太子參聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

婁帥帥,曹成茂,李贊松,葉大明,臧　捷

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥　230036；2.安徽省寧國(guó)市地金林木種植有限公司,安徽 寧國(guó) 　242300)

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太子參聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

婁帥帥,曹成茂,李贊松,葉大明,臧捷

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥230036；2.安徽省寧國(guó)市地金林木種植有限公司,安徽 寧國(guó) 242300)

摘要：針對(duì)目前已有的牽引式太子參收獲機(jī)無(wú)法較好地滿足南方小田塊地下根莖類作物的收獲要求，設(shè)計(jì)了一款可以一次性實(shí)現(xiàn)挖掘、輸送、分離、篩選及裝箱為一體的太子參聯(lián)合收獲機(jī)。闡述了太子參聯(lián)合收獲機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，給出了松土鏟、升運(yùn)器、分離滾筒及輸送鏈耙等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)過(guò)程,并利用ANSYS軟件對(duì)松土鏟進(jìn)行了有限元分析。

關(guān)鍵詞：太子參；聯(lián)合收獲機(jī)；設(shè)計(jì)；有限元

0引言

我國(guó)是一個(gè)太子參種植和消費(fèi)的大國(guó)，但國(guó)內(nèi)對(duì)太子參收獲機(jī)械的研究還很少，技術(shù)還不完善[1-2]。歐美地區(qū)多采用大型側(cè)牽引式聯(lián)合收獲機(jī)[3]，美國(guó)、德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)40年代開(kāi)始研制出多種根莖類作物收獲機(jī)械，已實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)根莖植物(蘿卜、甜菜等)和短根莖作物(馬鈴薯、花生、大蒜等)的機(jī)械化收獲。由于太子參種植地域的特殊性及太子參體型較小、分離比較困難，國(guó)外尚無(wú)類似機(jī)械可供借鑒。國(guó)內(nèi)針對(duì)北方根莖類作物收獲的牽引式機(jī)械[4-8]，不能滿足丘陵山區(qū)小田塊太子參生產(chǎn)收獲的要求。為了滿足南方小田塊地下根莖類作物的收獲要求，設(shè)計(jì)了一款可以一次性實(shí)現(xiàn)挖掘、輸送、分離、篩選及裝箱的太子參聯(lián)合收獲機(jī)。

1收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太子參聯(lián)合收獲機(jī)采用自走式，行走系統(tǒng)采用橡膠履帶式底盤(pán)，動(dòng)力為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，工作部件置于右側(cè)，整機(jī)成右側(cè)配置。整機(jī)主要由駕駛臺(tái)、行走履帶、松土鏟、升運(yùn)器、液壓裝置、分離滾筒及輸送裝置等構(gòu)成，如圖1所示。收獲作業(yè)時(shí)，首先由松土鏟對(duì)藥地進(jìn)行松土；經(jīng)松土后的藥土混合物被后續(xù)藥土混合物沿松土鏟斜面推到升運(yùn)器耙齒下部，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的升運(yùn)器耙齒將藥土混合物貼著升運(yùn)器底板刮著向上運(yùn)輸，直至耙齒將藥土混合物撥入分離滾筒；藥土混合物被分離滾筒中的螺旋結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)向后輸送，在旋轉(zhuǎn)輸送的過(guò)程中，碎土沿著螺旋軌道滾動(dòng)，碎土從分離滾筒圓周的網(wǎng)孔中不斷落下，經(jīng)分離滾筒分離后的較為干凈的藥材落到輸送鏈耙上，由輸送鏈耙再次分離，最終送入藥箱完成收獲。

該機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：采用履帶式的行走系統(tǒng)，操縱簡(jiǎn)單、靈活、平穩(wěn)、轉(zhuǎn)彎半徑小，適合南方山區(qū)丘陵小田塊的收獲作業(yè)；采用右側(cè)前置式進(jìn)行收獲作業(yè)，視野開(kāi)闊，作業(yè)過(guò)程只需1人駕駛操縱，大大節(jié)省了勞動(dòng)力。

