吳家安，李向軍，高明宇，常傳義，劉恩宏

(哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,哈爾濱市,150029)

0 引言

板藍(lán)根有20多種醫(yī)用化學(xué)成分,是清熱解毒、抗菌消炎的傳統(tǒng)中草藥,藥用價(jià)值較高;還含有多種抗病毒物質(zhì),對(duì)肝炎病毒、腮腺炎病毒、流行性感冒病毒等均有較強(qiáng)的抑制和滅殺效果[1-2]。2019年12月以來(lái)新冠病毒(2019-nCoV)疫情爆發(fā),中醫(yī)、中藥在控制疫情過(guò)程中發(fā)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(yī)藥治療方案中,板藍(lán)根對(duì)于新冠病毒都有明顯的抑制效果[3]。目前,板藍(lán)根的市場(chǎng)需求量以年遞增在15%以上[4]。但是板藍(lán)根機(jī)械化程度不高,收獲過(guò)程中以人工為主,勞動(dòng)強(qiáng)度大,作業(yè)效率低,在東北地區(qū)還存在收獲不及時(shí),使板藍(lán)根受到霜凍影響,導(dǎo)致減產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。隨著近年來(lái)勞動(dòng)力流失嚴(yán)重,還存在人力成本劇增的問(wèn)題。因此,板藍(lán)根收獲機(jī)的研制變成了亟待解決的問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)根莖類(lèi)作物的收獲已經(jīng)有扎實(shí)的研究基礎(chǔ),崔中凱等[5]采用4U-750牽引式甘薯收獲機(jī),對(duì)甘薯等塊莖類(lèi)作物的起收作業(yè)進(jìn)行研究;劉瀟等[6]基于振動(dòng)式馬鈴薯挖掘機(jī),通過(guò)增加振動(dòng)裝置來(lái)解決馬鈴薯起收過(guò)程中薯、土分離不徹底的問(wèn)題;楊小平等[7]基于4U1600型集堆式馬鈴薯挖掘機(jī),采用階梯式挖掘鏟、二級(jí)升運(yùn)鏈和集薯箱等創(chuàng)新方式有效提高了馬鈴薯收獲的效率和篩凈率;張兆國(guó)等[8]提出以自走式履帶式底盤(pán)、全液壓動(dòng)力系統(tǒng)的方式起收三七作物。綜上所述,目前我國(guó)已經(jīng)研究的根莖類(lèi)收獲機(jī)械都是針對(duì)塊莖類(lèi)作物研制,其作物根莖直徑一般處于4～10 cm之間,質(zhì)地較硬。板藍(lán)根根莖直徑2～3 cm,長(zhǎng)20～30 cm,體實(shí),質(zhì)略軟,一般種植在沙壤土中[9],與現(xiàn)有根莖類(lèi)作物都有較大差異,所以針對(duì)目前缺少專(zhuān)用的板藍(lán)根收獲機(jī)械的問(wèn)題,需要根據(jù)板藍(lán)根生長(zhǎng)特點(diǎn)做相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

針對(duì)該問(wèn)題,結(jié)合現(xiàn)有的根莖類(lèi)挖掘裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn),根據(jù)板藍(lán)根的農(nóng)藝特點(diǎn),設(shè)計(jì)制造一種板藍(lán)根收獲機(jī),重點(diǎn)對(duì)挖掘鏟進(jìn)行設(shè)計(jì),并采用有限元分析法對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析,最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

板藍(lán)根收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 板藍(lán)根收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 General structure diagram of Radix Isatidis root harvester1.集藥鋪放裝置 2.后驅(qū)動(dòng)輪 3.限位地輪 4.大塊土壤破碎裝置 5.升運(yùn)分離裝置 6.機(jī)架 7.變速箱 8.懸掛裝置 9.挖掘裝置

板藍(lán)根收獲機(jī)主要由挖掘裝置、懸掛裝置、變速箱、機(jī)架、升運(yùn)分離裝置、大塊土壤破碎裝置、限位地輪、后驅(qū)動(dòng)輪、集藥鋪放裝置等構(gòu)成。該機(jī)具主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Main design parameters

