振动铲式马铃薯收获机的设计与仿真分析

陈 凯，高彦玉，杨陆强，赵玉清

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)

0 引言

马铃薯(Solanum Tuberosum)早在16世纪就已经传入我国，其种植面积大、营养丰富，与小麦、稻谷、玉米并成为世界四大粮食作物，有“地下苹果”之称[1]。随着国内外马铃薯种植面积的不断扩大，马铃薯机械化也逐渐驶入快速发展的行列。虽然我国马铃薯种植面积逐渐扩大，但是马铃薯的单位产量不是很可观。对于马铃薯收获，目前我国北方农村依然存在人工刨的落后方式，费时费力，劳动强度大，给农民造成了极大的困难。尽管我国是马铃薯生产大国，但一系列的因素制约着其生产发展，机械设备落后就是最主要的制约因素[2]。因此，马铃薯种植业机械设备的大力研发对于我国马铃薯产业的发展有着重要的意义。

国外对于马铃薯收获机械的研制要比我国早得多，在20世纪80年代初，相当多的国家就实现了马铃薯从种植到收获的生产机械化。国外马铃薯收获机的研制技术水平高，为了提高作业效率，在机器上融入了振动和液压技术，通过传感技术来控制马铃薯的传运量及土壤喂入量；为了提高生产效率，利用了虚拟制造技术和超塑加工技术等先进技术[2]。目前，发达国家的马铃薯收获机有两种类型：一种是采用大功率自走式联合收获机，以俄罗斯、美国为代表；另一种是以德国、意大利为代表的与中型拖拉机配套的牵引式马铃薯收获机[3]。我国马铃薯收获机虽然起步早，但是发展缓慢[4]，20世纪60年代，我国马铃薯种植收获机具开始得到重视，在借鉴国外技术的基础上开始研制并逐步发展起来[5]。目前，国内马铃薯收获机配套动力小，以小型轻便为主，仍然存在诸多的不足，如适应性差、损伤率高及壅土等[6]。由于我国大部分的农田地块都比较小，所以国内在相当长的时间内仍会以小型马铃薯收获机为主[7]。

振动挖掘铲作为马铃薯收获机的关键部件，对其设计的合理与否关系到整机的产品质量及性能的好坏。因ADAMS软件在多体动力学仿真分析方面设计成熟，本文在ADAMS环境中对振动铲的设计模型进行动力学和振动仿真分析[8]，以验证该结构设计的合理性。

1 结构原理及参数设置

1.1 总体结构及工作原理

基于牵引式的振动铲式马铃薯收获机主要由挖掘装置、薯土分离装置、偏心轮传动装置、行走装置及机架组成，如图1所示。

工作原理：作业时，机架前端位置悬挂在小四轮拖拉机上，动力来源是8.8～11kW的小四轮拖拉机。拖拉机的动力输出轴与收获机的偏心轮轴连接，使偏心轮获得一定的转速，从而带动摇臂运动；配置在偏心轮后面的摇臂带动摆动架做往复摆动，摆动架铰接在机架上，从而带动挖掘铲和振动筛做往复周期运动；机架后边的两个挂杆上端和下端分别铰接在机架和振动筛的两边，整车作业时，一方面起到稳固振动筛的作用，防止损坏和变形，另一方面协同振动筛做来回摆动。

1.机架 2.摇臂 3.偏心轮装置 4.振动挖掘铲 5.摆动架 6.振动筛 7.行走轮 8.后挂杆

1.2 主要性能指标

马铃薯收获机的主要性能指标有工作宽度、作业行数、作业深度、作业效率及明薯率等，其各指标参数的设定如下：

工作宽度/mm：700

作业行数：单行

作业深度/mm：200

明薯率/%：≥95

挖净率/%：≥98

破损率/%：≤5

配套动力(小四轮拖拉机)/kW：8.8～11

主轴转速/r·min-1：2 350

作业速度/m·s-1：0.6～1

2 主要工作部件的设计

2.1 挖掘装置

挖掘装置的主要作用是挖掘土壤和薯块，并在作业过程中利用其振动效果将薯块和土壤一起输送到振动分离筛，实现薯土分离。挖掘装置的主要工作部件是挖掘铲，挖掘铲有固定式和振动式两种。固定式挖掘铲存在以下缺点:碎土能力差，入土角较小，铲子较长，强度差，薯土不能分离。振动式挖掘铲是依据振动原理，其优点如下：①能够提高土壤的破碎能力，有利于薯土的彻底分离，克服了固定式挖掘铲的缺点；②振动挖掘铲有助于土壤和马铃薯的喂入，振动能使土薯一直处于流动状态，不会因为壅土而擦伤薯块；③振动挖掘铲在振动时的瞬间冲击力可以减少挖掘过程中牵引阻力和挖掘阻力，并降低整机的动力消耗[9]。

