灘涂文蛤收獲機挖掘鏟的設計與分析

申屠留芳，張　炎，孫星釗，張學生，秦紹波

(1.淮海工學院 機械工程學院，江蘇 連云港　222005；2.連云港市元天農機研究所，江蘇 連云港　222006；3.連云港正業機械有限公司，江蘇 連云港　222006)

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灘涂文蛤收獲機挖掘鏟的設計與分析

申屠留芳1，張炎1，孫星釗2，張學生3，秦紹波3

(1.淮海工學院 機械工程學院，江蘇 連云港222005；2.連云港市元天農機研究所，江蘇 連云港222006；3.連云港正業機械有限公司，江蘇 連云港222006)

摘要：灘涂文蛤具有很高的營養價值，而其采收多采用人工采集，勞動強度大，采收效率低。本設計為一種新型的文蛤收獲機，作業寬度1 000mm，挖掘深度100~150mm，適合灘涂文蛤等貝類的采收。為研究機器在收獲中遇到的阻力影響，對挖掘鏟進行動力學分析設計，并通過受力分析構建工作阻力力學模型。同時，對挖掘鏟進行靜力學分析，添加載荷及約束，對挖掘鏟進行有限元分析，得到挖掘鏟的變形、應力及應變云圖。計算結果與挖掘鏟的材料性能對比，驗證了設計的合理性。

關鍵詞：文蛤收獲機；參數；挖掘鏟

0引言

我國海岸線綿長，自北向南大量的沿海灘涂文蛤養殖業產業，具有巨大的經濟效益。文蛤類穴居深度在3~15cm，肉味鮮美，營養豐富，蛋白質含量高，氨基酸的種類組成及配比合理；脂肪含量低，不飽和脂肪酸較高，易被人體消化吸收，還有各種維生素和藥用成分；有軟堅、化痰之功效，有的貝類還有益精潤肺的作用[1-2]。傳統的采收由人工完成，勞動強度大，工作效率低，即使現有的機械化、自動化的采收設備只能進行深水海上作業，不能適應淺灘養殖的蛤類收獲，而且集中化程度不高[3]。我國國立臺灣大學農業機械工程學系與臺灣省水產試驗所臺西分所聯合開發完成收獲及后處理裝置，進行研制帶花蛤深水捕撈機械進行海上作業，但是不能適應淺灘涂養殖的文蛤，而且集中化程度不高。

針對目前文蛤采收技術落后的現狀，改變傳統的收獲方法，采用機器挖掘，利用機器上的輸送鏈抖動輸送，高壓清洗，最后集裝的方式完成，大大減輕漁民的勞動強度，提高了效率。采用機器化采收有廣闊的前景，可解決目前存在的一系列問題，本設計效率穩定，操作方便，對沿海灘涂有很好的適應性。

1設計任務及主要技術參數

1.1　設計任務

灘涂自走式文蛤收獲機的設計需要解決以下3個關鍵技術問題：一是灘涂泥沙較硬且具有較強的吸附性，采收時易吸附在挖掘鏟和輸送帶上，影響機器正常運轉；二是灘涂地質松軟，采收機在行走中由于自身的重力和機器的振動會發生輪陷；三是文蛤的尺寸大小不同，為了讓幼小的文蛤繼續留在灘涂內進行再次生長，需要對其進行篩選分離。

本設計采用自走式履帶拖拉機提供動力，以解決灘涂淪陷的問題[4-7]。工作時，前面挖掘鏟通過液壓系統控制，并配有噴水槍，以利于解決灘涂泥沙的吸附性困擾；中間的輸送振動裝置可以有效地分離打散泥沙；后面的分離滾筒可將幼小的蛤類將送篩孔中落下，撒落回灘涂面，再次生長。

1.2　主要技術參數

自走式文蛤收獲機的主要技術參數如表1所示。

表1　自走式文蛤收獲機的主要技術參數

續表1

2總體結構設計及其工作原理

2.1　總體結構

總體結構簡圖如圖1所示。

1.分離滾筒　2.操作臺　3.輸送帶　4.液壓油缸

2.2　工作原理

以履帶式牽引機為載體，通過液壓系統驅動液壓缸控制挖掘鏟的深淺，挖掘鏟前配有噴水噴頭，以解決灘涂泥沙附著問題。當挖掘鏟挖起的泥沙混合物，經過振動機構后，部分的泥沙混合物經過震蕩回落到灘涂，剩余部分泥沙及較大的文蛤經輸送裝置運送至機器后部的分離滾筒中，進行最后的分離篩選。整套設備由1臺柴油機提供動力，并將機器的動力經皮帶機鏈條輸送至各部分機構。

