木薯种茎整理排序装置设计与优化

张 俊, 何辉波, 邓干然, 李华英,崔振德, 郑 爽, 谭 梁, 苟于江

1. 西南大学 工程技术学院，重庆 400715； 2. 中国热带农业科学院 农业机械研究所，广东 湛江 524091

我国木薯种植主要分布在广西、广东、海南、福建、云南等省区，全国年种植面积46.67万公顷左右，年产鲜薯约900万吨．2018年8月，国务院常务会议确定了生物燃料乙醇产业总体布局，要求加快建设木薯燃料乙醇项目．木薯作为重要的生物质原料和稻谷、玉米等陈化粮的调节替代品，其重要性和战略地位将更加突出，我国对木薯及木薯加工品的需求将进一步扩大．但是我国种植的木薯仍难以满足国内市场需求，每年还需要从国外进口大量的木薯干片和木薯淀粉[1-4]，主要原因在于国内的木薯种植机械化技术发展缓慢，绝大多数地区仍采用传统的人工种植，成本高、效率低[5-7]．目前国内在推广的木薯种植机械技术仅有崔振德等[8]设计的一种木薯种植机种茎切断装置，采用实时切种、种植的方式实现机械化种植，提高了种植效率，但是需要两个工人在机器上工作，工人的劳动强度大．而相比实时种植，预切种式种植方式能够极大地降低工人劳动量，进一步提高种植效率[9]．

针对木薯预切种式种植机械的空缺，结合木薯种植农艺要求，本文设计一种木薯种茎整理排序装置[10]，运用SoildWorks建立三维模型，通过Abaqus有限元分析软件对种箱底板进行静力学分析，基于仿真结果，提出优化目标，使用Isight对种箱底板的各参数进行优化求解，并试制物理样机，以华南9号木薯茎秆进行自动取种试验，通过试验对该装置的可行性进行验证．

1 结构设计

1.1 整体结构设计

1. 拨料电机； 2. 拨料链条； 3. 升降电机； 4. 出种板； 5. 滚筒； 6. 电 机Ⅰ； 7. 取种槽； 8. 取种链条； 9. 木薯种茎； 10. 排种板； 11. 机架； 12. 电机Ⅱ； 13. 槽型输送带； 14. 种箱； 15. 种箱底板； 16. 控制箱．图1 整体结构

木薯种茎整理排序装置主要由出种机构、整理排列机构、取种机构和机架组成，整体结构如图1所示．出种机构主要由拨料电机、拨料链条、升降电机、出种板、种箱底板和种箱组成．整理排列机构主要是滚筒、电机Ⅰ、电机Ⅱ、排种板和槽型输送带组成．取种机构主要由取种槽和取种链条组成．出种机构、整理排列机构和取种机构安装在机架上，整理排列机构位于出种机构后，取种机构位于整理排列机构后，通过三者的配合作用，即可实现对大量木薯种茎整理排序，并且自动取出．

1. 升降电机； 2. 拨杆； 3. 拨料链条； 4. 导轨； 5. 种箱底板； 6. 升降螺母； 7. 丝杆．图2 出种原理图

1.2 出种机构设计

由于木薯种茎表面具有不规则的节子[11]，容易发生相互勾连，在数量较多时整理排序难度大．出种机构的作用是每次从种箱中取出少量种茎，使其进入整理排列机构，从而降低整理的难度．出种机构由升降机构和拨料机构组成，升降机构选用丝杆螺母，运动平稳，有自锁性； 拨料机构选用链传动，能在恶劣环境条件下工作； 通过两者配合作用可实现少量取种．图2所示为出种原理图．

升降机构由升降电机、丝杆、导轨、种箱底板和升降螺母组成，为使升降螺母受力均匀以减小升降阻力，丝杆位于种箱底板的中心，导轨的作用是加强种箱底板的稳定性．种箱底板和种箱壁形成的空间用于存放木薯种茎，升降电机可通过丝杆螺母带动种箱底板和箱内的木薯种茎升降，通过控制升降电机即可改变箱内木薯种茎的堆放高度．拨料机构主要由拨杆和拨料链条组成，拨杆安装在拨料链条上，拨料链条向种箱的出口方向转动，从而带动拨杆将箱内最上层的木薯种茎拨出．