1.松土鏟　2.側(cè)刃板　3.輸送鏈耙　4.發(fā)動(dòng)機(jī)

2關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1　松土鏟

機(jī)具工作過(guò)程中，影響松土鏟工作性能的土壤物理機(jī)械性質(zhì)主要有土壤含水率、土壤附著力、土壤外摩擦因數(shù)、土壤內(nèi)摩擦因數(shù)、土壤內(nèi)聚力、土壤強(qiáng)度及土壤密度等。松土鏟的松土功能主要是靠其工作時(shí)的剪切作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。剪切功能是指松土鏟工作時(shí)在鏟刃的切割作用下把土壤切割分開(kāi)，需要破壞土塊的整體結(jié)構(gòu)，還要破壞土塊的強(qiáng)度，而在行進(jìn)的過(guò)程中土壤會(huì)對(duì)鏟刃產(chǎn)生反作用力來(lái)阻礙剪切過(guò)程的進(jìn)行。針對(duì)太子參的生長(zhǎng)特點(diǎn)，其根部生長(zhǎng)深入土下150mm左右，根系較發(fā)達(dá)，造成了挖掘時(shí)土壤阻力較大的問(wèn)題，結(jié)合松土鏟的工作原理，設(shè)計(jì)了松土鏟，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.鏟齒　2.鏟柄

圖2中，松土鏟的鏟尖設(shè)計(jì)成鋸齒狀，可減小入土切割的阻力。松土鏟的工作阻力隨入土角的增大而增大，但入土角過(guò)小會(huì)影響作物的收獲質(zhì)量。查閱相關(guān)資料得知，入土角應(yīng)設(shè)置20°～30°較為合理[9]?？紤]到設(shè)計(jì)的最大有效挖掘深度為300mm,所以松土鏟的入土角選用最小值20°。這樣可在保證最大挖掘深度的前提下減小工作過(guò)程土對(duì)松土鏟面的阻力，減少動(dòng)力損耗。

2.2　升運(yùn)器

升運(yùn)器是收獲機(jī)的重要部件之一，主要由23塊板狀耙齒、9條雙耳工業(yè)輸送鏈條、調(diào)節(jié)板及掛臂等組成，如圖3所示。作業(yè)時(shí)，雙耳鏈條帶動(dòng)耙齒逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，耙尖貼著底板耙齒耙著藥土混合物向上運(yùn)輸，直到將藥土混合物喂入分離滾筒。在升運(yùn)器前端的兩側(cè)板處開(kāi)有一定高度的側(cè)刃，作業(yè)時(shí)側(cè)刃對(duì)割幅以外的土塊進(jìn)行切割，也能對(duì)雜草進(jìn)行切割，避免纏繞，從而減小行進(jìn)過(guò)程中的阻力，降低能耗。調(diào)節(jié)板起到對(duì)鏈條張緊的作用。圖3中，9根工業(yè)輸送鏈條均勻分布在升運(yùn)器的兩根軸上，耙齒設(shè)計(jì)的有效高度為150mm,耙齒在鏈條上分布的間隔為200mm。

