板蓝根收获机挖掘装置设计与有限元分析*

2023-10-09吴家安李向军高明宇常传义刘恩宏

中国农机化学报 2023年9期

吴家安，李向军，高明宇，常传义，刘恩宏

(哈尔滨市农业科学院,哈尔滨市,150029)

0 引言

板蓝根有20多种医用化学成分,是清热解毒、抗菌消炎的传统中草药,药用价值较高;还含有多种抗病毒物质,对肝炎病毒、腮腺炎病毒、流行性感冒病毒等均有较强的抑制和灭杀效果[1-2]。2019年12月以来新冠病毒(2019-nCoV)疫情爆发,中医、中药在控制疫情过程中发挥了巨大的作用,《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第1～7版)》及各省推荐中医药治疗方案中,板蓝根对于新冠病毒都有明显的抑制效果[3]。目前,板蓝根的市场需求量以年递增在15%以上[4]。但是板蓝根机械化程度不高,收获过程中以人工为主,劳动强度大,作业效率低,在东北地区还存在收获不及时,使板蓝根受到霜冻影响,导致减产和经济损失。随着近年来劳动力流失严重,还存在人力成本剧增的问题。因此,板蓝根收获机的研制变成了亟待解决的问题。

国内学者针对根茎类作物的收获已经有扎实的研究基础,崔中凯等[5]采用4U-750牵引式甘薯收获机,对甘薯等块茎类作物的起收作业进行研究;刘潇等[6]基于振动式马铃薯挖掘机,通过增加振动装置来解决马铃薯起收过程中薯、土分离不彻底的问题;杨小平等[7]基于4U1600型集堆式马铃薯挖掘机,采用阶梯式挖掘铲、二级升运链和集薯箱等创新方式有效提高了马铃薯收获的效率和筛净率;张兆国等[8]提出以自走式履带式底盘、全液压动力系统的方式起收三七作物。综上所述,目前我国已经研究的根茎类收获机械都是针对块茎类作物研制,其作物根茎直径一般处于4～10 cm之间,质地较硬。板蓝根根茎直径2～3 cm,长20～30 cm,体实,质略软,一般种植在沙壤土中[9],与现有根茎类作物都有较大差异,所以针对目前缺少专用的板蓝根收获机械的问题,需要根据板蓝根生长特点做相应的设计。

针对该问题,结合现有的根茎类挖掘装置结构特点,根据板蓝根的农艺特点,设计制造一种板蓝根收获机,重点对挖掘铲进行设计,并采用有限元分析法对其进行静力学分析,最后进行试验验证。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构及技术参数

板蓝根收获机整机结构如图1所示。

图1 板蓝根收获机总体结构图Fig. 1 General structure diagram of Radix Isatidis root harvester1.集药铺放装置 2.后驱动轮 3.限位地轮 4.大块土壤破碎装置 5.升运分离装置 6.机架 7.变速箱 8.悬挂装置 9.挖掘装置

板蓝根收获机主要由挖掘装置、悬挂装置、变速箱、机架、升运分离装置、大块土壤破碎装置、限位地轮、后驱动轮、集药铺放装置等构成。该机具主要设计参数如表1所示。

表1 主要设计参数Tab. 1 Main design parameters

1.2 工作原理

板蓝根收获机与拖拉机采用三点悬挂的方式挂接,挖掘与升运分离动力都由拖拉机提供。收获作业时,锯齿形挖掘铲在拖拉机牵引力的作用下切入垄下土壤深处,随着机具向前运动,土壤、板蓝根混合体(后称混合体)受挖掘铲反作用力推动沿挖掘铲表面向机具后上方位运动,挖掘铲后栅条在将混合体破碎的同时进行第一级土、药分离;随机具前进,混合体上升至升运分离装置,升运分离装置通过剧烈抖动将混合体破碎实现第二次土、药分离,并同时升运至机具后方;在升运过程中,有大块混合体通过撞击大块土壤破碎装置进一步破碎;最后大部分土壤通过升运链条间隙落入地上,板蓝根及少量剩余土壤则通过后驱动轮的离心力作用抛至集药铺放装置上,剩余土壤落至地上,板蓝根顺着集药栅条滑落至指定区域。

