馬鈴薯撿拾機結構設計與仿真分析

姜彥武，衛乃碩，郭俊先，韓長杰，馬俊貴

（1.830052 新疆維吾爾族自治區 烏魯木齊市 新疆農業大學 機電工程學院；2.830052 新疆維吾爾族自治區 烏魯木齊市 新疆智能農業裝備重點實驗室；3.712100 陜西省 楊凌市 西北農林科技大學 機械與電子工程學院；4.830054 新疆維吾爾族自治區 烏魯木齊市 農業農村機械化發展中心）

0 引言

馬鈴薯既是糧食又是蔬菜還是水果，是世界上許多國家重要的食品品種之一，被列入7 種主要糧食作物，地位略低于水稻、玉米和小麥。2022年中國馬鈴薯播種面積為4 558.1 khm2，產量達1 851.6 萬t，較2021 年增加20.7 萬t，同比增長1.12%。隨著經濟的發展，中國馬鈴薯的需求量也在持續增長，2022 年中國馬鈴薯需求量達到1 806.42 萬t，較2021 年增加14.5 萬t，同比增長0.8%。隨著生產生活的需要，中國馬鈴薯的需求量仍將保持增長，為我國的經濟、社會發展發揮重要推動作用[1-2]。

機械化收獲是馬鈴薯生產規模化、集約化水平進一步提升的重要環節之一，我國絕大部分產區馬鈴薯收獲以分段式收獲為主，屬于半機械化狀態，即先采用打秧機滅秧，再采用分段收獲機（挖掘機）完成薯塊的挖掘、分離、集條鋪放作業，最后人工撿拾裝袋[3]。馬鈴薯挖掘后的人工撿拾，勞動強度大、效率低、成本高，制約著我國馬鈴薯的規模化生產，研究馬鈴薯撿拾機械及提高作業質量，對于減輕農民勞動強度、增加收入具有重要意義[4-5]。本文基于柔性撿拾鏟、升運鏈式薯塊清選輸送裝置、輸送帶式集薯箱等，設計了馬鈴薯撿拾分選機，對其關鍵作業部件進行計算分析，通過有限元分析驗證了零件選材和結構設計的合理性，為我國馬鈴薯收獲機械的研究提供一定的參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 結構組成

馬鈴薯撿拾機主要由撿拾裝置、撥料裝置、升運輸送裝置、帶式輸送分選裝置、收集裝置、行走裝置、機架等部件組成，實現挖掘后地表薯塊的撿拾、清選輸送、大小分選以及集裝的功能，其三維結構設計圖如圖1 所示。

圖1 馬鈴薯撿拾機三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model of potato picker

1.2 工作原理

作業時，馬鈴薯撿拾機通過與拖拉機懸掛連接獲得動力，在撿拾裝置和撥料裝置的共同作用下，將挖掘機挖掘出來并條鋪于地表的表層薯、土鏟入輸送裝置，一起送入分離裝置。此過程中，撥料裝置上的柔性輥刷轉動，防止薯、土的擁堵；被送入的薯塊經分離輸送裝置后，在抖動、疏松的作用下，混入薯塊的一定量的土壤、莖桿和雜草從輸送帶間隙落到地面；清選后的薯塊被送入帶式輸送裝置，在輸送帶上方等間距地分布了3 個柔性擋板，起到分選薯塊大小的作用，以斜角導向的柔性擋板連接于輸送帶，上下間距依次為大、中、小，完成薯塊分級，分級后的薯塊進入收集箱中進行轉運。

1.3 技術參數

設計的馬鈴薯撿拾機主要技術參數如表1所示。

表1 作業機具主要設計參數Tab.1 Main technical parameters of operation machine

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 撿拾鏟

馬鈴薯撿拾部件是撿拾機的關鍵組成部分，對撿拾效果起著決定性作用。該裝置設計要求：對薯塊損傷小、薯塊撿拾率高、作業不擁堵。本設計采用主動撿拾方式，并使用流線型弧形撿拾鏟，其入土傾角可以按實際撿拾深度調整，在其上方設計一個柔性板撥薯輥，如圖2 所示，有效解決薯塊堆積問題，實現薯塊順利撿拾。為保證撿拾效果，設計撿拾深度以大于挖掘后馬鈴薯的深度為宜，撿拾深度設計為30～100 mm，深度可調節[6-7]。

