張澤璞,陶桂香,衣淑娟,包宇恒

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

板藍(lán)根是我國傳統(tǒng)常用中藥材,藥用價(jià)值較高[1]。目前,國內(nèi)有千余家制藥企業(yè)以板藍(lán)根為主要原料生產(chǎn)的中成藥、西藥、中藥飲片就超過2000多種,且醫(yī)藥市場(chǎng)對(duì)板藍(lán)根的需求量每年都在以15%以上的速度遞增,可見其作為藥材栽培種植的經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)潛力[2];但是其收獲方式相對(duì)落后,主要靠人工挖掘收獲為主,勞動(dòng)量大,工作效率低[3]。因此,開展板藍(lán)根機(jī)械化收獲和收獲關(guān)鍵技術(shù)的研究是迫切需要的。挖掘鏟是板藍(lán)根收獲機(jī)的重要組成部分,其形態(tài)結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)直接影響整機(jī)性能及收獲效果。

近年來,國內(nèi)學(xué)者開展了相關(guān)研究,并取得了較好效果,但都是針對(duì)于馬鈴薯、牛蒡、三七等作物。魏宏安等[4]設(shè)計(jì)的4UFD-1400型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)的挖掘鏟采用分體式三階平面組合結(jié)構(gòu),縱向剖面呈“～”形,鏟刃、鏟面和防石柵共同構(gòu)成一個(gè)縱向復(fù)合曲面,提高了入土和碎土能力。呂金慶等[5]設(shè)計(jì)的4U1Z型振動(dòng)式馬鈴薯挖掘機(jī)的挖掘鏟采用一體式挖掘鏟、三角鏟刃,切土效果更好,挖掘鏟兩側(cè)向上折起,避免了薯塊從挖掘鏟的兩側(cè)漏出被機(jī)器擠壓和被土壤覆蓋。呂宏靖等[6]設(shè)計(jì)的牛蒡收獲機(jī)采用了偏置的前寬后窄式挖掘鏟,不但不漏挖,牽引動(dòng)力小,而且還確保了牛蒡根部的完整性及收獲效率。張丹等[7]為解決三七機(jī)械化收獲易產(chǎn)生的挖掘鏟前壅土問題,在不降低收獲率的前提下設(shè)計(jì)了一種由三角平面鏟和土壤破碎鏟組成的新型組合式挖掘鏟,田間試驗(yàn)效果較好。目前,針對(duì)于板藍(lán)根收獲機(jī)挖掘鏟的研究尚處于起步階段,沒有完整的設(shè)計(jì)理論支撐。

為此,針對(duì)現(xiàn)有板藍(lán)根收獲機(jī)挖掘阻力大、鏟面易壅土、故障率高等問題,設(shè)計(jì)了一種單行振動(dòng)式板藍(lán)根收獲機(jī),并參考薯類挖掘鏟的設(shè)計(jì),依據(jù)板藍(lán)根的農(nóng)藝要求及其自身特性,對(duì)其挖掘鏟進(jìn)行合理化設(shè)計(jì),采用有限元法對(duì)該挖掘鏟進(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)原理及主要技術(shù)參數(shù)

1.1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

4UD-600型板藍(lán)根收獲機(jī)由挖掘裝置、振動(dòng)分離裝置、傳動(dòng)裝置及機(jī)架組成,如圖1所示。

1.機(jī)架 2.萬向聯(lián)軸器 3.護(hù)板 4.側(cè)切刀 5.挖掘鏟 6.連桿Ⅰ7.搖桿 8.偏心輪裝置 9.連桿Ⅱ 10.振動(dòng)分離篩11.軸承 12.軸Ⅰ 13.皮帶輪 14.皮帶 15.變速箱圖1 4UD-600型板藍(lán)根收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of 4UD-600 type Isatis Root Harvester

