馬鈴薯收獲機分離裝置仿真分析及優化設計

鄧自清

(駐馬店技師學院 機械工程系,河南 駐馬店 463000)

0 引言

馬鈴薯是我國第四大糧食作物,種植面積位于世界之首[1]。近年來,隨著我國農業產業結構調整和特色產業發展要求,馬鈴薯全程機械化技術廣泛應用[2]。馬鈴薯收獲機械作為馬鈴薯生產的核心設備,在馬鈴薯產業中發揮著重要作用[3]。篩式分離機構,作為小型馬鈴薯收獲機的主要篩分部件,承擔著篩分土壤、物料輸送等功能,分離效果直接影響收獲作業的質量。而現有的馬鈴薯收獲機械在收獲作業時普遍存在薯土分離不干凈、傷薯率高、破皮率高等問題[4-5]。

本文針對馬鈴薯收獲機在工作過程中存在分離效果不佳及生產效率較低的問題,采用虛擬樣機對馬鈴薯收獲機分離裝置進行優化設計,對提高馬鈴薯收獲機工作效率和馬鈴薯增產增收具有重大意義。

1 分離裝置結構及工作原理

1.1 分離裝置結構

分離裝置位于馬鈴薯收獲機尾部,主要有由篩架、前吊掛桿、后吊掛桿、篩角調節板和篩面組成,如圖1所示。

1.前吊掛桿;2篩角調節板;3.后吊掛桿4.篩架;5.篩面圖1 分離裝置結構圖

1.2 工作原理

馬鈴薯收獲機分離裝置的動力由收獲機牽引裝置傳遞到分離裝置,經分離裝置前后掛桿傳遞到篩面,分離裝置在動力作用下做水平方向的前后擺動運動,從而實現薯土分離,薯塊在重力作用下,最終散落在地面上。

在分離裝置中,分離篩主要有兩種形式:一種是擺動篩,結構簡單,工作過程穩定,運送物料的同時還具有清理功能;另一種是振動篩,振幅小、頻率高,工作過程中薯塊損傷較大,與擺動篩相比優勢并不明顯。

擺動篩有兩種結構:一種是單篩式,篩面只有一個,被稱為單篩式擺動篩;另一種是雙擺動篩式,由兩層篩面組成。在實際生產中單擺式應用較多,因此,本文主要以單篩式擺動篩的工作機理為研究對象,對其進行優化設計及仿真分析。

2 分離裝置動力學仿真分析

2.1 動力學模型建立

根據分離裝置的工作過程,在ADAMS中創建動力學模型(圖2),分離篩及驅動機構簡圖如圖3所示。

圖2 分離篩動力學模型

1.曲柄;2.連桿;3.掛桿;4.篩架;5.篩面圖3 分離篩及驅動機構簡圖

如圖3所示,動力由曲柄OE傳遞到連桿BE,然后通過連桿機構驅動分離篩的前后擺動,連桿BE、掛桿AB和篩面在曲柄動力的作用下共同運動,擺動過程中,物料與土壤分離,物料被輸送到分離篩的后面。

曲柄長度為35 mm,連桿的長度為1 000 mm,因兩者相差較大,近似認為振動方向與連桿重合。建立坐標系,其中振動方向為x軸方向,α是篩面傾角,振動方向角ε是由振動方向和水平面所形成的夾角。

篩面上任意一點的位移可近似為

x=Rcoswt

(1)

速度方程為

v=Rsinwt

(2)

加速度方程為

a=Rw2coswt

(3)

式中R—曲軸半徑,m;

w—曲柄角速度,rad/s;

t—曲軸轉動時間,s。

2.2 動力學分析

擺動篩分離物料時,擺動篩上會發生各種形式的相互碰撞和馬鈴薯的滾動。這些碰撞和滾動都是隨機的,不能用確定的函數具體表述這些運動形式,在做理論分析時就會產生一定的困難。因此,本次不考慮隨機因素的影響。假設在不把馬鈴薯自身彈性、殘余根系、莖稈、葉以及空氣的運動阻力作為參考因素的前提下,不將其相互間的碰撞和自身翻滾作為參考因素,只將馬鈴薯單個個體作為研究對象,分析它的運動受力情況。

在分離篩上,土壤向上移動需要的條件為

(4)

在分離篩上,土壤向下移動需要的條件為

(5)

式中α—篩面傾角,(°);

g—重力加速度,m/s2;

f—滑動摩擦系數;