2.3　分離滾筒

分離滾筒主要由雙排鏈條、雙排鏈輪、螺旋結(jié)構(gòu)、滾子、齒輪箱、篩心組成，如圖4所示。

1.側(cè)刃板　2.耙齒　3.雙耳輸送鏈條

1.雙排鏈條　2.篩心　3.滾子

工作時(shí)，分離滾筒兩端的鏈輪撥動(dòng)分離滾筒兩端上固定的鏈條，實(shí)現(xiàn)分離滾筒滾動(dòng)?；旌衔镌跐L筒中螺旋結(jié)構(gòu)的作用下向后輸送，在輸送的過(guò)程中藥土混合物沿著分離滾筒內(nèi)壁上的螺旋軌道滾動(dòng)，體積較小碎土不斷從網(wǎng)孔中落下，體積較大的土塊不斷與螺旋結(jié)構(gòu)和網(wǎng)篩碰撞，土塊體積不斷減小，最終從網(wǎng)孔中落下，從而實(shí)現(xiàn)藥土初次分離。5個(gè)固定在外圈上的滾子對(duì)篩心起到支撐作用，滾篩的最大外徑為1 000mm，長(zhǎng)度為1 200mm,螺旋結(jié)構(gòu)的螺距為200mm,螺旋結(jié)構(gòu)的有效高度為60mm。

分離滾筒結(jié)構(gòu)為可拆卸型，外圈為對(duì)開(kāi)式，上半圈和下半圈由4個(gè)螺栓連接，這樣設(shè)計(jì)的目的主要是為了針對(duì)不同的土壤情況，可通過(guò)更換篩心的方式改變分離網(wǎng)孔，實(shí)現(xiàn)有效的分離。分離滾筒采用鏈條的傳動(dòng)方式，具有易更換、成本低的優(yōu)點(diǎn)。分離滾筒的轉(zhuǎn)速越快，分離效率和分離效果越好。分離滾筒轉(zhuǎn)速與效率成正比關(guān)系,根據(jù)牛頓第二定律,當(dāng)離心力大于太子參的重力時(shí)，離心力會(huì)使干凈的太子參緊貼在篩網(wǎng)內(nèi)壁上，使其無(wú)法沿螺旋結(jié)構(gòu)向后面的輸送鏈耙運(yùn)輸。

2.4　輸送鏈耙

輸送鏈耙主要由耙齒、連接板、圓鋼、六齒輪等組成，如圖5所示。

1.六齒輪　2.圓鋼　3.連接板　4.耙齒

挖掘土壤的受力分析如圖6所示，松土鏟的受力分析如圖7所示。

圖6　挖掘土壤的受力分析

圖7　松土鏟的受力分析

根據(jù)圖6、圖7的受力分析,可得松土鏟工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)力為

F=N0(sinα+μcosα)+CaA0cosα

(1)

土塊受力的靜力平衡關(guān)系為

N0(sinα+μcosα)+CaA0cosα

=N0(cosα-μsinα)+N1(sinβ-μ1sinβ)

(2)

令

(3)

聯(lián)立方程得出松土鏟工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)力為

(4)

式中F—松土鏟工作時(shí)的驅(qū)動(dòng)力(N)；

G—土塊重力(N)；

Ca—土壤與鏟面的附著參數(shù)；

B—土壤對(duì)鏟面的加速阻力(N )；

T—土壤抗剪切力(N)；

A0—鏟面寬度(mm)；

?—松土鏟的入土角(°)；

C—土壤內(nèi)聚力(N)；

A1—剪切面積(mm2)；

β—失效前角(°)；

μz—土壤的內(nèi)摩擦因數(shù)；

μ—土壤與金屬的摩擦因數(shù)；

N0—鏟面法向載荷(N)。

3松土鏟的有限元分析

3.1　松土鏟有限元模型的建立

ANSYS提供了與其他CAD系統(tǒng)的接口,可以利用PRO/E軟件創(chuàng)建松土鏟的實(shí)體模型,并導(dǎo)入ANSYS軟件;定義松土鏟的材料為45#鋼,密度為7890kg/m3,彈性模量E為2.09×1011，泊松比為0.3；單元類型選擇Solid45單元作為離散受力單元；根據(jù)模型的形狀及受力情況，進(jìn)行網(wǎng)格劃分；劃分網(wǎng)格時(shí)，激活SmartSize,滑塊設(shè)為1進(jìn)行劃分。最后生成有限元模型如圖8所示。