工作原理:作業(yè)時(shí),機(jī)架的前端位置懸掛在拖拉機(jī)上,整個(gè)機(jī)組的前進(jìn)、挖掘和振動(dòng)分離所需動(dòng)力全部由拖拉機(jī)提供。通過鏟刀體兩側(cè)的螺栓來調(diào)節(jié)和控制挖掘深度,挖掘鏟在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下鏟入土中,側(cè)切刀切開土壤,板藍(lán)根和土壤等被挖掘鏟掘起后沿鏟面向后運(yùn)動(dòng),護(hù)板起到保護(hù)作用,較小土塊從挖掘鏟后端的柵條間漏下,其余部分被送入分離篩。同時(shí),拖拉機(jī)輸出的動(dòng)力通過萬向聯(lián)軸器傳至變速箱后實(shí)現(xiàn)換向,利用帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸Ⅰ旋轉(zhuǎn),使偏心輪獲得一定的轉(zhuǎn)速,從而帶動(dòng)搖桿運(yùn)動(dòng); 搖桿的另一端鉸接在連桿Ⅰ上,而連桿Ⅰ、Ⅱ的一端鉸接在機(jī)架上,另一端鉸接在振動(dòng)篩上,偏心輪、搖桿、連桿Ⅰ、連桿Ⅱ、振動(dòng)篩及機(jī)架組成一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu),使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)閾u擺運(yùn)動(dòng),從而使振動(dòng)分離篩進(jìn)行往復(fù)振動(dòng),將挖掘鏟輸送來的土塊振碎并由振動(dòng)篩的柵條間漏下,實(shí)現(xiàn)土藥分離,板藍(lán)根則由振動(dòng)篩尾部側(cè)向出口排出鋪放在地壟一側(cè)。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)板藍(lán)根種植的農(nóng)藝要求、收獲機(jī)的生產(chǎn)效率和作業(yè)要求等,確定該收獲機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 4UD-600型板藍(lán)根收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 4UD-600 type Isatis Root Harvester

2 挖掘鏟的設(shè)計(jì)及參數(shù)選取

2.1 挖掘裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

挖掘裝置由挖掘鏟、側(cè)切刀、護(hù)板、調(diào)節(jié)螺栓及固定螺栓組成,如圖2所示。挖掘裝置通過側(cè)切刀末端的調(diào)節(jié)螺栓與機(jī)架相連接,在挖掘過程中,在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下挖掘鏟鏟入土中;隨著挖掘深度的增加,側(cè)切刀切開兩側(cè)土壤,掘出物在前方土壤的推動(dòng)下經(jīng)過挖掘鏟及護(hù)板的保護(hù),使掘出的土藥混合物順利進(jìn)入振動(dòng)篩進(jìn)行振動(dòng)分離作業(yè)。挖掘裝置中挖掘鏟與側(cè)切刀的組合使用,既保證了固定式挖掘鏟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、挖掘阻力小,又克服了固定挖掘鏟易壅土、碎土能力不足等缺陷。

1.調(diào)節(jié)螺栓 2.側(cè)切刀 3.護(hù)板 4.固定螺栓 5.挖掘鏟圖2 挖掘裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural diagram of the excavation device

挖掘鏟由三角平面鏟及柵條組成,采用滑切方式,利用螺栓固定在側(cè)切刀上,如圖3所示。挖掘鏟后設(shè)計(jì)柵條結(jié)構(gòu),使得在挖掘過程中,一部分疏松及顆粒較小的土壤提前通過挖掘鏟后柵條間隙落下,減小挖掘阻力。在設(shè)計(jì)固定式三角平面挖掘鏟時(shí),關(guān)鍵參數(shù)為鏟長(L)、鏟刃張角(θ)及入土角(α)。

1.柵條 2.螺栓孔 3.三角平面鏟 4.土壤圖3 挖掘鏟結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram of the digging shovel

2.2 固定式挖掘鏟入土角的確定

入土角的大小直接影響到挖掘鏟的長度、入土性能、碎土能力及挖掘阻力。挖掘鏟入土角設(shè)計(jì)較小時(shí),將挖掘出的土藥混合物提升至一定高度時(shí)所需的鏟長較長,挖掘鏟容易入土,破碎土壤能力較差,挖掘時(shí)阻力小;挖掘鏟入土角設(shè)計(jì)較大時(shí),與之相反。因此,選擇合適的入土角有助于提升整機(jī)的性能[8]。挖掘鏟掘起物單元體受力分析簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 挖掘鏟掘起物單元體受力分析簡(jiǎn)圖Fig.4 Force analysis sketch of excavation unit of digging shovel