β—擺動篩振動方向與擺動面的夾角,(°)。

2.3 仿真分析

在擺動篩工作時,擺動篩將薯塊從土壤中進行分離,分離過程中,分離裝置可以近似的看做平面運動,平面上每一點都能做運動規律的分析。

在設計變量模塊,給動力軸施加270 r/min的轉速,在虛擬樣機中設置50 s,然后進行仿真分析。測得分離裝置質心點和前后端點的位移、速度、加速度,如圖4～9所示。

圖4 X方向位移曲線

圖5 Y方向位移曲線

圖6 X方向速度曲線

圖8 X方向加速度曲線

圖9 Y方向加速度曲線

由圖4、圖5可以得出分離裝置質心點位移變動范圍在-95.0～80.0 mm之間,它的振幅大小為175.0 mm。

由圖6、圖7可以得出分離裝置質心點速度在-45.0～45.0 mm/s范圍波動,振幅大小為90.0 mm。

LD50為產生臨界肌電信號時的米庫氯銨輸注劑量，lgC為對數濃度，r為有效數和無效數總和，p為有效率，d為相鄰兩個對數劑量之差，本試驗d=0.055。

由圖8、圖9可以得出分離裝置質心點加速度的波動范圍在-35.0～22.0 mm/s2之間,振幅大小為57.0 mm。

由圖4～9可以看出,加速度突變最劇烈,對篩分效果影響也最大。由公式3可知,加速度的大小與曲軸半徑和曲柄角速度有關,而曲柄角速度又與偏心輪轉速有關,因此,偏心輪的轉速和半徑是影響加速度的關鍵參數。

3 分離裝置優化設計

3.1 設計變量

由上述分析可知，加速度的波動變化對分離裝置的分離效果影響最大，而影響篩面加速度的因素，取決于偏心輪轉速和偏心輪半徑。因此，將偏心輪轉速n和偏心輪半徑r作為優化設計變量。即

X=[X1,X2]T=[n,r]T

(6)

式中X—目標向量;

x1、x2—向量的兩個分量;

T—矩陣轉置。

3.2 目標函數

擺動分離篩承擔著運送物料和分離薯土雜質的作用,在保證傷薯率處于合適的范圍內,薯塊不跳離篩面的情況下,薯塊后移要大于前移。生產率與推進速度有關,當平均推進速度增快時,相對滑動較短,相對摩擦減少,傷薯率下降。物料在篩面運動時,假設其沒有跳動,僅滑動(相對于篩面),平均移動速度為[6]

(7)

式中vp—薯塊在篩面上的平均移動速度,m/s;

xr后—薯塊后移距離,m;

xr前—薯塊前移距離,m;

因此目標函數可設為

(8)

3.3 約束條件

在分離裝置上,對馬鈴薯的運動狀況進行分析,物料相對于篩面向后滑動的約束條件為

(9)

式中g—重力加速度,m/s2;

F—薯塊相對于篩面的摩擦力,N;

K后—物料相對于篩面向后滑動的約束條件;其余參數見圖3和公式(3)。

物料相對于篩面向前滑動的約束條件為

(10)

物料不跳離篩面的約束條件為

(11)

3.4 優化結果

利用ADAMS中的優化選項,以設計變量偏心輪轉速n、偏心輪半徑r為優化對象,建立篩面速度的目標函數,分離裝置在給定的約束條件下進行相關優化設計,其優化結果如表1所示。

表1 參數優化結果

由表1可知,優化后薯塊的平均移動速度從0.27 m/s提高到0.40 m/s,此時分離裝置不僅可以高效的分離土壤,薯土分離效率也得到顯著提高,可大大提高收獲效率,降低傷薯率。

4 結論

利用ADAMS仿真軟件,對分離裝置運動進行理論和仿真分析,并對篩面速度進行優化設計,得出結論如下:

1)利用ADAMS虛擬樣機技術,建立馬鈴薯收獲機分離裝置的動力學分析模型,添加適當約束,進行仿真分析,通過篩面質心點三個運動參數的曲線,得到了影響篩分最大的因素是加速度。

2)以偏心輪轉速和偏心輪半徑為變量,加速度為優化目標,對分離裝置進行優化設計。優化后得到偏心輪轉速n=275 r/min 和偏心輪半徑r=0.028 m時,分離效果最佳,提高生產率的同時,降低了傷薯率。