連桿自鎖式花生拔采機的設計與有限元分析

李 競，畢 偉，蘆 迪，黎毓鵬，許海浪

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004 )

連桿自鎖式花生拔采機的設計與有限元分析

李 競，畢 偉，蘆 迪，黎毓鵬，許海浪

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004 )

設計了一種連桿自鎖式花生拔采機，可實現花生機械化拔起采摘的功能。通過對個體農戶人工采摘花生現狀的分析，給出了花生拔起動作和采摘工藝流程，設計出一種適合大面積花生拔起采摘機，利用UG建立三維模型導入ADAMS和MATLAB進行仿真，并利用ANAYS進行有限元分析，最后進行研制。該拔起采摘機可以高效完成花生拔起采摘動作，關鍵部件滿足強度和剛度要求，并能適應花生在播種過程中存在的直線誤差問題，實現了多自由度的拔采，對提高大面積花生采摘效率、減少勞動強度具有重要意義。

花生拔采機；連桿自鎖式；有限元分析；ANAYS

0 引言

花生是一種具有良好食用價值、藥物價值及食療價值的農作物，需求量極大。當前的拔采工作在個體農村戶中都是以人工的方式進行，其工作量和勞動強度都是十分巨大，且單人的勞動效率不高。由于工作條件與工作強度的雙重問題，農民極易發生各種不適的反映，甚至因此烙下病根。為解決上述問題，本文提出一種連桿自鎖花生拔采機。為使該機結構合理、輕巧牢固、操作方便，需引進更加合理、先進的設計方法。因此，利用UG建立三維模型，將模型導入基于虛擬樣機技術平臺上進行仿真與分析，在未真正生產出真實的物理樣機之前就對其進行仿真模擬，提前知道產品的各種性能，并利用ANAYS對重要零件進行剛度和強度分析，驗證其是否滿足工作要求，防止各種設計缺陷的存在，對系統的結構進行優化，以改善其工作性能，并提高其可靠性。最后，進行了機器的研制和試地試驗，結果表明：連桿自鎖花生拔采機可以高效地完成花生簇拔起采集動作，能適應花生在播種過程中存在的直線誤差問題，實現了多自由度的拔采，對提高大面積花生采摘效率、減少勞動強度具有重要意義。

1 工作原理和結構設計

1.1 連桿自鎖式花生拔采機的工作原理

花生拔采機為半機械化機械，其主要動力是來自于人力。該機械在田地的行走機構靠人力推動，到達一簇花生的位置后操縱手桿，四連桿帶動剪叉機構使得夾具收攏，最終夾緊花生簇。為了提高可提供的拔采的摩擦力和拔采過程中出現因花生桿變形過大斷裂的現象，在夾具的前端與花生桿直接接觸的地方套有橡膠套。在夾具夾緊花生桿后，用過壓旋轉手桿式的夾具繞著支撐板的中心向上旋轉，以實現花生的拔采動作。在花生種植的過程中，由于是人工種植，單行花生簇的所在位置不在一條直線上，相似于波浪線，為增加花生拔采機的適應性，可通過在水平方向旋轉手桿實現夾具在水平方向有一定的擺動范圍。為適應使用者的自身高度，可以松開固定螺釘調節旋轉手桿與調節螺桿的相對位置，以實現花生拔采機的高度可調性，增加對使用者的適應性。

1.2 桿自鎖式花生拔采機主要機構設計

連桿自鎖式花生拔采機包括行走機構、夾持機構及連桿自鎖機構，利用UG建立三維模型，如圖1所示。

2 連桿自鎖式花生拔采機的運動學分析

2.1 花生力學性能分析

在花生采摘的過程中，拔采機通過夾緊花生簇的莖部將花生簇拔起，花生簇在被夾緊和拔起的過程中主要受到剪切力和拉伸力的作用。此過程采摘的成功率和花生損壞率一直是收獲的主要問題，剪切力和拉伸力對采摘成功率和花生損壞率產生直接影響。對花生莖、根進行力學性能的試驗和分析，可為夾持機構對夾緊花生的夾緊力和拉伸力的確定提供理論依據。

