甘薯收獲機挖掘鏟的有限元分析

羅志豪 劉玉 馬坡 蔣宇浩

摘要? ? 為了清晰地反映挖掘鏟在使用過程中受到應力其內部結構的變化，采用ANSYS的有限元法，對挖掘鏟進行了詳細的有限元分析。結果表明，在選用Q235A材料的情況下能夠達到甘薯收獲機工作所需強度，結構設計可行且合理。采用平面鏟，挖掘能力強且減少挖掘阻力;采用偏心振動裝置，分離能力強且破皮率低。在甘薯收獲方面，不僅能大大提高收獲效率，還可以使收獲的甘薯干凈完整。

關鍵詞? ? 甘薯;收獲機;挖掘鏟;有限元分析

中圖分類號? ? S225.31? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）07-0172-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Finite? Element? Analysis? of? Digging? Shovel? of? Sweet? Potato? Harvester

LUO Zhi-hao? ? LIU Yu *? ? MA Po? ? JIANG Yu-hao

（Jiangsu Normal University，Xuzhou Jiangsu 221116）

Abstract? ? In order to clearly reflect the change of the internal structure of the digging shovel under stress in the process of use，the finite element analysis of the digging shovel was carried out in detail by using the ANSYS finite element method.The results showed that the strength of the harvester could be achieved when Q235A material was selected，and the structure design was feasible and reasonable.With plane shovel，the excavation capacity was strong and the excavation resistance was reduced;With eccentric vibration device，the separation capacity was strong and the skin breaking rate was low.In the aspect of sweet potato harvest，it could not only greatly improved the harvest efficiency，but also made the harvested sweet potato clean and complete.

Key words? ? sweet potato;harvester;digging shovel;finite element analysis

中國作為世界上最主要的甘薯生產地，每年甘薯栽種面積達到500萬hm2，年產量為8 500萬t，約占世界總產量的80%[1-2]。但我國甘薯栽種和收獲機器設備的相關技術相對滯后，遠遠落后發達國家[3-4]。歐美國家甘薯收獲機械以大型化為主，日本、韓國等小型化居多，比較適合中小地塊生產作業。其中比較典型的為美國LockWood公司研制的甘薯機，根據莖塊收集方式分成2類。其中一類是箱式甘薯收獲機（圖1），這種收獲機的兩邊對稱分布著6個運載箱;全液壓操控，可以通過操縱桿來調控收獲機的相關參數;運載箱做到自動起落，可以降低撞擊傷和破皮;收獲前不需要處置甘薯莖蔓與泥土。與收獲機匹配的動力>110 kW，作業的行數為2行，行距為1 016～1 219 mm，工作的速度為3～8 km/h[5-6]。

我國甘薯收獲機相關研究起步較晚，因而發展水平較發達國家存在一定的差距。隨著農業機械化發展進程的不斷推進，我國各地也出現了多種樣式的甘薯收獲機械。其中最典型的屬徐州甘薯中心研發的環刀形收獲器，該發明大大改善了平原地區收獲困難的難題，一定程度上對生產起到了積極的推動作用[7-8]。該收獲器的工作原理是經過帶動弧形的破土片將整個壟的土破開，使薯與土分開，然后薯塊會分列在土層上方，以便撿拾收集。這種設計獨特新穎，改變了老式收獲犁的鏟頭式設計，大幅度地降低了勞動強度，提高了工作效率，還降低了甘薯的損傷率。

1? ? 甘薯收獲機關鍵部件設計要求

在甘薯收獲機的作業過程中，挖掘鏟是前進過程中最先接觸土薯的部件。由于土下環境比較惡劣，因而挖掘鏟受到阻力也會比較大，這樣對挖掘鏟的抗變形能力與耐磨性能要求較為嚴格。

2? ? 挖掘鏟有限元分析

挖掘鏟使用過程中受到應力其內部結構會發生變化，用一般計算等方法無法準確地了解到其變化情況。因此，本文采用ANSYS的有限元法去分析挖掘鏟的靜力強度。

2.1? ? 三維實體模型的建立

根據設計參數，運用UG進行三維實體模型的建立，三維模型如圖2所示。

2.2? ? 三維實體模型的導入

ANSYS軟件可以與UG之間實現模型完整的傳遞，將模型從UG導入到ANSYS作為前期準備，挖掘鏟的模型導入ANSYS-workbench如圖3所示。

2.3? ? 材料的定義

選擇了Q235結構鋼，其中彈性模量為206×1011 Pa，屈服強度為2.826 9×108 Pa，剪切模量為8×1010 Pa，材料密度為7 858 kg/m3，泊松比為0.3。

2.4? ? 劃分網格

對挖掘鏟整體進行網格劃分，可以分為47 308個節點和9 545個單元，網格劃分如圖4所示。

2.5? ? 添加約束，施加載荷

在鏟面和破土柵之間添加焊接約束，鏟面和鏟柄之間也添加焊接約束。綜上可知，假設工作速度1.5 m/s，挖掘深度0.25 m時，根據挖掘鏟的牽引阻力相關公式算得挖掘阻力為4 800 N，根據力的平衡原理在上面施加載荷（圖5）。

2.6? ? 運行分析

根據所定義的相關參數，軟件進行變形及應力情況分析，變形情況如圖6所示，應力分布如圖7所示。根據分析結果可知，挖掘鏟鏟面的最大應力在螺孔處，為6.506 5e×100.14 Pa，小于所選材料的屈服強度，挖掘鏟的最大位移發生在鏟刃端，為5.348 8×10-0.05 Pa，并且端部向下卷，呈逐漸向中部發展的態勢，最后中部突起，鏟便不平，兩側鏟柄容易變形。挖掘鏟的最大應力和最大位移量都滿足設計要求。

3? ? 結論

（1）甘薯收獲機的研制能夠有效地解決當前甘薯收獲過程中所面臨的機械化率過低以及所收獲的甘薯質量低等問題，可以大大提高甘薯的收獲效率。同時，可以減輕農民的勞動強度，帶來可觀的經濟效益。

（2）首先，運用UG軟件對重要部件進行三維建模，其次，運用ANSYS-workbench軟件對挖掘裝置進行有限元分析，主要為結構靜力學分析，得到位移云圖、應力云圖。經分析，在選用Q235A材料的情況下能夠達到甘薯收獲機工作所需強度，結構設計可行且合理。

（3）采用的平面鏟挖掘性能強，可大大減少挖掘阻力并且降低藤蔓纏繞的發生，從而提高工作效率。

（4）采用偏心振動裝置使振動篩的分離能力更強，在提高薯土分離能力的同時可有效減少破皮率。

（5）下一步將對薯土關系做進一步分析，從而降低挖掘阻力的影響，得到更優化的設計。目前，該機器不能夠做到自動收集，有待進一步研究。

4? ? 參考文獻

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