板藍根收獲機挖掘裝置設計與有限元分析*

吳家安，李向軍，高明宇，常傳義，劉恩宏

(哈爾濱市農業科學院,哈爾濱市,150029)

0 引言

板藍根有20多種醫用化學成分,是清熱解毒、抗菌消炎的傳統中草藥,藥用價值較高;還含有多種抗病毒物質,對肝炎病毒、腮腺炎病毒、流行性感冒病毒等均有較強的抑制和滅殺效果[1-2]。2019年12月以來新冠病毒(2019-nCoV)疫情爆發,中醫、中藥在控制疫情過程中發揮了巨大的作用,《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案(試行第1～7版)》及各省推薦中醫藥治療方案中,板藍根對于新冠病毒都有明顯的抑制效果[3]。目前,板藍根的市場需求量以年遞增在15%以上[4]。但是板藍根機械化程度不高,收獲過程中以人工為主,勞動強度大,作業效率低,在東北地區還存在收獲不及時,使板藍根受到霜凍影響,導致減產和經濟損失。隨著近年來勞動力流失嚴重,還存在人力成本劇增的問題。因此,板藍根收獲機的研制變成了亟待解決的問題。

國內學者針對根莖類作物的收獲已經有扎實的研究基礎,崔中凱等[5]采用4U-750牽引式甘薯收獲機,對甘薯等塊莖類作物的起收作業進行研究;劉瀟等[6]基于振動式馬鈴薯挖掘機,通過增加振動裝置來解決馬鈴薯起收過程中薯、土分離不徹底的問題;楊小平等[7]基于4U1600型集堆式馬鈴薯挖掘機,采用階梯式挖掘鏟、二級升運鏈和集薯箱等創新方式有效提高了馬鈴薯收獲的效率和篩凈率;張兆國等[8]提出以自走式履帶式底盤、全液壓動力系統的方式起收三七作物。綜上所述,目前我國已經研究的根莖類收獲機械都是針對塊莖類作物研制,其作物根莖直徑一般處于4～10 cm之間,質地較硬。板藍根根莖直徑2～3 cm,長20～30 cm,體實,質略軟,一般種植在沙壤土中[9],與現有根莖類作物都有較大差異,所以針對目前缺少專用的板藍根收獲機械的問題,需要根據板藍根生長特點做相應的設計。

針對該問題,結合現有的根莖類挖掘裝置結構特點,根據板藍根的農藝特點,設計制造一種板藍根收獲機,重點對挖掘鏟進行設計,并采用有限元分析法對其進行靜力學分析,最后進行試驗驗證。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構及技術參數

板藍根收獲機整機結構如圖1所示。

圖1 板藍根收獲機總體結構圖Fig. 1 General structure diagram of Radix Isatidis root harvester1.集藥鋪放裝置 2.后驅動輪 3.限位地輪 4.大塊土壤破碎裝置 5.升運分離裝置 6.機架 7.變速箱 8.懸掛裝置 9.挖掘裝置

板藍根收獲機主要由挖掘裝置、懸掛裝置、變速箱、機架、升運分離裝置、大塊土壤破碎裝置、限位地輪、后驅動輪、集藥鋪放裝置等構成。該機具主要設計參數如表1所示。

表1 主要設計參數Tab. 1 Main design parameters

1.2 工作原理

板藍根收獲機與拖拉機采用三點懸掛的方式掛接,挖掘與升運分離動力都由拖拉機提供。收獲作業時,鋸齒形挖掘鏟在拖拉機牽引力的作用下切入壟下土壤深處,隨著機具向前運動,土壤、板藍根混合體(后稱混合體)受挖掘鏟反作用力推動沿挖掘鏟表面向機具后上方位運動,挖掘鏟后柵條在將混合體破碎的同時進行第一級土、藥分離;隨機具前進,混合體上升至升運分離裝置,升運分離裝置通過劇烈抖動將混合體破碎實現第二次土、藥分離,并同時升運至機具后方;在升運過程中,有大塊混合體通過撞擊大塊土壤破碎裝置進一步破碎;最后大部分土壤通過升運鏈條間隙落入地上,板藍根及少量剩余土壤則通過后驅動輪的離心力作用拋至集藥鋪放裝置上,剩余土壤落至地上,板藍根順著集藥柵條滑落至指定區域。

