永生 金宏亮 于瀟澤

摘要：鹽堿地蒙古黃芪收獲主要采用人工起收方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、損失率高。設(shè)計(jì)一種適于鹽堿地的蒙古黃芪收獲機(jī)，可一次性完成挖掘、根土破碎、分離、輸送和集中堆放等作業(yè)過(guò)程，能有效提高鹽堿地蒙古黃芪的收獲作業(yè)質(zhì)量。借助仿真模擬方法對(duì)機(jī)架與挖掘裝置進(jìn)行強(qiáng)度校核與模態(tài)分析，結(jié)果表明：機(jī)架所受最大應(yīng)力為41.62 MPa，挖掘裝置所受最大應(yīng)力為66.73 MPa，均小于材料屈服極限220 MPa；機(jī)架模態(tài)固有振動(dòng)頻率最小值為38.99 Hz，最大值為99.30 Hz，挖掘裝置模態(tài)固有振動(dòng)頻率最小值為39.97 Hz，最大值為236.11 Hz，均大于機(jī)組工作時(shí)所受的激勵(lì)頻率，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：蒙古黃芪；鹽堿地；仿真分析；強(qiáng)度分析；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)： S225;S567? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2023）06-0047-03

我國(guó)是受土壤鹽漬化危害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，西北、華北、東北及沿海地區(qū)各省區(qū)均有鹽堿地分布，其中內(nèi)蒙古自治區(qū)不同程度的鹽堿化耕地和草原總面積已經(jīng)超過(guò)了333.33萬(wàn)hm2。隨著全球氣候變暖、環(huán)境污染加劇、城市化進(jìn)程加速及灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展，部分地區(qū)耕地鹽堿化趨勢(shì)加重，已成為限制種植業(yè)發(fā)展的主要因素[1]。目前，現(xiàn)有國(guó)土面積中可用耕地面積為1.28億hm2，而鹽堿地總面積達(dá)1億多hm2，其中80%的鹽堿地通過(guò)有效治理可發(fā)展為耕地。因此，切實(shí)加強(qiáng)耕地保護(hù)，全力提升耕地質(zhì)量，充分挖掘鹽堿地的綜合利用潛力，有助于穩(wěn)步拓展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力。因地制宜利用鹽堿地、將“以種適地”同“以地適種”相結(jié)合、加快選育耐鹽堿特色品種、大力推廣鹽堿地治理改良的有效做法、加強(qiáng)鹽漬土生物治理與綜合開(kāi)發(fā)、提高植物耐鹽性，是種植業(yè)的重大課題[2]。

部分中藥植物具有較好的耐鹽堿特性，同時(shí)適度的鹽堿脅迫、干旱脅迫有助于提高中藥材藥效成分含量，蒙古黃芪就是典型代表之一。蒙古黃芪根可入藥，具有補(bǔ)氣升陽(yáng)、固表止汗、利水消腫、生津養(yǎng)血、行滯通痹、托毒排膿、斂瘡生肌的療效。2020年初，預(yù)防新型冠狀病毒肺炎所使用的諸多中藥中，大多含有蒙古黃芪[3]。蒙古黃芪一般采用先育苗后移栽的種植方法，種苗在種植培育1 a后收獲，第2 a春再移栽至經(jīng)過(guò)粉壟耕作的鹽堿地中。蒙古黃芪移栽后生長(zhǎng)周期為2 a，收獲時(shí)要深挖土壤，同時(shí)避免挖斷主根或碰傷外皮，以免影響藥材品質(zhì)。目前為保證黃芪品質(zhì)，通常采用人工起收，即農(nóng)民先將地上莖稈部分割掉，借助挖掘鏟將根莖刨出，去凈泥土后再將根莖打捆。由于鹽堿地土壤板結(jié)嚴(yán)重，人工起收黃芪的工作具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高、收獲損失率高、經(jīng)濟(jì)效益差等劣勢(shì)，這也成為制約鹽堿地蒙古黃芪種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸[4]。為此，設(shè)計(jì)一種適用于鹽堿地的蒙古黃芪收獲機(jī)，能夠一次性完成挖掘、根土破碎、分離、輸送和集中堆放等作業(yè)過(guò)程，從而為有效提高鹽堿地蒙古黃芪的收獲機(jī)械化率提供技術(shù)支持。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