入土角的許可值依據(jù)掘起物移動(dòng)條件由下列方程式導(dǎo)出,即

(1)

式中α—挖掘鏟入土角(°);

F—沿著挖掘鏟移動(dòng)掘起物所需的力(N);

N—挖掘鏟對(duì)掘起物的支持力(N);

G—鏟面上掘起物的重力(N);

f—掘起物在鏟面上所受的摩擦力(N);

μ—摩擦因數(shù)。

由式(1)可得

(2)

2.3 固定式挖掘鏟長度的確定

圖5為挖掘鏟掘起物單元體運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖。

圖5 挖掘鏟掘起物單元體運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖Fig.5 Motion analysis sketch of excavation unit of digging shovel

依據(jù)動(dòng)量定理、動(dòng)能定理及幾何關(guān)系,可計(jì)算挖掘鏟的長度。假設(shè)開始挖掘時(shí)(即A點(diǎn))掘起物單元體前方土壤對(duì)其產(chǎn)生瞬時(shí)沖量,碰撞時(shí)間很短(t=0.01s),忽略其他干擾因素(如空氣阻力等),以單元體為研究對(duì)象,由動(dòng)量定理可得

Fcosα-f-Gsinα=mv1

(3)

假設(shè)掘起物單元體沿鏟面運(yùn)動(dòng)到鏟的末端B點(diǎn)時(shí)失去了它的速度[9](v2=0),掘起物開始進(jìn)入柵條,同時(shí)產(chǎn)生堆積現(xiàn)象,并由前方土壤推送至振動(dòng)分離篩,在此過程中單元體所具有的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為摩擦力所做的功以及重力勢(shì)能,則由動(dòng)能定理可得

(4)

由幾何關(guān)系得

(5)

由式(1)、(3)、(4)、(5)可得挖掘鏟的長度為

(6)

根據(jù)三角平面鏟特性、實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行板藍(lán)根收獲機(jī)設(shè)計(jì)。當(dāng)入土角α取值范圍為19°～23°。挖掘鏟的最佳長度為360～400mm。本設(shè)計(jì)入土角α=22°,則取L=390mm。

2.4 固定式挖掘鏟鏟刃張角的確定

鏟刃張角作為三角平面鏟關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一,其設(shè)計(jì)值必須使雜草和莖稈都能滑離鏟刃[10]。鏟刃口受力如圖6所示,其必須滿足下列滑切條件,即

(7)

式中F0—作用于鏟刃的阻力(N);

θ—鏟刃張角(°);

f0—鏟刃與根莖及雜草間的摩擦力(N);

μ′—根莖及雜草與挖掘鏟間的摩擦因數(shù);

在研究溫度對(duì)stokes光輸出特性的影響時(shí),激光器自身的穩(wěn)定性是非常重要的。因此先觀察實(shí)驗(yàn)用多波長布里淵摻鉺光纖激光器在室溫下stokes光輸出的穩(wěn)定性。在一小時(shí)內(nèi)間隔10 min連續(xù)觀察stokes光輸出,其中SP功率固定在0.5 mW,得到圖5波長穩(wěn)定性曲線。在實(shí)驗(yàn)中觀察到從第1階stokes光BS1到第25階BS25,未發(fā)現(xiàn)明顯波長偏移,且功率波動(dòng)在1 dBm以內(nèi)。從BS26到BS30,功率波動(dòng)較大,最高達(dá)2.5 dBm。因此,在研究stokes輸出特性時(shí)只選取穩(wěn)定部分波長stokes光,以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

φ—根莖及雜草與挖掘鏟間的摩擦角(°)。

由式(7)可得

(8)

由此可知,θ≤180°-2φ。莖稈及雜草對(duì)鋼的摩擦因數(shù)μ′=tanφ≈0.85～0.9,即φ≈40°～42°,則θ應(yīng)小于96°～100°[4]。依據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究及綜合考慮各方面因素,該挖掘鏟最佳鏟刃張角取θ=55°。