圖8　松土鏟網(wǎng)格劃分

3.2　載荷施加與邊界條件

為了分析松土鏟真實(shí)的工作狀態(tài),就要使用約束限制某些部位的自由度。在實(shí)際加工制造中,松土鏟的兩側(cè)端面和后端面為焊接面，故在此采用完全約束。松土鏟作業(yè)時(shí)，主要受法向載荷、摩擦力、粘附力，但摩擦力與粘附力相對(duì)法向載荷影響較??；有限元分析時(shí)，只分析法向載荷作用。根據(jù)作用力和反作用力相等原理和公式(4),計(jì)算松土鏟工作時(shí)所受到的阻力。法向力與作用面積之比為壓強(qiáng)，計(jì)算出工作時(shí)加載在鏟面上的壓強(qiáng)值為0.065 5MPa。每個(gè)單元所受的載荷均按靜力學(xué)等效原則轉(zhuǎn)移到網(wǎng)格單元上，把鏟面壓強(qiáng)值加載到鏟面上，松土鏟的入土角為20°，分析松土鏟內(nèi)部的應(yīng)力分析情況。

3.3　ANSYS有限元分析結(jié)果

松土鏟在受力時(shí)經(jīng)ANSYS求解之后的位移變形云圖和應(yīng)力云圖分別如圖9、圖10所示。

圖9　變形云圖

圖10應(yīng)力云圖

通過(guò)分析松土鏟的位移云圖9可知：在鏟尖發(fā)生較為明顯變形，其位移量值為0.9mm，這個(gè)數(shù)值在材料的塑性變形范圍內(nèi),相對(duì)于整個(gè)松土鏟而言，可以忽略不計(jì);通過(guò)分析松土鏟的應(yīng)力云圖10可知：挖掘鏟的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鏟的側(cè)面即鏟與升運(yùn)器焊接處最大24.426MPa，說(shuō)明應(yīng)力主要出現(xiàn)在焊接部位,所以在加工時(shí)焊接部位需滿焊并做加固處理;另外,松土鏟的鏟齒根與鏟齒根連接處應(yīng)力也比較大,加工時(shí)做滲碳淬火處理，并且齒根與齒根之間采用圓弧過(guò)度,防止阻力過(guò)大時(shí)應(yīng)力集中鏟被撕裂。其余各處的應(yīng)力值均小于所用材料的屈服極限強(qiáng)度。所以，松土鏟的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的太子參聯(lián)合收獲機(jī)可以一次性完成挖掘、輸送、分離、篩選、收集等作業(yè)過(guò)程，大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，降低了收獲成本，且收獲質(zhì)量好。

2)該機(jī)具有一定的通用性，可以通過(guò)更換分離滾筒的方式，對(duì)黃芪和錢(qián)胡等地下根莖類作物進(jìn)行收獲作業(yè)。

3)此項(xiàng)研究為南方山區(qū)丘陵小田塊地下根莖類作物收獲的機(jī)械化提供了裝備與技術(shù)支撐。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0105-EA

Design and Test of Radix Pseudostellariae Combined Harvester

Lou Shuaishuai, Cao Chengmao, Li Zansong, Ye Daming, Zang Jie

(1.Anhui Agricultural University,School of Technology, Hefei 230036, China; 2.Ningguo City, Anhui Province, Golden Tree Planting Co. Ltd., Ningguo 242300, China)

Abstract：According to the situation that the current traction type harvesters can not meet the requirements of Radix Pseudostellariae in small fields of the southern hilly region, we design and develop a one-time Radix Pseudostellariae combine harvester which combines mining, transportation, separation, screening and packing. This paper describes the overall structure and the detailed design of the shovel, lifting conveying device, a separating roller, conveyor chain harrow and other key parts of the detailed design process and the break shovel was analyzed by ANSYS software.

Key words：Radix Pseudostellariae； combine harvester; structure design; ANSYS

中圖分類號(hào)：S225.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0105-04

作者簡(jiǎn)介：婁帥帥(1987-)，男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)1097775130@qq.com。通訊作者：曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)資金面上項(xiàng)目(51475002)

收稿日期：2015-09-29