2 挖掘裝置設計

2.1 挖掘裝置結構及工作原理

板藍根收獲機挖掘裝置如圖2所示,主要由挖掘鏟、掛接板、碎土柵條、支撐管組成。

圖2 挖掘裝置結構圖Fig. 2 Structure diagram of excavation device1.支撐管 2.碎土柵條 3.掛接板 4.挖掘鏟

挖掘裝置通過掛接板上的安裝孔與機架的兩側側板固定;作業時,在拖拉機牽引力作用下,挖掘鏟深入壟下,土壤和板藍根的混合體受挖掘鏟反作用力推動沿挖掘鏟向機具后上方位運動;挖掘鏟后設計的碎土柵條與挖掘鏟存在一定角度,增強挖掘鏟裝置的碎土功能,在將混合體破碎的同時進行第一級土、藥分離。

2.2 挖掘鏟的主要結構尺寸

挖掘鏟是挖掘裝置的核心,挖掘鏟既要減小入土阻力,又要保證一定的碎土能力,同時還要使土壤、板藍根混合體能順利輸送到后面的升運分離裝置上[10-14]。因此,挖掘鏟在后方增加了碎土柵條,其與挖掘鏟構成了一個“v”型曲面,兼顧了入土和碎土性能,如圖2所示。

挖掘鏟的參數主要有挖掘鏟寬度b、挖掘鏟面入土角α及鏟面長度l。

1) 挖掘鏟寬度b。該機具作業行數為2行,幅寬為1 300 mm,因此挖掘寬度設定在1 300 mm,為解決考慮到兩側側板的入土問題,鏟面兩側伸出部分將側板包住,因此總寬為1 328 mm。

2) 入土角α。挖掘鏟面土壤、板藍根混合體的受力分析如圖3所示。

圖3 挖掘鏟面土壤、板藍根混合體受力分析簡圖Fig. 3 Stress analysis diagram of soil and Radix Isatidis mixture on excavation shovel surface

入土角α的大小直接影響挖掘鏟的入土能力、碎土能力、挖掘阻力的大小及土壤和板藍根的混合體提升的高度。根據混合體移動條件導出入土角的許可公式如式(1)所示。

(1)

式中:P——混合體沿鏟面移動所需要的力,即鏟面對土壤、板藍根混合體的反作用力,N;

G——鏟面混合體的重力,N;

N——鏟面對混合體的支持力,N;

F——鏟面對混合體的摩擦力,N;

μ——混合體與鏟面的摩擦系數,μ=0.577～0.721[15]。

計算可得

(2)

為提升挖掘鏟的入土性能,在牽引力不變的情況下將挖掘鏟設計成鋸齒形狀,由多個三角形等距排列,減小了受力面積,增大挖掘鏟入土壓強,能有效提升入土性能。

3) 鏟面長度l。合適的鏟面長度可以在低功耗的前提下實現土壤的破碎,有利于板藍根根系脫土[16]。運動分析如圖4所示。

圖4 挖掘鏟面土壤混合體運動分析簡圖Fig. 4 Analysis sketch of soil mixture movement on excavation shovel

由圖3、圖4可知,土壤混合體在初始階段合速度為v0,其分速度vc為機車行走速度,vb為土壤混合體沿鏟面方向位移速度,當土壤混合體抬升至鏟面頂端時,合速度v′為0,此過程中動能轉化為重力勢能和摩擦力做功,因此可得出式(3)。

(3)

式中:H——鏟頂高,mm;

v0——土壤混合體初速度,m/s;

v′——土壤混合體結束速度,m/s。

由圖(4)可知

v0=vc·tanα

(4)

式中:vc——機車行走速度,取0.8～1.6 m/s。

綜合式(1)、式(3)、式(4)可知

(5)

