姜彥武，衛(wèi)乃碩，郭俊先，韓長杰，馬俊貴

（1.830052 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊市 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.830052 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊市 新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實驗室；3.712100 陜西省 楊凌市 西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院；4.830054 新疆維吾爾族自治區(qū) 烏魯木齊市 農(nóng)業(yè)農(nóng)村機(jī)械化發(fā)展中心）

0 引言

馬鈴薯既是糧食又是蔬菜還是水果，是世界上許多國家重要的食品品種之一，被列入7 種主要糧食作物，地位略低于水稻、玉米和小麥。2022年中國馬鈴薯播種面積為4 558.1 khm2，產(chǎn)量達(dá)1 851.6 萬t，較2021 年增加20.7 萬t，同比增長1.12%。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國馬鈴薯的需求量也在持續(xù)增長，2022 年中國馬鈴薯需求量達(dá)到1 806.42 萬t，較2021 年增加14.5 萬t，同比增長0.8%。隨著生產(chǎn)生活的需要，中國馬鈴薯的需求量仍將保持增長，為我國的經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展發(fā)揮重要推動作用[1-2]。

機(jī)械化收獲是馬鈴薯生產(chǎn)規(guī)?；?、集約化水平進(jìn)一步提升的重要環(huán)節(jié)之一，我國絕大部分產(chǎn)區(qū)馬鈴薯收獲以分段式收獲為主，屬于半機(jī)械化狀態(tài)，即先采用打秧機(jī)滅秧，再采用分段收獲機(jī)（挖掘機(jī)）完成薯塊的挖掘、分離、集條鋪放作業(yè)，最后人工撿拾裝袋[3]。馬鈴薯挖掘后的人工撿拾，勞動強(qiáng)度大、效率低、成本高，制約著我國馬鈴薯的規(guī)?；a(chǎn)，研究馬鈴薯撿拾機(jī)械及提高作業(yè)質(zhì)量，對于減輕農(nóng)民勞動強(qiáng)度、增加收入具有重要意義[4-5]。本文基于柔性撿拾鏟、升運(yùn)鏈?zhǔn)绞韷K清選輸送裝置、輸送帶式集薯箱等，設(shè)計了馬鈴薯撿拾分選機(jī)，對其關(guān)鍵作業(yè)部件進(jìn)行計算分析，通過有限元分析驗證了零件選材和結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為我國馬鈴薯收獲機(jī)械的研究提供一定的參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

馬鈴薯撿拾機(jī)主要由撿拾裝置、撥料裝置、升運(yùn)輸送裝置、帶式輸送分選裝置、收集裝置、行走裝置、機(jī)架等部件組成，實現(xiàn)挖掘后地表薯塊的撿拾、清選輸送、大小分選以及集裝的功能，其三維結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 馬鈴薯撿拾機(jī)三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model of potato picker

1.2 工作原理

作業(yè)時，馬鈴薯撿拾機(jī)通過與拖拉機(jī)懸掛連接獲得動力，在撿拾裝置和撥料裝置的共同作用下，將挖掘機(jī)挖掘出來并條鋪于地表的表層薯、土鏟入輸送裝置，一起送入分離裝置。此過程中，撥料裝置上的柔性輥刷轉(zhuǎn)動，防止薯、土的擁堵；被送入的薯塊經(jīng)分離輸送裝置后，在抖動、疏松的作用下，混入薯塊的一定量的土壤、莖桿和雜草從輸送帶間隙落到地面；清選后的薯塊被送入帶式輸送裝置，在輸送帶上方等間距地分布了3 個柔性擋板，起到分選薯塊大小的作用，以斜角導(dǎo)向的柔性擋板連接于輸送帶，上下間距依次為大、中、小，完成薯塊分級，分級后的薯塊進(jìn)入收集箱中進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.3 技術(shù)參數(shù)

設(shè)計的馬鈴薯撿拾機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 作業(yè)機(jī)具主要設(shè)計參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of operation machine

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

2.1 撿拾鏟

馬鈴薯撿拾部件是撿拾機(jī)的關(guān)鍵組成部分，對撿拾效果起著決定性作用。該裝置設(shè)計要求：對薯塊損傷小、薯塊撿拾率高、作業(yè)不擁堵。本設(shè)計采用主動撿拾方式，并使用流線型弧形撿拾鏟，其入土傾角可以按實際撿拾深度調(diào)整，在其上方設(shè)計一個柔性板撥薯輥，如圖2 所示，有效解決薯塊堆積問題，實現(xiàn)薯塊順利撿拾。為保證撿拾效果，設(shè)計撿拾深度以大于挖掘后馬鈴薯的深度為宜，撿拾深度設(shè)計為30～100 mm，深度可調(diào)節(jié)[6-7]。

確定撿拾鏟入土角是撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵步驟，既保證薯塊不回翻下落，又使盡量少的土壤進(jìn)入后方分離輸送機(jī)構(gòu)。對撿拾混合物進(jìn)行受力分析，如圖3 所示，有關(guān)系式

