S型鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)挖掘裝置的設(shè)計及有限元分析

王政增,吳秀豐,楊然兵,2,楊曉龍,趙 晗,崔功佩

(1．青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109;2．山東省薯類全程機(jī)械化智能裝備工程技術(shù)研究中心,山東 青島 266315)

0 引言

馬鈴薯作為廣泛種植的根莖類糧食作物,其田間收獲要求比較高且收獲作業(yè)較為繁重。國內(nèi)已有的馬鈴薯收獲機(jī)田間作業(yè)對土壤要求嚴(yán)格,且容易出現(xiàn)壅土、傷薯等現(xiàn)象,無法滿足用戶的挖掘需求[1-3]。因此,研制一種結(jié)構(gòu)合理的馬鈴薯收獲機(jī)對于減少馬鈴薯挖掘損傷和提高機(jī)械化收獲水平具有極其重要的意義。

本文依據(jù)S型鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)特點,重點對挖掘裝置存在傷薯、纏草及壅土的缺陷進(jìn)行研究設(shè)計,研發(fā)了新型固定式挖掘裝置,并依據(jù)作業(yè)要求和力學(xué)性能分析對挖掘鏟進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸確定及有限元分析,同時進(jìn)行田間試驗。

1 整機(jī)的工作原理

S型鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)需配合拖拉機(jī)使用,由拖拉機(jī)為其提供動力輸出。田間作業(yè)時,挖掘鏟切入馬鈴薯壟將土壤疏松后連帶馬鈴薯一同進(jìn)入輸送分離裝置,將馬鈴薯從土壤中分離出來;作業(yè)過程中混雜的秧蔓及雜草經(jīng)過旋轉(zhuǎn)滾筒裝置及時清除,可避免發(fā)生纏繞;馬鈴薯和土塊混雜通過輸送分離裝置經(jīng)過振動及其在滾軸上的摩擦使得土塊松散并清除;馬鈴薯經(jīng)集攏鋪放裝置集中落入田間,方便進(jìn)行撿拾收獲[4-6]。

1.懸掛裝置 2.變速箱 3.機(jī)架 4.輸送分離裝置 5.集攏鋪放裝置 6.后驅(qū)動裝置 7.行走裝置 8.旋轉(zhuǎn)滾筒裝置 9.挖掘鏟裝置圖1 S型鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)示意圖Fig.1 Diagram of S-shaped Chain Type Potato Harvester。

2 挖掘裝置的設(shè)計

2.1 馬鈴薯挖掘裝置結(jié)構(gòu)的確定

目前,國內(nèi)已有的馬鈴薯挖掘鏟裝置在實際操作過程中存在適應(yīng)性差,容易壅土和纏繞等問題,極大地降低了收獲機(jī)的挖掘效果及工作效率[7]。針對上述問題及田間作業(yè)要求,筆者研制了新型固定式挖掘裝置,包括旋轉(zhuǎn)滾筒、挖掘鏟片及鏟座等結(jié)構(gòu),如圖2所示。挖掘鏟片由1對左右對稱刀刃組成,鏟體與鏟坐焊接固定。鏟座后方焊接多個固定板,通過柵條連接將鏟刀過渡板安裝在挖掘裝置后方,鏟刀過渡板可繞柵條做小幅度的轉(zhuǎn)動,降低了挖掘裝置受土壤阻力及對馬鈴薯損傷率,提高了入土能力優(yōu)化了整機(jī)性能,可實現(xiàn)馬鈴薯自動化脫土輸送作業(yè)。鏟座固定板兩端設(shè)置轉(zhuǎn)動軸承,旋轉(zhuǎn)滾筒裝置由動力驅(qū)動繞中心軸旋轉(zhuǎn),將經(jīng)過裝置的秧蔓及雜草等及時清理,防止了機(jī)器堵塞。