1.2 工作原理

板藍(lán)根收獲機(jī)與拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛的方式掛接,挖掘與升運(yùn)分離動(dòng)力都由拖拉機(jī)提供。收獲作業(yè)時(shí),鋸齒形挖掘鏟在拖拉機(jī)牽引力的作用下切入壟下土壤深處,隨著機(jī)具向前運(yùn)動(dòng),土壤、板藍(lán)根混合體(后稱(chēng)混合體)受挖掘鏟反作用力推動(dòng)沿挖掘鏟表面向機(jī)具后上方位運(yùn)動(dòng),挖掘鏟后柵條在將混合體破碎的同時(shí)進(jìn)行第一級(jí)土、藥分離;隨機(jī)具前進(jìn),混合體上升至升運(yùn)分離裝置,升運(yùn)分離裝置通過(guò)劇烈抖動(dòng)將混合體破碎實(shí)現(xiàn)第二次土、藥分離,并同時(shí)升運(yùn)至機(jī)具后方;在升運(yùn)過(guò)程中,有大塊混合體通過(guò)撞擊大塊土壤破碎裝置進(jìn)一步破碎;最后大部分土壤通過(guò)升運(yùn)鏈條間隙落入地上,板藍(lán)根及少量剩余土壤則通過(guò)后驅(qū)動(dòng)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(lán)根順著集藥柵條滑落至指定區(qū)域。

2 挖掘裝置設(shè)計(jì)

2.1 挖掘裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

板藍(lán)根收獲機(jī)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(jié)構(gòu)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(guò)掛接板上的安裝孔與機(jī)架的兩側(cè)側(cè)板固定;作業(yè)時(shí),在拖拉機(jī)牽引力作用下,挖掘鏟深入壟下,土壤和板藍(lán)根的混合體受挖掘鏟反作用力推動(dòng)沿挖掘鏟向機(jī)具后上方位運(yùn)動(dòng);挖掘鏟后設(shè)計(jì)的碎土柵條與挖掘鏟存在一定角度,增強(qiáng)挖掘鏟裝置的碎土功能,在將混合體破碎的同時(shí)進(jìn)行第一級(jí)土、藥分離。

2.2 挖掘鏟的主要結(jié)構(gòu)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(shí)還要使土壤、板藍(lán)根混合體能順利輸送到后面的升運(yùn)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(gòu)成了一個(gè)“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(shù)主要有挖掘鏟寬度b、挖掘鏟面入土角α及鏟面長(zhǎng)度l。

1) 挖掘鏟寬度b。該機(jī)具作業(yè)行數(shù)為2行,幅寬為1 300 mm,因此挖掘?qū)挾仍O(shè)定在1 300 mm,為解決考慮到兩側(cè)側(cè)板的入土問(wèn)題,鏟面兩側(cè)伸出部分將側(cè)板包住,因此總寬為1 328 mm。

2) 入土角α。挖掘鏟面土壤、板藍(lán)根混合體的受力分析如圖3所示。

圖3 挖掘鏟面土壤、板藍(lán)根混合體受力分析簡(jiǎn)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(lán)根的混合體提升的高度。根據(jù)混合體移動(dòng)條件導(dǎo)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(dòng)所需要的力,即鏟面對(duì)土壤、板藍(lán)根混合體的反作用力,N;

G——鏟面混合體的重力,N;

N——鏟面對(duì)混合體的支持力,N;

F——鏟面對(duì)混合體的摩擦力,N;

μ——混合體與鏟面的摩擦系數(shù),μ=0.577～0.721[15]。

計(jì)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(shè)計(jì)成鋸齒形狀,由多個(gè)三角形等距排列,減小了受力面積,增大挖掘鏟入土壓強(qiáng),能有效提升入土性能。

3) 鏟面長(zhǎng)度l。合適的鏟面長(zhǎng)度可以在低功耗的前提下實(shí)現(xiàn)土壤的破碎,有利于板藍(lán)根根系脫土[16]。運(yùn)動(dòng)分析如圖4所示。