確定撿拾鏟入土角是撿拾機構設計的關鍵步驟，既保證薯塊不回翻下落，又使盡量少的土壤進入后方分離輸送機構。對撿拾混合物進行受力分析，如圖3 所示，有關系式

圖3 撿拾鏟鏟面受力分析圖Fig.3 Pick-up shovel surface stress analysis diagram

式中：F——沿撿拾鏟移動的薯土復合體所需要的力，N；m——鏟面上土壤的質量，kg；Fn——鏟面對土壤的反作用力，N；f——撿拾鏟對土壤的摩擦力，N；α——撿拾鏟作業段傾角，°；μ——摩擦系數。

根據式（1）—式（3）可以求出

將相關參數代入式（4），并結合凡小鈺[6]的研究，計算得出撿拾鏟鏟面傾角α，取20°～30°。該范圍能保證在馬鈴薯低損傷率前提下的順利撿拾，同時避免角度過大導致阻力大，減少功耗。

2.2 升運輸送裝置

薯塊量多易滾動，因此在鏈桿組合的基礎上，在桿條上加裝刮板，在保證提升角度的同時也輸送了薯塊。每隔5 個鏈桿安裝1 個刮板，如圖4 所示，這是根據薯塊的平均大小及輸送速度確定的。升運輸送線速度與機器前進速度的比值一般取為λ=0.8～2.5。本機組速度為1.2 m/s，取λ=1.4，可得升運輸送裝置的線速度為1.16～1.55 m/s，取線速度為1.4 m/s。由于分離輸送器的最佳線速度為1.4～ 1.6 m/s，所以該參數的確定符合要求。可得主動輪轉速n=v/2πr=150 r/min。

圖4 升運輸送裝置結構圖Fig.4 Structure drawing of lift conveyor

保證輸送效果的同時又要實現良好的分離和輸送效果，保證薯塊的表皮質量，升運傾角的設計非常關鍵。傾角過大，薯塊易翻滾下來影響輸送；傾角過小，則分離效果不佳。查閱資料得升運傾角在30°～45°為最佳，本設計選用37°。

2.3 薯塊帶式輸送分選及收集裝置

設計目標是將傾斜輸送裝置輸送過來的馬鈴薯落在橫向帶式輸送裝置上進行運送，不同大小的馬鈴薯隨皮帶橫向運轉時，輸送帶上方等間距分布的3 個柔性擋板起薯塊的大小分選作用，斜角導向的柔性擋板連接于輸送帶，上下間距的大小依次為大、中、小，進行薯塊的運轉分級。以薯塊高度h為界值，大薯h≥ 70 mm，中薯45 mm ≤h＜70mm，小薯h＜ 45 mm。分級后的薯塊分別進入收集箱中，在轉運出料口落入3 個不同的收集箱。出料口的設計降低了馬鈴薯落入收集箱的高度，避免薯塊碰撞引起的損傷。裝滿的收集箱在站臺上由人工輔助換箱，之后在地頭統一卸載，其結構示意圖如圖5 所示。

圖5 薯塊帶式輸送分選及收集裝置Fig.5 Potato block belt conveyor sorting and collection device

3 機架及其有限元分析

3.1 機架靜力學分析

機架是整機的主要承載結構，對撿拾裝置和薯塊升運裝置而言，機架都起著支撐和連接的關鍵作用，其結構強度及可靠性對整機性能有較大的影響。建立機架有限元模型，基于ANSYS Workbench 2021R1 軟件對其進行靜力學分析[6-9]。對模型進行合理簡化以兼顧分析結果的正確性和計算效率，簡化后的機架模型如圖6 所示。

圖6 機架結構模型Fig.6 Frame structure model

撿拾鏟的撿拾深度設計為50～100 mm，撿拾裝置承受較大作用力，機架載荷較大，因此機架材料選用Q235 鋼，并焊接為一個整體，其材料物理屬性如表2 所示。經過SolidWorks 軟件材料定義，得到機架的原始質量為55.295 kg。

