太子參聯(lián)合收獲機的設(shè)計

婁帥帥,曹成茂,李贊松,葉大明,臧　捷

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，合肥　230036；2.安徽省寧國市地金林木種植有限公司,安徽 寧國 　242300)

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太子參聯(lián)合收獲機的設(shè)計

婁帥帥,曹成茂,李贊松,葉大明,臧捷

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，合肥230036；2.安徽省寧國市地金林木種植有限公司,安徽 寧國 242300)

摘要：針對目前已有的牽引式太子參收獲機無法較好地滿足南方小田塊地下根莖類作物的收獲要求，設(shè)計了一款可以一次性實現(xiàn)挖掘、輸送、分離、篩選及裝箱為一體的太子參聯(lián)合收獲機。闡述了太子參聯(lián)合收獲機的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，給出了松土鏟、升運器、分離滾筒及輸送鏈耙等關(guān)鍵部件的設(shè)計過程,并利用ANSYS軟件對松土鏟進行了有限元分析。

關(guān)鍵詞：太子參；聯(lián)合收獲機；設(shè)計；有限元

0引言

我國是一個太子參種植和消費的大國，但國內(nèi)對太子參收獲機械的研究還很少，技術(shù)還不完善[1-2]。歐美地區(qū)多采用大型側(cè)牽引式聯(lián)合收獲機[3]，美國、德國和日本等發(fā)達國家從20世紀40年代開始研制出多種根莖類作物收獲機械，已實現(xiàn)對長根莖植物(蘿卜、甜菜等)和短根莖作物(馬鈴薯、花生、大蒜等)的機械化收獲。由于太子參種植地域的特殊性及太子參體型較小、分離比較困難，國外尚無類似機械可供借鑒。國內(nèi)針對北方根莖類作物收獲的牽引式機械[4-8]，不能滿足丘陵山區(qū)小田塊太子參生產(chǎn)收獲的要求。為了滿足南方小田塊地下根莖類作物的收獲要求，設(shè)計了一款可以一次性實現(xiàn)挖掘、輸送、分離、篩選及裝箱的太子參聯(lián)合收獲機。

1收獲機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

太子參聯(lián)合收獲機采用自走式，行走系統(tǒng)采用橡膠履帶式底盤，動力為柴油發(fā)動機，工作部件置于右側(cè)，整機成右側(cè)配置。整機主要由駕駛臺、行走履帶、松土鏟、升運器、液壓裝置、分離滾筒及輸送裝置等構(gòu)成，如圖1所示。收獲作業(yè)時，首先由松土鏟對藥地進行松土；經(jīng)松土后的藥土混合物被后續(xù)藥土混合物沿松土鏟斜面推到升運器耙齒下部，逆時針轉(zhuǎn)動的升運器耙齒將藥土混合物貼著升運器底板刮著向上運輸，直至耙齒將藥土混合物撥入分離滾筒；藥土混合物被分離滾筒中的螺旋結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)向后輸送，在旋轉(zhuǎn)輸送的過程中，碎土沿著螺旋軌道滾動，碎土從分離滾筒圓周的網(wǎng)孔中不斷落下，經(jīng)分離滾筒分離后的較為干凈的藥材落到輸送鏈耙上，由輸送鏈耙再次分離，最終送入藥箱完成收獲。

該機結(jié)構(gòu)特點如下：采用履帶式的行走系統(tǒng)，操縱簡單、靈活、平穩(wěn)、轉(zhuǎn)彎半徑小，適合南方山區(qū)丘陵小田塊的收獲作業(yè)；采用右側(cè)前置式進行收獲作業(yè)，視野開闊，作業(yè)過程只需1人駕駛操縱，大大節(jié)省了勞動力。

1.松土鏟　2.側(cè)刃板　3.輸送鏈耙　4.發(fā)動機

2關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1　松土鏟

機具工作過程中，影響松土鏟工作性能的土壤物理機械性質(zhì)主要有土壤含水率、土壤附著力、土壤外摩擦因數(shù)、土壤內(nèi)摩擦因數(shù)、土壤內(nèi)聚力、土壤強度及土壤密度等。松土鏟的松土功能主要是靠其工作時的剪切作用來實現(xiàn)的。剪切功能是指松土鏟工作時在鏟刃的切割作用下把土壤切割分開，需要破壞土塊的整體結(jié)構(gòu)，還要破壞土塊的強度，而在行進的過程中土壤會對鏟刃產(chǎn)生反作用力來阻礙剪切過程的進行。針對太子參的生長特點，其根部生長深入土下150mm左右，根系較發(fā)達，造成了挖掘時土壤阻力較大的問題，結(jié)合松土鏟的工作原理，設(shè)計了松土鏟，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.鏟齒　2.鏟柄

