基于有限元分析的全自動馬鈴薯收獲機設計

劉瀟瀟，史雅正，郝思佳，李清旭

(哈爾濱理工大學榮成學院，山東 威海 264300)

0 引言

馬鈴薯作為我國主糧之一，有著巨大的市場空間，在馬鈴薯的收獲季節(jié)里，需要短時間內(nèi)完成馬鈴薯的收獲任務，因此我國在馬鈴薯的收獲方面面臨著極大的挑戰(zhàn)。應用本文設計的全自動馬鈴薯收獲機，可以實現(xiàn)馬鈴薯的自動裝卸和對壟溝的記憶識別，極大地減輕了馬鈴薯收獲者的勞動強度。在一定程度上，全自動馬鈴薯收獲機可減少馬鈴薯的收獲損失，為馬鈴薯的機械化收獲奠定了基礎(chǔ)。

1 國內(nèi)外馬鈴薯收獲機研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)馬鈴薯收獲機現(xiàn)狀與分析

在中國，雖然馬鈴薯收獲機的類型較多，然而大型的馬鈴薯聯(lián)合收獲機卻主要依賴于國外進口。目前，國內(nèi)主要注重對中小型馬鈴薯挖掘機以及自動化程度不太高的聯(lián)合收割機的研發(fā)，對于馬鈴薯收獲機的研發(fā)力度整體不高。在馬鈴薯的主要產(chǎn)區(qū)如云南，馬鈴薯的機械化程度僅有1%，而對于發(fā)達國家，其機械化水平卻高達70%。

1.2 國外馬鈴薯收獲機現(xiàn)狀與分析

在國外，挖掘機型的馬鈴薯收獲機占比較小，主要集中在山地地形、馬鈴薯種植面積小且較為分散的國家。自20世紀80年代起，關(guān)于馬鈴薯的收獲方式，國外主要采用馬鈴薯聯(lián)合收獲機直接收獲馬鈴薯，或者利用挖掘機外加分選裝置進行馬鈴薯的收獲，逐漸實現(xiàn)機械化收獲馬鈴薯。

2 全自動馬鈴薯收獲機整體設計思路

目前國內(nèi)馬鈴薯收獲方式主要是通過拖拉機牽引的小型馬鈴薯挖掘機挖掘后由人工撿拾，費時費力，并且落后的馬鈴薯收獲方式制約著馬鈴薯機械化生產(chǎn)的發(fā)展。全自動馬鈴薯收獲機將拖拉機與挖掘機有機結(jié)合在一起，動力系統(tǒng)全部采用電驅(qū)動，并加入識別功能，實現(xiàn)了真正意義上的智能化和自動化,如圖1所示。該類馬鈴薯收獲機的設計，解決了國內(nèi)馬鈴薯收獲機效率較低、功能較少的難題。

圖1 全自動馬鈴薯收獲機總體外形

3 全自動馬鈴薯收獲機設計

本文設計的全自動馬鈴薯收獲機分為驅(qū)動裝置、挖掘裝置、分離裝置、升運裝置和裝載裝置5個部分。

3.1 驅(qū)動裝置

牽引式馬鈴薯收獲機的配套動力是一大短板，而全自動馬鈴薯收獲機將拖拉機與挖掘機有機結(jié)合在一起，全部采用電驅(qū)動，自動化程度高。

3.2 挖掘裝置

對于挖掘部分，首先要求該部件可以將馬鈴薯和泥土一同挖出，并將二者運向分離裝置，因此對挖掘裝置做出如下要求：

(1) 在挖掘馬鈴薯時，盡可能地少挖土壤。

(2) 在挖掘馬鈴薯過程中，不損傷馬鈴薯，且挖掘深度可以根據(jù)需要自行調(diào)整。

(3) 在設計挖掘鏟時，要求硬度較大、刃口的耐磨性較好，具有一定的碎土能力。

根據(jù)以上要求，本文設計出了組合式馬鈴薯挖掘裝置，如圖2所示。該挖掘裝置由三角平面雙挖掘鏟、挖掘鏟架以及切馬鈴薯盤刀組成。挖掘鏟與挖掘鏟架通過螺釘連接，挖掘鏟的鏟架固定在挖掘機架上，通過調(diào)整盤刀高度進行馬鈴薯的挖掘。

圖2 組合式挖掘裝置

3.3 分離裝置

馬鈴薯收獲機工作時，馬鈴薯經(jīng)挖掘裝置挖掘后，被運向分離裝置。因此，在設計該裝置時，首先要求在分離過程中對馬鈴薯的傷害最小、馬鈴薯分離率高、分離過程安全可靠，所以在挖掘鏟結(jié)構(gòu)盡可能小的情況下提高工作效率是本設計的一個難點；其次要求分離裝置承受載荷能力強，并且可以分離馬鈴薯上粘連的絕大部分土壤，另外要求在分離的同時還可以持續(xù)保持馬鈴薯的向后運輸，便于下一裝置的工作。因此設計了馬鈴薯初分離裝置，如圖3所示。

馬鈴薯經(jīng)初分離后運送到傳動輸送篩上，對于馬鈴薯的傳動輸送篩設計，本文采用桿式鏈裝置，如圖4所示。輸送篩的有效分離面積較大，其作用相當于柵格式閉合回轉(zhuǎn)篩，但結(jié)構(gòu)較柵格式更簡單。另外在傳動輸送篩輸送側(cè)的中間部位設計偏心抖動輪裝置，用來抖去馬鈴薯上面的泥土。

圖3 馬鈴薯初分離裝置 圖4 傳動輸送篩

3.4 升運裝置

為了防止碰撞，升運裝置和裝載箱同升同降，將薯塊運輸?shù)揭欢ǖ母叨?，便于薯塊裝載，最終完成馬鈴薯的收獲。

3.5 裝載裝置

在該裝置中利用絲杠將平臺升起，利用導軌的導向作用實現(xiàn)裝載箱開門和傾斜的動作，完成自動裝車。料斗起裝載薯塊的作用，可升降，并配有輸送裝置，既可以進行聯(lián)合收獲，也可裝載一定量薯塊后再轉(zhuǎn)移至運輸車輛。升運裝置和裝載裝置如圖5所示。

4 全自動馬鈴薯收獲機有限元分析

針對馬鈴薯收獲機架在工作可靠性方面存在的問題，本文利用ABAQUS有限元分析軟件以及ADAMS運動仿真軟件對挖掘鏟進行多體動力學分析，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。結(jié)果證明了理論分析的準確性與可行性，為今后馬鈴薯收獲機的模塊化優(yōu)化與設計提供了科學借鑒。

圖5 升運和裝載裝置

圖6 全自動馬鈴薯收獲機的多體動力學分析

圖7 全自動馬鈴薯收獲機的有限元分析

5 結(jié)語

全自動馬鈴薯收獲機將拖拉機與挖掘機有機結(jié)合在一起，它由驅(qū)動裝置、挖掘裝置、分離裝置、升運裝置及裝載裝置5個部分組成。實現(xiàn)馬鈴薯的挖掘、薯土薯秧分離以及自動裝卸的功能。動力系統(tǒng)全部采用電驅(qū)動，實現(xiàn)了真正意義上的自動化。最后對其進行了有限元分析，為后期馬鈴薯收獲機機架的優(yōu)化與設計提供了依據(jù)。