表2 Q235 鋼的材料特性參數Tab.2 Material characteristic parameters of Q235 steel

將簡化后的機架模型保存為.STEP 格式文件，導入ANSYS Workbench 中，選用Automatic 的方法對機架進行網格劃分，如圖7（a）所示。網格單元尺寸設置為4 mm，生成1 407 853 個網格節點，623 450 個網格，網格平均單元質量0.71，平均偏度0.39，可認為其滿足網格劃分要求。因機具撿拾作業阻力大，作業速度較低，機架只考慮拖拉機的牽引力和土壤阻力。經過ANSYS Workbench 求解計算得到機架的總位移云圖如圖7（b）、7（c）所示，最大位移量為6.12 mm，機架在加載后受到的最大應力為61.8 MPa，小于機架材料的屈服強度極限220 MPa，因此機架結構的強度和剛度滿足設計要求。

圖7 機架的靜力學分析Fig.7 Static analysis of the frame

3.2 機架模態分析

為避免拖拉機牽引馬鈴薯撿拾機田間作業時機架固有頻率與拖拉機激勵頻率重合引發共振[10]，設計機架時需確定其固有頻率和振型。模態分析是通常用于確定結構或機器部件的振動特性，即結構的固有頻率和振型，基于ANSYS 的模態分析數學模型如式（3）所示。

式中：［M］——質量矩陣；［C］——阻尼矩陣；［K］——剛度矩陣；［F(t)］——力矩陣；｛x｝——位移矩陣。

馬鈴薯撿拾機在田間作業時所受邊界條件過于復雜，本文只對機架模型進行自由模態分析[11-13]，得到其固有頻率和振型，分析結果只與其材料本身特性有關，與所受外力無關，結果更具普遍性，可為機架設計提供依據。機架自由模態分析直接使用上述簡化機架模型進行求解，不需施加任何載荷和約束，因為機架結構容易受到低階振動的影響，所以基于ANSYS Workbench 軟件對機架前20 階固有頻率進行求解，如表3 所示。

表3 機架前20 階固有頻率Tab.3 The first 20 natural frequencies of the frame

分析表3 可以得出，機架固有頻率范圍主要為4.8～160.0 Hz，其固有頻率隨著模態階數的增加而遞增，符合剛體結構自由模態分析特征。前3 階模態固有頻率幾乎為0，表現為剛體模態，從第4階開始表現為彈性模態，從第4 階開始的6 階（第4 階—第9 階）模態振型云圖如圖8 所示。機架4階和5 階模態振型主要為沿Z軸的彎曲擺動，其最大位移分別為7.49 mm 和7.34 mm，振動相對不明顯；6 階模態振型主要為機架兩側繞X軸方向的扭轉擺動，最大位移為5.7 mm；7 階模態振型主要為沿Y軸的彎曲擺動和沿X軸的扭轉擺動，其最大位移為5.5 mm；8 階模態振型主要為機架兩側沿X軸的扭轉擺動,最大位移為8.09 mm；9 階模態振型主要為兩側機架中部位置沿Y軸的彎曲擺動，最大位移為8.17 mm。其中，9 階模態振型變形量最大，其頻率為40.811 Hz。國內學者對國產拖拉機振動系統的固有頻率進行了研究[14-16]，得到國產拖拉機振動系統的垂向、俯仰和側傾振動固有頻率分別集中在3～4、2.8～3.8、2.9～3.9 Hz。

圖8 機架模態振型云圖Fig.8 Cloud image of frame vibration modes

由ANSYS Workbench 有限元模態分析得到機架前20 階固有頻率主要為4.8～160.0 Hz，與拖拉機激勵頻率并不在同一區間，因此機架在作業期間不會產生共振，這為機架結構設計的合理性提供了依據。

4 結論

（1）設計了一種馬鈴薯撿拾機，通過SolidWorks軟件建立馬鈴薯撿拾機三維模型，對撿拾鏟、升運輸送裝置、帶式輸送分選及收集裝置等關鍵機構進行設計，闡述了其能實現的主要功能，并完成關鍵參數的計算確定。

（2）基于ANSYS Workbench 軟件對機架進行靜力學分析和模態分析。靜力學分析結果表明，在靜載荷下機架的最大應力為61.8 MPa，最大位移為0.612 mm，小于機架材料Q235 的屈服強度極限220 MPa。自由模態分析得到機架前20 階固有頻率范圍為4.8～160.0 Hz，與拖拉機產生的激勵頻率不在同一區間，因此作業過程中機架不會產生共振；通過分析機架的模態振型可知，機架左右兩側縱梁為其薄弱環節。仿真驗證結構設計滿足馬鈴薯撿拾作業要求。