1.3 整理排列机构设计

整理排列机构的主要功能是将杂乱无章的木薯种茎整理排列．牟向伟等[12]设计的一种相对转动式木薯种块主动调姿的自动均匀排种器，李尚平等[13]设计的一种预切种开式横向甘蔗播种器，都是采用带有凹槽的皮带(链)用于整理排种．但是木薯种茎形状并不规则，与甘蔗差距较大，仅靠槽型输送带整理效果不佳，因此增加滚筒机构将木薯种茎整理成朝向一致．

滚筒机构位于出种板后方，位于输送带上方，主要由两组传动链条和4个滚筒组成，如图3所示．4个滚筒以相同间隙排列，木薯种茎的最大直径约为40 mm，加上节子长度，相邻滚筒的间距取为65 mm，以便于整理后的种茎掉入输送带．由图3可知，电机Ⅰ连接第二链条组，电机Ⅱ连接第一链条组，并且每个链条组连接的两个滚筒不相邻．

进行整理工作时，电机Ⅰ逆时针低速转动，电机Ⅱ顺时针快速转动，使相邻滚筒转向和转速都不同．在此种情况下，木薯种茎自动调整成与滚筒平行的姿态从间隙中落至输送带，随后被输送带送至排种板排列，排种板呈一定斜度安装，使木薯种茎能在重力作用下向取种槽滑动．

1.4 取种机构设计

取种机构主要由取种电机、取种槽和取种链条构成，结构如图4所示．取种链条由两根链条并行布置，取种电机用于驱动取种链条向上运动； 取种槽安装在两根取种链条上，呈水平布置，随着取种链条向上运动，取种槽的空间只能容纳一根木薯种茎，在经过排种板时取走一根木薯种茎，从而实现逐个取种．调节取种电机的转速可以改变取种的速度，进而调整取种效率．

1. 输送电机； 2. 滚筒； 3. 第一链条组； 4. 电机Ⅰ； 5. 木薯种茎； 6. 输送带； 7. 排种板； 8. 第二链条组； 9. 电机Ⅱ．图3 整理排列机构

1. 取种链条； 2. 取种电机； 3. 种茎； 4. 取种槽； 5. 排种板．图4 取种机构

2 种箱底板的参数优化

2.1 优化分析

种箱底板承受着所有木薯种茎的重力，还要能够升降，因此使用直线光轴作为导轨增加底板的稳定性，而导轨会影响种茎出箱，所以导轨的数量不宜过多，设计两根即可避免底板转动和侧翻．为减小升降电机的功率，对种箱底板进行轻量化设计，同时也要避免种箱底板出现局部变形过大，因此需要对种箱底板的主要参数进行优化．种箱底板的主要参数如图5所示．图中H为种箱底板的宽度，L为长度，a、b为两根导轨到左侧的距离，f为底板的厚度，Da、Db为导轨的安装直径，D为丝杆的安装直径，c为两根导轨安装孔的距离，导轨由导轨座安装在种箱壁上，因此c与H相关．

种箱底板的宽度H、长度L与底板的升降高度形成了种箱的容纳空间，根据播种工作要求，设定一箱容纳1 000根，容积约为0.288 m3满足要求，结合丝杆的升降范围和种茎的长度，选定宽度H为600 mm，长度L为700 mm，根据光轴固定支撑座的规格确定c为540 mm．根据直线光轴和丝杆螺母相关标准，初步取定Da，Db为16 mm，D为26 mm，a为350 mm，b为350 mm，f为6 mm．

2.2 种箱底板的有限元仿真

使用有限元法对种箱底板进行仿真分析．根据种箱底板的工作条件和要求，定义材料属性为Q235，弹性模量为2.12×1011N/m2，泊松比0.288，质量密度7.86×103kg/m3，屈服强度σs为235 MPa．许用应力计算公式为

(1)

式中： [σ]为材料许用应力(MPa)，σs为材料屈服强度(MPa)，n为安全系数．

取安全系数为1.5，代入公式(1)计算出Q235碳钢的许用应力[σ]为156 MPa．代入种箱底板的初始参数，使用Abaqus进行建模仿真．种箱底板承受载荷为箱内木薯种茎总质量，1 000根木薯种茎的总质量最大值为200 kg，故对种箱底板表面添加2 000 N的均布载荷，在两个导轨孔处设置限制x、y方向的移动和转动约束，丝杆孔处约束绕z轴转动之外的5个自由度，如图6所示．

图5 种箱底板主要参数

图6 载荷与边界条件

图7 应力云图

图8 位移云图

种箱底板整体采用尺寸为10 mm的网格种子，3个孔位置布置尺寸为2 mm网格种子，网格单元类型为C3D8H，控制属性为六面体，采用中性轴算法[14]．计算得应力云图如图7，位移云图如图8所示．从图可看出，整体的最大应力值Smax为123.9 MPa，小于许用应力，但是四角存在较大变形，最大位移值为1.886 mm．

