仿生扇貝花生挖掘鏟的設計與試驗

夏 超,尚書旗,王東偉,劉玉高,何曉寧,趙 壯,郭 鵬,左百強

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

花生收獲機械作業過程包括挖掘、去土、晾曬、撿拾、摘果和清選多個階段[1]。目前,花生收獲方式主要分為兩段式收獲和聯合收獲兩種方式,且挖掘階段是收獲機械動力輸出的重要組成部分。花生挖掘鏟作為重要的農機觸土部件,其減阻耐磨性能對工作質量、功率消耗有影響,針對如何通過幾何結構優化提高農機觸土部件的減阻耐磨性能,國內外學者做了大量研究。

在提高減阻性能方面,仿生結構優化成為一種廣泛應用且可行的重要方法。鼴鼠、蜣螂和螻蛄等作為常見的土壤挖掘動物,具有非常優秀的土壤挖掘能力。針對螻蛄挖掘足的仿生研究,國內學者李曉鵬等設計出一種用于馬鈴薯收獲的仿生挖掘鏟鏟片,通過EDEM仿真分析,較普通挖掘鏟所受阻力平均降阻近35%[2]。李長銘通過獲取螻蛄第一足的圖像信息,建立仿生螻蛄花生挖掘鏟數學模型,研制出一種螻蛄仿生挖掘鏟,較普通挖掘鏟降阻率最高達到10%,土壤碎土性較普通挖掘鏟提高了2.86%[3]。楊玉婉通過對鼴鼠多趾組合結構和趾尖輪廓曲線進行研究,設計出一種仿生旋耕刀,與傳統的旋耕刀相比,不僅前進速度從1km/h提升到5km/h,且整機的平均功耗降低了近17%[4]。張金波等利用指數函數擬合家鼠爪趾輪廓線方程設計的深松鏟,阻力降幅最高達近60%[5]。俞杰運用逆向工程獲得家兔爪趾數學模型,制備的仿生旋耕刀不僅降阻率達到18%,受到的扭矩也大幅減小,延長了旋耕刀的仿生設計[6]。仿生學被國內學者大量應用到農機觸土部件結構優化中,為改進農機觸土部件的結構提供了一種新的思路。

扇貝作為一種常見的海鮮產品,種類繁多。青島地區常見海灣扇貝生活在水流較急、鹽度較高、透明度較大、水深10～30m的巖礁底或有貝殼砂礫的硬質海底。扇貝不僅在運動中經常受到磨粒磨損,也會受到泥沙的沖蝕作用,而扇貝殼為扇貝的生存起著至關重要的作用。花生收獲機械在工作過程中,挖掘鏟受到的磨損主要為磨粒磨損,與扇貝殼受到的磨損類型一致。為此,獲取扇貝殼表面信息,建立數學模型,制備出一種花生仿生挖掘鏟。

1 扇貝殼輪廓信息的獲取

1.1 扇貝殼輪廓曲線及特征方程擬合

將采購的海灣扇貝,選取出外輪廓曲面均勻的扇貝,去除表面附著物及貝柱殘留物,用酒精進行清理,最后用蒸餾水沖洗,放于通風處自然晾干;晾干后,扇貝殼表面噴涂顯影劑,通過3D掃描儀對扇貝殼進行整體掃描;因扇貝殼尺寸較小,不需粘貼標記點,將噴涂有顯影劑的扇貝殼放置于掃描儀器下方進行圖像掃描,結果如圖1所示。

圖1 扇貝殼掃描圖Fig.1 Scallop shell scan

將獲取的3D掃描模型圖片導入到SolidWorks中,選取合適角度,截取扇貝殼的三視圖,新建零件模型;選擇基準面編輯草圖,進入草圖繪制界面,通過工具欄中的草圖工具選項將三視圖導入到SoildWorks中。在標題欄中選取軟件中自帶的Atuotrace插件,調整圖片位置,借助輔助線使其與坐標軸重合;選中要處理的圖片,調整圖像的透明度、圖像對比度、顏色公差及識別公差選項,生成清晰完整的扇貝殼輪廓線,如圖2所示。

