間作豌豆收獲機(jī)脫粒裝置設(shè)計(jì)及仿真分析

陳兵兵，蘇占科，張克平，侯傳凱，孫步功，張鵬

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

豌豆是豆科一年生或兩年生攀緣草本植物。我國豌豆種植歷史悠久，種植面積排世界前3 位，是世界第二大食用豆類生產(chǎn)國家[1-2]。豌豆具有較全面而均衡的營養(yǎng)，其中干豌豆子葉含有豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等礦質(zhì)營養(yǎng)成分，豌豆籽還含有胡蘿卜素、維生素B1、B2 等營養(yǎng)物質(zhì)，這使得豌豆被廣泛加工成各種食品，如豌豆黃、豌豆糕等，其開發(fā)利用價(jià)值大，加工用途非常廣泛[3]，禾豆間作具有保護(hù)土壤、控制雜草和病害、高效增產(chǎn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，作為典型的禾豆間作模式，玉米/豌豆間作因其顯著的節(jié)水、高效和推進(jìn)農(nóng)牧結(jié)合的潛力而迅速推廣[4]。目前，歐美國家的豌豆收獲機(jī)械已相當(dāng)成熟，且已經(jīng)高度自動(dòng)化。我國豌豆機(jī)械化收獲程度低，尤其在玉米/豌豆間作模式下，豌豆的種植環(huán)境較為復(fù)雜，且由于豌豆成熟后植株相互糾纏且倒伏在地上，與其它作物農(nóng)作物生長狀態(tài)不同，因此間作模式下豌豆收獲機(jī)械專用性很強(qiáng)[5-6]。本文基于玉米/豌豆間作模式工況設(shè)計(jì)了一種豌豆收獲機(jī)械的脫粒裝置，通過SolidWorks 建立三維模型，在ANSYS Workbench 中對(duì)其進(jìn)行靜力分析與模態(tài)分析，完成其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性評(píng)估。

1 整體機(jī)構(gòu)與工作原理

1.1 整體機(jī)構(gòu)

分析大田玉米/豌豆間作模式實(shí)際工況，結(jié)合谷物聯(lián)合收獲機(jī)的通用結(jié)構(gòu)[7-9]，設(shè)計(jì)豌豆收獲機(jī)脫粒裝置，該裝置由機(jī)架、頂蓋、釘齒滾筒、滾筒軸、凹板等組成，如圖1 所示。

圖1 豌豆收獲機(jī)脫粒裝置Fig.1 Threshing device of pea harvester

1.2 工作原理

間作豌豆聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒裝置其整體工藝流程為徑向喂入，軸向排出。工作過程分4 個(gè)步驟完成：（1）喂入，豌豆植株在田間被切割后通過輸送裝置經(jīng)喂入口送入脫粒裝置；（2）脫粒，豌豆植株經(jīng)脫粒滾筒的打擊、碾壓、梳刷、揉搓等作用，豌豆籽粒脫離植株掉入柵格凹板下方，實(shí)現(xiàn)豌豆與植株分離；（3）輸送，豌豆植株被喂入葉片抓取后，在脫粒的同時(shí)通過釘齒滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)與導(dǎo)向板的作用向右側(cè)輸送，避免脫粒滾筒內(nèi)部堵塞；（4）排雜，完成脫粒的豌豆植株在導(dǎo)向板與釘齒滾筒的輸送作用下從右側(cè)排雜口排出。

2 主要工作部件設(shè)計(jì)

2.1 釘齒式軸流脫粒滾筒設(shè)計(jì)

考慮豌豆的匍匐纏結(jié)特性，設(shè)計(jì)的脫粒裝置采用釘齒式軸流脫粒滾筒，主要由滾筒軸、擊禾桿、釘齒、輻盤組成，其中脫粒滾筒長度、直徑以及釘齒數(shù)是影響脫粒效率的主要參數(shù)。

