馬鈴薯撿拾機結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

姜彥武，衛(wèi)乃碩，郭俊先，韓長杰，馬俊貴

（1.830052 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊市 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院；2.830052 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊市 新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室；3.712100 陜西省 楊凌市 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院；4.830054 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊市 農(nóng)業(yè)農(nóng)村機械化發(fā)展中心）

0 引言

馬鈴薯既是糧食又是蔬菜還是水果，是世界上許多國家重要的食品品種之一，被列入7 種主要糧食作物，地位略低于水稻、玉米和小麥。2022年中國馬鈴薯播種面積為4 558.1 khm2，產(chǎn)量達(dá)1 851.6 萬t，較2021 年增加20.7 萬t，同比增長1.12%。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，中國馬鈴薯的需求量也在持續(xù)增長，2022 年中國馬鈴薯需求量達(dá)到1 806.42 萬t，較2021 年增加14.5 萬t，同比增長0.8%。隨著生產(chǎn)生活的需要，中國馬鈴薯的需求量仍將保持增長，為我國的經(jīng)濟、社會發(fā)展發(fā)揮重要推動作用[1-2]。

機械化收獲是馬鈴薯生產(chǎn)規(guī)模化、集約化水平進一步提升的重要環(huán)節(jié)之一，我國絕大部分產(chǎn)區(qū)馬鈴薯收獲以分段式收獲為主，屬于半機械化狀態(tài)，即先采用打秧機滅秧，再采用分段收獲機（挖掘機）完成薯塊的挖掘、分離、集條鋪放作業(yè)，最后人工撿拾裝袋[3]。馬鈴薯挖掘后的人工撿拾，勞動強度大、效率低、成本高，制約著我國馬鈴薯的規(guī)模化生產(chǎn)，研究馬鈴薯撿拾機械及提高作業(yè)質(zhì)量，對于減輕農(nóng)民勞動強度、增加收入具有重要意義[4-5]。本文基于柔性撿拾鏟、升運鏈?zhǔn)绞韷K清選輸送裝置、輸送帶式集薯箱等，設(shè)計了馬鈴薯撿拾分選機，對其關(guān)鍵作業(yè)部件進行計算分析，通過有限元分析驗證了零件選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為我國馬鈴薯收獲機械的研究提供一定的參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

馬鈴薯撿拾機主要由撿拾裝置、撥料裝置、升運輸送裝置、帶式輸送分選裝置、收集裝置、行走裝置、機架等部件組成，實現(xiàn)挖掘后地表薯塊的撿拾、清選輸送、大小分選以及集裝的功能，其三維結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 馬鈴薯撿拾機三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model of potato picker

1.2 工作原理

作業(yè)時，馬鈴薯撿拾機通過與拖拉機懸掛連接獲得動力，在撿拾裝置和撥料裝置的共同作用下，將挖掘機挖掘出來并條鋪于地表的表層薯、土鏟入輸送裝置，一起送入分離裝置。此過程中，撥料裝置上的柔性輥刷轉(zhuǎn)動，防止薯、土的擁堵；被送入的薯塊經(jīng)分離輸送裝置后，在抖動、疏松的作用下，混入薯塊的一定量的土壤、莖桿和雜草從輸送帶間隙落到地面；清選后的薯塊被送入帶式輸送裝置，在輸送帶上方等間距地分布了3 個柔性擋板，起到分選薯塊大小的作用，以斜角導(dǎo)向的柔性擋板連接于輸送帶，上下間距依次為大、中、小，完成薯塊分級，分級后的薯塊進入收集箱中進行轉(zhuǎn)運。

1.3 技術(shù)參數(shù)

設(shè)計的馬鈴薯撿拾機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 作業(yè)機具主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of operation machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

2.1 撿拾鏟

馬鈴薯撿拾部件是撿拾機的關(guān)鍵組成部分，對撿拾效果起著決定性作用。該裝置設(shè)計要求：對薯塊損傷小、薯塊撿拾率高、作業(yè)不擁堵。本設(shè)計采用主動撿拾方式，并使用流線型弧形撿拾鏟，其入土傾角可以按實際撿拾深度調(diào)整，在其上方設(shè)計一個柔性板撥薯輥，如圖2 所示，有效解決薯塊堆積問題，實現(xiàn)薯塊順利撿拾。為保證撿拾效果，設(shè)計撿拾深度以大于挖掘后馬鈴薯的深度為宜，撿拾深度設(shè)計為30～100 mm，深度可調(diào)節(jié)[6-7]。

確定撿拾鏟入土角是撿拾機構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵步驟，既保證薯塊不回翻下落，又使盡量少的土壤進入后方分離輸送機構(gòu)。對撿拾混合物進行受力分析，如圖3 所示，有關(guān)系式