2.1.1 振动式挖掘铲的结构设计

振动式挖掘铲的结构是铰接在机架上的，除振动铲的刀刃处一段外，其余部分铲面做成栅条状，以完成部分土壤的分离，能够提高明薯率；铲面两端焊接两条吊杆以与机架连接。本文设计的振动式挖掘铲采用65Mn作为加工材料，基本尺寸如下：铲长700mm，铲宽200mm，栅条间隙30mm。挖掘铲结构三维图如图2所示。

图2 振动式挖掘铲结构图

振动挖掘产挖掘性能的好坏受到诸多因素的影响，包括动力配套设施的牵引速率、挖掘土壤时的入土角、振动频率和振幅。其中，振动频率可通过改变拖拉机输出轴的转速来调节；牵引速率由配套的拖拉机技术规格确定；振幅由偏心轮调节；入土角由摇臂调节，通过改变偏心轮与摇臂之间的距离调节挖掘铲入土角[10]。

2.1.2 振动式挖掘铲的入土角α的确定

振动式挖掘铲的入土角的大小关系到铲面上马铃薯和土壤的运动速度及明薯率的大小。入土角相对较大时，其铲面上的物体运动速度会较慢，漏出的碎土就会相对较多；反之，入土角相对较小时，铲面上物体运动速度会较快，漏出的碎土就会相对较少。

挖掘铲挖掘土壤时的最大入土角，原则上应小于铲上物体对铲面材料的摩擦角φ[11]。土壤对挖掘铲的摩擦角φ=22°～45°，马铃薯对挖掘铲的摩擦角φ=17°～31°。综合考虑多方面的因素，设定该马铃薯收获机的振动挖掘产的入土角φ=20°～22°。

2.2 薯土分离装置

薯土分离装置配置在振动挖掘铲后边，挖掘铲挖掘的土壤及薯块有相当一部分要运输到该部分。因此，在整机作业时，振动筛承受了最大的载荷[12]，此过程要求分离的土壤达到85%～95%之间；同时，此装置也是提高明薯率和减少损薯率的关键部分，因此在设计时要慎重考虑材料选择及其结构的安排。针对此振动铲式马铃薯收获机的传动方式，在整体结构模型的基础上，设计了该薯土分离装置结构，如图3所示。

图3 薯土分离装置

振动铲后边配置为振动筛，由振动条和1个托板组成，两侧的振动条则是防止马铃薯掉落在田垄的两侧；结合薯块和土垡存在土壤粘附力的作用，相邻两根筛条的间隙为30mm，栅条材料选用直径为10mm的圆钢；托板起到固定作用，防止振动筛受到巨大负荷而损坏；振动筛由挂杆铰接到机架上，根据传动方式，振动筛工作时做周期往复运动。

2.3 偏心轮传动装置

偏心轮传动装置是整个收获机的动力传输部分，由偏心轮、摇臂和摆动架组成。偏心轮连接到小四轮的动力输出轴，其作为该传动装置的初始部分，起着至关重要的作用，同时还起到调节振动铲振幅的作用。摇臂的运动情况较为复杂，存在直线和旋转运动，因此在其与偏心轮和摆动架连接处采用球铰副约束，以确保其运动不会受到其他冗余约束的作用。偏心轮传动装置作为该收获机传动部分的核心，对其结构的设计及其材料的选择也要满足其运动特性和作业要求，因此装置材料选择为45钢。偏心轮装置三维模型如图4所示。

图4 偏心轮传动装置

2.4 机架

机架是该马铃薯收获机的核心部分，承载着整个机体的质量，也是与配套动力设施配合的重要部件。整机工作时，机架会受到一些冲击载荷的作用，同时也会受到振动铲挖掘土壤时的振动影响，其受力的来源多且情况复杂。为了满足该收获机的作业效率及其使用寿命要求，避免其在作业时受到变形及各种程度的损坏，在设计机架时充分考虑了刚度、强度等性能是否符合该机器作业时的要求。综合其各方面的性能，本文设计机架所选的材料为厚度5mm的钢板，机架的总体尺寸设计为1 200mm×900mm×1 000mm。根据相配套的动力设施及田垄各参数，设计机架结构三维图，如图5所示。