由式(5)計算得出l≤420 mm,綜合實際作業情況,選取245 mm,加碎土柵條長343 mm。

3 基于SolidWorks的挖掘鏟有限元分析

板藍根挖掘鏟是該機具的核心工作部件,挖掘鏟的好壞直接關系到板藍根收獲機的挖掘效果、作業效率。挖掘鏟在作業過程中受土壤混合體的反作用力較大,容易造成變形,從而影響作業效果。因此本文采用SolidWorks中的Simulation插件對挖掘裝置進行有限元分析,以此檢測挖掘鏟的設計與材料選擇是否合理,并在此基礎上作出對應的優化。

3.1 構建模型

按前文設計,利用SolidWorks軟件建模得到模型如圖5所示,考慮到挖掘鏟受阻力大、摩擦嚴重的情況,在此選擇耐磨性和抗拉強度高的材質65 Mn,質量密度7.82×103kg/m3,彈性模量197 GPa,泊松比0.282,抗剪模量79 GPa,抗拉強度980 MPa,屈服強度430 MPa。

圖5 挖掘鏟模型圖Fig. 5 Model drawing of excavation shovel

3.2 施加約束及載荷處理

1) 在挖掘鏟安裝孔施加固定約束,網格模型如圖6所示。

圖6 挖掘鏟網格模型Fig. 6 Excavation shovel mesh model

2) 挖掘鏟作業過程中,主要受機具牽引力、鏟面上土壤混合體正壓力、土壤混合體與鏟面摩擦力、因土壤混合體粘性而產生的附著力作用。由于該機具采用固定式挖掘鏟,挖掘鏟與機架屬于剛性連接,因此在作業過程中機具振動產生的載荷與土壤剪切力都很小,可以忽略。挖掘鏟受力簡圖如圖7所示。

圖7 挖掘鏟受力分析簡圖Fig. 7 Stress analysis diagram of excavation shovel

由圖7可知,挖掘鏟理想狀態下均速前進的函數關系

W=N0sinα+μ1N0cosα+CaF0cosα

(6)

式中:W——機具牽引力,N;

N0——鏟面上土壤混合體正壓力,N;

μ1——土壤與挖掘鏟摩擦因數;

Ca——土壤與金屬的附著力因數;

F0——鏟面面積,mm2。

鏟面上土壤混合體正壓力N0與其運動具體情況相關,根據相關研究[14-16],式(6)可以變形為式(7)。

(7)

式中:B——土壤加速力,N;

γ——土壤密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2;

d——挖掘深度,mm;

C——土壤內聚力,N/cm2;

F1——土壤剪切面積,m2;

μ2——土壤內摩擦因數;

β——土壤前失效面傾角,(°);

φ——土壤內摩擦角,(°)。

為能保證挖掘鏟不失效,安全工作。在挖掘機極限工作的條件下進行分析,即挖掘深度最大的黏重土壤條件下分析。在挖掘深度為理論最深的黏重土壤條件下:d為400 mm,γ為1 400 kg/m3;查閱資料[7]顯示C為0.5,φ為18,Ca為5;再代入前文計算的鏟面參數,計算可知W≈2 400 N。將載荷均勻分布于鏟面,如圖6所示。

3.3 劃分網格

采取三角形對挖掘鏟進行網格劃分,單元格尺寸為5 mm,公差為0.25 mm,如圖6所示。

3.4 結果分析

1) 應力分析。由應力云圖(圖8)可知:挖掘鏟受最大應力在值為7.106×107N/m2,位于挖掘鏟與掛接板結合的后面根部;最小值為4.989×102N/m2,位于掛接板頂端前面。挖掘鏟許用應力為4.3×108N/m2,許用應力為最大應力6倍,最大應力遠小于屈服極限,因此符合要求。

圖8 挖掘鏟應力云圖Fig. 8 Stress cloud map of excavation shovel

2) 彈性應變。由應變云圖(圖9)可知:挖掘鏟最大應變為2.135×10-4,位于挖掘鏟與掛接板結合的后面根部,與最大應力重合,最小值為3.012×10-9,位于鏟面中間的鏟尖位置。應變值極小,不影響挖掘鏟的整體結構。

