸送鏈落入地表。集裝箱兩側(cè)有液壓桿控制集裝箱翻轉(zhuǎn)，將中藥材倒入轉(zhuǎn)運(yùn)車，完成撿拾作業(yè)。

1.3主要技術(shù)參數(shù)

整機(jī)長(zhǎng)×寬×高為4384 mm×1980mm×2200 mm；履帶自走式，單行收獲，幅寬800 mm；機(jī)具作業(yè)速度≤8 km/h，收獲效率≤0.53hm²/h；損失率lt;5%，破損率lt;5%。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1主體結(jié)構(gòu)

主體機(jī)架長(zhǎng)度根據(jù)立刀長(zhǎng)度、側(cè)板寬度及地輪安裝位置綜合確定，盡可能縮短機(jī)型長(zhǎng)度，減小土壤作用力對(duì)機(jī)具的翻轉(zhuǎn)力矩。為了減輕整機(jī)質(zhì)量，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和裝配精度，方便機(jī)架焊接，采用80、100、120規(guī)格方鋼焊接，方鋼之間采用焊前切割接口，整體利用焊接工裝進(jìn)行焊接。側(cè)板和其他主體機(jī)構(gòu)采用激光切割鋼板焊接，方便加工和裝配，如圖2所示。

2.2鏟刀和喂入器

挖掘總成由定鏟刀和喂入器組成，具有可靠的靜力學(xué)強(qiáng)度和振動(dòng)強(qiáng)度?？紤]到撿拾深度較淺，借鑒成熟的中藥材挖掘機(jī)經(jīng)驗(yàn)，通過改變橫刀尺寸，減少機(jī)具質(zhì)量和加工成本。喂入器則采用與輸送鏈運(yùn)動(dòng)方向相反的帶擋板的輸送鏈，在上下兩個(gè)輸送鏈作用下實(shí)現(xiàn)可靠撿拾。

2.2.1鏟刀受力分析

鏟刀設(shè)計(jì)為平刀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。作為機(jī)具工作時(shí)的主要受力部件，承受了絕大多數(shù)的牽引阻力。設(shè)計(jì)前進(jìn)行了機(jī)具整體牽引阻力計(jì)算分析。參考犁的受力分析，機(jī)具的牽引阻力R按式（1）計(jì)算。

2.2.2鏟刀模型有限元仿真前處理

有限元方法（Finite Element Method）是力學(xué)、數(shù)學(xué)物理學(xué)、計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多種學(xué)科綜合發(fā)展和結(jié)合的產(chǎn)物。有限元方法的實(shí)質(zhì)是將復(fù)雜的連續(xù)體劃分成為有限多個(gè)簡(jiǎn)單的單元體，化無限自由度問題為有限自由度問題，將連續(xù)場(chǎng)函數(shù)的（偏）微分方程的求解問題轉(zhuǎn)化為有限個(gè)參數(shù)的代數(shù)方程組的求解問題。用有限元方法分析工程結(jié)構(gòu)的問題時(shí)，將一個(gè)理想體離散化后，如何保證其數(shù)值的收斂性和穩(wěn)定性是有限元理論討論的主要內(nèi)容之一，而數(shù)值解的收斂性與單元的劃分及單元形狀有關(guān)。在求解過程中，通常以位移為基本變量，使用虛位移原理或最小勢(shì)能原理來求解。

使用SolidWorks軟件制作鏟刀模型，利用Simulation模塊進(jìn)行仿真分析。

前處理包括材料設(shè)置、網(wǎng)格生成、約束和載荷的添加。鏟刀材料為65Mn;網(wǎng)格選擇四面體；由于鏟刀兩則焊接在機(jī)架側(cè)板上，選擇對(duì)平刀的對(duì)應(yīng)焊接面添加固定約束；載荷為重力及水平方向5.6 kN的牽引阻力，添加至平刀的刀面。前處理設(shè)置如圖4所示。

2.2.3平鏟刀有限元仿真后處理

運(yùn)行算例后，模塊進(jìn)行計(jì)算后得到模型的vonMises應(yīng)力、位移及應(yīng)變，以云圖的方式顯示。鏟刀的vonMises應(yīng)力分布如圖5所示，最大應(yīng)力位于平鏟刀固定位置處，為14.7 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服應(yīng)力750 MPa，符合最大應(yīng)力的理論分布，安全系數(shù)可靠。

