黃偉鋒，孫 浩

（福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350028）

0 引言

馬鈴薯作為世界經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)物，具有耐寒、耐旱、適應(yīng)性強(qiáng)等特性，能為人類提供豐富的營養(yǎng)物質(zhì)[1]。我國馬鈴薯產(chǎn)量在世界位列前茅，種植面積高達(dá)520.5 萬公頃[2]。隨著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的不斷壯大，種植面積的擴(kuò)增，低機(jī)械化水平已不能滿足馬鈴薯收獲的要求。設(shè)計(jì)一種高效率的馬鈴薯收獲機(jī)不僅能改善土薯分離效果，而且降低了馬鈴薯損傷率，具有重要的意義。

國內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)發(fā)展緩慢，技術(shù)落后于歐美發(fā)達(dá)國家。人工收獲和機(jī)械收獲是主要的兩種收獲形式。部分地區(qū)仍然靠人畜力，這種方式需要消耗大量人力而且費(fèi)時(shí)。直到20世紀(jì)60年代，中國研究者開始分析歐美國家機(jī)具的基礎(chǔ)上研發(fā)了第一臺升運(yùn)鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)，但是因?yàn)閭砺矢叩葐栴}，并沒有得到廣泛的推廣和應(yīng)用[3]。20 世紀(jì)70 年代中期，國內(nèi)手扶拖拉機(jī)的興起帶動了馬鈴薯收獲機(jī)發(fā)展，于是鼠籠式馬鈴薯收獲機(jī)隨之出現(xiàn)。但由于動力條件限制并沒得到廣泛的應(yīng)用。直到70 年代末，我國成功研發(fā)了配套動力50～80 馬力，生產(chǎn)效率每小時(shí)可達(dá)5～9 畝，1979 年農(nóng)機(jī)展覽會后，馬鈴薯收獲機(jī)的研發(fā)得到重視為后來的發(fā)展提供了有利的環(huán)境，國家將所有馬鈴薯收獲機(jī)樣機(jī)都投放在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究院，為研究單位相互交流提供方便[4]。20 世紀(jì)90 年代中期，隨著國產(chǎn)四輪拖拉機(jī)的興起，馬鈴薯收獲機(jī)的研發(fā)進(jìn)入高潮階段[5]。我國馬鈴薯收獲機(jī)研究已經(jīng)有幾十年了，但是技術(shù)發(fā)展緩慢，主要有兩個(gè)原因：1）配套動力不足以滿足機(jī)具性能要求。相比于國外，最低配套動力可達(dá)187 kW 以上，而國內(nèi)對小型收獲機(jī)只有9 kW～11 kW 配套動力，難以滿足薯塊挖掘和分離的動力。2）明薯機(jī)構(gòu)不夠完善，土薯分離率不高。目前升運(yùn)鏈?zhǔn)胶驼駝邮綖轳R鈴薯收獲機(jī)主要的兩種形式。升運(yùn)鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機(jī)存在的主要問題：輸送鏈輸送距離短，導(dǎo)致土-薯沒有足夠的分離時(shí)間，因此需要后續(xù)的撿拾才能完成土薯分離，增加了勞動力；升運(yùn)鏈輸送速度不合理會導(dǎo)致挖掘鏟部位土塊堆積從而增加整機(jī)牽引阻力，影響作業(yè)效率。振動式馬鈴薯挖掘機(jī)在使用中存在的問題：動力匹配困難、振動頻率單一、土薯分離效果差、傷薯率高等問題。

本文利用偏心輪滑塊機(jī)構(gòu)振動原理設(shè)計(jì)一種雙級振動篩。其中一級振動篩振幅、速度、加速度都大于二級振動篩，來適應(yīng)馬鈴薯在收獲過程中不同階段對振動篩的運(yùn)動特性要求，以期改善馬鈴薯的損傷情況。