2.3 优化目标

种箱底板存在较大位移时会影响升降过程中的稳定性，因此需要降低最大位移值．增加板厚可降低板的位移，同时板厚也影响着升降电机的功率，种箱底板的厚度越小，升降电机的功率越小．所以需对种箱底板各参数进行优化，在将位移Umax降低到合格范围的同时，板厚f越小越好．结合两者的重要性和量纲统一，取f比例因子为10，权重为0.7；Umax比例因子为1，权重为0.3，得目标函数为

(2)

式中：Umax为种箱底板最大位移值(mm)，f为种箱底板厚度(mm)．

2.4 优化变量及约束条件

选择影响种箱底板最大位移的参数作为优化变量，得6个设计变量

X=(x1，x2，x3，x4，x5，x6)=(Da，Db，D，a，b，f)

(3)

式中：Da为导轨孔Ⅰ的半径(mm)，Db为导轨孔Ⅱ的半径(mm)，D为丝杆孔的半径(mm)，a为孔Ⅰ至左侧的距离(mm)，b为孔Ⅱ至左侧的距离(mm)，f为种箱底板厚度(mm)．

结合丝杆、直线光轴、钢板的设计标准和种箱底板的负载，确定Da，Db，D，f的取值范围，根据L和Da、Db可确定a、b的取值范围．通过钢板承重升降试验，得Umax应小于等于0.5 mm，得约束条件为Umax≤0.5，x1和x2取值范围为12～70 mm，x3取值范围为18～52 mm，x4和x5取值范围为60～600 mm，x6取值范围为4～30 mm．

2.5 优化方法和结果分析

采用Isight中的多岛遗传算法(Multi-Island GA)进行优化计算，多岛遗传算法是把总体分成几个岛屿，在每个岛屿上分别执行传统的遗传操作，然后从每个岛屿中随机选择一些个体，迁移到不同的岛屿．与传统遗传算法相比，多岛遗传算法具有更优良的全局求解能力和更高的计算效率[15-18]，求解部分数据如表1所示．

表1 优化结果

图9 优化后位移云图

图10 木薯种茎整理排序装置

得到最优目标f(X)=1.121，Umax为0.473 mm，比优化前减小了74.9%，f为14 mm，最大应力值也远小于优化前．得最优解对应的各变量值为

将优化得到的最优变量组合代入Abaqus重新进行仿真，得到优化后的位移云图如图9所示．对比图8可看出，最大位移值大幅度降低，并且大部分位置无明显位移．

3 试 验

3.1 试验材料和方法

为验证所设计的木薯种茎整理排序装置功能是否可靠，基于上节得到的优化参数，试制了木薯种茎整理排序装置(图10)，进行室内自动取种试验．

试验材料选用华南9号木薯茎秆，种茎直径为2～4 cm，种茎长度180±1 cm．试验内容： 在种箱内放入大量木薯种茎，之后启动出种机构、整理排列机构、取种机构，统计试验过程中成功取走的种茎数．本设计最终目的是实现将大量种茎逐个取出，以取种率为指标考察装置的可行性[19]，取种率越高，说明装置的可行性越大．定义取种率为

(4)

式中：S为经过排种板的取种槽数(根)，St为成功取走的种茎数(根)．

3.2 试验结果和分析

对华南9号进行多组试验，每次试验5 min，得试验结果如表2所示．结果表明： 对华南9号能实现取种功能，且取种效果理想，平均取种率为83.11%．

表2 试验结果

4 结 论

1) 根据预切种式木薯机械化种植的流程，设计了一种木薯种茎整理排序装置，具备少量取种、整理排序和逐个取种三大功能，整体装置能够实现从大量木薯种茎中自动取种．

2) 通过Abaqus对重要受力部件种箱底板进行了有限元分析，使用Isight中的多岛遗传算法(Multi-Island GA)对种箱底板的6个主要参数进行优化计算，得到底板最大位移值为0.473 mm，比优化前减小了74.9%，最小板厚为14 mm．根据优化结果再次仿真，发现优化后种箱底板大部分位置无明显位移，提高了种箱底板的工作稳定性．

3) 通过室内自动取种试验表明： 对华南9号能够实现取种功能，取种率为83.11%，验证了木薯种茎整理排序装置的可行性．