圖3 撿拾鏟鏟面受力分析圖Fig.3 Pick-up shovel surface stress analysis diagram

式中：F——沿?fù)焓扮P移動的薯土復(fù)合體所需要的力，N；m——鏟面上土壤的質(zhì)量，kg；Fn——鏟面對土壤的反作用力，N；f——撿拾鏟對土壤的摩擦力，N；α——撿拾鏟作業(yè)段傾角，°；μ——摩擦系數(shù)。

根據(jù)式（1）—式（3）可以求出

將相關(guān)參數(shù)代入式（4），并結(jié)合凡小鈺[6]的研究，計算得出撿拾鏟鏟面傾角α，取20°～30°。該范圍能保證在馬鈴薯低損傷率前提下的順利撿拾，同時避免角度過大導(dǎo)致阻力大，減少功耗。

2.2 升運(yùn)輸送裝置

薯塊量多易滾動，因此在鏈桿組合的基礎(chǔ)上，在桿條上加裝刮板，在保證提升角度的同時也輸送了薯塊。每隔5 個鏈桿安裝1 個刮板，如圖4 所示，這是根據(jù)薯塊的平均大小及輸送速度確定的。升運(yùn)輸送線速度與機(jī)器前進(jìn)速度的比值一般取為λ=0.8～2.5。本機(jī)組速度為1.2 m/s，取λ=1.4，可得升運(yùn)輸送裝置的線速度為1.16～1.55 m/s，取線速度為1.4 m/s。由于分離輸送器的最佳線速度為1.4～ 1.6 m/s，所以該參數(shù)的確定符合要求?？傻弥鲃虞嗈D(zhuǎn)速n=v/2πr=150 r/min。

圖4 升運(yùn)輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure drawing of lift conveyor

保證輸送效果的同時又要實現(xiàn)良好的分離和輸送效果，保證薯塊的表皮質(zhì)量，升運(yùn)傾角的設(shè)計非常關(guān)鍵。傾角過大，薯塊易翻滾下來影響輸送；傾角過小，則分離效果不佳。查閱資料得升運(yùn)傾角在30°～45°為最佳，本設(shè)計選用37°。

2.3 薯塊帶式輸送分選及收集裝置

設(shè)計目標(biāo)是將傾斜輸送裝置輸送過來的馬鈴薯落在橫向帶式輸送裝置上進(jìn)行運(yùn)送，不同大小的馬鈴薯隨皮帶橫向運(yùn)轉(zhuǎn)時，輸送帶上方等間距分布的3 個柔性擋板起薯塊的大小分選作用，斜角導(dǎo)向的柔性擋板連接于輸送帶，上下間距的大小依次為大、中、小，進(jìn)行薯塊的運(yùn)轉(zhuǎn)分級。以薯塊高度h為界值，大薯h≥ 70 mm，中薯45 mm ≤h＜70mm，小薯h＜ 45 mm。分級后的薯塊分別進(jìn)入收集箱中，在轉(zhuǎn)運(yùn)出料口落入3 個不同的收集箱。出料口的設(shè)計降低了馬鈴薯落入收集箱的高度，避免薯塊碰撞引起的損傷。裝滿的收集箱在站臺上由人工輔助換箱，之后在地頭統(tǒng)一卸載，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 薯塊帶式輸送分選及收集裝置Fig.5 Potato block belt conveyor sorting and collection device

3 機(jī)架及其有限元分析

3.1 機(jī)架靜力學(xué)分析

機(jī)架是整機(jī)的主要承載結(jié)構(gòu)，對撿拾裝置和薯塊升運(yùn)裝置而言，機(jī)架都起著支撐和連接的關(guān)鍵作用，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及可靠性對整機(jī)性能有較大的影響。建立機(jī)架有限元模型，基于ANSYS Workbench 2021R1 軟件對其進(jìn)行靜力學(xué)分析[6-9]。對模型進(jìn)行合理簡化以兼顧分析結(jié)果的正確性和計算效率，簡化后的機(jī)架模型如圖6 所示。

圖6 機(jī)架結(jié)構(gòu)模型Fig.6 Frame structure model

撿拾鏟的撿拾深度設(shè)計為50～100 mm，撿拾裝置承受較大作用力，機(jī)架載荷較大，因此機(jī)架材料選用Q235 鋼，并焊接為一個整體，其材料物理屬性如表2 所示。經(jīng)過SolidWorks 軟件材料定義，得到機(jī)架的原始質(zhì)量為55.295 kg。

表2 Q235 鋼的材料特性參數(shù)Tab.2 Material characteristic parameters of Q235 steel

將簡化后的機(jī)架模型保存為.STEP 格式文件，導(dǎo)入ANSYS Workbench 中，選用Automatic 的方法對機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖7（a）所示。網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為4 mm，生成1 407 853 個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，623 450 個網(wǎng)格，網(wǎng)格平均單元質(zhì)量0.71，平均偏度0.39，可認(rèn)為其滿足網(wǎng)格劃分要求。因機(jī)具撿拾作業(yè)阻力大，作業(yè)速度較低，機(jī)架只考慮拖拉機(jī)的牽引力和土壤阻力。經(jīng)過ANSYS Workbench 求解計算得到機(jī)架的總位移云圖如圖7（b）、7（c）所示，最大位移量為6.12 mm，機(jī)架在加載后受到的最大應(yīng)力為61.8 MPa，小于機(jī)架材料的屈服強(qiáng)度極限220 MPa，因此機(jī)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計要求。

