清掃式紅棗收獲機(jī)V型布置清掃輥刷支撐架的設(shè)計與有限元分析

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(1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 10083)(2塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院/新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室， 新疆 阿拉爾 843300)

紅棗原產(chǎn)于中國，是我國特有的水果之一，并且其在中國已經(jīng)有數(shù)千年的栽培歷史[1-2]。紅棗因其口感香甜和富含營養(yǎng)豐富等特點而廣受市場歡迎，是一種常見的滋補養(yǎng)生食材[3]。據(jù)有關(guān)資料記載，我國紅棗品種眾多且種植規(guī)模龐大，全世界90%以上的紅棗產(chǎn)自中國[4-5]。我國紅棗種植主要分布在新疆、山西、河南、陜西、河北和山東等地。新疆地區(qū)光照時間長、晝夜溫差大和空氣稀薄，種植的紅棗深受廣大市場消費者追捧。新疆紅棗種植規(guī)模僅次于該地區(qū)第一大經(jīng)濟(jì)作物棉花的種植面積，已經(jīng)發(fā)展成為促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長的特色林果產(chǎn)品。為了便于田間管理，目前新疆紅棗種植普遍采用矮化密植種植模式。該種植模式下的棗樹矮小且種植密集，常見的林果收獲機(jī)械難以滿足其收獲要求。導(dǎo)致目前新疆大面積的紅棗采收依然通過人工撿拾的方式來完成，嚴(yán)重制約新疆紅棗產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

為了實現(xiàn)新疆紅棗的機(jī)械化采收，解決矮化密植紅棗收獲難題。新疆農(nóng)墾科學(xué)院的湯智輝等通過對國外產(chǎn)品的引進(jìn)和消化吸收，設(shè)計研制出我國第一款基于樹干搖振采收原理的紅棗收獲機(jī)械。但是該機(jī)型要求有較大的作業(yè)工作空間，難以適應(yīng)矮化密植種植模式[6]。石河子大學(xué)的坎雜等設(shè)計研發(fā)出一種基于樹冠振動采收的騎跨式紅棗收獲機(jī)械，該機(jī)具收獲過程中對棗樹損傷較大且難以對落地紅棗進(jìn)行收獲，目前仍處于研發(fā)階段[7-8]。塔里木大學(xué)史高昆等設(shè)計研發(fā)出氣吸式紅棗收獲機(jī)械，但受風(fēng)機(jī)負(fù)壓限制和棗園作業(yè)環(huán)境影響，該機(jī)具作業(yè)效率和機(jī)具可靠性仍有待提高，目前機(jī)具處于改進(jìn)完善階段[9]。由于國外種植紅棗規(guī)模較小，導(dǎo)致國外對紅棗收獲機(jī)械的研究較少。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料記載，目前僅有韓國忠南國立大學(xué)的S．W．Lee et al設(shè)計了一種基于樹冠振動的液壓自走式紅棗收獲機(jī)械[10]。該機(jī)具適用于高大棗樹種植模式，對于矮化密植種植模式并不適用。

針對目前紅棗收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀，并充分考慮新疆紅棗種植采用的矮化密植種植模式。本文設(shè)計研制出一種基于清掃收獲原理的清掃式紅棗收獲機(jī)械，并對機(jī)具的關(guān)鍵工作部件V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行相應(yīng)的理論計算及有限元分析。為清掃式落地果收獲機(jī)械的設(shè)計與改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 整機(jī)機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

清掃式紅棗收獲機(jī)械主要由清掃裝置、液壓動力驅(qū)動裝置、紅棗仿形收集裝置、機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)、紅棗輸送裝置、柴油機(jī)、機(jī)架、紅棗收集箱、去雜篩、控制系統(tǒng)和行走機(jī)構(gòu)等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.清掃裝置 2.液壓動力驅(qū)動裝置 3.紅棗仿形收集裝置 4.機(jī)械傳動機(jī)構(gòu) 5.紅棗輸送裝置 6.柴油機(jī) 7.機(jī)架 8.紅棗收集箱 9.去雜篩 10.控制系統(tǒng) 11.行走機(jī)構(gòu)

1.2工作原理

清掃式紅棗收獲機(jī)械的全部輸出動力均由1臺7. 5 kW的柴油機(jī)進(jìn)行提供。通過該柴油機(jī)驅(qū)動橫向清掃輥刷和紅棗輸送裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)，同時柴油機(jī)還為液壓動力驅(qū)動裝置和機(jī)具的電動行走機(jī)構(gòu)提供原始的動力來源。作業(yè)時，機(jī)具通過電力驅(qū)動在棗樹行間進(jìn)行自動行走收獲作業(yè)，V型布置清掃輥刷將地面分散的落地紅棗清掃集中形成長條狀，再利用橫向清掃輥刷和紅棗仿形收集裝置的相互配合將形成的長條狀紅棗清掃至紅棗輸送裝置，最終經(jīng)過紅棗輸送裝置和去雜篩將紅棗輸送到紅棗收集箱，從而完成落地紅棗的收獲作業(yè)過程。