圖4 挖掘鏟面土壤混合體運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)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(jī)車(chē)行走速度,vb為土壤混合體沿鏟面方向位移速度,當(dāng)土壤混合體抬升至鏟面頂端時(shí),合速度v′為0,此過(guò)程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化為重力勢(shì)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(jié)束速度,m/s。

由圖(4)可知

v0=vc·tanα

(4)

式中:vc——機(jī)車(chē)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(jì)算得出l≤420 mm,綜合實(shí)際作業(yè)情況,選取245 mm,加碎土柵條長(zhǎng)343 mm。

3 基于SolidWorks的挖掘鏟有限元分析

板藍(lán)根挖掘鏟是該機(jī)具的核心工作部件,挖掘鏟的好壞直接關(guān)系到板藍(lán)根收獲機(jī)的挖掘效果、作業(yè)效率。挖掘鏟在作業(yè)過(guò)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(yè)效果。因此本文采用SolidWorks中的Simulation插件對(duì)挖掘裝置進(jìn)行有限元分析,以此檢測(cè)挖掘鏟的設(shè)計(jì)與材料選擇是否合理,并在此基礎(chǔ)上作出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化。

3.1 構(gòu)建模型

按前文設(shè)計(jì),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(yán)重的情況,在此選擇耐磨性和抗拉強(qiáng)度高的材質(zhì)65 Mn,質(zhì)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(qiáng)度980 MPa,屈服強(qiáng)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(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 挖掘鏟網(wǎng)格模型Fig. 6 Excavation shovel mesh model

2) 挖掘鏟作業(yè)過(guò)程中,主要受機(jī)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(chǎn)生的附著力作用。由于該機(jī)具采用固定式挖掘鏟,挖掘鏟與機(jī)架屬于剛性連接,因此在作業(yè)過(guò)程中機(jī)具振動(dòng)產(chǎn)生的載荷與土壤剪切力都很小,可以忽略。挖掘鏟受力簡(jiǎn)圖如圖7所示。

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

由圖7可知,挖掘鏟理想狀態(tài)下均速前進(jìn)的函數(shù)關(guān)系

W=N0sinα+μ1N0cosα+CaF0cosα

(6)

式中:W——機(jī)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(shù);

Ca——土壤與金屬的附著力因數(shù);

F0——鏟面面積,mm2。

鏟面上土壤混合體正壓力N0與其運(yùn)動(dòng)具體情況相關(guān),根據(jù)相關(guān)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(nèi)聚力,N/cm2;

F1——土壤剪切面積,m2;

μ2——土壤內(nèi)摩擦因數(shù);

β——土壤前失效面傾角,(°);

φ——土壤內(nèi)摩擦角,(°)。

為能保證挖掘鏟不失效,安全工作。在挖掘機(jī)極限工作的條件下進(jìn)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(jì)算的鏟面參數(shù),計(jì)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(wǎng)格

采取三角形對(duì)挖掘鏟進(jìn)行網(wǎng)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(jié)果分析

1) 應(yīng)力分析。由應(yīng)力云圖(圖8)可知:挖掘鏟受最大應(yīng)力在值為7.106×107N/m2,位于挖掘鏟與掛接板結(jié)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(yīng)力為4.3×108N/m2,許用應(yīng)力為最大應(yīng)力6倍,最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于屈服極限,因此符合要求。

圖8 挖掘鏟應(yīng)力云圖Fig. 8 Stress cloud map of excavation shovel

2) 彈性應(yīng)變。由應(yīng)變?cè)茍D(圖9)可知:挖掘鏟最大應(yīng)變?yōu)?.135×10-4,位于挖掘鏟與掛接板結(jié)合的后面根部,與最大應(yīng)力重合,最小值為3.012×10-9,位于鏟面中間的鏟尖位置。應(yīng)變值極小,不影響挖掘鏟的整體結(jié)構(gòu)。

