元胡攫取推土鏟的運動仿真分析

朱昊杰 魏萬行 任志貴 梁 楊

（陜西理工大學 機械工程學院，陜西 漢中723000）

元胡，又名玄胡、延胡索，扁球狀、色黃、直徑約0.5-2.5cm 之間，為大宗常用中藥，有活血化瘀、行氣止痛的作用。當前元胡種植面積已經實現大規模但目前元胡收獲仍主要采用手工收獲，收獲效率低且成本昂貴，因此，開發出一種適合元胡收獲的自動化機械，不僅可以提高元胡的收獲效率，還能極大的降低元胡的收獲成本。元胡收獲機械的設計，首先應該設計出良好的元胡攫取裝置。元胡推土鏟的作業性能取決于土壤環境，元胡收獲機與和推土鏟的連接結構，挖掘深度，收獲速度，入土角等有關。為提高收獲效率，元胡攫取推土鏟的工作性能改進目標應該以減少收獲阻力為主[1-2]。

傳統的田間試驗因為過于費時費力，且不易改變相關參數。現采用EDEM離散元[3]軟件，構造模擬實驗所需土槽。相關研究表明在構造相關研究結果表明，離散元技術是一種模擬土壤和機械相互作用的有效分析方法。EDEM 軟件是一種可以研究不連續體問題的離散元軟件，通過比較真實的模擬土壤顆粒與收獲裝置的相關工作，有效的仿真模擬土壤剪切、破碎、混合、移動等非連續現象，通過EDEM所帶的后處理分析功能可以得出攫取裝置的工作阻力[4]。

現設計一種元胡攫取推土鏟，通過EDEM建立離散元仿真模[5]，研究不同收獲速度，不同入土角的收獲阻力，選出合適的收獲工作狀態[6]。

1 元胡攫取推土鏟的設計

1.1 結構組成

現設計一種可調節的元胡收獲機推土鏟，包括鏟板，所述鏟板兩端分別固定焊接有兩個側板，所述兩個側板的一側分別與鏟板的兩端通孔連接，下通孔為圓弧形可調節連接孔，可以通過不同連接方式調節不同的入土角，鏟板的一個側邊均勻設置有方形鏟齒，所述方形鏟齒之間的凹槽處還設置有長孔活動通孔連接鏟板和鏟齒，通過調節通孔連接位置可以調節挖掘深度。

圖1 可調節元胡推土鏟

1.2 參數確定

可調節元胡推土鏟的主要參數包含鏟板長度L, 鏟板寬度B，圓弧形活動連接孔調節角度r，鏟齒與鏟板可調節連接孔長度l，方形鏟齒寬度b，方形鏟齒長度h。根據元胡收獲機械的尺寸設置鏟鏟板長度L=210mm,鏟板寬度B=1400mm。圓弧形可調節連接孔角度 取值范圍為20°～30°之間，可以通過調節側板與鏟板的圓弧形連接孔連接位置，調節鏟板入土角度入土角度。鏟齒與鏟板可調節連接孔長度l=15mm。可以通過鏟齒與鏟板可調節連接孔的連接位置調節挖掘深度。鏟板上分布12 個方形鏟齒，鏟齒寬度B=50mm,長度h=95mm。通過給鏟板增加活動鏟齒增加破土能力。

2 EDEM 離散元仿真實驗

2.1 離散元模型的建立

由于元胡收獲過程時元胡推土鏟與土壤的相對速度較低，且土壤之間具有粘結力，因此土壤和元胡推土鏟作用選擇軟球模型。本研究采用Hertz-Mindlin 相關理論建立土壤顆粒與雙翼式深松鏟離散元仿真模型。根據Hertz 接觸理論，仿真模型中相關參數可通過剪切模量G(pa)及楊氏彈性模量E 計算求出，且在碰撞過程中將顆粒視為各向同性材料。