3挖掘鏟的設計及分析

為研究采收機在灘涂上運行時所受到的阻力影響，對挖掘鏟進行了動力學分析，以確保實際運行中的可靠性。

3.1　挖掘鏟設計

挖掘鏟在挖掘文蛤時，需要深入土層15cm左右，為了確保能將所有文蛤挖盡，需要對挖掘鏟挖掘的深度進行控制調節。因鏟刃邊緣和底部與土壤接觸，會對挖掘鏟產生很大的運動阻力，降低采收挖掘的速度和效率，因此要通過控制鏟刃水平位置傾角α，使土壤可以沿挖掘鏟順利滑動，從而減小挖掘鏟的阻力。

3.1.1挖掘鏟水平位置傾角的確定

挖掘鏟傾角的設計原則：在保證挖掘物不回落的前提下，能夠使挖掘物沿著鏟面順利上升，并順利輸送到后面的振動及分離系統。挖掘面的受力分析如圖2所示。[8]

圖2　挖掘鏟面受力分析

由圖2力學分析得

G·sinα+f-F·cosα=0

(1)

F·sinα+G·cosα-N=0

(2)

f=u·N

(3)

聯立式(1)~式(3)解得

其中，F為挖掘鏟的推力；N為鏟面對挖掘物的反力；G為挖掘物所受的重力；μ為鏟面摩擦因數；α為挖掘鏟水平傾角。

3.1.2挖掘鏟的鏟體長度確定

根據挖掘鏟平面尺寸的幾何關系(見圖3)，即得

L=h/sinα

(4)

其中，h為挖掘鏟的豎直高度；α為挖掘鏟水平傾角。

設計挖掘鏟寬幅1 000mm，鏟面寬度400mm。

圖3　挖掘鏟結構參數

3.2　挖掘鏟的動力學分析與建模

3.2.1土壤的受力分析

取鏟面上中黏粒砂質土壤為研究對象，挖掘深度為15mm，受力情況如圖4所示。

影響挖掘性能的土壤物理性質有土壤含水率、土壤內聚力因素C、土壤強度、土壤的附著力因素Cα、土壤密度ρ、土壤摩擦因素μ，以及土壤與挖掘鏟之間的摩擦因素μ1等。進行受力分析，可列出如下的靜平衡方程式[9-11]。

豎直方向上平衡方程為

G-N0(cosα-μ1sinα)-N1(cosβ-μsinβ)+

CaB0sinα+(CF1+FA)sinβ=0

(5)

水平方向上平衡方程

(6)

其中，G為土壤的重力；B0為挖掘鏟的面積；N0為作用于鏟面的法向載荷；N1為前失效面法向載荷；F1為土壤的剪切面積；FA為土壤運動的加速力；β為土壤的前失效面傾角。

圖4　挖掘鏟面上土壤的力分析

3.2.2挖掘鏟的受力分析

收獲機工作時，挖掘鏟主要受到機器牽引力F、鏟面土壤作用的法向載荷、土壤的摩擦力Ff、土壤附著力Fa，以及土壤切削力Fb的影響，其受力分析如圖5所示。

圖5　挖掘鏟受力分析

水平方向的平衡方程式為

F=N0sinα+(Ff+Fa+Fb)cosα

(7)

Ff=μN0，Fa=CaB0，Fb=kb

(8)

灘涂中的純切削阻力很小，只有當土壤中有石頭或刃口變鈍時，切削阻力才顯得重要。如果不存在這些情況，則土壤的純切削阻力Fb可以忽略不計。即

F0=N0sinα+μN0cosα+C2B0cosα

(9)

聯立式(5)、式(6)，展開整理后得

(10)

將式(9)代入式(10)整理得

(11)

(12)

3.2.3動力學模型構建

土塊速度與長度幾何關系如圖6所示。其中，L1為土壤沿鏟尖伸出的距離(m)；L3為土壤沿鏟尾伸出的距離(m)；L2為土壤鏟尖至鏟尾的距離(m)。

圖6　土塊速度與長度幾何關系

挖掘鏟面土壤重力為

(13)

(14)

(15)

其中，ρ為泥土密度；b為寬幅；H為挖掘深度。

土壤剪切面積為

(16)

土壤的加速力為

(17)

(18)

將式(13)、式(16)、式(18)代入式(12)后整理得

(19)

式(19)即為所求系統動力學模型，F0為忽略泥沙剪切力的挖掘鏟推力。

設計參數各項取值如表2所示。

表2　設計參數各項數值

取α=20°,Ca=3,μ1=0.3,求解得 F0=1 200N。

3.2.4挖掘鏟靜力學分析

將建好的模型導入到WB軟件中，進過網格劃分，定義材料屬性，生成有限元模型。

材料屬性：挖掘鏟厚10mm，挖掘深度150mm，彈性模量2.06×105N/mm2，密度7.8×10-6kg/mm3，泊松比0.3。網格劃分后模型有1 008個實體單元，節點數為7 178，根據模型的受力情況添加約束載荷，挖掘鏟受力有土壤法向力N、摩擦力f、挖掘阻力F，及土壤附著力等。由于其他載荷相對于法向力及摩擦力較小，可忽略不計。挖掘鏟與機架固定板固定，鏟部在泥土下，Y、Z方向受到約束，X方向為自由3個旋轉方向為約束。

