馬鈴薯輸送線動堆積角與輸運效率優化分析計算

程鵬飛，于文強，李學強，孫　軍

(1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博　255000；2.樂陵市天成工程機械有限公司，山東 樂陵　253600)

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馬鈴薯輸送線動堆積角與輸運效率優化分析計算

程鵬飛1，于文強1，李學強2，孫軍1

(1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博255000；2.樂陵市天成工程機械有限公司，山東 樂陵253600)

摘要：中國是世界上馬鈴薯總產最多的國家，且在2015年啟動了馬鈴薯主糧化戰略，然而我國卻還處在以人力為主的半機械化狀態，針對馬鈴薯播種、收獲及分選輸運的機械結構及優化設計研究甚少。馬鈴薯在運輸過程中輸送裝置的提升角度與輸送速度是影響輸運效率和馬鈴薯破皮率的重要因素，通過有限元方法分析馬鈴薯輸送裝置動堆積角與輸送速度之間的關系，確定動堆積角與輸送速度的最優參數，旨在對提高馬鈴薯的輸送效率和減少馬鈴薯的破皮率提供參考。

關鍵詞：馬鈴薯；動堆積角；有限元；破皮率；輸送速度

0引言

農業生產中，馬鈴薯表皮破損極易使受損組織發黑變質，影響貯存。一些調查者在英國665個農場對馬鈴薯損傷情況進行調查，發現表皮損傷占23%，內部損傷占13%。Brook估測每1%的表皮損傷就代表著英國馬鈴薯750萬美元的損失，因此減少馬鈴薯的表皮損傷，可以減少農場的經濟損失[1]。然而，馬鈴薯表皮損傷主要發生在運輸過程中馬鈴薯與皮帶之間的挫傷損害，所以研究馬鈴薯輸送裝置的堆積角與輸送速度之間的關系，對提高馬鈴薯質量有著重大意義。

輸送裝置在工作過程中依據動堆積角取值范圍設定的提升角度，理論上對應于一個最佳的輸送速度，既能將馬鈴薯的表皮破損減少到最小，又能做到馬鈴薯最大輸送效率。因此，找出馬鈴薯輸送裝置動堆積角與輸送速度之間的關系，對提高馬鈴薯的輸送效率有著重大意義。

1輸送裝置模型及工作原理

皮帶線在礦山、物料輸送中存在很多種傳動方式，本文所要分析的平帶輸送機構，其主要特點是成本低、結構簡單，以及具有良好的彈性和撓度、輸送距離大和傳動平穩等優點。

輸運裝置如圖1所示。工作過程中，通過調節托架上的千斤頂來改變輸送裝置的提升角度，以便裝車或入庫；輸送帶在實際工作過程中依據馬鈴薯動堆積角取值范圍進行調節。電機輸出動力通過鏈條使得主動滾筒轉動，通過主動滾筒與輸送帶之間的摩擦力從而帶動輸送帶運動，此時可通過調節電機的轉速來改變輸送帶的傳送速度。圖1中所示兩前輪呈“八”字形設置，以防止調節提升角度以及運輸速度改變時時輸送裝置發生前后移動。輸送裝置實物如圖2所示。

1.電機　2.鏈條　3.輸送帶　4.輸送架收縮外壁　5.千斤頂位置處

2運送馬鈴薯時的運動分析

已知農業機械中馬鈴薯與輸送帶的摩擦因數為0.6；輸送速度v不超過2m/s；輸送裝置堆積角不超過30°。

圖2　輸送裝置實物

圖3　受力分析簡圖

已知輸送裝置堆積角與輸送帶速度v均為變參數，采用控制變量法，得出速度一定時輸送裝置堆積角與相對滑動位移的關系如圖4所示。

(a)　v=0.4m/s

(b)　v=0.6m/s

(c)　v=0.8m/s

(d)　v=1.0m/s

(e)　v=1.2m/s

(f)　v=1.4m/s

不同速度時，堆積角與滑動位移曲線關系如圖5所示。

圖5　滑動位移一定時不同速度對應的最大堆積角曲線圖

由經驗可知：馬鈴薯與輸送帶相對滑動的位移不要超過0.4m，否則導致馬鈴薯的表皮磨損。

3有限元模擬分析

3.1建立模型

首先用三維軟件建立處幾何模型圖，本模型是由SolidWorks軟件建模，馬鈴薯的大體尺寸是跟實際情況相同的，取得樣本中馬鈴薯的均值，模型如圖6所示。因為只分析馬鈴薯在輸送帶上的運動情況，將模型簡化為如圖7所示的模型。這樣不僅可以減少后面的仿真計算，也可以減少一些約束的添加，從而提高分析精度。