花生力學性能主要體現在組織含量和纖維含量，莖纖維致密可以更好承受拉伸力和剪切力。花生莖稀疏的部位在拔起過程中容易被折斷，容易造成較大的收獲損失。為此，利用深圳鑫三硅檢測有限公司制造的萬能試驗機(模型：ctm-4503；規格：5 kN；精度等級：0.5級)對花生莖節點的位置的拉伸阻力和剪切力進行測試，部分結果如表1所示。

圖1 整體結構示意圖Fig.1 Physical picture表1 花生莖的拉伸應力和剪切力的部分試驗結果

樣本件號采摘時間/天莖固有含水量/%夾持高度/mm臨界張力/N臨界剪切力/N1148.7343.629.1423.432446.37120.732.6025.763839.94216.439.7328.9341226.74116.154.1437.16

續表1

利用MatLab擬合工具箱，擬合出最大拉伸力Ft與時間t的關系為

Ft=-0.0706t2+3.1469t+19.157

(R2=0.8415,Sig.=0.015478)

最大剪切力Fs與時間t的關系為

Fs=-0.0614t2+2.8461t+31.158

(R2=0.8724,Sig.=0.01749)

假設花生在最佳收獲期被采摘，此時花生的固有含水量較高，莖節點和根節點的抗拉和抗剪性能達到最高，根據花生莖的力學模型得

Fmax=[σ]·S(S=πd2/4)

2.2 連桿自鎖式花生拔采機夾持機構運動學分析

將三維模型導入ADAMS中進行加持機構進行動力學仿真，得到夾持機構左右夾具4個極點A、B、C、D的位移曲線。將仿真結果導出MatLab中，得到總體運動軌跡：一是單次夾具有效夾緊范圍；二是夾具夾緊位置在水平方向的旋轉范圍。

2.2.1 連桿自鎖式花生拔采機單次有效范圍分析

將夾緊過程仿真數據導入MatLab 進行分析，可得到夾具有效范圍圖如圖2所示。

圖2 花生拔采機單次夾具有效范圍圖Fig.2 Peanut mining machine single fixture range diagram

如圖2可知：其封閉曲線的所圍成的封閉圖形即為花生拔采機的單次夾具有效范圍，有效范圍面積約為312mm2。這說明，其范圍相對一簇花生所占面積大得多，是可行的。

2.2.2 連桿自鎖式花生拔采機的水平旋轉范圍分析

將兩個極限位置仿真數據導入MatLab 進行分析，得到該機械工作部分在水平面上的旋轉范圍圖如圖3所示。

圖3 花生拔采機極限位置圖Fig.3 Peanut mining machine limit position diagram

由圖3可知：花生拔采機工作部分可使得夾緊位置左右旋轉9.5°，則其水平旋轉范圍為19°，對于因種植過程中導致的花生簇不再同一直線上的誤差有足夠的適應度。

3 連桿自鎖式花生拔采機的有限元分析

3.1 導入三維模型和建立材料屬性

將用UG建立的三維模型導入有限元分析軟件Ansys Workbench16.2中，設定材料為45鋼，其彈性模量為2.1e11MPa，泊松比為0.3，通過Workbench的Engineering Data模塊進行材料屬性編輯。

3．2 劃分網格和設置連接

首先通過size功能定義網格尺寸，采用六面體和四面體兩種方法分別對不同的部件進行劃分，最終的有限元網格模型如圖4所示。其網格總數為87 626，節點總數為427 258。對整個機構添加完整的零件接觸約束，包活滑動副、轉動副以及固定副。模型如圖4所示。

圖4 花生拔采機有限元模型Fig.4 Peanut mining machine finite element model

3.3 施加載荷

拔采機加載花生莖節點上的作用力為夾持力及拉力，因此花生莖節點對花生拔采機的反作用力為：在拔起過程中，花生對機器豎直向下的反作用力經試驗計算為64.76N；另一種是機器夾緊花生莖節點時所受花生的反作用為45.25N。

3.4 有限元計算結果分析

經有限元計算，最終的結果如圖5所示。

圖5 花生拔采機等效應力云圖Fig.5 Equivalent stress cloud of peanut mining machine

3.4.1 夾持機構有限元結果分析

夾持機構的等效應力云圖和應變云圖如圖6所示。經有限元計算，夾持機構的最大應力為311.77MPa，小于45鋼的屈服強度385MPa；最大應變為0.001 75mm/mm，小于許用應變。因此，夾持機構滿足剛度和強度要求。

