振動鏟式馬鈴薯收獲機(jī)的設(shè)計與仿真分析

陳 凱，高彥玉，楊陸強(qiáng)，趙玉清

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

0 引言

馬鈴薯(Solanum Tuberosum)早在16世紀(jì)就已經(jīng)傳入我國，其種植面積大、營養(yǎng)豐富，與小麥、稻谷、玉米并成為世界四大糧食作物，有“地下蘋果”之稱[1]。隨著國內(nèi)外馬鈴薯種植面積的不斷擴(kuò)大，馬鈴薯機(jī)械化也逐漸駛?cè)肟焖侔l(fā)展的行列。雖然我國馬鈴薯種植面積逐漸擴(kuò)大，但是馬鈴薯的單位產(chǎn)量不是很可觀。對于馬鈴薯收獲，目前我國北方農(nóng)村依然存在人工刨的落后方式，費時費力，勞動強(qiáng)度大，給農(nóng)民造成了極大的困難。盡管我國是馬鈴薯生產(chǎn)大國，但一系列的因素制約著其生產(chǎn)發(fā)展，機(jī)械設(shè)備落后就是最主要的制約因素[2]。因此，馬鈴薯種植業(yè)機(jī)械設(shè)備的大力研發(fā)對于我國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重要的意義。

國外對于馬鈴薯收獲機(jī)械的研制要比我國早得多，在20世紀(jì)80年代初，相當(dāng)多的國家就實現(xiàn)了馬鈴薯從種植到收獲的生產(chǎn)機(jī)械化。國外馬鈴薯收獲機(jī)的研制技術(shù)水平高，為了提高作業(yè)效率，在機(jī)器上融入了振動和液壓技術(shù)，通過傳感技術(shù)來控制馬鈴薯的傳運量及土壤喂入量；為了提高生產(chǎn)效率，利用了虛擬制造技術(shù)和超塑加工技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)[2]。目前，發(fā)達(dá)國家的馬鈴薯收獲機(jī)有兩種類型：一種是采用大功率自走式聯(lián)合收獲機(jī)，以俄羅斯、美國為代表；另一種是以德國、意大利為代表的與中型拖拉機(jī)配套的牽引式馬鈴薯收獲機(jī)[3]。我國馬鈴薯收獲機(jī)雖然起步早，但是發(fā)展緩慢[4]，20世紀(jì)60年代，我國馬鈴薯種植收獲機(jī)具開始得到重視，在借鑒國外技術(shù)的基礎(chǔ)上開始研制并逐步發(fā)展起來[5]。目前，國內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)配套動力小，以小型輕便為主，仍然存在諸多的不足，如適應(yīng)性差、損傷率高及壅土等[6]。由于我國大部分的農(nóng)田地塊都比較小，所以國內(nèi)在相當(dāng)長的時間內(nèi)仍會以小型馬鈴薯收獲機(jī)為主[7]。

振動挖掘鏟作為馬鈴薯收獲機(jī)的關(guān)鍵部件，對其設(shè)計的合理與否關(guān)系到整機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量及性能的好壞。因ADAMS軟件在多體動力學(xué)仿真分析方面設(shè)計成熟，本文在ADAMS環(huán)境中對振動鏟的設(shè)計模型進(jìn)行動力學(xué)和振動仿真分析[8]，以驗證該結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

1 結(jié)構(gòu)原理及參數(shù)設(shè)置

1.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

基于牽引式的振動鏟式馬鈴薯收獲機(jī)主要由挖掘裝置、薯土分離裝置、偏心輪傳動裝置、行走裝置及機(jī)架組成，如圖1所示。

工作原理：作業(yè)時，機(jī)架前端位置懸掛在小四輪拖拉機(jī)上，動力來源是8.8～11kW的小四輪拖拉機(jī)。拖拉機(jī)的動力輸出軸與收獲機(jī)的偏心輪軸連接，使偏心輪獲得一定的轉(zhuǎn)速，從而帶動搖臂運動；配置在偏心輪后面的搖臂帶動擺動架做往復(fù)擺動，擺動架鉸接在機(jī)架上，從而帶動挖掘鏟和振動篩做往復(fù)周期運動；機(jī)架后邊的兩個掛桿上端和下端分別鉸接在機(jī)架和振動篩的兩邊，整車作業(yè)時，一方面起到穩(wěn)固振動篩的作用，防止損壞和變形，另一方面協(xié)同振動篩做來回擺動。

