李 競，畢 偉，蘆 迪，黎毓鵬，許海浪

(廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004 )

連桿自鎖式花生拔采機的設(shè)計與有限元分析

李 競，畢 偉，蘆 迪，黎毓鵬，許海浪

(廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，南寧 530004 )

設(shè)計了一種連桿自鎖式花生拔采機，可實現(xiàn)花生機械化拔起采摘的功能。通過對個體農(nóng)戶人工采摘花生現(xiàn)狀的分析，給出了花生拔起動作和采摘工藝流程，設(shè)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(dǎo)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(guān)鍵部件滿足強度和剛度要求，并能適應(yīng)花生在播種過程中存在的直線誤差問題，實現(xiàn)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(nóng)作物，需求量極大。當(dāng)前的拔采工作在個體農(nóng)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(nóng)民極易發(fā)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(jié)構(gòu)合理、輕巧牢固、操作方便，需引進更加合理、先進的設(shè)計方法。因此，利用UG建立三維模型，將模型導(dǎo)入基于虛擬樣機技術(shù)平臺上進行仿真與分析，在未真正生產(chǎn)出真實的物理樣機之前就對其進行仿真模擬，提前知道產(chǎn)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(shè)計缺陷的存在，對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)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(jié)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(yīng)花生在播種過程中存在的直線誤差問題，實現(xiàn)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(jié)構(gòu)設(shè)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(gòu)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(gòu)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(xiàn)因花生桿變形過大斷裂的現(xiàn)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(zhuǎn)手桿式的夾具繞著支撐板的中心向上旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)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(yīng)性，可通過在水平方向旋轉(zhuǎn)手桿實現(xiàn)夾具在水平方向有一定的擺動范圍。為適應(yīng)使用者的自身高度，可以松開固定螺釘調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)手桿與調(diào)節(jié)螺桿的相對位置，以實現(xiàn)花生拔采機的高度可調(diào)性，增加對使用者的適應(yīng)性。

1.2 桿自鎖式花生拔采機主要機構(gòu)設(shè)計

連桿自鎖式花生拔采機包括行走機構(gòu)、夾持機構(gòu)及連桿自鎖機構(gòu)，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(xué)分析

2.1 花生力學(xué)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(chǎn)生直接影響。對花生莖、根進行力學(xué)性能的試驗和分析，可為夾持機構(gòu)對夾緊花生的夾緊力和拉伸力的確定提供理論依據(jù)。

花生力學(xué)性能主要體現(xiàn)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?；ㄉo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(guī)格：5 kN；精度等級：0.5級)對花生莖節(jié)點的位置的拉伸阻力和剪切力進行測試，部分結(jié)果如表1所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Physical picture表1 花生莖的拉伸應(yīng)力和剪切力的部分試驗結(jié)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(xù)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(guān)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(guān)系為

Fs=-0.0614t2+2.8461t+31.158

(R2=0.8724,Sig.=0.01749)

假設(shè)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(jié)點和根節(jié)點的抗拉和抗剪性能達到最高，根據(jù)花生莖的力學(xué)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(gòu)運動學(xué)分析

將三維模型導(dǎo)入ADAMS中進行加持機構(gòu)進行動力學(xué)仿真，得到夾持機構(gòu)左右夾具4個極點A、B、C、D的位移曲線。將仿真結(jié)果導(dǎo)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)導(dǎo)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(zhuǎn)范圍分析

將兩個極限位置仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入MatLab 進行分析，得到該機械工作部分在水平面上的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)9.5°，則其水平旋轉(zhuǎn)范圍為19°，對于因種植過程中導(dǎo)致的花生簇不再同一直線上的誤差有足夠的適應(yīng)度。

3 連桿自鎖式花生拔采機的有限元分析

3.1 導(dǎo)入三維模型和建立材料屬性

將用UG建立的三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件Ansys Workbench16.2中，設(shè)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(wǎng)格和設(shè)置連接

首先通過size功能定義網(wǎng)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(wǎng)格模型如圖4所示。其網(wǎng)格總數(shù)為87 626，節(jié)點總數(shù)為427 258。對整個機構(gòu)添加完整的零件接觸約束，包活滑動副、轉(zhuǎn)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(jié)點上的作用力為夾持力及拉力，因此花生莖節(jié)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(jīng)試驗計算為64.76N；另一種是機器夾緊花生莖節(jié)點時所受花生的反作用為45.25N。