2 V型布置清掃輥刷支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計及其受力分析

2.1 V型布置清掃輥刷支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計

清掃裝置是清掃式紅棗收獲機(jī)對地面紅棗進(jìn)行清掃撿拾收獲的關(guān)鍵工作部件，清掃裝置的基本結(jié)構(gòu)與其受力變形和應(yīng)力分布直接相關(guān)。并且清掃裝置的受力變形直接影響清掃輥刷與地面的接觸情況，從而影響清掃裝置的清掃收集效果。清掃裝置主要由3根清掃輥刷組成，其中2根清掃輥刷呈V型布置并且采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的支撐架進(jìn)行固定。該V型布置清掃輥刷采用液壓馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動，從而實現(xiàn)落地紅棗的清掃聚攏。另外一根清掃輥刷采用橫向布置，主要配合紅棗仿形收集裝置完成地面紅棗的收集過程。由于懸臂結(jié)構(gòu)的V型布置清掃輥刷支撐架受力變形較大，因此有必要對懸臂結(jié)構(gòu)的V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行重點設(shè)計，V型布置清掃輥刷支撐架的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 V型布置清掃輥刷支撐架基本結(jié)構(gòu)

2.2 V型布置清掃輥刷支撐架受力分析

由分析可知，V型布置清掃輥刷支撐架在工作過程中，主要承受由機(jī)架和清掃輥刷自重引起的均勻分布載荷q1和液壓馬達(dá)自重引起的均勻分布載荷q2。另外，在清掃輥刷作業(yè)的過程中，清掃輥刷還受到由清掃輥刷旋轉(zhuǎn)與地面摩擦引起切向摩擦力Ff2和清掃輥刷向前行走過程中與地面摩擦引起的摩擦力Ff1，在分析過程中分別將Ff1和Ff2簡化為清掃輥刷中點的集中載荷，具體的受力分析簡圖如圖2所示。根據(jù)清掃輥刷、機(jī)架及液壓馬達(dá)自重可分別計算得出均勻分布載荷系數(shù)q1和q2(q1=307 N/m，q2=340 N/m)，再根據(jù)測得清掃輥刷與地面之間的摩擦系數(shù)及其與地面之間的壓力可分別計算得出摩擦力Ff1和Ff2(Ff1=348 N，F(xiàn)f2=275 N)。

由于V型布置清掃輥刷支撐架兩側(cè)對稱，在實際受力過程中兩側(cè)的清掃輥刷機(jī)構(gòu)變形情況基本一致。為簡化計算過程，只取一側(cè)的清掃輥刷支撐架進(jìn)行受力分析。并且將各種載荷均分解到平行于清掃輥刷支撐架的平面內(nèi)和垂直于清掃輥刷支撐架的平面內(nèi)進(jìn)行分析，如圖3所示。

a. 平行于清掃輥刷平面

b. 垂直于清掃輥刷平面

為了計算得出清掃輥刷支撐架在各處的最大彎曲變形，根據(jù)圖3中的受力情況分別計算上述兩面內(nèi)清掃輥刷支撐架的撓度。在平行于清掃輥刷支撐架的平面內(nèi)，AB、BC和CD段內(nèi)各處的撓度分別為：

(1)

(2)

(3)

在垂直于清掃輥刷支撐架的平面內(nèi)，AB和BD段內(nèi)各處的撓度為：

(4)

(5)

式中，乘積EI為清掃輥刷支撐架橫截面的彎曲剛度，其中E為彈性模量，I為慣性矩；C1、C2、C3、C4和D1、D2、D3、D4為常數(shù)。

3 V型布置清掃輥刷支撐架有限元分析

3.1有限元分析模型建立

在運用ANSYS Workbench對V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行有限元分析之前，采用三維建模軟件Solidworks建立其三維分析模型。將建立的三維模型保存為x_t格式，再通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將建立的三維模型導(dǎo)入到NASYS Workben軟件中，從而完成有限元三維分析模型的建立及導(dǎo)入過程。為簡化模型的運算規(guī)模，對V型布置清掃輥刷的刷絲部分進(jìn)行簡化，最終建立的三維模型如圖4所示。

圖4 V型布置清掃輥刷支撐架有限元分析簡化模型

3.2模型網(wǎng)格劃分及加載

將Solidworks建立的V型布置清掃輥刷支撐架的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench分析軟件中，選擇Tetrahedrons網(wǎng)格單元并運用Automatic Method的方法進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分。再通過Details of Mesh進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，從而實現(xiàn)對網(wǎng)格單元的尺寸進(jìn)行約束。采用上述方法對建立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，該模型最終劃分的網(wǎng)格數(shù)量和節(jié)點分別為17 440和36 565，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好的滿足模型分析精度要求。根據(jù)V型布置清掃輥刷實際作業(yè)時受到的載荷情況，對網(wǎng)格劃分后的模型進(jìn)行載荷施加，如圖5所示。