圖7 機(jī)架的靜力學(xué)分析Fig.7 Static analysis of the frame

3.2 機(jī)架模態(tài)分析

為避免拖拉機(jī)牽引馬鈴薯撿拾機(jī)田間作業(yè)時機(jī)架固有頻率與拖拉機(jī)激勵頻率重合引發(fā)共振[10]，設(shè)計機(jī)架時需確定其固有頻率和振型。模態(tài)分析是通常用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，基于ANSYS 的模態(tài)分析數(shù)學(xué)模型如式（3）所示。

式中：［M］——質(zhì)量矩陣；［C］——阻尼矩陣；［K］——剛度矩陣；［F(t)］——力矩陣；｛x｝——位移矩陣。

馬鈴薯撿拾機(jī)在田間作業(yè)時所受邊界條件過于復(fù)雜，本文只對機(jī)架模型進(jìn)行自由模態(tài)分析[11-13]，得到其固有頻率和振型，分析結(jié)果只與其材料本身特性有關(guān)，與所受外力無關(guān)，結(jié)果更具普遍性，可為機(jī)架設(shè)計提供依據(jù)。機(jī)架自由模態(tài)分析直接使用上述簡化機(jī)架模型進(jìn)行求解，不需施加任何載荷和約束，因為機(jī)架結(jié)構(gòu)容易受到低階振動的影響，所以基于ANSYS Workbench 軟件對機(jī)架前20 階固有頻率進(jìn)行求解，如表3 所示。

表3 機(jī)架前20 階固有頻率Tab.3 The first 20 natural frequencies of the frame

分析表3 可以得出，機(jī)架固有頻率范圍主要為4.8～160.0 Hz，其固有頻率隨著模態(tài)階數(shù)的增加而遞增，符合剛體結(jié)構(gòu)自由模態(tài)分析特征。前3 階模態(tài)固有頻率幾乎為0，表現(xiàn)為剛體模態(tài)，從第4階開始表現(xiàn)為彈性模態(tài)，從第4 階開始的6 階（第4 階—第9 階）模態(tài)振型云圖如圖8 所示。機(jī)架4階和5 階模態(tài)振型主要為沿Z軸的彎曲擺動，其最大位移分別為7.49 mm 和7.34 mm，振動相對不明顯；6 階模態(tài)振型主要為機(jī)架兩側(cè)繞X軸方向的扭轉(zhuǎn)擺動，最大位移為5.7 mm；7 階模態(tài)振型主要為沿Y軸的彎曲擺動和沿X軸的扭轉(zhuǎn)擺動，其最大位移為5.5 mm；8 階模態(tài)振型主要為機(jī)架兩側(cè)沿X軸的扭轉(zhuǎn)擺動,最大位移為8.09 mm；9 階模態(tài)振型主要為兩側(cè)機(jī)架中部位置沿Y軸的彎曲擺動，最大位移為8.17 mm。其中，9 階模態(tài)振型變形量最大，其頻率為40.811 Hz。國內(nèi)學(xué)者對國產(chǎn)拖拉機(jī)振動系統(tǒng)的固有頻率進(jìn)行了研究[14-16]，得到國產(chǎn)拖拉機(jī)振動系統(tǒng)的垂向、俯仰和側(cè)傾振動固有頻率分別集中在3～4、2.8～3.8、2.9～3.9 Hz。

圖8 機(jī)架模態(tài)振型云圖Fig.8 Cloud image of frame vibration modes

由ANSYS Workbench 有限元模態(tài)分析得到機(jī)架前20 階固有頻率主要為4.8～160.0 Hz，與拖拉機(jī)激勵頻率并不在同一區(qū)間，因此機(jī)架在作業(yè)期間不會產(chǎn)生共振，這為機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性提供了依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）設(shè)計了一種馬鈴薯撿拾機(jī)，通過SolidWorks軟件建立馬鈴薯撿拾機(jī)三維模型，對撿拾鏟、升運(yùn)輸送裝置、帶式輸送分選及收集裝置等關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，闡述了其能實現(xiàn)的主要功能，并完成關(guān)鍵參數(shù)的計算確定。

（2）基于ANSYS Workbench 軟件對機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。靜力學(xué)分析結(jié)果表明，在靜載荷下機(jī)架的最大應(yīng)力為61.8 MPa，最大位移為0.612 mm，小于機(jī)架材料Q235 的屈服強(qiáng)度極限220 MPa。自由模態(tài)分析得到機(jī)架前20 階固有頻率范圍為4.8～160.0 Hz，與拖拉機(jī)產(chǎn)生的激勵頻率不在同一區(qū)間，因此作業(yè)過程中機(jī)架不會產(chǎn)生共振；通過分析機(jī)架的模態(tài)振型可知，機(jī)架左右兩側(cè)縱梁為其薄弱環(huán)節(jié)。仿真驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足馬鈴薯撿拾作業(yè)要求。