3.4 有限元計算結(jié)果分析

經(jīng)有限元計算，最終的結(jié)果如圖5所示。

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

3.4.1 夾持機構(gòu)有限元結(jié)果分析

夾持機構(gòu)的等效應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖6所示。經(jīng)有限元計算，夾持機構(gòu)的最大應(yīng)力為311.77MPa，小于45鋼的屈服強度385MPa；最大應(yīng)變?yōu)?.001 75mm/mm，小于許用應(yīng)變。因此，夾持機構(gòu)滿足剛度和強度要求。

圖6 夾持機構(gòu)等效應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.6 Equivalent stress and deformation cloud of clamping mechanism

3.4.2 連桿自鎖機構(gòu)有限元結(jié)果分析

連桿自鎖機構(gòu)的等效應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖7所示。

圖7 連桿自鎖機構(gòu)等效應(yīng)力和應(yīng)變云圖Fig.7 Equivalent stress and deformation cloud of rod self-locking mechanism

經(jīng)有限元計算，連桿自鎖機構(gòu)的最大應(yīng)力為198.4MPa，小于45鋼的屈服強度385MPa；最大應(yīng)變?yōu)?.000 995mm/mm，小于許用應(yīng)變。因此，連桿自鎖機構(gòu)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(yīng)性，可運用仿真過程中個零件尺寸進行試制與實驗?；ㄉ尾蓹C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(nóng)民專業(yè)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(jié)果深度為50～120mm。

4.2.2 試驗指標(biāo)

試驗指標(biāo)包括生產(chǎn)率、花生秧含土率、果實損失率、收獲寬幅，根據(jù)《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)—花生收獲機作業(yè)質(zhì)量》(NY/7502-2002)進行測定。

1)生產(chǎn)率的測定。測出拔采機收獲花生果的質(zhì)量，按照E=W/T進行計算 。其中，E為生產(chǎn)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(zhì)量和花生秧上土壤的質(zhì)量，按照H=Mt/M進行計算。其中，Mt為所含土壤的質(zhì)量，M為花生秧的質(zhì)量。

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

4.2.3 結(jié)果與分析

花生拔采機的試驗結(jié)果如表2所示。由性能考核技術(shù)參數(shù)可知：該拔采機作業(yè)性能較好，生產(chǎn)率為102kg/h，花生秧含土率為14.8%，果實損失率為3.6%，均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY/7502-2002，滿足生產(chǎn)要求。

表2 性能考核技術(shù)參數(shù)

5 結(jié)論

通過仿真、有限元結(jié)果分析及試驗可知：花生拔采機關(guān)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(yīng)性；實際的工作效率較高，技術(shù)參數(shù)均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；在滿足農(nóng)民個體戶生產(chǎn)效率的同時減少勞動力和勞動強度，可實現(xiàn)花生拔采工作的半人力半機械化的目標(biāo)。

[1] 丁保江,唐殿明,付華良,等.小型背負式花生聯(lián)合收獲機的設(shè)計研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2005(11):33-35.

[2] 黃煜.拔花生[J].學(xué)生之友：童花果,2016(3):20-21.

[3] 勝國.介紹幾種花生收獲機械[J].農(nóng)業(yè)知識,2013(25):25.

[4] 韓更金.燕麥草的收割與處理方法[J]. 中國農(nóng)墾,1953(9):5-6.

[5] 孫中瑞.花生的收獲[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,1983(10):19.

[6] 俞種寶.收割機行業(yè)熱處理工藝問題分析[J].機械工廠設(shè)計,1984(3)：8-20.

[7] 楊然兵，徐玉鳳.花生機械收獲中根、莖、果節(jié)點的力學(xué)試驗與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009(9)127-131.

[8] 凌 軒，劉江濤,王旭東.數(shù)字化花生摘果測力系統(tǒng)研制[J].農(nóng)機化研究,2015，37(4):95-98.

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(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室項目(15-14030S007)；廣西大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)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