（1）釘齒數(shù)量的確定

釘齒式滾筒上的釘齒數(shù)由脫粒裝置的生產(chǎn)率確定，計(jì)算公式如式（1）所示。

式中：q——釘齒式脫粒裝置的喂入量，kg/s；β——喂入作物中豌豆所占植株的質(zhì)量比率；qd——單個(gè)釘齒的脫粒能力。

取β=0.5，q=1kg/s，qd=0.065kg/s，計(jì)算得釘齒數(shù)N≥12.8，則取釘齒數(shù)13。

（2）螺旋頭數(shù)K的確定

螺旋頭數(shù)等于每一個(gè)齒跡上通過的釘齒數(shù)目，K值越大，則脫粒能力越強(qiáng)，目前螺旋頭數(shù)大多為2～5 個(gè)，因此根據(jù)設(shè)計(jì)要求與實(shí)際工況取K=3。

（3）釘齒滾筒長度的確定

釘齒滾筒長度L的計(jì)算公式如式（2）所示。

式中：a——齒跡距，mm；Δ l——邊齒到齒板端的距離，mm。

取a=90 mm，Δ l=90 mm，代入式（2）得L=480 mm，考慮喂入葉片長度及加工工藝等，最終取滾筒長度L=540 mm。

（4）釘齒滾筒直徑確定

由于間作豌豆的種植幅寬要求在800 mm 以下，作業(yè)寬度在700 mm 左右，其滾筒直徑不同于標(biāo)準(zhǔn)收獲機(jī)械要求，因此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取釘齒滾筒直徑D=330 mm，取釘齒工作高度h=40 mm。

釘齒按螺旋線狀分布可以使脫粒滾筒更加容易輸送豌豆莖稈，因此釘齒式軸流脫粒滾筒如圖2所示。

圖2 釘齒式軸流脫粒滾筒Fig.2 Nail-toothed axial flow threshing drum

2.2 凹板的設(shè)計(jì)

凹板種類繁多，如柵格凹板、釘齒凹板及整體式凹板。柵格式凹板因其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、脫粒率高以及制造工藝簡單等，可以滿足脫粒滾筒沖擊強(qiáng)度及周期振動(dòng)的要求，因此本文采用橫長孔式柵格凹板。凹板包角100°～200°，分離率越高，柵格段越長，因此取包角α=160°，柵格孔長52 mm、寬7.5 mm，喂入口寬度162 mm，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 凹板三維結(jié)構(gòu)圖Fig.3 3D structure diagram of concave plate

2.3 脫粒滾筒頂蓋設(shè)計(jì)

軸流式脫粒滾筒頂蓋與凹板組合形成脫粒室。為了方便豌豆莖稈輸送排雜，在脫粒滾筒頂蓋內(nèi)部應(yīng)設(shè)計(jì)螺旋線式的導(dǎo)向板，既能起到輸送作用，又能控制豌豆莖稈排出的移動(dòng)速度。導(dǎo)向板螺旋線升角過大容易導(dǎo)致豌豆莖稈積聚、堵塞，以致豌豆莖稈破碎嚴(yán)重及對(duì)機(jī)器造成損傷，因此導(dǎo)向板螺旋線升角ψ一般為20°～50°，本文取ψ=20°。脫粒滾筒頂蓋設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 頂蓋三維結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Three-dimensional structure diagram of top cover

3 釘齒式軸流脫粒滾筒靜力學(xué)分析

釘齒式脫粒滾筒靜力學(xué)分析采用ANSYS Workbench 中static structure 模塊完成。靜力學(xué)分析一般有三大步驟：前處理、求解、后處理。前處理包括建模、材料參數(shù)定義、網(wǎng)格劃分；求解包括邊界條件設(shè)定與求解設(shè)置；后處理包括提取計(jì)算結(jié)果與結(jié)果分析。

3.1 前處理

（1）ANSYS Workbench 支持讀取的模型格式豐富，本文采用SolidWorks 建模，建模完成后保存為parasolid 格式，導(dǎo)入Workbench Designmodeler檢查模型是否出錯(cuò)。脫粒滾筒三維模型如圖5 所示。