2.3輸送總成

考慮到一級(jí)輸送鏈作業(yè)時(shí)要求鏟刀入土，行走時(shí)要求鏟刀抬起；三級(jí)輸送支架作業(yè)時(shí)要求與后集裝箱相對(duì)位置可靠，使二級(jí)輸送鏈中藥材能拋入集裝箱內(nèi)，行走和集裝箱傾倒中藥材時(shí)又需要與集裝箱遠(yuǎn)離一定距離，防止碰撞干涉。輸送鏈采用柔性輸送鏈，既保證整體強(qiáng)度，降低撿拾損傷，也減輕了機(jī)具質(zhì)量，降低配套動(dòng)力。為了縮短整機(jī)長(zhǎng)度，利用Solidworks運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì)，采用液壓控制和連桿機(jī)構(gòu)，使作業(yè)機(jī)構(gòu)、輸送鏈和支架可在一定范圍內(nèi)折疊和收縮，方便行走或集裝箱傾倒中藥材。機(jī)具作業(yè)和行走示意如圖6和圖7所示。

2.4行走系統(tǒng)

針對(duì)中藥材種植地區(qū)大部分為丘陵山區(qū)的情況，采用履帶式行走裝置，通過性能更好。綜合考慮整機(jī)尺寸和動(dòng)力需求，直接采用了成熟的技術(shù)方案和行走控制底盤，對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了位置更改。

2.5行走速度

自走式中藥材撿拾機(jī)的作業(yè)速度V_m是以作業(yè)深度、雜草量、產(chǎn)量、地塊平整度和土壤潮濕度而定。為了減小損失率，提高分離效率，參考中藥材收獲作業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的作業(yè)速度，該收獲機(jī)作業(yè)速度設(shè)定為1.5 km/h≤v_m≤4 km/h。

2.6撿拾效率

根據(jù)機(jī)具的幅寬和作業(yè)速度，生產(chǎn)率T為

T= 0.1Bvm=0.09～1.12 hm²／h （2）

式中T——撿拾效率，hm²／h

η——撿拾機(jī)田間利用系數(shù)，為0.6～0.8，取η=0.7

V_m——收獲機(jī)前進(jìn)速度，1.5～4.0 km/h

B——幅寬，此處幅寬指的是前序中藥材采挖機(jī)的作業(yè)幅寬，一般為0.9～2.0 m，若采用側(cè)輸出將兩行的作物集中堆疊到一行進(jìn)行后序撿拾，則幅寬翻倍

3試驗(yàn)情況

4J-1型自走式中藥材撿拾機(jī)進(jìn)行了兩代樣機(jī)3次改進(jìn)并進(jìn)行了多次試驗(yàn)，如圖8所示。

2022年4月進(jìn)行樣機(jī)入土性能試驗(yàn)，同年7月完成第1代樣機(jī)試制，同年8月進(jìn)行實(shí)地功能模擬收獲試驗(yàn)。8月底進(jìn)一步改進(jìn)樣機(jī)后，同年10—11月在平順縣苗莊鎮(zhèn)進(jìn)行黃芩收獲試驗(yàn)，達(dá)到收獲要求。2023年3月于苗莊鎮(zhèn)進(jìn)行柴胡收獲作業(yè)，達(dá)到收獲要求。

機(jī)具收獲效率≤0.53hm²/h，破損率lt;5%、損失率lt;5%，符合NY/T 3481—2019《根莖類中藥材收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》技術(shù)要求中破損率≤7%，損失率≤5%的技術(shù)要求指標(biāo)。

4結(jié)束語

4J-1型自走式中藥材撿拾機(jī)采用履帶式自走裝置，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，行走可靠，轉(zhuǎn)彎半徑小，通過性能好，適合丘陵山區(qū)小地塊中藥材撿拾作業(yè)，也能適應(yīng)濕度較大土質(zhì)作業(yè)。撿拾裝置通過采用入土鏟和撿拾器復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)具入土撿拾，保證了收凈率。輸送鏈采用柔性輸送鏈，既保證整體強(qiáng)度，降低撿拾損傷，也減輕了機(jī)具質(zhì)量，降低配套動(dòng)力需求。各級(jí)輸送鏈和支架采用全液壓控制，故障率低、易維護(hù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠滿足苦參、黨參、黃芩、黃芪和丹參等根莖類中藥材撿拾收獲。