3 挖掘鏟有限元仿真分析

挖掘鏟是板藍(lán)根收獲機(jī)的主要工作部件,工作中所受阻力很大,在保證挖掘機(jī)使用壽命和可靠性方面起著重要作用,故要求挖掘鏟有較高的抗磨損及抗變形性能[11]。因此,基于SolidWorks軟件中的有限元分析插件Simulation對(duì)板藍(lán)根收獲機(jī)的關(guān)鍵部件三角平面挖掘鏟進(jìn)行了靜力學(xué)分析。其有限元分析是在整機(jī)處于極限作業(yè)工況下進(jìn)行(即挖掘深度最大、掘起物保持連續(xù)、機(jī)車牽引力最大、振動(dòng)篩面上土藥混合物鋪放均勻、挖掘裝置全幅寬作業(yè),以及掘出物在鏟面上分布均勻等),通過定性分析挖掘鏟在受載荷情況下的應(yīng)力、位移的變化情況,來檢驗(yàn)校核其設(shè)計(jì)和材料選擇是否滿足要求。

3.1 模型創(chuàng)建

按照上節(jié)挖掘鏟的設(shè)計(jì)中所確定的參數(shù)利用SolidWorks軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模,得到三角平面挖掘鏟模型如圖7所示。

3.2 材料屬性定義

此挖掘鏟的材料選用普通碳素結(jié)構(gòu)(Q235),含碳適中,綜合性能較好,具有良好的塑性和焊接性能,性價(jià)比高,實(shí)用性強(qiáng)。相關(guān)屬性為:密度7800kg/m3,彈性模量210GPa,泊松比0.28,屈服強(qiáng)度220.6MPa。

3.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)挖掘鏟進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置網(wǎng)格單元尺寸為5mm,公差為0.25mm,如圖8所示。

3.4 施加約束及載荷處理

約束條件:在挖掘鏟螺栓孔的位置添加固定幾何體約束。

為使該固定式三角平面鏟滿足不同工況下的作業(yè)要求,在進(jìn)行靜力學(xué)分析前,假設(shè)其滿足以下條件:①挖掘深度最大為500mm;②挖掘鏟整個(gè)鏟面都參與工作(工作寬度為400.9mm);③鏟面上掘出物(土壤和板藍(lán)根的混合物)分布均勻、密度均勻?；谝陨霞僭O(shè),計(jì)算鏟面上的應(yīng)力。鏟面上掘出物的重力G為

(9)

式中ρ—土壤和板藍(lán)根混合物的密度,ρ=1300kg/m3;

V—鏟面上掘出物的體積(m3);

g—重力加速度,g=9.8m/s2;

SΔ—鏟面的面積(m2);

h—最大挖掘深度(m);

L—挖掘鏟的長度(m);

l—挖掘鏟工作寬度(m)。

依據(jù)已知數(shù)據(jù),計(jì)算可得G=498.0N。以鏟面掘出物為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行受力分析,如圖9所示。

圖9 鏟面掘出物受力分析圖Fig.9 Force analysis diagram of excavated object on shovel face

由圖9得到以下公式,即

(10)

式中μ—挖掘鏟與掘出物之間的摩擦因數(shù),取μ=值0.5。

3.5 運(yùn)行結(jié)果分析

運(yùn)行計(jì)算后,得到結(jié)果如圖10、圖11所示。由圖10和圖11可知:挖掘鏟的應(yīng)力主要集中在3個(gè)螺紋孔處,且最大應(yīng)力分布在鏟的背面離鏟尖較近的兩個(gè)螺紋孔處,最大應(yīng)力值為22.44MPa,遠(yuǎn)小于挖掘鏟的許用應(yīng)力220.6MPa,強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求;而產(chǎn)生最大位移的位置為鏟尖,變形值為0.09184mm,與整個(gè)鏟相比該變形量很小,可以忽略。綜上所述,該挖掘鏟在工作過程中的形變量和應(yīng)力滿足要求,能夠安全作業(yè),因此該鏟設(shè)計(jì)合理,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 挖掘鏟應(yīng)力云圖Fig.10 Stress nephogram of digging shovel