1 振動篩建模和工作原理

如圖1 所示，通過Solidworks 三維建模軟件建立電機(jī)軸、偏心輪、連桿、振動篩并進(jìn)行裝配。電機(jī)軸偏心距r1,在偏心輪外套著連桿1，距離電機(jī)軸r2位置為凸起的銷軸，與連桿2 連接。電機(jī)軸扭矩經(jīng)過偏心輪帶動連桿1、連桿2 運(yùn)動。在連桿帶動下，一級、二級振動篩做不同振幅的振動。一級振動篩（前篩）振動加速度大，使土壤和馬鈴薯運(yùn)動程度劇烈，加快土塊破碎、透篩。二級振動篩（后篩）振動速度緩慢，篩上主要以馬鈴薯為主，此時(shí)振動幅值小，降低馬鈴薯向后拋送過程中的損傷率。

圖1 雙級振動篩模型

2 前后振動篩運(yùn)動分析

圖1三維模型可以簡化為如圖2所示的運(yùn)動簡圖。由于曲柄長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于連桿，所以振動篩可以看作振幅A=2r 的往復(fù)振動。以振動篩振動方向?yàn)閄軸，垂直X軸方向?yàn)閅軸建立直角坐標(biāo)系，前后振動篩振動方向近似看作重合，都沿X 軸方向，因此共用一個(gè)坐標(biāo)系，其中α1、α2為前后振動篩篩面傾角，ε1、ε2為前后振動篩振動方向角，前振動篩曲柄半徑為r1=30 mm，后振動篩曲柄半徑為r2=20 mm。以曲柄與X 軸正半軸重合位置為位移起始相位，推導(dǎo)振動篩位移、速度、加速度關(guān)系：

ω-曲柄角速度(rad/s)，t-時(shí)間（s）。

3 振動篩設(shè)計(jì)要求及運(yùn)動仿真

3.1 振動篩設(shè)計(jì)要求

根據(jù)馬鈴薯收獲機(jī)作業(yè)要求，馬鈴薯在不跳離篩面的情況下，向篩口滑動的距離大于向篩尾滑動的距離，一般要求損傷率小于5%，擺幅15 mm ≤A ≤35 mm 振動篩質(zhì)心X方向速度|Vx|≤1 m/s，振動篩質(zhì)心Y方向速度|Vy|≤0.2 m/s，質(zhì)心合成加速度平均值a≤20 m/s2[6-7]。

圖2 雙級振動篩運(yùn)動簡圖

3.2 Adams運(yùn)動仿真與分析

振動篩的運(yùn)動特性直接決定土薯的分離效果及馬鈴薯的損傷情況，因此需要對所建立的模型進(jìn)行運(yùn)動仿真。將三維模型保存為igs 格式后導(dǎo)入Adams 軟件，設(shè)置材料為45#鋼，對曲軸添加轉(zhuǎn)動副和驅(qū)動轉(zhuǎn)速w=220 r/min，對連桿、吊桿、振動篩以及偏心輪添加轉(zhuǎn)動副，前振動篩篩面傾角α1=5.5°后振動篩篩面傾角α2=6.5°，仿真時(shí)間5 s，步長0.01 s,通過Adams后處理獲得振動篩位移、速度、加速度相應(yīng)曲線。

圖3、圖4 為前后振動篩振幅隨時(shí)間變化情況，表現(xiàn)為周期振動。其中前振動篩振幅約為30 mm，后振動篩振幅約為20 mm，前振動篩的振幅大于后振動篩這與曲柄半徑大小設(shè)計(jì)有關(guān)。

圖3 振動前篩振幅

圖4 振動后篩振幅

圖5 為前后振動篩在收獲機(jī)前進(jìn)方向的速度變化，前振動篩速度最大值約為0.75 m/s，后振動篩速度最大值約為0.48 m/s。圖6為前后振動篩在Y方向的速度變化絕對值均小于0.2 m/s 且后振動篩在Y 向的速度明顯小于前振動篩，此時(shí)馬鈴薯不易被拋起減小與振動篩柵條的碰撞損傷。

圖5 前后振動篩X 方向速度

圖6 前后振動篩Y 方向速度

圖7 為前后振動篩合成加速度均小于20 m/s2。仿真結(jié)果表明各項(xiàng)運(yùn)動參數(shù)符合馬鈴薯收獲機(jī)振動篩的設(shè)計(jì)要求，可以滿足物料向后輸送的條件。且前振動篩振幅、速度和加速度都大于后振動篩，這有利于土-薯分離和減小馬鈴薯在振動篩上的損傷率。