圖5 V型清掃輥刷支撐架網(wǎng)格劃分及加載

3.3有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析結(jié)果

為了得到更加清晰表達(dá)V型布置清掃輥刷支撐架在靜載作用下的變形和應(yīng)力應(yīng)變情況，對V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。在ANSYS Workbench靜力學(xué)結(jié)果顯示中，選擇總變形、等效應(yīng)力和等效應(yīng)變作為的求解結(jié)果。最終，分別求解得到V型布置清掃輥刷支撐架的Total Deformation、Equivalent Elastic Strain和Equivalent Stress云圖，如圖6所示。

a.總變形 b.等效應(yīng)變 c.等效應(yīng)力

圖6 V型布置清掃輥刷支撐架靜力學(xué)分析結(jié)果

由圖6可知，V型布置清掃輥刷支撐架最大的總變形、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力分別為60. 432 mm、0. 009 547 7和484. 22 MPa。分析圖6a可知，V型布置清掃輥刷支撐架的最大變形出現(xiàn)在支撐架遠(yuǎn)離固定的一端，并且V型布置清掃輥刷支撐架固定端和遠(yuǎn)離固定端的變形量差異明顯，在實際作業(yè)的過程中容易引起清掃輥刷清掃作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定和清掃輥刷刷絲磨損不均勻現(xiàn)象。而由圖6c可知，V型布置清掃輥刷支撐架最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在靠近支撐架固定的一端，并且該最大應(yīng)力值超過支撐架材料的屈服極限。因此，V型布置清掃輥刷支撐架存在結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理之處。為了減小V型布置清掃輥刷支撐架的最大變形和保證V型布置清掃輥刷支撐架的支撐強度，在現(xiàn)有V型布置清掃輥刷支撐架的基礎(chǔ)上增加支撐桿來增加其強度。再根據(jù)上述步驟，對改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，其分析得到的總變形、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力分布情況如圖7所示。

a.總變形 b.等效應(yīng)變 c.等效應(yīng)力

由圖7可知，改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的最大總變形、等效應(yīng)變和等效應(yīng)力值分別為6. 935 mm、0. 003 260 8和199. 2 MPa。對比圖6a和圖7a中的有限元分析結(jié)果可知，改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的總變形由原來的60. 432 mm減小至6. 935 mm，支撐架的強度增加明顯。并且改進(jìn)后的最大總變形仍然出現(xiàn)在相同位置。從支撐架的等效應(yīng)力分析結(jié)果可知，改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架出現(xiàn)的最大等效應(yīng)力小于支撐架材料的屈服極限。綜上所述，V型布置清掃輥刷支撐架的改進(jìn)設(shè)計合理。

3.4有限元結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析結(jié)果

為了避免V型布置清掃輥刷在作業(yè)時出現(xiàn)較大的振動影響V型布置清掃輥刷清掃采收作業(yè)的質(zhì)量，對改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析中的模態(tài)分析。通過模態(tài)分析計算V型布置清掃輥刷支撐架的低階固有頻率和振型，避免因各低階固有頻率與機(jī)具的自激振動頻率相同而出現(xiàn)共振現(xiàn)象。據(jù)文獻(xiàn)資料記載，低階振動對結(jié)構(gòu)的動態(tài)影響較為顯著，并且低階振型直接影響結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性[11]。因此，采用模態(tài)分析得出V型布置清掃輥刷支撐架前三階固有頻率和振型，具體結(jié)果如圖8所示。

a.1階振型 b. 2階振型 c. 3階振型

由圖8可知，改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的前三階固有頻率分別為7. 721 2 Hz、9. 136 1 Hz和17. 44 1 Hz。該紅棗收獲機(jī)械選用柴油機(jī)的自激振動頻率為33. 3～50 Hz，清掃輥刷的自激振動頻率為0～3. 3 Hz。改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的固有頻率與機(jī)具的自激振動頻率存在明顯差異，因此改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架在清掃收獲作業(yè)過程中不存在共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4 結(jié)論

4.1 針對新疆普遍采用的矮化密植種植模式，設(shè)計了一種清掃式紅棗收獲機(jī)械。重點設(shè)計了V型布置清掃輥刷的支撐架，并對支撐架進(jìn)行了相應(yīng)的力學(xué)分析。

4.2 對V型布置的清掃輥刷支撐架進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，并通過分析結(jié)果對V型布置的清掃輥刷支撐架進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的V型布置清掃輥刷支撐架的最大總變形由改進(jìn)前的60. 432 mm減小至6. 935 mm，最大等效應(yīng)力由改進(jìn)前的484. 22 MPa降低至199. 2 MPa，改進(jìn)設(shè)計合理。

4.3 通過模態(tài)分析得出V型布置清掃輥刷支撐架前三階固有頻率分別為7. 721 2 Hz、9. 136 1 Hz和17. 441 Hz。模態(tài)分析結(jié)果表明，V型布置清掃輥刷支撐架的固有頻率與機(jī)具的自激振動頻率存在明顯差異，故V型布置清掃輥刷支撐架在作業(yè)時不存在共振現(xiàn)象。進(jìn)一步表明V型布置清掃輥刷支撐架結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。