1.機(jī)架 2.搖臂 3.偏心輪裝置 4.振動挖掘鏟 5.擺動架 6.振動篩 7.行走輪 8.后掛桿

1.2 主要性能指標(biāo)

馬鈴薯收獲機(jī)的主要性能指標(biāo)有工作寬度、作業(yè)行數(shù)、作業(yè)深度、作業(yè)效率及明薯率等，其各指標(biāo)參數(shù)的設(shè)定如下：

工作寬度/mm：700

作業(yè)行數(shù)：單行

作業(yè)深度/mm：200

明薯率/%：≥95

挖凈率/%：≥98

破損率/%：≤5

配套動力(小四輪拖拉機(jī))/kW：8.8～11

主軸轉(zhuǎn)速/r·min-1：2 350

作業(yè)速度/m·s-1：0.6～1

2 主要工作部件的設(shè)計

2.1 挖掘裝置

挖掘裝置的主要作用是挖掘土壤和薯塊，并在作業(yè)過程中利用其振動效果將薯塊和土壤一起輸送到振動分離篩，實現(xiàn)薯土分離。挖掘裝置的主要工作部件是挖掘鏟，挖掘鏟有固定式和振動式兩種。固定式挖掘鏟存在以下缺點:碎土能力差，入土角較小，鏟子較長，強(qiáng)度差，薯土不能分離。振動式挖掘鏟是依據(jù)振動原理，其優(yōu)點如下：①能夠提高土壤的破碎能力，有利于薯土的徹底分離，克服了固定式挖掘鏟的缺點；②振動挖掘鏟有助于土壤和馬鈴薯的喂入，振動能使土薯一直處于流動狀態(tài)，不會因為壅土而擦傷薯塊；③振動挖掘鏟在振動時的瞬間沖擊力可以減少挖掘過程中牽引阻力和挖掘阻力，并降低整機(jī)的動力消耗[9]。

2.1.1 振動式挖掘鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計

振動式挖掘鏟的結(jié)構(gòu)是鉸接在機(jī)架上的，除振動鏟的刀刃處一段外，其余部分鏟面做成柵條狀，以完成部分土壤的分離，能夠提高明薯率；鏟面兩端焊接兩條吊桿以與機(jī)架連接。本文設(shè)計的振動式挖掘鏟采用65Mn作為加工材料，基本尺寸如下：鏟長700mm，鏟寬200mm，柵條間隙30mm。挖掘鏟結(jié)構(gòu)三維圖如圖2所示。

圖2 振動式挖掘鏟結(jié)構(gòu)圖

振動挖掘產(chǎn)挖掘性能的好壞受到諸多因素的影響，包括動力配套設(shè)施的牽引速率、挖掘土壤時的入土角、振動頻率和振幅。其中，振動頻率可通過改變拖拉機(jī)輸出軸的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)；牽引速率由配套的拖拉機(jī)技術(shù)規(guī)格確定；振幅由偏心輪調(diào)節(jié)；入土角由搖臂調(diào)節(jié)，通過改變偏心輪與搖臂之間的距離調(diào)節(jié)挖掘鏟入土角[10]。

2.1.2 振動式挖掘鏟的入土角α的確定

振動式挖掘鏟的入土角的大小關(guān)系到鏟面上馬鈴薯和土壤的運動速度及明薯率的大小。入土角相對較大時，其鏟面上的物體運動速度會較慢，漏出的碎土就會相對較多；反之，入土角相對較小時，鏟面上物體運動速度會較快，漏出的碎土就會相對較少。

挖掘鏟挖掘土壤時的最大入土角，原則上應(yīng)小于鏟上物體對鏟面材料的摩擦角φ[11]。土壤對挖掘鏟的摩擦角φ=22°～45°，馬鈴薯對挖掘鏟的摩擦角φ=17°～31°。綜合考慮多方面的因素，設(shè)定該馬鈴薯收獲機(jī)的振動挖掘產(chǎn)的入土角φ=20°～22°。

2.2 薯土分離裝置

薯土分離裝置配置在振動挖掘鏟后邊，挖掘鏟挖掘的土壤及薯塊有相當(dāng)一部分要運輸?shù)皆摬糠帧Ｒ虼?，在整機(jī)作業(yè)時，振動篩承受了最大的載荷[12]，此過程要求分離的土壤達(dá)到85%～95%之間；同時，此裝置也是提高明薯率和減少損薯率的關(guān)鍵部分，因此在設(shè)計時要慎重考慮材料選擇及其結(jié)構(gòu)的安排。針對此振動鏟式馬鈴薯收獲機(jī)的傳動方式，在整體結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計了該薯土分離裝置結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 薯土分離裝置