1.旋轉(zhuǎn)滾筒裝置 2.機(jī)架平面鏟片 3.輸送分離裝置 4.鏟座 5.平面鏟片圖2 挖掘裝置Fig.2 Digging device。

2.2 挖掘鏟的主要結(jié)構(gòu)尺寸

1)鏟體寬度B。該機(jī)可一次進(jìn)行兩壟收獲作業(yè),作業(yè)幅寬為1 300mm,因此鏟體寬度B設(shè)置為1 430mm;分為兩個尖鏟,每個單體寬度為715mm。為滿足挖掘鏟抗沖擊、擠壓、磨損性能要求,其材質(zhì)選為65Mn,并對鏟刃進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

2)鏟面傾角α。對挖掘過程中的鏟面進(jìn)行受力分析(見圖3),可得如下方程,即

FN-Psinα-Gcosα=0

(1)

Pcosα-Gsinα-Fμ=0

(2)

Fμ=μFN

(3)

式中FN—鏟體對土塊的支撐力(N);

P—挖掘裝置受到土塊的反作用力(N);

α—鏟面與水平作業(yè)面的夾角(°);

G—馬鈴薯及黏附土壤的重力(N);

Fμ—挖掘鏟對土壤的摩擦力(N);

μ—土壤與挖掘鏟面間的摩擦因數(shù),μ=0.577～ 0.721[8]。

經(jīng)計算可得

(4)

P與F為相互作用力,挖掘阻力F的計算公式為

F=kab

(5)

式中F—挖掘阻力(N);

k—單位面積橫斷面面積阻力(N/mm2);

a—挖掘深度(mm);

b—挖掘作業(yè)幅寬(mm)。

根據(jù)馬鈴薯種植土壤確定k的取值在4～5之間。由馬鈴薯挖掘要求確定該裝置挖掘深度為150～250mm,整機(jī)作業(yè)寬度為1 430mm。因此,取值k=4.5×10-2N/mm2,a=200mm,b=1 430mm。將各因素數(shù)值代入公式(5)中,求得挖掘阻力F為12 870N。土壤的平均密度為2.65×10-3g/mm3,挖掘長度定為650mm,代入公式得G=4 827.823N。

將各項數(shù)據(jù)代入公式(4)中,可知鏟面傾角α的取值范圍為33.6°～39.5°。

3)鏟體長度L。挖掘深度h、鏟體長度L和鏟面傾角α之間滿足以下關(guān)系,即

h=Lsinα

(6)

根據(jù)上文已知已知數(shù)據(jù),確定鏟體長度為320mm。

4)鏟刃夾角γ。若鏟刃夾角偏大,則鏟刀前進(jìn)時受較大的正壓力,降低了鏟刃入土性能,產(chǎn)生較大工作阻力并發(fā)生壅土;若鏟刃夾角過小,則前進(jìn)時產(chǎn)生較大的切向力,鏟刃入土能力較好,但鏟尖容易對馬鈴薯造成切傷。綜上所述,本文設(shè)計的鏟刃夾角為150°。

2.3 鏟座支撐的設(shè)計

挖掘鏟田間作業(yè)受土壤阻力產(chǎn)生變形[9],若挖掘鏟發(fā)生較大的變形則會導(dǎo)致鏟刀彎折甚至斷裂,直接降低作業(yè)性能。通過挖掘鏟與鏟座焊接的方式固定到機(jī)架上,能夠有效解決鏟片易損的問題。鏟座支撐如圖4所示。

1.鏟座固定板 2.鏟座主板 3.鏟座后板 4.鏟刀固定板圖4 鏟座支撐Fig.4 Digging shovel support。

針對傳統(tǒng)固定式挖掘裝置存在的問題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,采用多個鏟刀固定板焊接到鏟座后板后方,可有效解決挖掘鏟壅土。相鄰鏟刀固定板間通過柵條將鏟刀過渡板固定,裝置作業(yè)時鏟刀過渡板和鏟座后板上表面共面;每兩個過渡板間相距35mm,即可防止工作時漏薯發(fā)生,且間隙可使土塊松碎及碎土還田。