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)4UD-600型板藍(lán)根收獲機(jī)樣機(jī)的試制,并按照挖掘鏟設(shè)計(jì)參數(shù)的要求對(duì)其進(jìn)行制作與安裝,來進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,樣機(jī)如圖12所示。以挖掘鏟背面離鏟尖最近的螺紋孔處的應(yīng)力及鏟尖的位移為試驗(yàn)指標(biāo),以鏟面上土層的厚度為因素,對(duì)其進(jìn)行單因素試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 試驗(yàn)方法及結(jié)果

在挖掘鏟鏟面上放置三角柱形模具(厚度較薄,質(zhì)量可忽略不計(jì)),試驗(yàn)過程中通過向模具中加注土壤來調(diào)節(jié)鏟面土層的厚度。測(cè)量儀器有:①位移傳感器,測(cè)量精度為0.001mm,安裝在鏟尖位置,用來測(cè)量鏟尖的位移量;②應(yīng)變測(cè)試儀,在挖掘鏟背面離鏟尖最近的螺紋孔附近平整干凈處粘貼應(yīng)變片,來測(cè)量此處因受壓產(chǎn)生的應(yīng)變,通過公式(11)計(jì)算此處應(yīng)力值。

(11)

式中E—彈性模量(MPa),取E=2.10×105MPa;

σ—應(yīng)力(MPa);

ε—應(yīng)變。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

4.2 試驗(yàn)分析

應(yīng)力-土層厚度關(guān)系圖如圖13所示。由圖13可知:其他條件一定的情況下,挖掘鏟背面離鏟尖最近的螺紋孔處的應(yīng)力值隨著土層厚度的增加而增大,達(dá)到極限時(shí)(即挖掘深度最大為500mm),應(yīng)力值為22.3MPa,與仿真結(jié)果基本一致,結(jié)果在可信范圍內(nèi)。

圖13 應(yīng)力-土層厚度關(guān)系圖Fig.13 Diagram of the relationship between stress and soil thickness

位移-土層厚度關(guān)系圖如圖14所示。

圖14 位移-土層厚度關(guān)系圖Fig.14 Diagram of the relationship between displacement and soil thickness

由圖14可知:在其他條件一定的情況下,鏟尖的位移值隨著土層厚度的增加而增大,達(dá)到極限時(shí)(即挖掘深度最大為500mm)位移值為0.093mm,與仿真結(jié)果基本一致,結(jié)果在可信范圍內(nèi)。同時(shí),在田間對(duì)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試,樣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,收獲效率較人工收獲高,工作狀況良好,挖掘鏟等關(guān)鍵部件均未出現(xiàn)斷裂、大幅度彎曲等不良工況,強(qiáng)度滿足實(shí)際要求。

5 結(jié)論

1)4UD-600型板藍(lán)根收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,工況良好,工作幅寬600mm,挖掘深度300～500mm,純工作時(shí)間生產(chǎn)率為0.08～0.16hm2/h,可一次完成板藍(lán)根的挖掘、土藥分離和成條側(cè)出鋪放,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率。

2)參考薯類挖掘鏟的設(shè)計(jì),利用動(dòng)力學(xué)分析構(gòu)建工作阻力模型,依據(jù)動(dòng)量定理、動(dòng)能定理及幾何關(guān)系計(jì)算,提出一套板藍(lán)根收獲機(jī)挖掘鏟的設(shè)計(jì)思路,確定出挖掘鏟的最佳入土角α=19°～23°,鏟長L=360～400mm,鏟刃張角θ=55°,從而確保在實(shí)際挖掘作業(yè)過程中阻力最小、無壅土現(xiàn)象產(chǎn)生。

3)通過對(duì)該板藍(lán)根收獲機(jī)三角平面挖掘鏟進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析,得到該挖掘鏟的應(yīng)力、位移云圖。結(jié)果表明:挖掘鏟最大應(yīng)力分布在鏟的背面離鏟尖較近的兩個(gè)螺紋孔處,最大應(yīng)力值為22.44MPa;產(chǎn)生最大位移的位置為鏟尖,變形值為0.09184mm。通過試驗(yàn)可知,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致,結(jié)果在可信范圍內(nèi)。