貴州省農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣總站 韓忠祿 周奇 潘東彪 謝成霞 趙昌秀

引言

近年來，隨著我省種植業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性大調(diào)整，大幅調(diào)減低效作物（玉米）的種植面積，改種其他經(jīng)濟價值較高的作物后我省馬鈴薯種植面積大幅增加。到2019 年全省馬鈴薯種植面積達到789.33 千公頃，種植面積已是全國第一。在馬鈴薯種植各環(huán)節(jié)中，收獲是用工量最多的一個環(huán)節(jié)，馬鈴薯人工收獲每畝需要6 個工左右，而采用中小型馬鈴薯收獲機收獲每畝只需0.5 個工左右；人工收獲馬鈴薯損失率在10%左右，機械收獲馬鈴薯損失率在5%以下。因此，在當前我省農(nóng)村青壯年勞動力大量轉(zhuǎn)移，農(nóng)村勞動力嚴重缺乏的情況下，為助力農(nóng)業(yè)增效，農(nóng)民增收，助推鄉(xiāng)村振興，采取馬鈴薯機械化收獲非常有必要。

機架作為小型抖動式馬鈴薯收獲機的主要支撐部件，主要承受田間作業(yè)時的土壤作用力。當機架應(yīng)力超過材料屈服強度時候，容易引起機架開裂[7]。本文針對某小型振動式馬鈴薯收獲機，分析研究機架應(yīng)力應(yīng)變特性，避免機架應(yīng)力超過材料屈服強度，引起機架開裂。

1 小型抖動式馬鈴薯收獲機介紹

小型振動式馬鈴薯收獲機機具的三維模型如圖1 所示。

圖1 小型振動式馬鈴薯收獲機

拖拉機通過減速箱牽引收獲機，工作時，收獲機將馬鈴薯連根挖出，通過收獲機上的傳送帶，實現(xiàn)土壤與馬鈴薯的分離，并將馬鈴薯拋撒在田塊中，方便人工撿拾。

2 有限元分析與建模

2.1 機架模型

為便于加工，節(jié)省成本，目前市場上的振動式馬鈴薯收獲機機架主要材質(zhì)為矩形方鋼，通過焊接或者螺栓連接構(gòu)成，其三維模型如圖2 所示。

圖2 小型振動式馬鈴薯收獲機機架模型

2.2 機架有限元模型

機架材料選為Q255，材料屬性如表1 所示。

表1 機架材料特性參數(shù)

有限元模型的復(fù)雜程度、網(wǎng)格數(shù)目、單元類型、網(wǎng)格質(zhì)量等因素直接影響模型的計算速度、計算結(jié)果，所以對影響模型精度的關(guān)鍵因素進行稽核清理，機架有限元模型假設(shè)為：（1）忽略機架結(jié)構(gòu)中直徑較小的工藝孔，將過渡圓角和倒圓角等效設(shè)直角；（2）將模型中非重點部位的螺栓孔忽略，建立小型振動式馬鈴薯收獲機機架有限元模型如圖3 所示。

圖3 小型振動式馬鈴薯收獲機有限元幾何模型

3 收獲機使用工況

收獲機工作時沿地面方向受力的載荷大小主要為在土壤中受到的阻力，計算見公式（1）。

式中：P：牽引阻力，單位N；

K：土壤的比阻，單位N/cm2；

n：開溝個數(shù)；

a：溝深，單位cm；

b：溝寬，單位cm.

表2 挖掘鏟在各種土壤條件下的比阻值

貴州省土壤屬于黏重土壤，K 值取7。該小型振動式馬鈴薯收獲機挖掘溝寬為90cm；挖掘深度為6.3cm?？傻茫篜=3969N。

該款小型振動式馬鈴薯收獲機與50馬力以上的拖拉機配套使用，拖拉機馬力取50 馬力；拖拉機在田間作業(yè)時，屬于低速作業(yè)，作業(yè)速度取4.5km/h。由公式（2）

式中：P：功率，單位W；

F：牽引力,單位N；

V：行駛速度，單位m/s。

可得出F 牽=30120N

4 模態(tài)分析

通過ANSYS 軟件對機架應(yīng)力應(yīng)變進行分析，得到相對應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變，機架位移圖如圖4 所示，應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D5 所示和表3 所示。

圖4 機架位移圖

圖5 機架應(yīng)力應(yīng)變圖

表3 某小型振動式馬鈴薯機架位移量、應(yīng)力、應(yīng)變

通過對機架的變形量及應(yīng)力應(yīng)變分析，可得知：（1）機架的最大位移量在收獲機尾部，為12.872mm，可以有效地將土壤與馬鈴薯分離；（2）機架應(yīng)力應(yīng)變最大部位在變速箱與機架連接部位，最大應(yīng)變量為0.001455mm，最大應(yīng)力為239.1Mpa，小于機架材料Q255 的屈服強度及抗拉強度。

5 結(jié)論

通過對某小型振動型馬鈴薯收獲機機架的應(yīng)力應(yīng)變特性進行分析，機架的最大位移量在收獲機尾部，為12.872mm，與實際工作情況相同，可以有效地將土壤與馬鈴薯分離；機架應(yīng)力應(yīng)變最大部位在變速箱與機架連接部位，最大應(yīng)變量為0.001455mm，最大應(yīng)力為239.1Mpa，小于機架材料Q255 的屈服強度及抗拉強度，可以避免因受力問題導(dǎo)致機架開裂。