蒙古黃芪收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

收獲機(jī)主要由機(jī)架、傳動(dòng)裝置、變速器、振動(dòng)分離裝置、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、挖掘裝置、側(cè)壁板、機(jī)架、懸掛裝置等組成，可以一次性完成挖掘、起苗、根土分離、輸送、集中堆放等作業(yè)。振動(dòng)分離裝置由動(dòng)力軸、偏心輪、連桿等零件組成。挖掘工作時(shí)，動(dòng)力軸與變速器連接帶動(dòng)偏心輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心輪通過(guò)連桿與分離裝置支架后端鉸接，并借助曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)來(lái)帶動(dòng)分離裝置形成往復(fù)振動(dòng)。機(jī)具動(dòng)力由拖拉機(jī)提供，其采用三點(diǎn)懸掛的方式與拖拉機(jī)連接。種苗起收作業(yè)時(shí)，由拖拉機(jī)的液壓懸掛裝置控制入土，機(jī)組沿作業(yè)方向前進(jìn)挖掘鏟，土壤和黃芪的復(fù)合體在挖掘鏟和機(jī)組作用下沿著挖掘鏟向后相對(duì)移動(dòng)，在經(jīng)過(guò)振動(dòng)分離裝置的抖動(dòng)、疏松、破碎后落入地面[5]。

1.2 蒙古黃芪收獲機(jī)的參數(shù)確定

根據(jù)當(dāng)?shù)孛晒劈S芪的種植農(nóng)藝要求，移栽株距為20 cm×40 cm，同時(shí)設(shè)計(jì)機(jī)具作業(yè)可以一次性完成2～3行藥材收獲。與一般耕地作業(yè)環(huán)境相比，鹽堿地內(nèi)土壤硬度高、粘性大，因此為了盡可能降低機(jī)具對(duì)種苗的損傷，同時(shí)保證機(jī)組具有較高的作業(yè)效率，收獲機(jī)運(yùn)行速度的合適范圍應(yīng)設(shè)置為2 km/h≤V1≤2.5 km/h[6]。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

2 機(jī)架仿真分析

2.1 靜力學(xué)分析

工作狀態(tài)下，懸掛架固定幾何體為模型約束條件。將機(jī)架和各零部件重力以及挖掘裝置和振動(dòng)分離裝置所受的工作阻力分別加載到機(jī)架的對(duì)應(yīng)位置上。仿真結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知。工作狀態(tài)下，機(jī)架所受最大應(yīng)力為41.62 MPa，小于材料屈服極限220 MPa，危險(xiǎn)截面安全系數(shù)2.9，滿足機(jī)架的強(qiáng)度要求。

2.2 模態(tài)分析

利用模態(tài)分析方法，研究機(jī)架在該狀態(tài)下的固有頻率和相應(yīng)模態(tài)下的振動(dòng)形式。分析得出機(jī)架前4階模態(tài)固有振動(dòng)頻率分別為38.99、43.34、74.46、99.30 Hz。對(duì)應(yīng)模態(tài)振型如圖3所示。

由圖3可知，前4階模態(tài)的振動(dòng)分別為水平振動(dòng)、上下振動(dòng)、前后振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。此狀態(tài)下，機(jī)架固有頻率最小為38.99 Hz，4階以上模態(tài)固有振動(dòng)頻率均大于32.56 Hz，高于機(jī)具工作時(shí)所受的激勵(lì)頻率，不會(huì)發(fā)生大位移形變，因此機(jī)架滿足設(shè)計(jì)要求。

3 挖掘裝置仿真分析

3.1 靜力學(xué)分析

工作狀態(tài)下，假設(shè)機(jī)組勻速運(yùn)動(dòng)，并認(rèn)為此時(shí)的挖掘裝置受力平衡。挖掘裝置幾何體為模型約束條件。將挖掘裝置所受的工作阻力分別加載到挖掘裝置的對(duì)應(yīng)位置上，如圖4所示。

由圖4可知，挖掘裝置所受最大應(yīng)力為66.73 MPa，且位于挖掘裝置中間附近，小于材料屈服極限220 MPa，最大合位移為3.49 mm，危險(xiǎn)截面安全系數(shù)2.9，滿足挖掘裝置的強(qiáng)度要求。根據(jù)應(yīng)力集中位置的特點(diǎn)，可以將中間位置處的挖掘鏟進(jìn)行強(qiáng)化處理，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)可以適當(dāng)增加中間位置挖掘鏟的長(zhǎng)度，從而使挖掘裝置更有利于入土。

3.2 模態(tài)分析

根據(jù)挖掘裝置的受力情況，對(duì)挖掘部件進(jìn)行模態(tài)分析，并研究在該狀態(tài)下的固有頻率和相應(yīng)模態(tài)下的振動(dòng)形式。分析算例的模型、材料、夾具，載荷等參數(shù)設(shè)置同靜力學(xué)分析一致。分析得出挖掘裝置前4階模態(tài)固有振動(dòng)頻率分別為39.97、115.9、122.26、236.11 Hz。對(duì)應(yīng)模態(tài)振型如圖5所示。

