元胡攫取推土鏟的運(yùn)動(dòng)仿真分析

朱昊杰 魏萬行 任志貴 梁 楊

（陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中723000）

元胡，又名玄胡、延胡索，扁球狀、色黃、直徑約0.5-2.5cm 之間，為大宗常用中藥，有活血化瘀、行氣止痛的作用。當(dāng)前元胡種植面積已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模但目前元胡收獲仍主要采用手工收獲，收獲效率低且成本昂貴，因此，開發(fā)出一種適合元胡收獲的自動(dòng)化機(jī)械，不僅可以提高元胡的收獲效率，還能極大的降低元胡的收獲成本。元胡收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該設(shè)計(jì)出良好的元胡攫取裝置。元胡推土鏟的作業(yè)性能取決于土壤環(huán)境，元胡收獲機(jī)與和推土鏟的連接結(jié)構(gòu)，挖掘深度，收獲速度，入土角等有關(guān)。為提高收獲效率，元胡攫取推土鏟的工作性能改進(jìn)目標(biāo)應(yīng)該以減少收獲阻力為主[1-2]。

傳統(tǒng)的田間試驗(yàn)因?yàn)檫^于費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不易改變相關(guān)參數(shù)?，F(xiàn)采用EDEM離散元[3]軟件，構(gòu)造模擬實(shí)驗(yàn)所需土槽。相關(guān)研究表明在構(gòu)造相關(guān)研究結(jié)果表明，離散元技術(shù)是一種模擬土壤和機(jī)械相互作用的有效分析方法。EDEM 軟件是一種可以研究不連續(xù)體問題的離散元軟件，通過比較真實(shí)的模擬土壤顆粒與收獲裝置的相關(guān)工作，有效的仿真模擬土壤剪切、破碎、混合、移動(dòng)等非連續(xù)現(xiàn)象，通過EDEM所帶的后處理分析功能可以得出攫取裝置的工作阻力[4]。

現(xiàn)設(shè)計(jì)一種元胡攫取推土鏟，通過EDEM建立離散元仿真模[5]，研究不同收獲速度，不同入土角的收獲阻力，選出合適的收獲工作狀態(tài)[6]。

1 元胡攫取推土鏟的設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

現(xiàn)設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)的元胡收獲機(jī)推土鏟，包括鏟板，所述鏟板兩端分別固定焊接有兩個(gè)側(cè)板，所述兩個(gè)側(cè)板的一側(cè)分別與鏟板的兩端通孔連接，下通孔為圓弧形可調(diào)節(jié)連接孔，可以通過不同連接方式調(diào)節(jié)不同的入土角，鏟板的一個(gè)側(cè)邊均勻設(shè)置有方形鏟齒，所述方形鏟齒之間的凹槽處還設(shè)置有長(zhǎng)孔活動(dòng)通孔連接鏟板和鏟齒，通過調(diào)節(jié)通孔連接位置可以調(diào)節(jié)挖掘深度。

圖1 可調(diào)節(jié)元胡推土鏟

1.2 參數(shù)確定

可調(diào)節(jié)元胡推土鏟的主要參數(shù)包含鏟板長(zhǎng)度L, 鏟板寬度B，圓弧形活動(dòng)連接孔調(diào)節(jié)角度r，鏟齒與鏟板可調(diào)節(jié)連接孔長(zhǎng)度l，方形鏟齒寬度b，方形鏟齒長(zhǎng)度h。根據(jù)元胡收獲機(jī)械的尺寸設(shè)置鏟鏟板長(zhǎng)度L=210mm,鏟板寬度B=1400mm。圓弧形可調(diào)節(jié)連接孔角度 取值范圍為20°～30°之間，可以通過調(diào)節(jié)側(cè)板與鏟板的圓弧形連接孔連接位置，調(diào)節(jié)鏟板入土角度入土角度。鏟齒與鏟板可調(diào)節(jié)連接孔長(zhǎng)度l=15mm?？梢酝ㄟ^鏟齒與鏟板可調(diào)節(jié)連接孔的連接位置調(diào)節(jié)挖掘深度。鏟板上分布12 個(gè)方形鏟齒，鏟齒寬度B=50mm,長(zhǎng)度h=95mm。通過給鏟板增加活動(dòng)鏟齒增加破土能力。

2 EDEM 離散元仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 離散元模型的建立

由于元胡收獲過程時(shí)元胡推土鏟與土壤的相對(duì)速度較低，且土壤之間具有粘結(jié)力，因此土壤和元胡推土鏟作用選擇軟球模型。本研究采用Hertz-Mindlin 相關(guān)理論建立土壤顆粒與雙翼式深松鏟離散元仿真模型。根據(jù)Hertz 接觸理論，仿真模型中相關(guān)參數(shù)可通過剪切模量G(pa)及楊氏彈性模量E 計(jì)算求出，且在碰撞過程中將顆粒視為各向同性材料。