振動鏟后邊配置為振動篩，由振動條和1個托板組成，兩側(cè)的振動條則是防止馬鈴薯掉落在田壟的兩側(cè)；結(jié)合薯塊和土垡存在土壤粘附力的作用，相鄰兩根篩條的間隙為30mm，柵條材料選用直徑為10mm的圓鋼；托板起到固定作用，防止振動篩受到巨大負(fù)荷而損壞；振動篩由掛桿鉸接到機(jī)架上，根據(jù)傳動方式，振動篩工作時做周期往復(fù)運動。

2.3 偏心輪傳動裝置

偏心輪傳動裝置是整個收獲機(jī)的動力傳輸部分，由偏心輪、搖臂和擺動架組成。偏心輪連接到小四輪的動力輸出軸，其作為該傳動裝置的初始部分，起著至關(guān)重要的作用，同時還起到調(diào)節(jié)振動鏟振幅的作用。搖臂的運動情況較為復(fù)雜，存在直線和旋轉(zhuǎn)運動，因此在其與偏心輪和擺動架連接處采用球鉸副約束，以確保其運動不會受到其他冗余約束的作用。偏心輪傳動裝置作為該收獲機(jī)傳動部分的核心，對其結(jié)構(gòu)的設(shè)計及其材料的選擇也要滿足其運動特性和作業(yè)要求，因此裝置材料選擇為45鋼。偏心輪裝置三維模型如圖4所示。

圖4 偏心輪傳動裝置

2.4 機(jī)架

機(jī)架是該馬鈴薯收獲機(jī)的核心部分，承載著整個機(jī)體的質(zhì)量，也是與配套動力設(shè)施配合的重要部件。整機(jī)工作時，機(jī)架會受到一些沖擊載荷的作用，同時也會受到振動鏟挖掘土壤時的振動影響，其受力的來源多且情況復(fù)雜。為了滿足該收獲機(jī)的作業(yè)效率及其使用壽命要求，避免其在作業(yè)時受到變形及各種程度的損壞，在設(shè)計機(jī)架時充分考慮了剛度、強(qiáng)度等性能是否符合該機(jī)器作業(yè)時的要求。綜合其各方面的性能，本文設(shè)計機(jī)架所選的材料為厚度5mm的鋼板，機(jī)架的總體尺寸設(shè)計為1 200mm×900mm×1 000mm。根據(jù)相配套的動力設(shè)施及田壟各參數(shù)，設(shè)計機(jī)架結(jié)構(gòu)三維圖，如圖5所示。

圖5 機(jī)架結(jié)構(gòu)圖

3 基于ADAMS的動力學(xué)仿真分析

3.1 ADAMS軟件介紹

ADAMS軟件是一款設(shè)計成熟的虛擬樣機(jī)分析軟件，用戶可以在ADAMS環(huán)境中建立虛擬樣機(jī)模型，并對其進(jìn)行多體動力學(xué)分析；另外，它還用作針對虛擬樣機(jī)的分析開發(fā)工具[13]。該軟件應(yīng)用范圍廣，被世界上許多制造企業(yè)采用，對產(chǎn)品生產(chǎn)前進(jìn)行設(shè)計實驗，可大大縮減產(chǎn)品設(shè)計時間及設(shè)計成本，獲得高質(zhì)量、高性能的設(shè)計產(chǎn)品[14]。

3.2 ADAMS仿真模型建立

對該馬鈴薯收獲機(jī)的運動學(xué)仿真，主要是對挖掘裝置和薯土分離裝置的運動學(xué)仿真。因薯土分離裝置的振動篩是配置在挖掘鏟后面的，因此這兩個裝置的運動學(xué)狀態(tài)可以看作是相同的。

ADAMS是一款專門針對多體動力學(xué)進(jìn)行分析的軟件，模型可以在ADAMS平臺建立，也可以在其他平臺建立后經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入到ADAMS軟件中。本文設(shè)計的振動鏟式馬鈴薯收獲機(jī)的三維模型圖是基于SolidWorks軟件建立的，模型建成后將文件保存為Parasolid格式，然后打開ADAMS/view，點擊File選擇Import即將模型導(dǎo)入ADAMS[15]。導(dǎo)入后的模型如圖6所示。