3 基于ANSYS的挖掘鏟靜力學(xué)分析

3.1 挖掘鏟的仿真模型

挖掘鏟在田間作業(yè)時受到較大的外力作用,對鏟片的塑性和強(qiáng)度有較高的要求。選定65Mn鋼為挖掘鏟的材質(zhì),密度為7 850kg/m3;設(shè)定其模型類型為線性、彈性及各項同性,抗拉強(qiáng)度為735MPa,屈服極限為430MPa,延伸率為9%,斷面收縮率為30%,彈性模量為2 000MPa,泊松比為0.394[10]。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,選取四面體形式建立模型,每個單元網(wǎng)格大小取5×10-3m,邊緣尺寸最小取2×10-3m。劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Mesh of model。

對裝置進(jìn)行靜力學(xué)分析,將焊接板兩側(cè)上、下表面及后板下表面進(jìn)行固定約束,如圖6(a)所示。將挖掘鏟受力部分加載相應(yīng)的壓強(qiáng),如圖6(b)所示。

圖6 固定約束及壓強(qiáng)負(fù)載Fig.6 Fixed support and pressure。

3.2 結(jié)果及分析

1)彈性應(yīng)變。由彈性應(yīng)變云圖(見圖7)可知:挖掘鏟彈性應(yīng)變最大值為1.062×10-4m,最小值為7.084 9×10-22m。分析挖掘鏟彈性應(yīng)變可知外力作用對鏟刀的影響甚微,不會對挖掘鏟整體結(jié)構(gòu)及性能造成影響。

圖7 彈性應(yīng)變云圖Fig.7 Equivalent elastic Strain。

2)應(yīng)力分析。由應(yīng)力云圖(見圖8)可知:挖掘鏟所受應(yīng)力最大值為2.113 3×10-7Pa,最小值為1.414 8×10-10Pa,鏟體在受外力作用下的應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限,符合田間作業(yè)要求。

圖8 應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent Stress。

3)總變形分析。總變形是裝置作業(yè)時挖掘鏟受外力作用下在土壤中的變形情況。由總變形云圖可知(見圖9):挖掘鏟變形的最大值為8.982 7×10-5m。分析可知:挖掘鏟在田間作業(yè)時,鏟尖部分的變形最顯著,向后則呈現(xiàn)銳減趨勢。雖然鏟尖處變形不足以對整機(jī)工作產(chǎn)生影響,但隨著機(jī)器在田間長時間作業(yè),鏟尖部分會出現(xiàn)明顯磨損,當(dāng)屬合理現(xiàn)象。就方便更換零件節(jié)約成本等方面而言,在挖掘裝置設(shè)計過程中要考慮鏟尖的可拆卸性。

圖9 總變形云圖Fig.9 Total deformation。

4 田間試驗

對S型鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)田間收獲性能進(jìn)行試驗檢驗,分析明薯率、傷薯率、破皮率和生產(chǎn)率等試驗指標(biāo),選取最優(yōu)參數(shù)組合,結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果Table 1 Test results。

續(xù)表1。

5 結(jié)論

針對S型鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)的挖掘裝置進(jìn)行研發(fā)設(shè)計,通過對我國馬鈴薯種植現(xiàn)狀及現(xiàn)有挖掘裝置存在不足的分析,確定新型固定式挖掘裝置的結(jié)構(gòu)。通過對挖掘鏟受力分析及相關(guān)計算,確定鏟體的一系列參數(shù),對鏟座支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。利用ANSYS軟件對挖掘鏟進(jìn)行有限元分析,通過對彈性應(yīng)變云圖、應(yīng)力云圖和總變形云圖的分析可知:該挖掘裝置具有良好的力學(xué)性能,符合農(nóng)機(jī)設(shè)計要求及田間作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對S型鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)田間試驗結(jié)果進(jìn)行分析,證實各項指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn),作業(yè)性能良好,完全能夠滿足收獲需求。