由圖5可知，前4階模態(tài)的振動(dòng)分別為挖掘裝置寬度方向的水平振動(dòng)、豎直方向的上下振動(dòng)、以挖掘裝置中間位置為中心的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和行進(jìn)方向的前后振動(dòng)。此狀態(tài)下的挖掘裝置固有頻率最小為39.97 Hz，4階以上模態(tài)固有振動(dòng)頻率均大于32.56Hz，高于機(jī)組工作時(shí)所受的激勵(lì)頻率，不會(huì)發(fā)生大位移形變，且靜力學(xué)分析下的挖掘裝置有充足的安全系數(shù)，滿足挖掘裝置在田間作業(yè)狀態(tài)下的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

通過(guò)分析計(jì)算與仿真相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)一種蒙古黃芪種苗收獲機(jī)。該機(jī)能夠一次性完成蒙古黃芪種苗的挖掘、根土分離輸送和集中堆放等作業(yè)，提高了收獲效率。通過(guò)理論計(jì)算和軟件分析的方法來(lái)對(duì)機(jī)架和挖掘裝置進(jìn)行強(qiáng)度校核，并利用SolidWorks軟件來(lái)分析機(jī)架在作業(yè)狀態(tài)下的振動(dòng)特性。結(jié)果表明，機(jī)架所受最大應(yīng)力為41.62 MPa，挖掘裝置所受最大應(yīng)力為66.73 MPa，均小于材料屈服極限220 MPa；機(jī)架模態(tài)固有振動(dòng)頻率最小值為38.99 Hz，最大值為99.30 Hz，挖掘裝置模態(tài)固有振動(dòng)頻率最小值為39.97 Hz，最大值為236.11 Hz，均大于機(jī)組工作時(shí)所受的激勵(lì)頻率，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李紫巖，朱壽東，劉瀾波，等.內(nèi)蒙古地區(qū)道地藥材蒙古黃芪生態(tài)適宜性區(qū)劃研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2021，23（2）：170-176.

[2] 陳學(xué)深，方貴進(jìn)，黃旭楠，等.根莖類藥材收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（8）：61-67+73.

[3] 田亮，曹成茂，張遠(yuǎn)，等.聯(lián)合式前胡收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，49（5）：815-822.

[4] MEHTAB ALAM，YUAN-JUN JIANG，MUHAMMD UMAR.Influence of drainage and root biomass on soil mechanical behavior in triaxial tests[J]. Acta Geotechnica，2021（4）： 34-42.

[5] 許淵，王峰，張方圓，等.黃芪收獲機(jī)分離裝置的設(shè)計(jì)與仿真分析[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2020，48（10）：14-19.

[6] 張兆國(guó)，薛浩田，王一馳，等.基于離散元法的三七仿生挖掘鏟設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2022，53（5）：100-111.

Research on Simulation Design of Mongolia Astragalus Pick-Up Device in Saline-Alkali Land

YONG Sheng1， JIN Hongliang2， YU Xiaoze1*

（1. Key Laboratory of Intelligent manufacturing technology， Inner Mongolia Minzu University， College of Engineering，Tongliao Inner Mongolia，028000，China; 2. Jiangxi Xintong Machinery Manufacturing Co.， LTD.， Pingxiang Jiangxi 337000， China）

Abstract：? The harvest of Mongolian Astragalus in saline-alkali land mainly adopts the manual harvesting method， which has low labor intensity， low efficiency and high loss rate. A Mongolian Astragalus harvester suitable for saline-alkali soil is designed， which can complete the digging， root soil crushing， separation， transportation and centralized stacking at one time， and can effectively improve the harvesting quality of Mongolian Astragalus in saline-alkali soil. Meanwhile， the strength check and modal analysis of the frame and digging device are carried out by means of simulation. The results show that： The maximum stress of the frame is 41.62 MPa， and the maximum stress of excavating device is 66.73 MPa， both of which are less than the material yield limit of 220 MPa; The minimum modal natural vibration frequency of the frame is 38.99 Hz， the maximum is 99.30 Hz， and the minimum modal natural vibration frequency of the mining device is 39.97 Hz and the maximum is 236.11 Hz， both of which are greater than the excitation frequency of the unit during operation， and meet the design requirements.

Key words：? Mongolian Astragalus; saline-alkali land; simulation analysis; strength analysis; modal analysis

收稿日期：2023-11-20

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙自治區(qū)高校直屬項(xiàng)目（GXKY22126）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2023LHMS05005）

作者簡(jiǎn)介：永 生（1990—），男，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械工程。

通信作者：于瀟澤（1984—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)及農(nóng)業(yè)智能裝備。