馬鈴薯二階凸面挖掘鏟的設計與研究

郭新峰， 馮靜安， 王衛兵， 郭世魯

(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000)

挖掘鏟為馬鈴薯收獲機的核心部件。馬鈴薯收獲機在收獲時挖掘鏟是在馬鈴薯塊莖、殘根和含有石塊的土壤中工作的，工作阻力大，這就要求挖掘鏟具有良好的抗變形能力和耐磨性。目前，對現有挖掘鏟從鏟形上可以分為平鏟(三角鏟、條形鏟)、凹面鏟、槽形鏟等[1]，其中應用最多的為三角平面挖掘鏟，它具有結構簡單、無需動力傳動等優點，但缺點是易造成機前壅土和傷薯。壅土的原因是鏟面碎土性差，易被大土塊、大石塊擁堵，且易被雜草纏繞[2]；傷薯的原因是挖掘深度不夠或者是鏟形的設計不合理。本研究針對現有挖掘鏟存在的壅土和傷薯問題，設計出一種二階凸面挖掘鏟。

1 挖掘鏟的設計

通過分析挖掘鏟的工況、工作要求、類型可知，在進行挖掘鏟的設計時應從以下2個方面進行[3]：(1)挖掘鏟類型的選取；(2)挖掘鏟相關參數的設計。

1.1 挖掘鏟類型的選取

本研究設計的挖掘鏟主要應用在小型馬鈴薯收獲機(一般收獲行數為單行)上，挖掘鏟的裝配類型選固定式，選取多片鏟，鏟形設計成多段凸面。該挖掘鏟為連體式兩階面焊接體結構，該結構不僅提高了挖掘過程中的碎土能力，同時也可避免在收獲時出現壅土現象，從而有效地降低了機器的能量損耗，挖掘鏟的結構設計如圖1所示。

1.2 挖掘鏟的動力學分析

在對挖掘鏟進行相關參數設計時，首先要對挖掘鏟進行動力學分析，挖掘鏟在進行挖掘運動時主要克服的力為阻力，須要對挖掘鏟進行牽引阻力模型的創建。挖掘鏟的作業對象除馬鈴薯之外，還有土壤。土壤的強度、含水率、附著力、內聚力因數、外摩擦因數、內摩擦因數、密度等是影響挖掘鏟挖掘性能的物理機械特性[4-5]。挖掘鏟力學模型如圖2所示。

在對馬鈴薯進行收獲時挖掘鏟受到的阻力來源于土壤、馬鈴薯、碎石塊等，在建立受力模型時要對研究對象進行簡化(忽略馬鈴薯與碎石塊的影響)，主要以挖掘鏟、土壤為研究對象進行受力分析，假設土壤所受的法向載荷為NL，當挖掘鏟在掘起土壤時土壤的臨界面所受的法向載荷為Nl；根據圖2-a、圖2-b建立馬鈴薯收獲機挖掘鏟的工作參數、土壤的物理機械特性參數等因素與挖掘鏟的水平力的函數關系式[6-7]，得到挖掘鏟在土壤中的阻力模型，可表示為

(1)

1.3 挖掘鏟相關參數的確定

根據挖掘鏟裝置的工作特點可知，挖掘鏟的參數包括設計參數和工作參數[9-10]；主要的設計參數為挖掘鏟寬度b(mm)、鏟刃傾角γ(°)、鏟面傾角α(°)、鏟的總體長度L(mm)。其中運動參數主要為收獲機的收獲速度v(m/s)、挖掘鏟的挖掘深度h(mm)，如圖3所示。

1.3.1 鏟寬的確定 在對馬鈴薯進行收獲時，馬鈴薯收獲機的工作幅寬為1 100 mm，兩側板的厚度為6 mm，其中挖掘鏟裝配方式為固定式，形狀為多片凸面鏟；在對多片鏟進行裝配時要在鏟與鏟之間留出間距，鏟間距取18.8 mm，鏟寬b取 100 mm。本設計除鏟的寬度由機架的寬度確定外，其余的設計參數都要依據公式(1)挖掘鏟的阻力進行分析設計。

1.3.2 鏟刃傾角的確定 圖3-b為挖掘鏟的受力分析，為了保證鏟刃在工作時能把土壤順利的滑切開，所要克服的鏟刃摩擦力為

Fzsin(90°-γ)>F。

(2)