根據材料力學可知，剪切模量G(pa)、楊氏彈性模量E 和泊松比v',給出其中2 個參數即可確定第3 個參數[7]，仿真參數如表1 所示。

表1 仿真模型主要參數

2.2 仿真實驗設計

影響元胡推土鏟工作性能的參數可以分為結構參數與工作參數兩種。進行仿真試驗時，將元胡推土鏟收獲時的工作阻力作為實驗目的。保證挖掘深度d=80mm 不變，以入土角度α，掘進速度υ 為實驗因素，進行仿真模擬實驗。入土角度α 分別采取20°、25°、30°三個水平，掘進速度υ 分別采取0.7m/s、1.1m/s、1.5m/s 三個水平。首先使用Creo 創建可調節元胡推土鏟三維立體模型，用IGES 將其導出保存。每組仿真實驗開始后，然后將此模型導入EDEM中，并進行相關試驗參數的設置，然后進行仿真實驗。

2.3 實驗過程

首先打開EDEM2018 軟件選擇New project 創建新文件,在Bulk Material 中設置土壤顆粒相關參數，在Equipment Material中設置元胡推土鏟相關參數，然后在Geometries 中創建土槽，設置顆粒工廠生產土壤。等土壤顆粒生成完畢。再進入analyst 中選擇File 中的Export 選項Simulation Deck 導出土壤模型。在新導出的土壤模型中，再geometries 導入元胡推土鏟IGS 模型，設置入土角，挖掘深度，掘進速度之后開始進行仿真挖掘。仿真過程結束之后，進入EDEM軟件的后處理模塊，導出后處理結果。如此依次設置不同的工作因素，進行仿真實驗。

3 仿真實驗結果分析

3.1 實驗數據處理

由于元胡推土鏟開始進入和離開土壤模型是不滿足挖掘深度條件，不滿足仿真設計值，仿真數據不準確，因此進行設計數據處理時，選擇符合運動狀態的數據值。

3.2 實驗結果

圖2 元胡推土鏟工作阻力仿真曲線

表2 仿真運動阻力平均值

當元胡推土鏟以一定掘進速度運行，從進入土壤模型開始，工作阻力從0 開始增大，推土鏟全部進入土壤模型中之后工作阻力逐漸上升，隨著時間的推移逐漸趨于穩定。通過分析可得，在20°入土角時，分別在0.7m/s，1.1m/s，1.5m/s 的掘進速度下工作，平均工作阻力為分別為2236.746465N 和2427.624827N 和2514.481939N，在25°入土角時，分別在0.7m/s，1.1m/s，1.5m/s的掘進速度下工作，平均工作阻力為分別為3899.83N 和3980.612276N 和3854.298673N。在30°入土角時，分別在0.7m/s，1.1m/s，1.5m/s 的掘進速度下工作，平均工作阻力為分別為3389.018283N 和3683.119486N 和3850.018878N。

通過圖像可以分析出25°入土角時，入土瞬間掘進阻力在三種不同掘進速度中是三個不同入土角入土瞬間掘進阻力最大的，且工作時掘進阻力變化波動最大。因此該種元胡攫取推土鏟選擇入土角不要選用25°入土角。選擇30°入土角時，三種不同速度下平均工作阻力都比20°入土角時的平均工作阻力高1000N 以上。因此選用20°入土角工作為好。在20°入土角工作時，隨著掘進速度增加工作阻力略有升高，1.1m/s 掘進速度相比0.7m/s 掘進速度平均阻力升高190.878362N，1.5m/s 掘進速度相比1.1m/s 掘進速度平均阻力升高86.857112。采用1.5m/s的掘進速度工作效率升高而且工作阻力較小。

4 結論

對元胡攫取推土鏟進行計算機仿真實驗，可以比較直觀的表現出推土鏟在不同入土角，不同掘進速度的運動狀態與受力狀態。可以發現此種元胡攫取推土鏟在1.5m/s 掘進速度，20°入土角的工作狀態下，工作阻力最小，工作效率最高且最早達到工作平穩狀態。