在MatLab軟件中提供了多種擬合模型,如二次擬合方程,n階多項式擬合方程及線性擬合方程等。根據擬合曲線的性狀(見圖3),選擇n階多項式進行曲線方程的擬合,模擬評估精度的指標R2可以用擬合曲線方程的相關系數來表示,值越大,表示擬合曲線方程精度越高。由表1可看出:擬合曲線方程的精度隨階次的增加而遞增,三階和四階多項式的精度要高于二次多項式。因此,在精度相同的情況下,優先考慮階次較低的方程,方便后續仿生設計。

(a) 主視圖輪廓曲線

(b) 俯視圖輪廓曲線

(c) 左視圖輪廓曲線圖2 扇貝殼輪廓曲線Fig.2 Contour curve of scallop shell

(a) 主視圖輪廓擬合曲線

(b) 俯視圖輪廓擬合曲線

(c) 左視圖輪廓擬合曲線圖3 扇貝輪廓擬合曲線Fig.3 Contour fitting curve of scallop shell

表1 輪廓曲線方程相關系數R2Table 1 Correlation coefficient of contour curve equation R2

最終選取主視圖擬合方程為二次多項式,即

y=-0.004x2+0.0635x+1.089

(1)

俯視圖擬合方程為三階多項式,即

y=1.51e-04x3-0.005x2-0.665x+28.218

(2)

左視圖擬合方程為三階多項式,即

y=-3.004e-05x3+9.22e-04x2+0.418x+3.949

(3)

1.2 仿生扇貝挖掘鏟三維建模

依據式(1)～式(3),在SolidWorks軟件中選擇樣條曲線→方程式驅動的曲線,將獲得的三視圖擬合方程導入,調整合適比例。由于挖掘鏟的鏟刃部分為主要磨損區域,將鏟刃部分進行仿生設計,建立仿生挖掘鏟模型如圖4所示。

圖4 仿生扇貝挖掘鏟Fig.4 Bionic scallop shovel

2 仿生挖掘鏟離散元仿真

2.1 顆粒模型

在實際生產中,土壤環境復雜多變,建立完整的土壤環境十分困難,為了計算方便,在EDEM中建立簡化的土壤顆粒模型,將土壤顆粒半徑設為5mm的球形單顆粒,尺寸設定為長2800mm×寬800mm×高350mm,土壤顆粒模型數量為450 000個,挖掘深度為120mm。

2.2 仿真參數設置

土壤接觸模型選擇Hertz-Mindlin with Bonding模型,可以通過結合力將相鄰兩個土壤顆粒粘結在一起,結合力可以承受切向和法向位移[7]。在實際田間作業過程中,土壤與土壤之間存在粘附力,挖掘鏟表面與土壤存在受力關系,該模型可以模擬土壤顆粒之間的粘結作用和土壤顆粒破碎的現象。同時,根據表2、表3設定顆粒模型及其他相關參數。

表2 離散元模型基本參數Table 2 Basic parameters of the discrete element model

表3 接觸模型屬性參數Table 3 Contact model property parameters

2.3 仿真試驗過程

仿真試驗采用對照試驗法,對比仿生挖掘鏟與普通挖掘鏟在0.4、0.6、0.8m/s 3種不同速度下挖掘狀態,土壤顆粒下落時間為1s,下落速度為2m/s, 所有顆粒生成采用動態(dynamic)的生成方式,使得土壤顆粒完全下落完成之后,挖掘鏟開始運動;兩種挖掘鏟開始運動的時間為1.5s,運動到5s時過程結束。兩種挖掘鏟的運動過程如圖5所示。

(a) 仿生挖掘鏟運動過程

(b)普通挖掘鏟運動過程圖5 挖掘鏟運動過程Fig.5 Shovel exercising procession

3 仿真試驗結果分析

土壤對觸土部件的摩擦體現在其工作的阻力上,在農機的工作過程中, 因摩擦產生的阻力占耕作總阻力的20%～30%[8]。而挖掘鏟在工作過程中,常見的失效方式土壤與挖掘鏟面發生的磨粒磨損。磨粒磨損時,作用在硬質點上的力分為垂直分力和水平分力,前者使硬質點壓入材料表面,后者使硬質點與表面之間產生相對位移[9]。對比分析兩種挖掘鏟在相同速度下受力變化,如圖6所示。

