夏 超,尚書旗,王東偉,劉玉高,何曉寧,趙 壯,郭 鵬,左百?gòu)?qiáng)

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109)

0 引言

花生收獲機(jī)械作業(yè)過(guò)程包括挖掘、去土、晾曬、撿拾、摘果和清選多個(gè)階段[1]。目前,花生收獲方式主要分為兩段式收獲和聯(lián)合收獲兩種方式,且挖掘階段是收獲機(jī)械動(dòng)力輸出的重要組成部分。花生挖掘鏟作為重要的農(nóng)機(jī)觸土部件,其減阻耐磨性能對(duì)工作質(zhì)量、功率消耗有影響,針對(duì)如何通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高農(nóng)機(jī)觸土部件的減阻耐磨性能,國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。

在提高減阻性能方面,仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為一種廣泛應(yīng)用且可行的重要方法。鼴鼠、蜣螂和螻蛄等作為常見的土壤挖掘動(dòng)物,具有非常優(yōu)秀的土壤挖掘能力。針對(duì)螻蛄挖掘足的仿生研究,國(guó)內(nèi)學(xué)者李曉鵬等設(shè)計(jì)出一種用于馬鈴薯收獲的仿生挖掘鏟鏟片,通過(guò)EDEM仿真分析,較普通挖掘鏟所受阻力平均降阻近35%[2]。李長(zhǎng)銘通過(guò)獲取螻蛄第一足的圖像信息,建立仿生螻蛄花生挖掘鏟數(shù)學(xué)模型,研制出一種螻蛄仿生挖掘鏟,較普通挖掘鏟降阻率最高達(dá)到10%,土壤碎土性較普通挖掘鏟提高了2.86%[3]。楊玉婉通過(guò)對(duì)鼴鼠多趾組合結(jié)構(gòu)和趾尖輪廓曲線進(jìn)行研究,設(shè)計(jì)出一種仿生旋耕刀,與傳統(tǒng)的旋耕刀相比,不僅前進(jìn)速度從1km/h提升到5km/h,且整機(jī)的平均功耗降低了近17%[4]。張金波等利用指數(shù)函數(shù)擬合家鼠爪趾輪廓線方程設(shè)計(jì)的深松鏟,阻力降幅最高達(dá)近60%[5]。俞杰運(yùn)用逆向工程獲得家兔爪趾數(shù)學(xué)模型,制備的仿生旋耕刀不僅降阻率達(dá)到18%,受到的扭矩也大幅減小,延長(zhǎng)了旋耕刀的仿生設(shè)計(jì)[6]。仿生學(xué)被國(guó)內(nèi)學(xué)者大量應(yīng)用到農(nóng)機(jī)觸土部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化中,為改進(jìn)農(nóng)機(jī)觸土部件的結(jié)構(gòu)提供了一種新的思路。

扇貝作為一種常見的海鮮產(chǎn)品,種類繁多。青島地區(qū)常見海灣扇貝生活在水流較急、鹽度較高、透明度較大、水深10～30m的巖礁底或有貝殼砂礫的硬質(zhì)海底。扇貝不僅在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常受到磨粒磨損,也會(huì)受到泥沙的沖蝕作用,而扇貝殼為扇貝的生存起著至關(guān)重要的作用。花生收獲機(jī)械在工作過(guò)程中,挖掘鏟受到的磨損主要為磨粒磨損,與扇貝殼受到的磨損類型一致。為此,獲取扇貝殼表面信息,建立數(shù)學(xué)模型,制備出一種花生仿生挖掘鏟。

1 扇貝殼輪廓信息的獲取

1.1 扇貝殼輪廓曲線及特征方程擬合

將采購(gòu)的海灣扇貝,選取出外輪廓曲面均勻的扇貝,去除表面附著物及貝柱殘留物,用酒精進(jìn)行清理,最后用蒸餾水沖洗,放于通風(fēng)處自然晾干;晾干后,扇貝殼表面噴涂顯影劑,通過(guò)3D掃描儀對(duì)扇貝殼進(jìn)行整體掃描;因扇貝殼尺寸較小,不需粘貼標(biāo)記點(diǎn),將噴涂有顯影劑的扇貝殼放置于掃描儀器下方進(jìn)行圖像掃描,結(jié)果如圖1所示。

圖1 扇貝殼掃描圖Fig.1 Scallop shell scan

將獲取的3D掃描模型圖片導(dǎo)入到SolidWorks中,選取合適角度,截取扇貝殼的三視圖,新建零件模型;選擇基準(zhǔn)面編輯草圖,進(jìn)入草圖繪制界面,通過(guò)工具欄中的草圖工具選項(xiàng)將三視圖導(dǎo)入到SoildWorks中。在標(biāo)題欄中選取軟件中自帶的Atuotrace插件,調(diào)整圖片位置,借助輔助線使其與坐標(biāo)軸重合;選中要處理的圖片,調(diào)整圖像的透明度、圖像對(duì)比度、顏色公差及識(shí)別公差選項(xiàng),生成清晰完整的扇貝殼輪廓線,如圖2所示。