圖3 撿拾鏟鏟面受力分析圖Fig.3 Pick-up shovel surface stress analysis diagram

式中：F——沿?fù)焓扮P移動的薯土復(fù)合體所需要的力，N；m——鏟面上土壤的質(zhì)量，kg；Fn——鏟面對土壤的反作用力，N；f——撿拾鏟對土壤的摩擦力，N；α——撿拾鏟作業(yè)段傾角，°；μ——摩擦系數(shù)。

根據(jù)式（1）—式（3）可以求出

將相關(guān)參數(shù)代入式（4），并結(jié)合凡小鈺[6]的研究，計算得出撿拾鏟鏟面傾角α，取20°～30°。該范圍能保證在馬鈴薯低損傷率前提下的順利撿拾，同時避免角度過大導(dǎo)致阻力大，減少功耗。

2.2 升運輸送裝置

薯塊量多易滾動，因此在鏈桿組合的基礎(chǔ)上，在桿條上加裝刮板，在保證提升角度的同時也輸送了薯塊。每隔5 個鏈桿安裝1 個刮板，如圖4 所示，這是根據(jù)薯塊的平均大小及輸送速度確定的。升運輸送線速度與機器前進速度的比值一般取為λ=0.8～2.5。本機組速度為1.2 m/s，取λ=1.4，可得升運輸送裝置的線速度為1.16～1.55 m/s，取線速度為1.4 m/s。由于分離輸送器的最佳線速度為1.4～ 1.6 m/s，所以該參數(shù)的確定符合要求?？傻弥鲃虞嗈D(zhuǎn)速n=v/2πr=150 r/min。

圖4 升運輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure drawing of lift conveyor

保證輸送效果的同時又要實現(xiàn)良好的分離和輸送效果，保證薯塊的表皮質(zhì)量，升運傾角的設(shè)計非常關(guān)鍵。傾角過大，薯塊易翻滾下來影響輸送；傾角過小，則分離效果不佳。查閱資料得升運傾角在30°～45°為最佳，本設(shè)計選用37°。

2.3 薯塊帶式輸送分選及收集裝置

設(shè)計目標(biāo)是將傾斜輸送裝置輸送過來的馬鈴薯落在橫向帶式輸送裝置上進行運送，不同大小的馬鈴薯隨皮帶橫向運轉(zhuǎn)時，輸送帶上方等間距分布的3 個柔性擋板起薯塊的大小分選作用，斜角導(dǎo)向的柔性擋板連接于輸送帶，上下間距的大小依次為大、中、小，進行薯塊的運轉(zhuǎn)分級。以薯塊高度h為界值，大薯h≥ 70 mm，中薯45 mm ≤h＜70mm，小薯h＜ 45 mm。分級后的薯塊分別進入收集箱中，在轉(zhuǎn)運出料口落入3 個不同的收集箱。出料口的設(shè)計降低了馬鈴薯落入收集箱的高度，避免薯塊碰撞引起的損傷。裝滿的收集箱在站臺上由人工輔助換箱，之后在地頭統(tǒng)一卸載，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 薯塊帶式輸送分選及收集裝置Fig.5 Potato block belt conveyor sorting and collection device

3 機架及其有限元分析

3.1 機架靜力學(xué)分析

機架是整機的主要承載結(jié)構(gòu)，對撿拾裝置和薯塊升運裝置而言，機架都起著支撐和連接的關(guān)鍵作用，其結(jié)構(gòu)強度及可靠性對整機性能有較大的影響。建立機架有限元模型，基于ANSYS Workbench 2021R1 軟件對其進行靜力學(xué)分析[6-9]。對模型進行合理簡化以兼顧分析結(jié)果的正確性和計算效率，簡化后的機架模型如圖6 所示。

圖6 機架結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Frame structure model

撿拾鏟的撿拾深度設(shè)計為50～100 mm，撿拾裝置承受較大作用力，機架載荷較大，因此機架材料選用Q235 鋼，并焊接為一個整體，其材料物理屬性如表2 所示。經(jīng)過SolidWorks 軟件材料定義，得到機架的原始質(zhì)量為55.295 kg。

表2 Q235 鋼的材料特性參數(shù)Tab.2 Material characteristic parameters of Q235 steel

將簡化后的機架模型保存為.STEP 格式文件，導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，選用Automatic 的方法對機架進行網(wǎng)格劃分，如圖7（a）所示。網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為4 mm，生成1 407 853 個網(wǎng)格節(jié)點，623 450 個網(wǎng)格，網(wǎng)格平均單元質(zhì)量0.71，平均偏度0.39，可認(rèn)為其滿足網(wǎng)格劃分要求。因機具撿拾作業(yè)阻力大，作業(yè)速度較低，機架只考慮拖拉機的牽引力和土壤阻力。經(jīng)過ANSYS Workbench 求解計算得到機架的總位移云圖如圖7（b）、7（c）所示，最大位移量為6.12 mm，機架在加載后受到的最大應(yīng)力為61.8 MPa，小于機架材料的屈服強度極限220 MPa，因此機架結(jié)構(gòu)的強度和剛度滿足設(shè)計要求。