圖6 振動鏟式馬鈴薯收獲機(jī)導(dǎo)入ADAMS實體模型

3.3 添加約束及驅(qū)動

三維圖導(dǎo)入到ADAMS中后，要對該實體模型進(jìn)行材料賦予操作，賦予材料后的模型便擁有了實體模型各種參數(shù)；然后，根據(jù)模型中相對運動的條件，對振動鏟式馬鈴薯收獲機(jī)模型中具有相對運動的兩部件進(jìn)行約束添加。該機(jī)器中主要受到約束的部件是機(jī)架、偏心輪裝置、振動篩、振動鏟和掛桿。

基于ADAMS振動鏟式馬鈴薯收獲機(jī)的實體模型添加約束如下：①仿真分析主要是對挖掘裝置和薯土分離裝置，故將機(jī)架固定于ground，這樣能夠更好地測試機(jī)器振動效果，所以要在地面與機(jī)架之間建立固定副約束；②偏心輪處連接配套設(shè)施動力輸出軸，故在偏心輪處添加一旋轉(zhuǎn)副約束，并在此處創(chuàng)建一個旋轉(zhuǎn)動力驅(qū)動；③擺動搖臂要同時做上下移動和左右擺動，兩端的連接點還要做轉(zhuǎn)動，其運動情況較復(fù)雜，故在搖桿兩端分別添加一個球鉸副約束；④兩個后掛桿分別與機(jī)架和振動篩之間都有相對轉(zhuǎn)動，故在它們的連接處分別添加一個旋轉(zhuǎn)副約束；⑤擺動架與機(jī)架和振動篩都是鉸接，因此也添加旋轉(zhuǎn)副約束。

約束和驅(qū)動添加完畢，共計1個動力旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和13個約束(包括2個球鉸副約束、11個旋轉(zhuǎn)副約束)。加載約束實體模型如圖7所示，加載驅(qū)動實體模型如圖8所示。

圖7 加載約束實體模型

圖8 加載驅(qū)動實體模型

3.4 土壤阻力的添加

振動挖掘鏟在挖掘土壤的過程中，受到牽引阻力和挖掘阻力的作用，因此在對振動鏟運動仿真的過程中，要考慮其所受阻力的影響。根據(jù)挖掘鏟在挖掘土壤過程中的受力及土壤在被挖掘時的受力情況，可大體計算出土壤的挖掘阻力和牽引阻力的數(shù)值范圍。其中，挖掘阻力W計算公式為

式中G——鏟面上土壤重力；

Z——常數(shù)；

C——土壤內(nèi)距離因數(shù)；

F1——土壤內(nèi)剪切面積；

B——土壤沿鏟面運動的加速力；

β——前失效面傾角；

δ——鏟面傾角；

Cα——土壤附著力因素；

F0——挖掘鏟面積；

μ——土壤內(nèi)摩擦因數(shù)；

μ1——土壤與挖掘鏟摩擦因數(shù)[16]。

根據(jù)配套動力設(shè)施的性能指標(biāo)、馬鈴薯收獲機(jī)的各參數(shù)及公式(1)所需要的參數(shù)計算，最終確定振動鏟挖掘土壤時受到的牽引阻力為1 200N，挖掘阻力為1 000N。

阻力確定好后，需要在ADAMS/View平臺對振動鏟添加這兩個阻力。首先在振動鏟刃兩端分別添加一個Marker點，方便在添加阻力的時候確定力的位置。在振動鏟刃處添加牽引阻力和挖掘阻力如圖9所示。

3.5 動力學(xué)仿真分析

3.5.1 挖掘裝置動力學(xué)分析

動力學(xué)仿真之前要首先設(shè)定好各參數(shù)(即仿真的時長、步長)，并做好仿真前初始條件的準(zhǔn)備，設(shè)置仿真時間為20s，運動步長為200步[15]；在要進(jìn)行動力分析的模型處添加一Marker點，可以通過分析此質(zhì)點的運動數(shù)據(jù)來確定整個挖掘裝置的運動狀態(tài)。

所有仿真的初始條件設(shè)置完成后，對振動鏟進(jìn)行動力學(xué)仿真模擬，并運用ADAMS的數(shù)據(jù)后處理模塊進(jìn)行仿真分析，得到某一質(zhì)點在X方向的的位移曲線(見圖10)、速度曲線(見圖11)和加速度曲線(見圖12)。