圖6　實際建立的模型圖

圖7　簡化后的模型圖

3.2賦予模型材料

確定馬鈴薯密度為1 100kg/m3，彈性模量為2×106，泊松比為0.25，輸送帶材料采用的是“Neoprene Rubber”(氯丁橡膠)。

3.3添加約束條件

設置輸送帶與馬鈴薯之間的摩擦因數為0.6，給馬鈴薯添加一豎直向下的重力，給輸送帶一傾斜向上的變參數速度值，同時堆積角度也設置為變參數值，約束后的狀況如圖8所示。

圖8　添加約束條件

3.4劃分網格

因馬鈴薯形狀不規則，采用的四面體劃分網格的方法，輸送帶則采用的六面體劃分網格法，劃分網格如圖9所示。

四面體劃分網格主要有兩種方法：TGRID算法與ICEM CFD Tetra算法。基于TGRID算法其主要特點是劃分網格以此從邊、面、體的順序劃分；劃分網格時都要考慮模型的面以及邊界，包括邊界層上網格的設置；同一個模型可以有不同的網格類型；適用于比較“干凈”的模型?；贗CEM CFD Tetra算法主要特點是劃分網格以此從模型的體、面、邊順序劃分；適用于比較“爛”的模型；模型的面以及邊界等的影響往往可能被忽略，對馬鈴薯的劃分采用的是ICEM CFD Tetra算法。

六面體劃分網格也稱為“Hex Dominant”網格劃分，算法是在外表面生成一個平面網格，然后經過向內拖拉形成塊或錐，最后再在內部添加錐形的四面體網格，輸送帶則采用的六面體劃分網格法。

圖9　劃分后的網格

3.5求解計算輸出結果

根據理論計算得出的一定速度時的最大堆積角，來確定輸送帶的參變量速度與其對應的最大堆積角，輸出結果如圖10所示。

圖10　輸出馬鈴薯相對滑動的位移云圖結果

理論計算與仿真結果對比如表1所示。

表格中的誤差分析公式為

4結論

以馬鈴薯與輸送帶為研究對象，利用三維軟件SolidWorks、ANSYS Workbench有限元軟件分析軟件進行動力學分析，分別在輸送帶速度分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4m/s，堆積角相對應分別為30°、29°、27°、24°、22°、19°時,分析馬鈴薯相對滑動的位移。分析結果表明：

1)輸送帶的速度過大時，其輸送裝置堆積角應該相應減小一些，這樣堆積角在一定范圍內變化既能保證輸送效率，也能減少馬鈴薯相對滑動的距離，從而減少馬鈴薯表皮的磨損。

2)經過計算與仿真得出：堆積角調至到30°時，對應的最佳輸送速度為0.4m/s。同理，堆積角調至29°、27°、24°、22°、19°時，對應的最佳輸送速度分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4m/s。分析誤差范圍在2%～6%之間，理論上應用該數據是可行的。

3)通過有限元模擬對分析馬鈴薯與輸送帶之間的運動狀態有著十分重要的意義，既避免了試驗中輸送裝置繁瑣的角度調整與大量參數的測量，又能直觀地將結果以云圖形式呈現出來，便于取值分析。

參考文獻：

[1]張建華,金黎平,謝開云,等.馬鈴薯塊莖損傷及損傷評價的研究進展[C]//2005年全國馬鈴薯產業學術年會論文集，2005.

[2]屈冬玉,謝開云,金黎平,等.中國馬鈴薯產業與現代農業[J].農業技術與裝備,2007(7):4-7.

[3]趙潤良.2BMF-1馬鈴薯播種機的研制[J]. 農機化研究,2012,34(10):100-102.

[4]王文騰.中國馬鈴薯產業化的發展現狀與政策研究[D].武漢：華中師范大學,2012.

[5]趙萍,李春雷,張軼,等.馬鈴薯生產加工現狀及發展前景[J].蘭州理工大學學報,2003,29(1):76-80.

[6]浦廣益.ANSYS Workbench基礎教程與實例詳解(2版)[M].北京：中國水利水電出版社，2013：49-52.

The Analysis between Dynamic Pile Angle and Transportation Speed on the Transportation Equipment of Potatoes

Cheng Pengfei1, Yu Wenqiang1, Li Xueqiang2, Sun Jun1

(1.School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000,China; 2.Leling Transce Engineering Machinery Co.,Ltd, Leling 253600,China)

Abstract：Currently, the output of potatoes in china is the first in the world,and starting a strategy of making potatoes become staple food either.However,China is still very much a semi-mechanization and labor force country.The mechanical design and optimization of the potato is still poor.While potatoes are being transported,the relationship between dynamic pile angle and transportation speed has an obvious influence on the rate of skin destruction.Analysis the relationship between the two factors and get the best combination by finite element software that has an important significance on the transportation efficiency, and can reduce the rate of skin destruction.

Key words：potatoes; dynamic pile angle; finite element; rate of skin destruction; transportation speed

文章編號：1003-188X(2016)07-0095-05

中圖分類號：S225.7+1

文獻標識碼：A

作者簡介：程鵬飛(1990-)，男，山東德州人，碩士研究生，(E-mail) 872989864@qq.com。通訊作者：于文強(1976-)，男，天津人，副教授，碩士，(E-mail) yyu2000@126.com，13581021304。

基金項目：山東省重點研發計劃項目(2015GNC112012)

收稿日期：2015-06-22