圖9 挖掘鏟應(yīng)變?cè)茍DFig. 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(yè)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(gè)孔的位置,位移量極小可忽略不計(jì)。為防止作業(yè)中長(zhǎng)時(shí)間變形造成的結(jié)構(gòu)性損傷,在挖掘鏟后方焊接加強(qiáng)筋,重新計(jì)算得出圖11,結(jié)果為最大位移位置不變,位移量為0.01 mm。相比整機(jī)尺寸該位移量很小,可以忽略不計(jì)。

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

圖11 優(yōu)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(qiáng)的前提下能滿(mǎn)足應(yīng)力、應(yīng)變要求,不過(guò)最大位移量較大,長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)有失效的風(fēng)險(xiǎn),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(fēng)險(xiǎn)。

4 田間試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法

為了測(cè)試板藍(lán)根收獲機(jī)的性能,驗(yàn)證作業(yè)效果是否能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo);2020年10月15日于黑龍江省海林市山市鎮(zhèn)進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。測(cè)試前檢測(cè)條件如表2所示。

表2 機(jī)具測(cè)試條件Tab. 2 Test conditions of machine

參照相關(guān)的國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《NY/T 648—2002馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的試驗(yàn)方法,考慮本文是針對(duì)板藍(lán)根收獲機(jī)挖掘裝置的設(shè)計(jì)與有限元分析,本文決定在作業(yè)速度、挖掘深度為設(shè)計(jì)最大值的情況下,對(duì)挖凈率與損傷率進(jìn)行測(cè)試,進(jìn)而分析該機(jī)型挖掘裝置是否能夠經(jīng)受耐久性生產(chǎn)考核。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

機(jī)具測(cè)試時(shí)固定作業(yè)速度為1.6 km/h、挖掘深度為40 cm,測(cè)量挖凈率、損傷率,結(jié)果如表3所示。并與《NY/T 648—2002馬鈴薯收獲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》對(duì)比,發(fā)現(xiàn)挖凈率、損傷率均優(yōu)于國(guó)家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Test results

(8)

(9)

式中:M——板藍(lán)根總量,M=M1+M2+M3+M4,kg;

M1——挖掘出可被發(fā)現(xiàn)的板藍(lán)根總量,kg;

M2——被挖出但埋在土壤內(nèi)的板藍(lán)根總量,kg;

M3——漏挖的板藍(lán)根總量,kg;

M4——受傷板藍(lán)根總量,kg;

T1——挖凈率,%;

T2——損傷率,%。

機(jī)具從2020年10月3日開(kāi)始在海林地區(qū)作業(yè),直至收獲季節(jié)結(jié)束,除降水造成土壤黏度太大不適合作業(yè)以外均在作業(yè)。共作業(yè)5 hm2,未發(fā)現(xiàn)挖掘鏟結(jié)構(gòu)性變形,可見(jiàn)經(jīng)有限元分析優(yōu)化的挖掘鏟是能夠經(jīng)受耐久性生產(chǎn)考核。

5 結(jié)論

1) 針對(duì)現(xiàn)有板藍(lán)根收獲機(jī)具存在挖掘阻力大、挖掘鏟面容易壅土的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種板藍(lán)根收獲機(jī),該機(jī)具一次進(jìn)地可完成板藍(lán)根的挖掘、篩分、鋪放等功能。

2) 運(yùn)用動(dòng)量定理、動(dòng)能定理和幾何關(guān)系對(duì)挖掘鏟進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)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(zhǎng)度l為245 mm。

3) 利用SolidWorks的Simulation插件對(duì)挖掘鏟進(jìn)行有限元分析并優(yōu)化。通過(guò)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(fēng)險(xiǎn)。

4) 通過(guò)田間試驗(yàn)證明了該機(jī)具挖掘鏟壅土率低,未出現(xiàn)明顯變形;在作業(yè)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(tái)機(jī)具作業(yè)一個(gè)季度,共作業(yè)5 hm2。作業(yè)性能良好,且能經(jīng)受耐久性試驗(yàn)。