圖5 脫粒滾筒三維模型Fig.5 Three-dimensional model of threshing drum

（2）材料參數(shù)選用脫粒滾筒常用材料Q235-A，設(shè)置材料屬性見表1。

表1 釘齒式軸流脫粒滾筒材料屬性Tab.1 Material properties of nail-toothed axial flow threshing drum

（3）網(wǎng)格劃分

有限元分析需將模型離散為網(wǎng)格模型，網(wǎng)格劃分質(zhì)量影響后續(xù)的計(jì)算時(shí)間與結(jié)果精度，本文選用四面體網(wǎng)格，為保證計(jì)算時(shí)間及結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)網(wǎng)格相關(guān)參數(shù)進(jìn)行控制[10]，得出網(wǎng)格如圖6 所示。

圖6 脫粒滾筒網(wǎng)格圖Fig.6 Grid diagram of threshing drum

網(wǎng)格控制參數(shù)：最大面網(wǎng)格8.0 mm，網(wǎng)格尺度比1.1，網(wǎng)格最小尺寸3 mm，其它參數(shù)默認(rèn)。網(wǎng)格劃分結(jié)果相關(guān)參數(shù)：網(wǎng)格最低質(zhì)量：6.184 9e-002，網(wǎng)格最高質(zhì)量1，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.767 42，標(biāo)準(zhǔn)差為0.159 77，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)158 261，網(wǎng)格單元個(gè)數(shù)93 611。

3.2 邊界條件

脫粒滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到的載荷主要包括扭矩MT、自身重量G、軸承支撐力Fn1、Fn2、軸承對(duì)滾筒軸的滾動(dòng)摩擦阻力矩MF、空氣阻力矩MK，以及在工作狀態(tài)時(shí)所受豌豆莖稈對(duì)釘齒的阻力F，忽略MF、MK[11-12]，滾筒受力如圖7 所示。

圖7 脫粒滾筒受力圖Fig.7 Threshing drum force diagram

3.2.1 計(jì)算力矩

軸流脫粒滾筒在脫粒不用農(nóng)作物對(duì)象時(shí)的速度如表2 所示[13]。

表2 釘齒滾筒式脫粒裝置的脫粒速度Tab.2 Threshing speed of rotary threshing device with nail teeth

釘齒式軸流脫粒滾筒對(duì)作物沖擊、揉搓時(shí)間長，消耗功率較大，每千克喂入量需用的平均功率為7.5～9.0 kW。

脫粒滾筒轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如式（3）所示。

式中：v——脫粒滾筒速度，m/s；r——脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速，r/min；d——滾筒的直徑，mm。

驅(qū)動(dòng)滾筒扭矩計(jì)算公式如式（4）所示。

式中：T——脫粒滾筒的轉(zhuǎn)矩，N·m；p——脫粒滾筒的功率，kW；n——脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速，r/min。

計(jì)算得T ≈123.8 N·m。

取莖稈最大彎曲力為14 N。假設(shè)每個(gè)釘齒纏繞10 株莖稈，計(jì)算得出每個(gè)釘齒上受到壓力約為1.3 MPa。

3.2.2 施加邊界條件

在Static Structural中，插入Cylindrical Support（圓柱約束）并且釋放其轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，插入Displacement約束其x、y、z平動(dòng)自由度，替代軸承約束。插入Standard Earth Gravity 給滾筒施加重力。滾筒軸左側(cè)受到動(dòng)力機(jī)傳遞的扭矩T=1.24e5 N·mm，每個(gè)釘齒所受最大壓力1.3 MPa，替代滾筒工作過程中受到莖稈纏繞的阻力，如圖8 所示。

圖8 滾筒邊界條件Fig.8 Boundary conditions of drum

3.3 求解與結(jié)果分析

3.3.1 求解

通過Static Structural/Analysis Settings 的Large Deflection（大變形）進(jìn)行求解，觀察力收斂、位移收斂情況如圖9 所示。