圖2中，松土鏟的鏟尖設(shè)計成鋸齒狀，可減小入土切割的阻力。松土鏟的工作阻力隨入土角的增大而增大，但入土角過小會影響作物的收獲質(zhì)量。查閱相關(guān)資料得知，入土角應(yīng)設(shè)置20°～30°較為合理[9]。考慮到設(shè)計的最大有效挖掘深度為300mm,所以松土鏟的入土角選用最小值20°。這樣可在保證最大挖掘深度的前提下減小工作過程土對松土鏟面的阻力，減少動力損耗。

2.2　升運器

升運器是收獲機的重要部件之一，主要由23塊板狀耙齒、9條雙耳工業(yè)輸送鏈條、調(diào)節(jié)板及掛臂等組成，如圖3所示。作業(yè)時，雙耳鏈條帶動耙齒逆時針運動，耙尖貼著底板耙齒耙著藥土混合物向上運輸，直到將藥土混合物喂入分離滾筒。在升運器前端的兩側(cè)板處開有一定高度的側(cè)刃，作業(yè)時側(cè)刃對割幅以外的土塊進行切割，也能對雜草進行切割，避免纏繞，從而減小行進過程中的阻力，降低能耗。調(diào)節(jié)板起到對鏈條張緊的作用。圖3中，9根工業(yè)輸送鏈條均勻分布在升運器的兩根軸上，耙齒設(shè)計的有效高度為150mm,耙齒在鏈條上分布的間隔為200mm。

2.3　分離滾筒

分離滾筒主要由雙排鏈條、雙排鏈輪、螺旋結(jié)構(gòu)、滾子、齒輪箱、篩心組成，如圖4所示。

1.側(cè)刃板　2.耙齒　3.雙耳輸送鏈條

1.雙排鏈條　2.篩心　3.滾子

工作時，分離滾筒兩端的鏈輪撥動分離滾筒兩端上固定的鏈條，實現(xiàn)分離滾筒滾動。混合物在滾筒中螺旋結(jié)構(gòu)的作用下向后輸送，在輸送的過程中藥土混合物沿著分離滾筒內(nèi)壁上的螺旋軌道滾動，體積較小碎土不斷從網(wǎng)孔中落下，體積較大的土塊不斷與螺旋結(jié)構(gòu)和網(wǎng)篩碰撞，土塊體積不斷減小，最終從網(wǎng)孔中落下，從而實現(xiàn)藥土初次分離。5個固定在外圈上的滾子對篩心起到支撐作用，滾篩的最大外徑為1 000mm，長度為1 200mm,螺旋結(jié)構(gòu)的螺距為200mm,螺旋結(jié)構(gòu)的有效高度為60mm。

分離滾筒結(jié)構(gòu)為可拆卸型，外圈為對開式，上半圈和下半圈由4個螺栓連接，這樣設(shè)計的目的主要是為了針對不同的土壤情況，可通過更換篩心的方式改變分離網(wǎng)孔，實現(xiàn)有效的分離。分離滾筒采用鏈條的傳動方式，具有易更換、成本低的優(yōu)點。分離滾筒的轉(zhuǎn)速越快，分離效率和分離效果越好。分離滾筒轉(zhuǎn)速與效率成正比關(guān)系,根據(jù)牛頓第二定律,當離心力大于太子參的重力時，離心力會使干凈的太子參緊貼在篩網(wǎng)內(nèi)壁上，使其無法沿螺旋結(jié)構(gòu)向后面的輸送鏈耙運輸。

2.4　輸送鏈耙

輸送鏈耙主要由耙齒、連接板、圓鋼、六齒輪等組成，如圖5所示。

1.六齒輪　2.圓鋼　3.連接板　4.耙齒

挖掘土壤的受力分析如圖6所示，松土鏟的受力分析如圖7所示。

圖6　挖掘土壤的受力分析

圖7　松土鏟的受力分析

根據(jù)圖6、圖7的受力分析,可得松土鏟工作時的驅(qū)動力為

F=N0(sinα+μcosα)+CaA0cosα

(1)

土塊受力的靜力平衡關(guān)系為

N0(sinα+μcosα)+CaA0cosα

=N0(cosα-μsinα)+N1(sinβ-μ1sinβ)

(2)

令

(3)

聯(lián)立方程得出松土鏟工作時的驅(qū)動力為

(4)