式中：Fz為鏟刃所受到的總阻力，N；F為土壤與鏟刃之間的摩擦力，N。

根據相應的摩擦定律可知：

F=N2tanφ；

(3)

N2=Fzcos(90°-γ)。

(4)

式中：N2為垂直于鏟刃的分力，N。

把公式(2)與公式(3)聯立可得：

N2tanφ

(5)

公式(4)、(5)聯立可得：φ<90°-γ。

鏟刃的傾角對收獲時的影響：鏟刃傾角越大則挖掘鏟在切入土壤時與土壤的接觸面積越大，增大了機械的功耗；當鏟刃傾角較小時，會導致挖掘鏟的形狀變尖、變長，從而會加速挖掘鏟的磨損，在收獲時容易對薯塊造成損傷。當內摩擦角φ取20°時，鏟刃傾角γ<70°，本設計γ取50°。

1.3.3 鏟面傾角的確定 設計挖掘鏟之前對新疆石河子市銳益達機械裝備有限公司所生產的收獲機進行實地測繪，通過測繪不同機型的挖掘鏟鏟面傾角發現，大多數鏟面傾角范圍為18°～25°，通過公式(1)分析鏟面傾角對阻力的影響，可以得出鏟面傾角與阻力的關系，見圖4[11]。

由圖4可知，挖掘鏟所受的阻力隨鏟面傾角的變大而變大，所以在設計鏟面傾角時根據實際情況進行設計顯得尤為重要，在鏟面傾角相同的情況下，曲面鏟所受阻力最小。本設計鏟面傾角α取20°。

1.3.4 收獲機收獲速度的確定 不同地區在進行馬鈴薯收獲時，對于小型馬鈴薯收獲機收獲速度一般控制在0.5～1.5 m/s 范圍內，本設計的收獲速度選取1.2 m/s。

1.3.5 挖掘鏟長度的確定 如圖3-a所示，挖掘鏟的長度與鏟面傾角、挖掘深度、運動速度有關，設計鏟形主要是兩段式，前段長度為L1，后段長度為L2，還包括鏟座部分長度L3，在這3段設計中主要設計前后段。在多段鏟當中一階鏟一般承受著主要的挖掘工作，根據對馬鈴薯實際的生長深度進行測量分析(圖5)，挖掘深度確定為h1=150 mm，則

L1=h1/sinα；

(6)

(7)

已知h1=150mm，v=1.2m/s，φ=20°，α=20°，代入上式可得：L1=438.5 mm，L2=105.2 mm，即挖掘鏟的總長度為L=543.7 mm(此長度為挖掘鏟傾斜長度，而實際的投影長度肯定小于此長度)，此長度為理論長度，文獻[11]指出，當α為 14°～20°時，鏟的最佳長度為350 mm。在實際設計當中鏟的總長度要比理論長度短。

1.3.6 挖掘深度的確定 通過對馬鈴薯生長深度進行測量，確定一階凸面鏟的挖掘深度h1=150 mm，根據長度計算可知二階凸面挖掘鏟的挖掘深度h2=36 mm，所以總的挖掘深度h=186 mm。

1.4 阻力的計算

本研究結果表明，當α=20°時，挖掘鏟鏟起的壟臺重力為314～315 N，取ρ=1 400 kg/m3，設壟頂寬500 mm，挖掘深度186 mm，μ=0.58，μ1=0.60，Z=1，β=30°，C=0.3 N/cm2，S1=1 800 cm2，A0=3 600 cm2，代入公式(1)求得：W=2 281 N，W

2 挖掘鏟的靜力學分析

對挖掘鏟進行靜力學分析時，所使用的分析軟件為ANSYS Workbench靜力學分析模塊，通過SolidWorks建立三維模型，將其模型保存為ANSYS Workbench的接口文件后，在ANSYS Workbench處理后求解。

2.1 挖掘鏟的實體建模

按照所確定的挖掘鏟參數利用SolidWorks進行三維實體建模，對于所設計的兩階面挖掘鏟在進行三維建模時，須要注意在一階挖掘鏟面與二階鏟面之間，所要確立的基準建模面的準確角度，然后進行建模、拉伸、拔模特征命令，對挖掘鏟進行實體創建，三維模型如圖6所示。

2.2 有限元分析

2.2.1 材料選取 在進行材料選取時，首先考慮材料的耐磨性、抗彎性，本研究中的挖掘鏟材料選Q275，彈性模量為E=2.10×1011Pa，密度為ρ=7 800 kg/m3，泊松比為0.3，安全系數n取2，許用應力值[σ]=σ/2=137.5 MPa。