圖9 求解收斂狀態(tài)Fig.9 Solution convergence state

3.3.2 結(jié)果與分析

在Static Structural/solution 中，插 入total deformation、stress Equivalent（Von-Mises）、strain Equivalent（Von-Mises）、Stress Tool/Safety Factor查看計(jì)算結(jié)果，如圖10 所示。

由圖10 可以看出，在滾筒受到最大載荷情況下，滾筒最大變形發(fā)生在滾筒下部釘齒以及輻條，為1.963 8 mm。滾筒最大等效應(yīng)力與應(yīng)變發(fā)生在滾筒軸與幅盤的連接處以及滾筒下部受到載荷的釘齒和輻條，最大等效應(yīng)力為148.44 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.001 092 4 mm，最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Q235-A 普碳鋼的屈服極限應(yīng)力，滿足材料許用應(yīng)力要求。滾筒安全系數(shù)最小為1.684 2，滿足安全系數(shù)大于1 的要求。從結(jié)果來看，滾筒受到最大載荷時(shí)，脫粒滾筒結(jié)構(gòu)能夠滿足脫粒作業(yè)要求。

圖10 脫粒滾筒分析結(jié)果云圖Fig.10 Cloud map of threshing drum analysis results

4 脫粒滾筒模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法。模態(tài)是指機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，通過模態(tài)分析避免或加強(qiáng)其共振頻率，保證設(shè)計(jì)產(chǎn)品安全可靠。模態(tài)分析分為自由模態(tài)及約束模態(tài)分析，本文對(duì)脫粒滾筒工作狀態(tài)進(jìn)行約束模態(tài)分析，采用分塊蘭索斯（Block Lanczos）法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)提取[14-15]。脫粒滾筒前6 階模態(tài)如表3 所示，模態(tài)振型如圖11 所示。

圖11 脫粒滾筒前6 階約束模態(tài)振型Fig.11 The first six-order constrained mode shapes of threshing drum

表3 脫粒滾筒前6 階固有頻率及位移Tab.3 The first six natural frequencies and displacements of threshing drum

脫粒滾筒振動(dòng)的固有頻率計(jì)算公式為：

式中：ncr——滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；f——滾筒振動(dòng)固有頻率，Hz。

計(jì)算得到ncr=5 221.26 r/min，生產(chǎn)中旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速安全條件一般取1.4ncri＜n＜0.7ncr（i+1），計(jì)算得0.7ncr=3 654.882 r/min。通過計(jì)算得出滾筒轉(zhuǎn)速為694～868 r/min，遠(yuǎn)小于3 654.882 r/min，脫粒滾筒作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

由圖11 可知，1 階、2 階、3 階模態(tài)沿X方向振動(dòng)，最大變形部位發(fā)生在輻條和幅盤連接處；4 階模態(tài)沿X軸徑向向內(nèi)振動(dòng)，最大變形發(fā)生在滾筒輻條處；5 階模態(tài)沿X軸振動(dòng)，最大變形發(fā)生在輻條與幅盤連接處；6 階模態(tài)沿X軸徑向向外振動(dòng)，最大變形發(fā)生在滾筒輻條上。

5 結(jié)論

針對(duì)玉米/豌豆間作種植模式，設(shè)計(jì)了一種豌豆收獲機(jī)械的釘齒式軸流脫粒裝置，豌豆莖稈在喂入葉片、頂蓋以及釘齒作用下強(qiáng)制輸送，有效減少豌豆莖稈輸送過程中纏繞堵塞現(xiàn)象。

對(duì)脫粒滾筒進(jìn)行靜力學(xué)分析，得出脫粒滾筒最大等效應(yīng)力148.44 MPa，最大應(yīng)變0.001 092 4 mm，最大變形1.963 8 mm，安全系數(shù)最小為1.684 2，滿足脫粒裝置作業(yè)要求。

對(duì)脫粒滾筒進(jìn)行了模態(tài)分析，得出脫粒滾筒前6 階固有頻率范圍為87.021～177.08 Hz，產(chǎn)生共振的最低轉(zhuǎn)速為5 221.26 r/min，不會(huì)產(chǎn)生共振。