图5 机架结构图

3 基于ADAMS的动力学仿真分析

3.1 ADAMS软件介绍

ADAMS软件是一款设计成熟的虚拟样机分析软件，用户可以在ADAMS环境中建立虚拟样机模型，并对其进行多体动力学分析；另外，它还用作针对虚拟样机的分析开发工具[13]。该软件应用范围广，被世界上许多制造企业采用，对产品生产前进行设计实验，可大大缩减产品设计时间及设计成本，获得高质量、高性能的设计产品[14]。

3.2 ADAMS仿真模型建立

对该马铃薯收获机的运动学仿真，主要是对挖掘装置和薯土分离装置的运动学仿真。因薯土分离装置的振动筛是配置在挖掘铲后面的，因此这两个装置的运动学状态可以看作是相同的。

ADAMS是一款专门针对多体动力学进行分析的软件，模型可以在ADAMS平台建立，也可以在其他平台建立后经过格式转换导入到ADAMS软件中。本文设计的振动铲式马铃薯收获机的三维模型图是基于SolidWorks软件建立的，模型建成后将文件保存为Parasolid格式，然后打开ADAMS/view，点击File选择Import即将模型导入ADAMS[15]。导入后的模型如图6所示。

图6 振动铲式马铃薯收获机导入ADAMS实体模型

3.3 添加约束及驱动

三维图导入到ADAMS中后，要对该实体模型进行材料赋予操作，赋予材料后的模型便拥有了实体模型各种参数；然后，根据模型中相对运动的条件，对振动铲式马铃薯收获机模型中具有相对运动的两部件进行约束添加。该机器中主要受到约束的部件是机架、偏心轮装置、振动筛、振动铲和挂杆。

基于ADAMS振动铲式马铃薯收获机的实体模型添加约束如下：①仿真分析主要是对挖掘装置和薯土分离装置，故将机架固定于ground，这样能够更好地测试机器振动效果，所以要在地面与机架之间建立固定副约束；②偏心轮处连接配套设施动力输出轴，故在偏心轮处添加一旋转副约束，并在此处创建一个旋转动力驱动；③摆动摇臂要同时做上下移动和左右摆动，两端的连接点还要做转动，其运动情况较复杂，故在摇杆两端分别添加一个球铰副约束；④两个后挂杆分别与机架和振动筛之间都有相对转动，故在它们的连接处分别添加一个旋转副约束；⑤摆动架与机架和振动筛都是铰接，因此也添加旋转副约束。

约束和驱动添加完毕，共计1个动力旋转驱动和13个约束(包括2个球铰副约束、11个旋转副约束)。加载约束实体模型如图7所示，加载驱动实体模型如图8所示。

图7 加载约束实体模型

图8 加载驱动实体模型

3.4 土壤阻力的添加

振动挖掘铲在挖掘土壤的过程中，受到牵引阻力和挖掘阻力的作用，因此在对振动铲运动仿真的过程中，要考虑其所受阻力的影响。根据挖掘铲在挖掘土壤过程中的受力及土壤在被挖掘时的受力情况，可大体计算出土壤的挖掘阻力和牵引阻力的数值范围。其中，挖掘阻力W计算公式为

式中G——铲面上土壤重力；

Z——常数；

C——土壤内距离因数；

F1——土壤内剪切面积；

B——土壤沿铲面运动的加速力；

β——前失效面倾角；

δ——铲面倾角；

Cα——土壤附着力因素；

F0——挖掘铲面积；

μ——土壤内摩擦因数；

μ1——土壤与挖掘铲摩擦因数[16]。

根据配套动力设施的性能指标、马铃薯收获机的各参数及公式(1)所需要的参数计算，最终确定振动铲挖掘土壤时受到的牵引阻力为1 200N，挖掘阻力为1 000N。

阻力确定好后，需要在ADAMS/View平台对振动铲添加这两个阻力。首先在振动铲刃两端分别添加一个Marker点，方便在添加阻力的时候确定力的位置。在振动铲刃处添加牵引阻力和挖掘阻力如图9所示。