圖7 前后振動篩合成加速度

4 偏心輪有限元分析

該雙級振動篩的實(shí)現(xiàn)主要靠偏心輪提供振動源，因此需要對偏心輪的強(qiáng)度及其振動模態(tài)進(jìn)行有限元分析。偏心輪材料為45#鋼，材料具體屬性如表1所示[8]。

表1 45#鋼材料參數(shù)

4.1 偏心輪靜力學(xué)分析

將偏心輪導(dǎo)入Ansys Workbench中并賦予材料、劃分網(wǎng)格、添加約束和載荷。對偏心輪添加圓柱副約束，同時(shí)施加轉(zhuǎn)速載荷，轉(zhuǎn)速大小為ω=230 rad/s。仿真結(jié)果如圖8所示：偏心輪最大位移為0.000 4 mm 相對于結(jié)構(gòu)的總體尺寸，偏心輪變形量非常小，可以忽略；最大應(yīng)力為5.43 MPa位于孔的邊緣處,且小于材料的屈服強(qiáng)度220 MPa，強(qiáng)度校核安全。

圖8 偏心靜力學(xué)分析結(jié)果

4.2 偏心輪模態(tài)分析

模態(tài)分析主要是求固有頻率和振型，低階固有頻率對結(jié)構(gòu)的振動影響較大，低階振型直接決定結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。對結(jié)構(gòu)固有頻率的提取的意義在于在為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，避免發(fā)生共振，模態(tài)分析可以簡單的分為有約束的普通模態(tài)分析和無約束的自由模態(tài)分析，本文對偏心輪采用有約束的模態(tài)分析即對偏心輪添加圓柱副約束。該設(shè)計(jì)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速為220 r/min，在該運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)動基頻為3.667 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最小固有頻率，因此不會發(fā)生共振，滿足振動特性設(shè)計(jì)要求，偏心輪前6 階固有頻率如表2 所示。圖9 為偏心輪前六階振型，其中第一階振型表現(xiàn)為偏心輪沿周向旋轉(zhuǎn)，第二階振型表現(xiàn)為上下擺動，第三階、第五階、第六階振型表現(xiàn)為左右擺動，第四階振型為橫向拉伸。

表2 偏心輪前6 階固有頻率

圖9 偏心輪前六階振型

5 結(jié)語

針對目前小型馬鈴薯收獲機(jī)傷薯率高，土-薯分離效果差等問題，設(shè)計(jì)一種雙級振動篩，使馬鈴薯在運(yùn)輸過程中產(chǎn)生不同程度的振動響應(yīng)來提高馬鈴薯收獲率，并通過仿真分析驗(yàn)證其合理性。主要結(jié)論如下：

1）通過偏心輪振動原理利用Solidwork 建模，設(shè)計(jì)一種雙級振動篩，在同一個(gè)動力源下產(chǎn)生不同振幅、速度、加速度的運(yùn)動特性來滿足和適應(yīng)馬鈴薯收獲要求。

2）通過Adams 運(yùn)動學(xué)軟件對模型進(jìn)行動力學(xué)仿真，其中兩級振動篩振幅、速度、加速度均滿足馬鈴薯收獲機(jī)振動特性要求，且一級振動篩振動篩振幅為30 mm，X方向的速度最大值為0.75 m/s，二級振動篩振幅為20mm，X方向的速度最大值為0.48 m/s，一級振動篩Y 向速度、加速度均大于二級振動篩，有利于土-薯分離。

3）通過Ansys Workbench 對偏心輪進(jìn)行靜力學(xué)和振動模態(tài)分析，偏心輪受到的最大應(yīng)力為5.43 MPa 位于孔的邊緣處,且小于材料的屈服強(qiáng)度220 MPa，強(qiáng)度校核安全。振動偏心輪最小固有頻率3 893 Hz 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)轉(zhuǎn)動頻率，因此不會發(fā)生共振。