圖9 挖掘鏟應變云圖Fig. 9 Strain cloud map of excavation shovel

3) 位移分析。合位移是挖掘裝置在挖掘作業中在外力作用下的位移情況。由位移云圖(圖10)可知:挖掘鏟最大位移為鏟面中間的鏟尖位置,位移量為1.062 mm,最小位移為安裝孔自下而上第二個孔的位置,位移量極小可忽略不計。為防止作業中長時間變形造成的結構性損傷,在挖掘鏟后方焊接加強筋,重新計算得出圖11,結果為最大位移位置不變,位移量為0.01 mm。相比整機尺寸該位移量很小,可以忽略不計。

圖10 挖掘鏟位移云圖Fig. 10 Cloud image of excavation shovel displacement

圖11 優化后挖掘鏟位移云圖Fig. 11 Nephogram of optimized shovel displacement

綜上所述,挖掘鏟在不加強的前提下能滿足應力、應變要求,不過最大位移量較大,長時間作業有失效的風險,在挖掘鏟后方增加一道梁,位移量從1 mm減小到0.01 mm,能有效減低失效風險。

4 田間試驗與分析

4.1 試驗條件與試驗方法

為了測試板藍根收獲機的性能,驗證作業效果是否能達到設計指標;2020年10月15日于黑龍江省海林市山市鎮進行了驗證試驗。測試前檢測條件如表2所示。

表2 機具測試條件Tab. 2 Test conditions of machine

參照相關的國家行業標準《NY/T 648—2002馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》規定的試驗方法,考慮本文是針對板藍根收獲機挖掘裝置的設計與有限元分析,本文決定在作業速度、挖掘深度為設計最大值的情況下,對挖凈率與損傷率進行測試,進而分析該機型挖掘裝置是否能夠經受耐久性生產考核。

4.2 試驗結果分析

機具測試時固定作業速度為1.6 km/h、挖掘深度為40 cm,測量挖凈率、損傷率,結果如表3所示。并與《NY/T 648—2002馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》對比,發現挖凈率、損傷率均優于國家相關行業標準。

表3 試驗結果Tab. 3 Test results

(8)

(9)

式中:M——板藍根總量,M=M1+M2+M3+M4,kg;

M1——挖掘出可被發現的板藍根總量,kg;

M2——被挖出但埋在土壤內的板藍根總量,kg;

M3——漏挖的板藍根總量,kg;

M4——受傷板藍根總量,kg;

T1——挖凈率,%;

T2——損傷率,%。

機具從2020年10月3日開始在海林地區作業,直至收獲季節結束,除降水造成土壤黏度太大不適合作業以外均在作業。共作業5 hm2,未發現挖掘鏟結構性變形,可見經有限元分析優化的挖掘鏟是能夠經受耐久性生產考核。

5 結論

1) 針對現有板藍根收獲機具存在挖掘阻力大、挖掘鏟面容易壅土的問題,設計了一種板藍根收獲機,該機具一次進地可完成板藍根的挖掘、篩分、鋪放等功能。

2) 運用動量定理、動能定理和幾何關系對挖掘鏟進行設計計算,得出挖掘鏟的最佳入土角α為20°、鏟面寬度b為1 328 mm、鏟面長度l為245 mm。

3) 利用SolidWorks的Simulation插件對挖掘鏟進行有限元分析并優化。通過在挖掘鏟后方增加一道梁,將挖掘鏟最大位移量從1 mm減小到0.01 mm,能有效減低失效風險。

4) 通過田間試驗證明了該機具挖掘鏟壅土率低,未出現明顯變形;在作業速度為1.6 km/h、挖掘深度為40 cm的情況下,平均挖凈率為97.6%、損傷率為2.4%。單臺機具作業一個季度,共作業5 hm2。作業性能良好,且能經受耐久性試驗。