圖9 添加阻力實體模型

圖10 振動鏟位移變化曲線圖

圖11 振動鏟速度變化曲線圖

圖12 振動鏟加速度變化曲線圖

對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出：在振動鏟的某一質(zhì)點處其位移和速度在X方向上隨著時間的變化曲線一直處于平穩(wěn)，沒有明顯的波動，說明仿真結(jié)果是合理的；而加速度曲線剛開始有較大的波動，隨著時間的變化也逐漸趨于平穩(wěn)，其加速度數(shù)值在-2.7～1.7mm/s2范圍內(nèi)變化。這說明，在振動鏟剛開始作業(yè)時受到的配套設(shè)施的牽引阻力及挖掘阻力波動較大，工作一段時間后該阻力趨于平穩(wěn)，故其加速度也逐漸恢復(fù)正常。綜合考慮各因素的影響，對振動鏟的動力學(xué)模擬仿真分析是合理的，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

3.5.2 振動鏟振動仿真分析

ADAMS/Vibration振動分析模塊是ADAMS軟件中添加的一種頻域分析功能插件，本文借助ADAMS/Vibration振動分析模塊，通過模擬其在作業(yè)時的振動方式，分析其在某個作用點下的頻域受迫影響[17]；通過對比分析振動鏟的振動頻率和土壤的固有頻率，來確定該馬鈴薯收獲機(jī)是否達(dá)到作業(yè)時挖掘土壤的最大效率及其所滿足的松土效果。

首先要在振動鏟鏟刃某一位置處建立兩個運動學(xué)輸入通道(Input Channel)和一個激振器，然后在建立兩個運動學(xué)輸出通道(Output Channel)[15]，如圖13所示。最后，通過ADAMS后處理模塊對振動曲線進(jìn)行分析。

圖13 建立輸入、輸出通道及激振器

由于該機(jī)器振動鏟X和Y兩個方向都有振幅，因此在做振動分析時只考慮這兩個方向即可。通過振動分析得到振動鏟某一位置的頻率響應(yīng)曲線：x方向加速度頻率響應(yīng)幅值曲線(見圖14)和頻率響應(yīng)相位曲線(見圖15)；Y方向加速度頻率響應(yīng)幅值曲線(見圖16)和頻率響應(yīng)相位曲線(見圖17)；速度頻率響應(yīng)幅值曲線(見圖18)和模態(tài)坐標(biāo)曲線圖(見圖19)。

分析振動鏟的振動頻率曲線可知：該振動鏟的振幅剛開始波動較大，但過段時間后其振幅逐漸處于平穩(wěn)。加速度頻率值在14～24Hz范圍內(nèi)，雖然與土壤的固有頻率14Hz有所差距，考慮到仿真時存在的誤差及其他各方面的因素影響，該仿真結(jié)果是合理的，說明該設(shè)計滿足振動鏟作業(yè)時挖掘土壤的最佳挖土效果。

圖14 X方向加速度頻率響應(yīng)幅值曲線圖

圖15 X方向加速度頻率響應(yīng)相位曲線圖

圖16 Y方向加速度頻率響應(yīng)幅值曲線圖

圖17 Y方向加速度頻率響應(yīng)相位曲線圖

圖18 速度頻率響應(yīng)幅值曲線圖

圖19 模態(tài)坐標(biāo)曲線圖

4 結(jié)論

1)運用SolidWorks軟件構(gòu)建振動鏟式馬鈴薯收獲機(jī)的三維模型，根據(jù)其配套設(shè)施的相關(guān)性能及馬鈴薯在田間的各項性能指標(biāo)，確定整機(jī)結(jié)構(gòu)模型及各個零部件的結(jié)構(gòu)模型。通過分析收獲機(jī)作業(yè)時的各影響因素，確定整機(jī)結(jié)構(gòu)選用的制造材料，以提高其使用壽命。

2)在ADAMS環(huán)境中對該振動鏟式馬鈴薯收獲機(jī)的挖掘裝置進(jìn)行動力學(xué)仿真和振動仿真分析。把在SolidWorks建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS/View平臺，針對該模型的運動方式，在相應(yīng)部分添加各種約束、驅(qū)動和阻力，對其進(jìn)行動力學(xué)仿真。運用ADAMS/Vibration振動分析模塊對振動鏟進(jìn)行振動仿真。最后，通過ADAMS后處理模塊對其進(jìn)行動力學(xué)和振動仿真分析，從獲得的分析曲線可知：在允許有誤差存在及其他因素的影響的前提下，本次仿真是合理的。

3)仿真分析驗證了本次設(shè)計的可行性，通過對其進(jìn)行運動仿真可為樣機(jī)以及相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計制造提供一定的參考。