在MatLab軟件中提供了多種擬合模型,如二次擬合方程,n階多項(xiàng)式擬合方程及線性擬合方程等。根據(jù)擬合曲線的性狀(見圖3),選擇n階多項(xiàng)式進(jìn)行曲線方程的擬合,模擬評(píng)估精度的指標(biāo)R2可以用擬合曲線方程的相關(guān)系數(shù)來(lái)表示,值越大,表示擬合曲線方程精度越高。由表1可看出:擬合曲線方程的精度隨階次的增加而遞增,三階和四階多項(xiàng)式的精度要高于二次多項(xiàng)式。因此,在精度相同的情況下,優(yōu)先考慮階次較低的方程,方便后續(xù)仿生設(shè)計(jì)。

(a) 主視圖輪廓曲線

(b) 俯視圖輪廓曲線

(c) 左視圖輪廓曲線圖2 扇貝殼輪廓曲線Fig.2 Contour curve of scallop shell

(a) 主視圖輪廓擬合曲線

(b) 俯視圖輪廓擬合曲線

(c) 左視圖輪廓擬合曲線圖3 扇貝輪廓擬合曲線Fig.3 Contour fitting curve of scallop shell

表1 輪廓曲線方程相關(guān)系數(shù)R2Table 1 Correlation coefficient of contour curve equation R2

最終選取主視圖擬合方程為二次多項(xiàng)式,即

y=-0.004x2+0.0635x+1.089

(1)

俯視圖擬合方程為三階多項(xiàng)式,即

y=1.51e-04x3-0.005x2-0.665x+28.218

(2)

左視圖擬合方程為三階多項(xiàng)式,即

y=-3.004e-05x3+9.22e-04x2+0.418x+3.949

(3)

1.2 仿生扇貝挖掘鏟三維建模

依據(jù)式(1)～式(3),在SolidWorks軟件中選擇樣條曲線→方程式驅(qū)動(dòng)的曲線,將獲得的三視圖擬合方程導(dǎo)入,調(diào)整合適比例。由于挖掘鏟的鏟刃部分為主要磨損區(qū)域,將鏟刃部分進(jìn)行仿生設(shè)計(jì),建立仿生挖掘鏟模型如圖4所示。

圖4 仿生扇貝挖掘鏟Fig.4 Bionic scallop shovel

2 仿生挖掘鏟離散元仿真

2.1 顆粒模型

在實(shí)際生產(chǎn)中,土壤環(huán)境復(fù)雜多變,建立完整的土壤環(huán)境十分困難,為了計(jì)算方便,在EDEM中建立簡(jiǎn)化的土壤顆粒模型,將土壤顆粒半徑設(shè)為5mm的球形單顆粒,尺寸設(shè)定為長(zhǎng)2800mm×寬800mm×高350mm,土壤顆粒模型數(shù)量為450 000個(gè),挖掘深度為120mm。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

土壤接觸模型選擇Hertz-Mindlin with Bonding模型,可以通過(guò)結(jié)合力將相鄰兩個(gè)土壤顆粒粘結(jié)在一起,結(jié)合力可以承受切向和法向位移[7]。在實(shí)際田間作業(yè)過(guò)程中,土壤與土壤之間存在粘附力,挖掘鏟表面與土壤存在受力關(guān)系,該模型可以模擬土壤顆粒之間的粘結(jié)作用和土壤顆粒破碎的現(xiàn)象。同時(shí),根據(jù)表2、表3設(shè)定顆粒模型及其他相關(guān)參數(shù)。

表2 離散元模型基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of the discrete element model

表3 接觸模型屬性參數(shù)Table 3 Contact model property parameters

2.3 仿真試驗(yàn)過(guò)程

仿真試驗(yàn)采用對(duì)照試驗(yàn)法,對(duì)比仿生挖掘鏟與普通挖掘鏟在0.4、0.6、0.8m/s 3種不同速度下挖掘狀態(tài),土壤顆粒下落時(shí)間為1s,下落速度為2m/s, 所有顆粒生成采用動(dòng)態(tài)(dynamic)的生成方式,使得土壤顆粒完全下落完成之后,挖掘鏟開始運(yùn)動(dòng);兩種挖掘鏟開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)間為1.5s,運(yùn)動(dòng)到5s時(shí)過(guò)程結(jié)束。兩種挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖5所示。

(a) 仿生挖掘鏟運(yùn)動(dòng)過(guò)程

(b)普通挖掘鏟運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖5 挖掘鏟運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig.5 Shovel exercising procession