不同入土角壤對兩種挖掘鏟的阻力及導致效應力云圖，如表1及圖7~圖9所示。

表3　不同入土角時土壤對兩種挖掘鏟的載荷及挖掘阻力

(a)　20°　　　　　　　　　 (b)　25°

(a)　傾角20°　　　　　　　(b)　傾角25°

(a)　傾角20°　　　　　　　(b)　傾角25°

1)從平面鏟的總體應力分布可以看出：應力主要分布在挖掘鏟中間與固定板接觸的位置，隨著入土角α的變化而變化，α為25°時的最大應力值為45.821MPa，α為20°時最大應力為76.805MPa，挖掘鏟采用Q235碳素結構鋼屈服極限強度為235MPa，因此挖掘鏟強度滿足設計要求。

2)通過分析平面鏟變形云圖可以得出：變形最大處位于鏟尖，位移量最大為1.746mm，這個數值相對于整個鏟長來說，肉眼觀察不到，可以忽略不計。

4結論

本灘涂自走式文蛤收獲機的設計結合了江蘇沿海當前蛤類養殖發展特點、灘涂沙土粘性的獨特地理條件及文蛤的實際生長狀況，具有一定的實用價值。影響挖掘鏟主要參數是運動過程中挖掘深度及鏟傾角，在對各個參數適當調整后就可以得到最優的運動效果。本設計適用于沿海灘涂蛤類及其他貝類養殖的收獲，可以完成挖掘、分離土壤和平鋪在地面上的任務，降低人力需求，減輕農民的勞動強度，能夠降低收獲作業成本。

參考文獻：

[1]王大海.海水養殖業發展規模經濟及規模效率研究[D].青島：中國海洋大學,2014.

[2]萬宇.江蘇南通文蛤產業結構與特征初步研究[D].青島：中國海洋大學， 2014.

[3]張世軍.中國蛤類產業結構與特征研究——以“紅島蛤蜊”產業為例[D].青島：中國海洋大學,2014.

[4]周勇,徐川其.加快我國船式拖拉機產業發展的建議[J]安徽農業科學, 2015(1):354-355,392.

[5]戴性武. 全浮式兩輪驅動機耕船： 中國，ZL20062005035

8.6[P].2007-05-09.

[6]凌淦文, 莫宏斌.高效雙滾機耕船的試驗研究[J].廣西農業機械化, 2004(6):31-32.

[7]莊金燦.船式拖拉機的開發與應用[J].山東農機,2002(1):9-11.

[8]孫偉剛,王春光,孫宏,等.馬鈴薯挖掘機挖掘鏟力學模型構建[J].農機化研究，2014，36(1):84-86.

[9]陳書法,李耀明,孫星釗.花生挖掘鏟動力分析與實驗[J].農業機械學報，2005(11):59-63.

[10]石林榕,孫偉,王蒂,等.馬鈴薯仿生挖掘鏟的設計與仿真[J].干旱地區農業研究，2014(32):268-272.

[11]鄧偉剛,孫宏,王春光.馬鈴薯挖掘鏟工作阻力計算與分析[J].農機化研究，2014，36(10):71-74.

Beach Clam Harvester Design and Analysis of Digging Shovel

Shentu Liufang1,Zhang Yan1，Sun Xingzhao2，Zhang Xuesheng3， Qin Shaobo1

(1.HuaiHai Institute of Technology，Lianyungang 222005,China；2.Lianyungang Yuantian Agricultural Machinery Research Institute，Lianyuangang 222006，China；3. Lianyungang Zhengye Machinery Manufacture Corporation, Lianyuangang 222006,China)

Abstract：Beach clam has a high nutritional value, China clam harvesting by hand-picked, labor intensive,low efficiency of oil recovery.This design for a new of paper clam harvest machine, job width 1000mm , for Beach paper clam, shellfish of harvest,mining depth 100-150mm, for research machine in harvest in the encountered of resistance effect,special on mining shovel for Dynamics analysis design, and through by force analysis building work resistance mechanical model,last statics analysis shovel for, added load Yu constraints , on mining shovel for limited Yuan analysis,get mining shovel of deformation, and stress,and strain contours, comparison of results with the digging shovel the material properties,verify that the rationality of the design.

Key words：calm harvesters; parameter; digging shovel

中圖分類號：S972.69+1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0113-05

作者簡介：申屠留芳(1965-),女，浙江東陽人，副教授，博士，(E-mail) stlf@hhit.edu.cn。

基金項目：江蘇省科技支撐計劃(農業)子項目(BE2014339-3)；連云港市“521工程”項目(2015-2017)

收稿日期：2015-10-20