2 挖掘装置设计

2.1 挖掘装置结构及工作原理

板蓝根收获机挖掘装置如图2所示,主要由挖掘铲、挂接板、碎土栅条、支撑管组成。

图2 挖掘装置结构图Fig. 2 Structure diagram of excavation device1.支撑管 2.碎土栅条 3.挂接板 4.挖掘铲

挖掘装置通过挂接板上的安装孔与机架的两侧侧板固定;作业时,在拖拉机牵引力作用下,挖掘铲深入垄下,土壤和板蓝根的混合体受挖掘铲反作用力推动沿挖掘铲向机具后上方位运动;挖掘铲后设计的碎土栅条与挖掘铲存在一定角度,增强挖掘铲装置的碎土功能,在将混合体破碎的同时进行第一级土、药分离。

2.2 挖掘铲的主要结构尺寸

挖掘铲是挖掘装置的核心,挖掘铲既要减小入土阻力,又要保证一定的碎土能力,同时还要使土壤、板蓝根混合体能顺利输送到后面的升运分离装置上[10-14]。因此,挖掘铲在后方增加了碎土栅条,其与挖掘铲构成了一个“v”型曲面,兼顾了入土和碎土性能,如图2所示。

挖掘铲的参数主要有挖掘铲宽度b、挖掘铲面入土角α及铲面长度l。

1) 挖掘铲宽度b。该机具作业行数为2行,幅宽为1 300 mm,因此挖掘宽度设定在1 300 mm,为解决考虑到两侧侧板的入土问题,铲面两侧伸出部分将侧板包住,因此总宽为1 328 mm。

2) 入土角α。挖掘铲面土壤、板蓝根混合体的受力分析如图3所示。

图3 挖掘铲面土壤、板蓝根混合体受力分析简图Fig. 3 Stress analysis diagram of soil and Radix Isatidis mixture on excavation shovel surface

入土角α的大小直接影响挖掘铲的入土能力、碎土能力、挖掘阻力的大小及土壤和板蓝根的混合体提升的高度。根据混合体移动条件导出入土角的许可公式如式(1)所示。

(1)

式中:P——混合体沿铲面移动所需要的力,即铲面对土壤、板蓝根混合体的反作用力,N;

G——铲面混合体的重力,N;

N——铲面对混合体的支持力,N;

F——铲面对混合体的摩擦力,N;

μ——混合体与铲面的摩擦系数,μ=0.577～0.721[15]。

计算可得

(2)

为提升挖掘铲的入土性能,在牵引力不变的情况下将挖掘铲设计成锯齿形状,由多个三角形等距排列,减小了受力面积,增大挖掘铲入土压强,能有效提升入土性能。

3) 铲面长度l。合适的铲面长度可以在低功耗的前提下实现土壤的破碎,有利于板蓝根根系脱土[16]。运动分析如图4所示。

图4 挖掘铲面土壤混合体运动分析简图Fig. 4 Analysis sketch of soil mixture movement on excavation shovel

由图3、图4可知,土壤混合体在初始阶段合速度为v0,其分速度vc为机车行走速度,vb为土壤混合体沿铲面方向位移速度,当土壤混合体抬升至铲面顶端时,合速度v′为0,此过程中动能转化为重力势能和摩擦力做功,因此可得出式(3)。

(3)

式中:H——铲顶高,mm;

v0——土壤混合体初速度,m/s;

v′——土壤混合体结束速度,m/s。

由图(4)可知

v0=vc·tanα

(4)

式中:vc——机车行走速度,取0.8～1.6 m/s。

综合式(1)、式(3)、式(4)可知

(5)

由式(5)计算得出l≤420 mm,综合实际作业情况,选取245 mm,加碎土栅条长343 mm。

3 基于SolidWorks的挖掘铲有限元分析

板蓝根挖掘铲是该机具的核心工作部件,挖掘铲的好坏直接关系到板蓝根收获机的挖掘效果、作业效率。挖掘铲在作业过程中受土壤混合体的反作用力较大,容易造成变形,从而影响作业效果。因此本文采用SolidWorks中的Simulation插件对挖掘装置进行有限元分析,以此检测挖掘铲的设计与材料选择是否合理,并在此基础上作出对应的优化。