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

土壤對(duì)觸土部件的摩擦體現(xiàn)在其工作的阻力上,在農(nóng)機(jī)的工作過(guò)程中, 因摩擦產(chǎn)生的阻力占耕作總阻力的20%～30%[8]。而挖掘鏟在工作過(guò)程中,常見的失效方式土壤與挖掘鏟面發(fā)生的磨粒磨損。磨粒磨損時(shí),作用在硬質(zhì)點(diǎn)上的力分為垂直分力和水平分力,前者使硬質(zhì)點(diǎn)壓入材料表面,后者使硬質(zhì)點(diǎn)與表面之間產(chǎn)生相對(duì)位移[9]。對(duì)比分析兩種挖掘鏟在相同速度下受力變化,如圖6所示。

在相同速度下,仿生扇貝挖掘鏟的水平阻力要小于普通挖掘鏟的阻力。兩種挖掘鏟在1.5s開始運(yùn)動(dòng)并接觸土壤,進(jìn)行仿真挖掘運(yùn)動(dòng),并隨運(yùn)動(dòng)時(shí)長(zhǎng)所受的挖掘阻力逐漸增大,在3s以后挖掘鏟的阻力變化逐漸趨于平穩(wěn)。為研究在不同速度下,挖掘鏟受力數(shù)值,取3～5s時(shí)間段內(nèi),挖掘鏟所受挖掘阻力數(shù)值,取平均值,查看相同速度下,依據(jù)降阻率式(4),計(jì)算出仿生扇貝挖掘鏟的減阻率,即

(4)

(a) 0.4m/s速度下受力挖掘鏟受力狀態(tài)

(b) 0.6m/s速度下受力挖掘鏟受力狀態(tài)

(c) 0.8m/s速度下受力挖掘鏟受力狀態(tài)圖6 挖掘鏟受力狀態(tài)Fig.6 Shovel force state

兩種挖掘鏟在不同速度下阻力數(shù)值及減阻率如表4～表6所示。

表4 0.4m/s速度下阻力數(shù)值及減阻率Table 4 Drag value and drag reduction rate of 0.4m/s velocity

續(xù)表4

表5 0.6m/s速度下阻力數(shù)值及減阻率Table 5 Drag value and drag reduction rate of 0.6m/s velocity

表6 0.8m/s速度下阻力數(shù)值及減阻率Table 6 Drag value and drag reduction rate of 0.8m/s velocity

續(xù)表6

由表4～表6中挖掘鏟阻力數(shù)值變化可以看出:挖掘阻力隨速度的增加而增大;兩種挖掘鏟在相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,在0.4、0.6、0.8m/s 3種運(yùn)動(dòng)速度下,仿生扇貝挖掘鏟較普通挖掘鏟的減阻率分別為6.71%、5.43%和7.23%;在3種不同速度下,運(yùn)動(dòng)速度0.8m/s時(shí),減阻率最為明顯。對(duì)比分析兩種挖掘鏟在0.8m/s時(shí)土壤顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài),截取土壤顆粒隨時(shí)間變化的圖片,如圖7、圖8所示。

圖7 普通挖掘鏟土壤顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.7 Normal shovel state of soil particle movement

圖8 仿生挖掘鏟土壤顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.8 Bionic shovel state of soil particle movement

通過(guò)對(duì)比相同時(shí)間下,兩種挖掘鏟在接觸土壤顆粒模型時(shí)土壤顆粒的變化,普通挖掘鏟的土壤顆粒運(yùn)動(dòng)速度略高于仿生挖掘鏟土壤顆粒速度,而土壤顆粒運(yùn)動(dòng)越快,對(duì)挖掘鏟造成的阻力越大,挖掘鏟磨損越嚴(yán)重。相較于普通挖掘鏟,仿生挖掘土壤顆粒的運(yùn)動(dòng)整體比較均勻,而普通挖掘鏟兩側(cè)的土壤運(yùn)動(dòng)顆粒較中間部位運(yùn)動(dòng),速度變化較為明顯,普通挖掘鏟的挖掘過(guò)程中,土壤顆粒痕跡運(yùn)動(dòng)比較雜亂,而仿生挖掘鏟的挖掘痕跡中土壤顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡均勻,挖掘鏟所受的阻力變化相對(duì)較小。綜合以上因素可知:仿生挖掘鏟在工作過(guò)程中,土壤顆粒速度變化較小,軌跡較為均勻,所受的挖掘阻力要小于普通挖掘鏟,耐磨性能更優(yōu)異。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)扇貝殼整體進(jìn)行輪廓曲線擬合,建立數(shù)學(xué)模型,研制出一種新的花生仿生挖掘鏟。

2)基于EDEM進(jìn)行仿真試驗(yàn),對(duì)比仿生花生挖掘鏟和普通挖掘在工作過(guò)程中的受力及土壤顆粒運(yùn)動(dòng)變化,仿生挖掘鏟在降阻性能上可以提高5%～7%。

3)對(duì)挖掘鏟的鏟刃部分仿生位置進(jìn)行仿真分析,沒有對(duì)整體進(jìn)行仿真研究,旨在為以后花生挖掘鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種新的思路和方法。