3.5 动力学仿真分析

3.5.1 挖掘装置动力学分析

动力学仿真之前要首先设定好各参数(即仿真的时长、步长)，并做好仿真前初始条件的准备，设置仿真时间为20s，运动步长为200步[15]；在要进行动力分析的模型处添加一Marker点，可以通过分析此质点的运动数据来确定整个挖掘装置的运动状态。

所有仿真的初始条件设置完成后，对振动铲进行动力学仿真模拟，并运用ADAMS的数据后处理模块进行仿真分析，得到某一质点在X方向的的位移曲线(见图10)、速度曲线(见图11)和加速度曲线(见图12)。

图9 添加阻力实体模型

图10 振动铲位移变化曲线图

图11 振动铲速度变化曲线图

图12 振动铲加速度变化曲线图

对仿真结果进行分析，可以看出：在振动铲的某一质点处其位移和速度在X方向上随着时间的变化曲线一直处于平稳，没有明显的波动，说明仿真结果是合理的；而加速度曲线刚开始有较大的波动，随着时间的变化也逐渐趋于平稳，其加速度数值在-2.7～1.7mm/s2范围内变化。这说明，在振动铲刚开始作业时受到的配套设施的牵引阻力及挖掘阻力波动较大，工作一段时间后该阻力趋于平稳，故其加速度也逐渐恢复正常。综合考虑各因素的影响，对振动铲的动力学模拟仿真分析是合理的，达到了预期的结果。

3.5.2 振动铲振动仿真分析

ADAMS/Vibration振动分析模块是ADAMS软件中添加的一种频域分析功能插件，本文借助ADAMS/Vibration振动分析模块，通过模拟其在作业时的振动方式，分析其在某个作用点下的频域受迫影响[17]；通过对比分析振动铲的振动频率和土壤的固有频率，来确定该马铃薯收获机是否达到作业时挖掘土壤的最大效率及其所满足的松土效果。

首先要在振动铲铲刃某一位置处建立两个运动学输入通道(Input Channel)和一个激振器，然后在建立两个运动学输出通道(Output Channel)[15]，如图13所示。最后，通过ADAMS后处理模块对振动曲线进行分析。

图13 建立输入、输出通道及激振器

由于该机器振动铲X和Y两个方向都有振幅，因此在做振动分析时只考虑这两个方向即可。通过振动分析得到振动铲某一位置的频率响应曲线：x方向加速度频率响应幅值曲线(见图14)和频率响应相位曲线(见图15)；Y方向加速度频率响应幅值曲线(见图16)和频率响应相位曲线(见图17)；速度频率响应幅值曲线(见图18)和模态坐标曲线图(见图19)。

分析振动铲的振动频率曲线可知：该振动铲的振幅刚开始波动较大，但过段时间后其振幅逐渐处于平稳。加速度频率值在14～24Hz范围内，虽然与土壤的固有频率14Hz有所差距，考虑到仿真时存在的误差及其他各方面的因素影响，该仿真结果是合理的，说明该设计满足振动铲作业时挖掘土壤的最佳挖土效果。

图14 X方向加速度频率响应幅值曲线图

图15 X方向加速度频率响应相位曲线图

图16 Y方向加速度频率响应幅值曲线图

图17 Y方向加速度频率响应相位曲线图

图18 速度频率响应幅值曲线图

图19 模态坐标曲线图

4 结论

1)运用SolidWorks软件构建振动铲式马铃薯收获机的三维模型，根据其配套设施的相关性能及马铃薯在田间的各项性能指标，确定整机结构模型及各个零部件的结构模型。通过分析收获机作业时的各影响因素，确定整机结构选用的制造材料，以提高其使用寿命。

2)在ADAMS环境中对该振动铲式马铃薯收获机的挖掘装置进行动力学仿真和振动仿真分析。把在SolidWorks建立的三维模型导入ADAMS/View平台，针对该模型的运动方式，在相应部分添加各种约束、驱动和阻力，对其进行动力学仿真。运用ADAMS/Vibration振动分析模块对振动铲进行振动仿真。最后，通过ADAMS后处理模块对其进行动力学和振动仿真分析，从获得的分析曲线可知：在允许有误差存在及其他因素的影响的前提下，本次仿真是合理的。

3)仿真分析验证了本次设计的可行性，通过对其进行运动仿真可为样机以及相关产品的设计制造提供一定的参考。