3.1 构建模型

按前文设计,利用SolidWorks软件建模得到模型如图5所示,考虑到挖掘铲受阻力大、摩擦严重的情况,在此选择耐磨性和抗拉强度高的材质65 Mn,质量密度7.82×103kg/m3,弹性模量197 GPa,泊松比0.282,抗剪模量79 GPa,抗拉强度980 MPa,屈服强度430 MPa。

图5 挖掘铲模型图Fig. 5 Model drawing of excavation shovel

3.2 施加约束及载荷处理

1) 在挖掘铲安装孔施加固定约束,网格模型如图6所示。

图6 挖掘铲网格模型Fig. 6 Excavation shovel mesh model

2) 挖掘铲作业过程中,主要受机具牵引力、铲面上土壤混合体正压力、土壤混合体与铲面摩擦力、因土壤混合体粘性而产生的附着力作用。由于该机具采用固定式挖掘铲,挖掘铲与机架属于刚性连接,因此在作业过程中机具振动产生的载荷与土壤剪切力都很小,可以忽略。挖掘铲受力简图如图7所示。

图7 挖掘铲受力分析简图Fig. 7 Stress analysis diagram of excavation shovel

由图7可知,挖掘铲理想状态下均速前进的函数关系

W=N0sinα+μ1N0cosα+CaF0cosα

(6)

式中:W——机具牵引力,N;

N0——铲面上土壤混合体正压力,N;

μ1——土壤与挖掘铲摩擦因数;

Ca——土壤与金属的附着力因数;

F0——铲面面积,mm2。

铲面上土壤混合体正压力N0与其运动具体情况相关,根据相关研究[14-16],式(6)可以变形为式(7)。

(7)

式中:B——土壤加速力,N;

γ——土壤密度,kg/m3;

g——重力加速度,m/s2;

d——挖掘深度,mm;

C——土壤内聚力,N/cm2;

F1——土壤剪切面积,m2;

μ2——土壤内摩擦因数;

β——土壤前失效面倾角,(°);

φ——土壤内摩擦角,(°)。

为能保证挖掘铲不失效,安全工作。在挖掘机极限工作的条件下进行分析,即挖掘深度最大的黏重土壤条件下分析。在挖掘深度为理论最深的黏重土壤条件下:d为400 mm,γ为1 400 kg/m3;查阅资料[7]显示C为0.5,φ为18,Ca为5;再代入前文计算的铲面参数,计算可知W≈2 400 N。将载荷均匀分布于铲面,如图6所示。

3.3 划分网格

采取三角形对挖掘铲进行网格划分,单元格尺寸为5 mm,公差为0.25 mm,如图6所示。

3.4 结果分析

1) 应力分析。由应力云图(图8)可知:挖掘铲受最大应力在值为7.106×107N/m2,位于挖掘铲与挂接板结合的后面根部;最小值为4.989×102N/m2,位于挂接板顶端前面。挖掘铲许用应力为4.3×108N/m2,许用应力为最大应力6倍,最大应力远小于屈服极限,因此符合要求。

图8 挖掘铲应力云图Fig. 8 Stress cloud map of excavation shovel

2) 弹性应变。由应变云图(图9)可知:挖掘铲最大应变为2.135×10-4,位于挖掘铲与挂接板结合的后面根部,与最大应力重合,最小值为3.012×10-9,位于铲面中间的铲尖位置。应变值极小,不影响挖掘铲的整体结构。

图9 挖掘铲应变云图Fig. 9 Strain cloud map of excavation shovel

3) 位移分析。合位移是挖掘装置在挖掘作业中在外力作用下的位移情况。由位移云图(图10)可知:挖掘铲最大位移为铲面中间的铲尖位置,位移量为1.062 mm,最小位移为安装孔自下而上第二个孔的位置,位移量极小可忽略不计。为防止作业中长时间变形造成的结构性损伤,在挖掘铲后方焊接加强筋,重新计算得出图11,结果为最大位移位置不变,位移量为0.01 mm。相比整机尺寸该位移量很小,可以忽略不计。