4QPB-1201型平贝母采收机挖掘装置的设计及有限元分析

满大为 苗振坤1 李三平 吴 昊1*

(1.中国林业科学研究院林业新技术研究所，北京 100091；2.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；3.东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

平贝母为百合科贝母属多年生草本植物平贝母(Fdtillaria ussuffensis Maxim)的干燥鳞茎，又名平贝，为中国药典收载品种[1]，作为典型的北药，在黑龙江、吉林、辽宁三省的丘陵和林下地带有广泛的种植，近些年在很多平原地带也得到了种植推广，其有清热润肺、止咳化痰的药理作用，平贝母人工种植历史可以追溯到40年 前[2-3]。近年来，随着中草药受重视程度逐年递增，平贝母种植的经济效益也逐年增加。因此，平贝母种植产业也受到了广泛的关注。现阶段，我国平贝母种植、田间管理、采收、清洗等作业过程大多还是依赖人工手工完成。尤其是采收过程，由于平贝母采收期短，人工采收方式劳动强度大，生产效率低，往往不能在平贝母最佳收获期完成采收，致使平贝母种植产业的经济效益下降[4]。因此，研制一款结构合理的平贝母采收机，提高平贝母机械化采收水平具有极其重要的意义。

本文依据自主研发的 4QPB-1201型平贝母采收机的结构特点，从挖掘装置挖掘铲的结构材料、安装约束方式、约束点等方面进行研究，运用ANSYS Workbench软件对挖掘铲进行静力学和模态方面的仿真对比分析，以减小挖掘铲的最大应力和应变、提高掘土效率，为平贝母采收机挖掘装置的实际应用和设计提供理论依据。

1 4QPB-1201型采收机的工作原理

4QPB-1201型平贝母采收机整机结构如图1所示。该机的牵引动力由配套拖拉机提供，拖拉机为整个机构的运转提供动力输出。采收作业时，挖掘装置的挖掘铲切入平贝母畦土，在采收机前进的同时将平贝母鳞茎与土壤混合物推至升运装置内，挖掘装置的旋土装置可以将成块的贝土混合物旋碎，既能防止升运装置卡涩，又能防止贝土混合物滚落堆积。升运装置将贝土混合物升运至筛分装置的滚动筛内，在滚动筛内完成第一次贝土分离，分离后的平贝母鳞茎和散土落入振动筛内进行第二次筛分。4QPB-1201型平贝母采收机振动筛的筛孔直径设计为8 mm，小于8 mm的平贝母鳞茎与散土落回畦面，作为下年的种子。大于8 mm的平贝母鳞茎在振动筛的振动作用下进入末端振动筛，进行第三次筛分，末端振动筛筛分后的平贝母鳞茎进入末端收集箱，末端收集箱与传送装置相连，末端收集箱内的平贝母鳞茎被传送装置传送至集果箱内，平贝母鳞茎的采收过程结束。整个采收过程除拖拉机驾驶员外，无需人工参与。

2 4QPB-1201型采收机挖掘装置的设计

2.1 挖掘装置的结构确定

平贝母栽培一般选用疏松肥沃、有机质含量丰富、排水良好且接近水源的壤土或砂壤土，翻地深度15 cm左右，畦面耙平整细[5]。真对平贝母种植特点及平贝母采收机作业要求，研制了带铲土装置的挖掘装置，包括挖掘铲、铲土铲、铲土油缸、旋土装置等，如图2所示。

4QPB-1201型平贝母采收机挖掘装置的关键部件是挖掘铲，其主要作用是挖起平贝母鳞茎与土壤混合物，并将贝土混合物顺利输送至升运装置。根据机具工作时挖掘铲的运动形式，挖掘铲可分为固定式、振动式、回转式和往复式[6-9]；根据工作幅宽或铲片不同可分为单铲、双铲和多铲；根据铲面形状又分为平铲(三角铲、条形铲)、凹面铲、槽形铲等[10-13]。本研究选用带有三角刀头的条形固定式挖掘铲，该挖掘铲的结构简单，制造方便，不需要动力传动。挖掘铲三维结构如图3所示。

图1 4QPB-1201型平贝母采收机整机结构1.传动总成；2.机架；3.滚动筛；4.末端收集箱；5.传送装置；6.集果箱；7.旋土装置；8.挖掘装置；9.末端振动筛；10.振动筛；11.升运装置

图2 挖掘装置结构1.挖掘铲；2.铲土铲；3.铲土油缸；4.旋土装置

图3 挖掘铲三维结构

2.2 挖掘铲的主要结构尺寸

(1)铲体宽度。为便于机械收获，平贝母种植作畦的规格为畦底宽约1 200 mm，畦面宽1 100 mm，作业道宽度约500 mm，畦高约200 mm[14-15]。因此铲体横向宽度设置为1 200 mm，纵向宽度设置为200 mm，三角刀两边夹角为160°。考虑到挖掘铲工作过程中受冲击、挤压、磨损等情况，材质选为65 Mn钢，并对铲刃进行调质处理。

(2)挖掘铲的挖掘深度。因为本挖掘装置带有铲土铲，铲土铲可以铲走盖头肥和部分覆土层，为避免铲到和铲伤平贝母鳞茎，挖掘深度设置在100～120 mm范围内。

(3)挖掘阻力F和铲面倾角α。挖掘过程中铲面受力如图4所示，根据受力分析可得如下方程：

图4 挖掘铲工作受力分析

(1)