式中F—松土鏟工作時的驅(qū)動力(N)；

G—土塊重力(N)；

Ca—土壤與鏟面的附著參數(shù)；

B—土壤對鏟面的加速阻力(N )；

T—土壤抗剪切力(N)；

A0—鏟面寬度(mm)；

?—松土鏟的入土角(°)；

C—土壤內(nèi)聚力(N)；

A1—剪切面積(mm2)；

β—失效前角(°)；

μz—土壤的內(nèi)摩擦因數(shù)；

μ—土壤與金屬的摩擦因數(shù)；

N0—鏟面法向載荷(N)。

3松土鏟的有限元分析

3.1　松土鏟有限元模型的建立

ANSYS提供了與其他CAD系統(tǒng)的接口,可以利用PRO/E軟件創(chuàng)建松土鏟的實體模型,并導入ANSYS軟件;定義松土鏟的材料為45#鋼,密度為7890kg/m3,彈性模量E為2.09×1011，泊松比為0.3；單元類型選擇Solid45單元作為離散受力單元；根據(jù)模型的形狀及受力情況，進行網(wǎng)格劃分；劃分網(wǎng)格時，激活SmartSize,滑塊設(shè)為1進行劃分。最后生成有限元模型如圖8所示。

圖8　松土鏟網(wǎng)格劃分

3.2　載荷施加與邊界條件

為了分析松土鏟真實的工作狀態(tài),就要使用約束限制某些部位的自由度。在實際加工制造中,松土鏟的兩側(cè)端面和后端面為焊接面，故在此采用完全約束。松土鏟作業(yè)時，主要受法向載荷、摩擦力、粘附力，但摩擦力與粘附力相對法向載荷影響較小；有限元分析時，只分析法向載荷作用。根據(jù)作用力和反作用力相等原理和公式(4),計算松土鏟工作時所受到的阻力。法向力與作用面積之比為壓強，計算出工作時加載在鏟面上的壓強值為0.065 5MPa。每個單元所受的載荷均按靜力學等效原則轉(zhuǎn)移到網(wǎng)格單元上，把鏟面壓強值加載到鏟面上，松土鏟的入土角為20°，分析松土鏟內(nèi)部的應(yīng)力分析情況。

3.3　ANSYS有限元分析結(jié)果

松土鏟在受力時經(jīng)ANSYS求解之后的位移變形云圖和應(yīng)力云圖分別如圖9、圖10所示。

圖9　變形云圖

圖10應(yīng)力云圖

通過分析松土鏟的位移云圖9可知：在鏟尖發(fā)生較為明顯變形，其位移量值為0.9mm，這個數(shù)值在材料的塑性變形范圍內(nèi),相對于整個松土鏟而言，可以忽略不計;通過分析松土鏟的應(yīng)力云圖10可知：挖掘鏟的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏟的側(cè)面即鏟與升運器焊接處最大24.426MPa，說明應(yīng)力主要出現(xiàn)在焊接部位,所以在加工時焊接部位需滿焊并做加固處理;另外,松土鏟的鏟齒根與鏟齒根連接處應(yīng)力也比較大,加工時做滲碳淬火處理，并且齒根與齒根之間采用圓弧過度,防止阻力過大時應(yīng)力集中鏟被撕裂。其余各處的應(yīng)力值均小于所用材料的屈服極限強度。所以，松土鏟的強度滿足設(shè)計要求。

4結(jié)論

1)設(shè)計的太子參聯(lián)合收獲機可以一次性完成挖掘、輸送、分離、篩選、收集等作業(yè)過程，大大降低了勞動強度，提高了工作效率，降低了收獲成本，且收獲質(zhì)量好。

2)該機具有一定的通用性，可以通過更換分離滾筒的方式，對黃芪和錢胡等地下根莖類作物進行收獲作業(yè)。

3)此項研究為南方山區(qū)丘陵小田塊地下根莖類作物收獲的機械化提供了裝備與技術(shù)支撐。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0105-EA

Design and Test of Radix Pseudostellariae Combined Harvester

Lou Shuaishuai, Cao Chengmao, Li Zansong, Ye Daming, Zang Jie

(1.Anhui Agricultural University,School of Technology, Hefei 230036, China; 2.Ningguo City, Anhui Province, Golden Tree Planting Co. Ltd., Ningguo 242300, China)

Abstract：According to the situation that the current traction type harvesters can not meet the requirements of Radix Pseudostellariae in small fields of the southern hilly region, we design and develop a one-time Radix Pseudostellariae combine harvester which combines mining, transportation, separation, screening and packing. This paper describes the overall structure and the detailed design of the shovel, lifting conveying device, a separating roller, conveyor chain harrow and other key parts of the detailed design process and the break shovel was analyzed by ANSYS software.

Key words：Radix Pseudostellariae； combine harvester; structure design; ANSYS

中圖分類號：S225.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0105-04

作者簡介：婁帥帥(1987-)，男，安徽阜陽人，碩士研究生，(E-mail)1097775130@qq.com。通訊作者：曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

基金項目：國家自然科學資金面上項目(51475002)

收稿日期：2015-09-29