在相同速度下,仿生扇貝挖掘鏟的水平阻力要小于普通挖掘鏟的阻力。兩種挖掘鏟在1.5s開始運動并接觸土壤,進行仿真挖掘運動,并隨運動時長所受的挖掘阻力逐漸增大,在3s以后挖掘鏟的阻力變化逐漸趨于平穩。為研究在不同速度下,挖掘鏟受力數值,取3～5s時間段內,挖掘鏟所受挖掘阻力數值,取平均值,查看相同速度下,依據降阻率式(4),計算出仿生扇貝挖掘鏟的減阻率,即

(4)

(a) 0.4m/s速度下受力挖掘鏟受力狀態

(b) 0.6m/s速度下受力挖掘鏟受力狀態

(c) 0.8m/s速度下受力挖掘鏟受力狀態圖6 挖掘鏟受力狀態Fig.6 Shovel force state

兩種挖掘鏟在不同速度下阻力數值及減阻率如表4～表6所示。

表4 0.4m/s速度下阻力數值及減阻率Table 4 Drag value and drag reduction rate of 0.4m/s velocity

續表4

表5 0.6m/s速度下阻力數值及減阻率Table 5 Drag value and drag reduction rate of 0.6m/s velocity

表6 0.8m/s速度下阻力數值及減阻率Table 6 Drag value and drag reduction rate of 0.8m/s velocity

續表6

由表4～表6中挖掘鏟阻力數值變化可以看出:挖掘阻力隨速度的增加而增大;兩種挖掘鏟在相同運動狀態下,在0.4、0.6、0.8m/s 3種運動速度下,仿生扇貝挖掘鏟較普通挖掘鏟的減阻率分別為6.71%、5.43%和7.23%;在3種不同速度下,運動速度0.8m/s時,減阻率最為明顯。對比分析兩種挖掘鏟在0.8m/s時土壤顆粒運動狀態,截取土壤顆粒隨時間變化的圖片,如圖7、圖8所示。

圖7 普通挖掘鏟土壤顆粒運動狀態Fig.7 Normal shovel state of soil particle movement

圖8 仿生挖掘鏟土壤顆粒運動狀態Fig.8 Bionic shovel state of soil particle movement

通過對比相同時間下,兩種挖掘鏟在接觸土壤顆粒模型時土壤顆粒的變化,普通挖掘鏟的土壤顆粒運動速度略高于仿生挖掘鏟土壤顆粒速度,而土壤顆粒運動越快,對挖掘鏟造成的阻力越大,挖掘鏟磨損越嚴重。相較于普通挖掘鏟,仿生挖掘土壤顆粒的運動整體比較均勻,而普通挖掘鏟兩側的土壤運動顆粒較中間部位運動,速度變化較為明顯,普通挖掘鏟的挖掘過程中,土壤顆粒痕跡運動比較雜亂,而仿生挖掘鏟的挖掘痕跡中土壤顆粒運動軌跡均勻,挖掘鏟所受的阻力變化相對較小。綜合以上因素可知:仿生挖掘鏟在工作過程中,土壤顆粒速度變化較小,軌跡較為均勻,所受的挖掘阻力要小于普通挖掘鏟,耐磨性能更優異。

4 結論

1)通過對扇貝殼整體進行輪廓曲線擬合,建立數學模型,研制出一種新的花生仿生挖掘鏟。

2)基于EDEM進行仿真試驗,對比仿生花生挖掘鏟和普通挖掘在工作過程中的受力及土壤顆粒運動變化,仿生挖掘鏟在降阻性能上可以提高5%～7%。

3)對挖掘鏟的鏟刃部分仿生位置進行仿真分析,沒有對整體進行仿真研究,旨在為以后花生挖掘鏟的優化設計提供一種新的思路和方法。