Pcosα-Gsinα-Fμ=0

(2)

Fμ=μFN

(3)

式中：FN为铲体对畦土的支撑力(N)；P为挖掘装置受到贝土混合物的反作用力(N)；α为挖掘铲面与畦面的夹角(°)；G为贝土混合物的重力(N)；Fμ为挖掘铲对畦土的摩擦力(N)；μ为畦土与挖掘铲面间的摩擦因数，μ=0.577～0.721[16]。

经计算可得：

(4)

P与F为相互作用力，挖掘阻力F的计算公式为：

F=kab

(5)

式中：F为挖掘阻力(N)；k为单位面积横断面面积阻力(N·mm-2)；a为挖掘深度(mm)；b为挖掘作业幅宽(mm)。

根据平贝母种植土壤环境，确定k的取值在4～5之间。挖掘深度设置在100～120 mm范围内，平贝母种植畦型最大宽度为1 200 mm，挖掘铲横向宽度设置为1 200 mm。

因此，取值k=4.5×10-2N/mm2，a=120 mm，b=1 200 mm。将各参数值代入公式(5)中，求得挖掘阻力F为6 480 N。

由于起贝土深度较浅，只要保证分出的土连续向输送装置上运动即可，根据平贝母贝土物理力学特性，入土角小于贝土混合物休止角，理论分析及实践表明，挖掘铲面与水平作业面的夹角α通常设置为25.5°～33.5°。

3 基于 ANSYS的挖掘铲静力学分析

3.1 挖掘铲的仿真模型

平贝母采收过程中，挖掘铲受到较大阻力作用，因此，要求铲体具有较高的塑性和强度。挖掘铲材料选用65 Mn钢，材料的力学性能见表1[17-19]。

表1 65 Mn钢的力学性能

设定其模型类型为线性、弹性及各项同性，抗拉强度、屈服极限、弹性模量、泊松比参照表1。对模型进行网格划分，选取挖掘铲多面体形式建立模型，每个单元网格大小取 4×10-3m，三角刀边缘尺寸最小取 2×10-3m。模型网格划分如图5所示。

图5 模型网格划分

对模型进行静力学分析，将挖掘铲两侧立板上的安装孔圆表面进行固定约束，如图6所示。

图6 固定约束

对挖掘铲模型受力面加载相应的压强负载，压强负载应变云图如图7所示。

图7 压强负载应变云图

3.2 结果及分析

3.2.1 弹性形变

挖掘铲弹性形变云图如图8所示。由图8可知，载荷设置为6 480 N的情况下，挖掘铲发生最大弹性形变值为5.928×10-5m，最小弹性形变值为6.971×10-9m。由此可见，平贝母采收机工作工程中，挖掘铲所受最大阻力的情况下，挖掘铲发生弹性形变很小，不会对挖掘铲整体结构及性能造成影响。

3.2.2 等效应力分析

挖掘铲等效应力云图如图9所示。由图9可知，载荷设置为6 480 N的情况下，挖掘铲承受最大应力值为1.092 8×107Pa，承受最小应力值为418.9 Pa。65 Mn钢的屈服强度为4.30×108Pa，铲体在最大阻力作用下的应力值小于材料的屈服强度，符合机械作业要求。

图8 弹性形变云图

图9 等效应力云图

3.2.3 总形变分析

挖掘铲的总形变是指在作业状态下，挖掘铲受外力影响在畦土中发生的总体变形情况。总形变云图如图10所示，由图10可知，挖掘铲在最大阻力状态下，发生最大形变值为5.028 4×10-5m。采收机采收作业时，三角刀刀尖所对应的部位形变值最大，向两侧呈递减趋势。挖掘铲在工作过程中，三角刀刀尖部位最先切入畦土之中，且三角刀刀尖部位切土的长度最大，所以三角刀刀尖部位发生形变量最大但该形变量非常小，不会对整机工作造成影响。从分析可知，三角刀刀尖部位在工作过程中受到的磨损最大，所以在挖掘装置设计中应考虑此部位选用更加坚硬耐磨的材料，或者考虑可以将三角刀部位设计成可拆卸的。

4 采收试验

在平贝母成熟收获期，对4QPB-1201型平贝母采收机进行了采收试验，人工清点分析了鳞茎采净率、鳞茎破损率、采收效率等相关指标，得出平均参数，试验指标参数见表2。

图10 总形变云图

表2 试验指标参数

5 结论

针对4QPB-1201型平贝母采收机的挖掘装置进行研发设计，根据多家科研院所及高校于2018年9月在伊春市红星区平贝母种植基地共同起草的平贝母机械化种植标准，确定条形固定式挖掘装置结构。通过对挖掘铲工作状态下的受力分析及相关计算，确定带有三角刀头的条形挖掘铲铲体参数。利用ANSYS Workbench软件对挖掘铲进行有限元分析，得到弹性形变云图、等效应力云图、总形变云图，通过弹性形变分析、等效应力分析和总形变分析得出结论：挖掘装置的主要部件挖掘铲的设计尺寸、选用材料，能够很好地满足4QPB-1201型平贝母采收机工作要求，具有良好的力学性能。通过采收试验证明该挖掘装置各项指标均符合设计标准，作业性能良好，为4QPB-1201型平贝母采收机的实际应用和优化设计提供了依据。