根據(jù)材料力學(xué)可知，剪切模量G(pa)、楊氏彈性模量E 和泊松比v',給出其中2 個(gè)參數(shù)即可確定第3 個(gè)參數(shù)[7]，仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真模型主要參數(shù)

2.2 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

影響元胡推土鏟工作性能的參數(shù)可以分為結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)兩種。進(jìn)行仿真試驗(yàn)時(shí)，將元胡推土鏟收獲時(shí)的工作阻力作為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。保證挖掘深度d=80mm 不變，以入土角度α，掘進(jìn)速度υ 為實(shí)驗(yàn)因素，進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)。入土角度α 分別采取20°、25°、30°三個(gè)水平，掘進(jìn)速度υ 分別采取0.7m/s、1.1m/s、1.5m/s 三個(gè)水平。首先使用Creo 創(chuàng)建可調(diào)節(jié)元胡推土鏟三維立體模型，用IGES 將其導(dǎo)出保存。每組仿真實(shí)驗(yàn)開始后，然后將此模型導(dǎo)入EDEM中，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，然后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

首先打開EDEM2018 軟件選擇New project 創(chuàng)建新文件,在Bulk Material 中設(shè)置土壤顆粒相關(guān)參數(shù)，在Equipment Material中設(shè)置元胡推土鏟相關(guān)參數(shù)，然后在Geometries 中創(chuàng)建土槽，設(shè)置顆粒工廠生產(chǎn)土壤。等土壤顆粒生成完畢。再進(jìn)入analyst 中選擇File 中的Export 選項(xiàng)Simulation Deck 導(dǎo)出土壤模型。在新導(dǎo)出的土壤模型中，再geometries 導(dǎo)入元胡推土鏟IGS 模型，設(shè)置入土角，挖掘深度，掘進(jìn)速度之后開始進(jìn)行仿真挖掘。仿真過程結(jié)束之后，進(jìn)入EDEM軟件的后處理模塊，導(dǎo)出后處理結(jié)果。如此依次設(shè)置不同的工作因素，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

由于元胡推土鏟開始進(jìn)入和離開土壤模型是不滿足挖掘深度條件，不滿足仿真設(shè)計(jì)值，仿真數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，因此進(jìn)行設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理時(shí)，選擇符合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)據(jù)值。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 元胡推土鏟工作阻力仿真曲線

表2 仿真運(yùn)動(dòng)阻力平均值

當(dāng)元胡推土鏟以一定掘進(jìn)速度運(yùn)行，從進(jìn)入土壤模型開始，工作阻力從0 開始增大，推土鏟全部進(jìn)入土壤模型中之后工作阻力逐漸上升，隨著時(shí)間的推移逐漸趨于穩(wěn)定。通過分析可得，在20°入土角時(shí)，分別在0.7m/s，1.1m/s，1.5m/s 的掘進(jìn)速度下工作，平均工作阻力為分別為2236.746465N 和2427.624827N 和2514.481939N，在25°入土角時(shí)，分別在0.7m/s，1.1m/s，1.5m/s的掘進(jìn)速度下工作，平均工作阻力為分別為3899.83N 和3980.612276N 和3854.298673N。在30°入土角時(shí)，分別在0.7m/s，1.1m/s，1.5m/s 的掘進(jìn)速度下工作，平均工作阻力為分別為3389.018283N 和3683.119486N 和3850.018878N。

通過圖像可以分析出25°入土角時(shí)，入土瞬間掘進(jìn)阻力在三種不同掘進(jìn)速度中是三個(gè)不同入土角入土瞬間掘進(jìn)阻力最大的，且工作時(shí)掘進(jìn)阻力變化波動(dòng)最大。因此該種元胡攫取推土鏟選擇入土角不要選用25°入土角。選擇30°入土角時(shí)，三種不同速度下平均工作阻力都比20°入土角時(shí)的平均工作阻力高1000N 以上。因此選用20°入土角工作為好。在20°入土角工作時(shí)，隨著掘進(jìn)速度增加工作阻力略有升高，1.1m/s 掘進(jìn)速度相比0.7m/s 掘進(jìn)速度平均阻力升高190.878362N，1.5m/s 掘進(jìn)速度相比1.1m/s 掘進(jìn)速度平均阻力升高86.857112。采用1.5m/s的掘進(jìn)速度工作效率升高而且工作阻力較小。

4 結(jié)論

對(duì)元胡攫取推土鏟進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，可以比較直觀的表現(xiàn)出推土鏟在不同入土角，不同掘進(jìn)速度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與受力狀態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)此種元胡攫取推土鏟在1.5m/s 掘進(jìn)速度，20°入土角的工作狀態(tài)下，工作阻力最小，工作效率最高且最早達(dá)到工作平穩(wěn)狀態(tài)。