圖6 夾持機構等效應力和應變云圖Fig.6 Equivalent stress and deformation cloud of clamping mechanism

3.4.2 連桿自鎖機構有限元結果分析

連桿自鎖機構的等效應力云圖和應變云圖如圖7所示。

圖7 連桿自鎖機構等效應力和應變云圖Fig.7 Equivalent stress and deformation cloud of rod self-locking mechanism

經有限元計算，連桿自鎖機構的最大應力為198.4MPa，小于45鋼的屈服強度385MPa；最大應變為0.000 995mm/mm，小于許用應變。因此，連桿自鎖機構滿足剛度和強度要求。

4 連桿自鎖式花生拔采機的研制和實際測試

4.1 連桿自鎖式花生拔采機的研制

通過分析可知，花生拔采機具有良好的工作可靠性及良好的適應性，可運用仿真過程中個零件尺寸進行試制與實驗。花生拔采機實物拍攝圖8所示。

圖8 花生拔采機實物拍攝圖Fig.8 Peanut mining machine photo graph

4.2 試驗

4.2.1 試驗對象及條件

選用南寧市宏利花生種植農民專業合作社種植的花生，品種為粵選58號，土壤類型為沙壤土，種植形式為平作，行距為300mm,株距平均為180mm,平均株高為380mm,結果深度為50～120mm。

4.2.2 試驗指標

試驗指標包括生產率、花生秧含土率、果實損失率、收獲寬幅，根據《中華人民共和國農業行業標準—花生收獲機作業質量》(NY/7502-2002)進行測定。

1)生產率的測定。測出拔采機收獲花生果的質量，按照E=W/T進行計算 。其中，E為生產率；W為采集的果實重量；T為純工作時間。

2)花生秧含土率。測定收獲花生秧的質量和花生秧上土壤的質量，按照H=Mt/M進行計算。其中，Mt為所含土壤的質量，M為花生秧的質量。

3)果實損失率。測定收獲花生果實的總質量和破損花生果實的質量，按照S=Ms/M進行計算。其中，MS為破損花生果實的質量；M為收獲花生果實的總質量。

4.2.3 結果與分析

花生拔采機的試驗結果如表2所示。由性能考核技術參數可知：該拔采機作業性能較好，生產率為102kg/h，花生秧含土率為14.8%，果實損失率為3.6%，均優于行業標準 NY/7502-2002，滿足生產要求。

表2 性能考核技術參數

5 結論

通過仿真、有限元結果分析及試驗可知：花生拔采機關鍵部件滿足強度和剛度要求，具有良好的工作可靠性和良好的適應性；實際的工作效率較高，技術參數均優于行業標準；在滿足農民個體戶生產效率的同時減少勞動力和勞動強度，可實現花生拔采工作的半人力半機械化的目標。

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Design and Finite Element Analysis of Connecting Rod Self-locking Peanut Mining Machine

Li Jing, Bi Wei, Lu Di, Li Yupeng， Xu Hailang

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Objective Design and research a connecting rod self-locking peanut mining machine to achieve function of pulling up peanut to picking mechanically. Methods Through the analysis on the current status of artificial picking peanut for individual farmers, the technological process of picking and the action of pulling up was analyzed, a peanut mining machine fitting for large area peanut was designed. Using UG to establish a three-dimensional model and using ANAYS to carry out finite element analysis, the machine is tested finally. Results The machine can efficiently complete the picking action of the peanut. Conclusion this machine has good adaptability, implementation of mining multi degree of freedom with a wide range of purposes, realizing the peanut mining work do pull machine. To improve the efficiency of large areas of peanut harvesting, reduce labor intensity is of great significance.

peanut mining machine; connecting rod self-locking; finite element analysis; ANAYS

2016-10-13

廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室項目(15-14030S007)；廣西大學國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201510593004)

李 競(1972-)，女，廣西桂林人，副教授，(E-mail)57284114@qq.com。

黎毓鵬 (1971-)，男，廣西桂平人，工程師，(E-mail)1535868481@qq.com。

S225.7+3

A

1003-188X(2017)12-0048-05