2.2.2 網格劃分 將“2.1”節建立完成的三維實體圖保存為x-t格式的文件，然后導入到ANSYS Workbench軟件中進行網格劃分，在進行網格劃分時，網格的粗糙程度設置為中等，邊界網格設置為最優，網格單元尺寸設置為5 mm，網格劃分形式一般為自由網格劃分，劃分后的網格如圖7所示。

2.2.3 添加載荷、約束 網格的劃分完成后，對挖掘鏟添加約束、載荷；在螺紋孔處添加固定約束，載荷施加在一階挖掘鏟的鏟面上，并且施加的載荷垂直于鏟面，大小為 2 281 N。

2.2.4 結果分析 經過分析之后得到應力云圖、總的應變云圖、總形變云圖。由圖8-a可知，挖掘鏟在進行挖掘時所受到的阻力對挖掘鏟的最大總變形為0.5 mm，此變形對挖掘鏟的正常工作影響不大；由圖8-b可知，當挖掘鏟所受阻力為2 281 N 時， 挖掘鏟最大應力出現在螺紋孔處，則最大應力值為σmax=9.6198×107Pa，σmax≤[σ]=137.5 MPa，所以該設計滿足強度條件，挖掘鏟可以安全工作。

3 通用平面三角挖掘鏟有限元分析

經調研發現，平面三角挖掘鏟為馬鈴薯收獲機的通用挖掘鏟，通過測繪對該鏟形進行三維建模，然后通過上述分析過程對所建立的模型進行靜力學分析，在進行受力分析時保證網格劃分、約束、加載都與所設計的挖掘鏟一樣，經過分析，結果如圖9所示。由圖9可知，平面三角挖掘鏟的最大總形變為2 mm，最大應變值為225 MPa，最大總的應變為1.2 mm。

4 挖掘鏟的靜力分析對比

對2種不同的挖掘鏟施加相同的分析條件，然后對比分析兩者的靜力。由表1可知，2種挖掘鏟在受到同等力的作用時，平面三角挖掘鏟的總形變量是二階凸面鏟的4倍。平面三角鏟的應變值已經超出了所選材料的許用應力值，而所設計的凸面鏟應變值滿足應用要求。二階凸面鏟的總應變量相對于平面鏟較小。綜上所述，在受到同等力的作用時，二階凸面鏟的性能要優于平面三角鏟。

表1 2種挖掘鏟靜力分析對比

5 試驗分析

試驗田選取新疆馬蘭馬鈴薯種植基地，選取五壟待收獲的馬鈴薯薯壟，如圖10所示。把設計完整的馬鈴薯挖掘鏟安裝在馬鈴薯收獲機上，對所選取的試驗薯壟進行挖掘收獲。

通過實際試驗得出，本設計的二階凸面挖掘鏟不會造成壅土現象，在收獲后分別對平鋪的馬鈴薯作傷薯統計，如圖11所示。

對上述試驗收獲平鋪的馬鈴薯進行分段統計，從所選的試驗田中對收獲后平鋪的馬鈴薯進行隨機選取各壟的 100 m，然后從所選取的100 m平鋪的馬鈴薯中對傷薯率進行統計分析，結果見表2。

表2 傷薯率統計分析

經統計分析發現，實際傷薯率小于5%，該挖掘鏟符合馬鈴薯的收獲要求；通過本試驗可以說明，該挖掘鏟設計可以有效降低壅土和傷薯問題。

6 結論

本設計主要針對挖掘鏟在挖掘過程中的壅土和傷薯問題進行分析，通過建立動力學模型確定挖掘鏟的鏟形、相關參數；通過動力學模型對挖掘鏟的實際阻力進行計算可知，W≤F牽max=6 000 N，所以該設計滿足工作條件。

對設計的二階凸面鏟進行有限元分析，結果發現，挖掘鏟的最大應力值小于挖掘鏟材料的許用應力值，即σmax≤[σ]=137.5 MPa，所以該挖掘鏟可以安全工作。通過與通用平面三角挖掘鏟進行靜力分析對比可知，在受到同等力的作用時，二階凸面鏟的性能優于平面三角鏟。

對設計的挖掘鏟進行試驗，利用數理統計分析方法，驗證了該挖掘鏟的傷薯率小于5%，符合收獲要求。