圖7 機架的靜力學(xué)分析Fig.7 Static analysis of the frame

3.2 機架模態(tài)分析

為避免拖拉機牽引馬鈴薯撿拾機田間作業(yè)時機架固有頻率與拖拉機激勵頻率重合引發(fā)共振[10]，設(shè)計機架時需確定其固有頻率和振型。模態(tài)分析是通常用于確定結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，基于ANSYS 的模態(tài)分析數(shù)學(xué)模型如式（3）所示。

式中：［M］——質(zhì)量矩陣；［C］——阻尼矩陣；［K］——剛度矩陣；［F(t)］——力矩陣；｛x｝——位移矩陣。

馬鈴薯撿拾機在田間作業(yè)時所受邊界條件過于復(fù)雜，本文只對機架模型進行自由模態(tài)分析[11-13]，得到其固有頻率和振型，分析結(jié)果只與其材料本身特性有關(guān)，與所受外力無關(guān)，結(jié)果更具普遍性，可為機架設(shè)計提供依據(jù)。機架自由模態(tài)分析直接使用上述簡化機架模型進行求解，不需施加任何載荷和約束，因為機架結(jié)構(gòu)容易受到低階振動的影響，所以基于ANSYS Workbench 軟件對機架前20 階固有頻率進行求解，如表3 所示。

表3 機架前20 階固有頻率Tab.3 The first 20 natural frequencies of the frame

分析表3 可以得出，機架固有頻率范圍主要為4.8～160.0 Hz，其固有頻率隨著模態(tài)階數(shù)的增加而遞增，符合剛體結(jié)構(gòu)自由模態(tài)分析特征。前3 階模態(tài)固有頻率幾乎為0，表現(xiàn)為剛體模態(tài)，從第4階開始表現(xiàn)為彈性模態(tài)，從第4 階開始的6 階（第4 階—第9 階）模態(tài)振型云圖如圖8 所示。機架4階和5 階模態(tài)振型主要為沿Z軸的彎曲擺動，其最大位移分別為7.49 mm 和7.34 mm，振動相對不明顯；6 階模態(tài)振型主要為機架兩側(cè)繞X軸方向的扭轉(zhuǎn)擺動，最大位移為5.7 mm；7 階模態(tài)振型主要為沿Y軸的彎曲擺動和沿X軸的扭轉(zhuǎn)擺動，其最大位移為5.5 mm；8 階模態(tài)振型主要為機架兩側(cè)沿X軸的扭轉(zhuǎn)擺動,最大位移為8.09 mm；9 階模態(tài)振型主要為兩側(cè)機架中部位置沿Y軸的彎曲擺動，最大位移為8.17 mm。其中，9 階模態(tài)振型變形量最大，其頻率為40.811 Hz。國內(nèi)學(xué)者對國產(chǎn)拖拉機振動系統(tǒng)的固有頻率進行了研究[14-16]，得到國產(chǎn)拖拉機振動系統(tǒng)的垂向、俯仰和側(cè)傾振動固有頻率分別集中在3～4、2.8～3.8、2.9～3.9 Hz。

圖8 機架模態(tài)振型云圖Fig.8 Cloud image of frame vibration modes

由ANSYS Workbench 有限元模態(tài)分析得到機架前20 階固有頻率主要為4.8～160.0 Hz，與拖拉機激勵頻率并不在同一區(qū)間，因此機架在作業(yè)期間不會產(chǎn)生共振，這為機架結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計了一種馬鈴薯撿拾機，通過SolidWorks軟件建立馬鈴薯撿拾機三維模型，對撿拾鏟、升運輸送裝置、帶式輸送分選及收集裝置等關(guān)鍵機構(gòu)進行設(shè)計，闡述了其能實現(xiàn)的主要功能，并完成關(guān)鍵參數(shù)的計算確定。

（2）基于ANSYS Workbench 軟件對機架進行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。靜力學(xué)分析結(jié)果表明，在靜載荷下機架的最大應(yīng)力為61.8 MPa，最大位移為0.612 mm，小于機架材料Q235 的屈服強度極限220 MPa。自由模態(tài)分析得到機架前20 階固有頻率范圍為4.8～160.0 Hz，與拖拉機產(chǎn)生的激勵頻率不在同一區(qū)間，因此作業(yè)過程中機架不會產(chǎn)生共振；通過分析機架的模態(tài)振型可知，機架左右兩側(cè)縱梁為其薄弱環(huán)節(jié)。仿真驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足馬鈴薯撿拾作業(yè)要求。