太子参联合收获机的设计

娄帅帅,曹成茂,李赞松,叶大明,臧　捷

(1.安徽农业大学 工学院，合肥　230036；2.安徽省宁国市地金林木种植有限公司,安徽 宁国 　242300)



太子参联合收获机的设计

娄帅帅,曹成茂,李赞松,叶大明,臧捷

(1.安徽农业大学 工学院，合肥230036；2.安徽省宁国市地金林木种植有限公司,安徽 宁国 242300)

摘要：针对目前已有的牵引式太子参收获机无法较好地满足南方小田块地下根茎类作物的收获要求，设计了一款可以一次性实现挖掘、输送、分离、筛选及装箱为一体的太子参联合收获机。阐述了太子参联合收获机的总体结构设计方案，给出了松土铲、升运器、分离滚筒及输送链耙等关键部件的设计过程,并利用ANSYS软件对松土铲进行了有限元分析。

关键词：太子参；联合收获机；设计；有限元

0引言

我国是一个太子参种植和消费的大国，但国内对太子参收获机械的研究还很少，技术还不完善[1-2]。欧美地区多采用大型侧牵引式联合收获机[3]，美国、德国和日本等发达国家从20世纪40年代开始研制出多种根茎类作物收获机械，已实现对长根茎植物(萝卜、甜菜等)和短根茎作物(马铃薯、花生、大蒜等)的机械化收获。由于太子参种植地域的特殊性及太子参体型较小、分离比较困难，国外尚无类似机械可供借鉴。国内针对北方根茎类作物收获的牵引式机械[4-8]，不能满足丘陵山区小田块太子参生产收获的要求。为了满足南方小田块地下根茎类作物的收获要求，设计了一款可以一次性实现挖掘、输送、分离、筛选及装箱的太子参联合收获机。

1收获机总体结构设计

太子参联合收获机采用自走式，行走系统采用橡胶履带式底盘，动力为柴油发动机，工作部件置于右侧，整机成右侧配置。整机主要由驾驶台、行走履带、松土铲、升运器、液压装置、分离滚筒及输送装置等构成，如图1所示。收获作业时，首先由松土铲对药地进行松土；经松土后的药土混合物被后续药土混合物沿松土铲斜面推到升运器耙齿下部，逆时针转动的升运器耙齿将药土混合物贴着升运器底板刮着向上运输，直至耙齿将药土混合物拨入分离滚筒；药土混合物被分离滚筒中的螺旋结构旋转向后输送，在旋转输送的过程中，碎土沿着螺旋轨道滚动，碎土从分离滚筒圆周的网孔中不断落下，经分离滚筒分离后的较为干净的药材落到输送链耙上，由输送链耙再次分离，最终送入药箱完成收获。

该机结构特点如下：采用履带式的行走系统，操纵简单、灵活、平稳、转弯半径小，适合南方山区丘陵小田块的收获作业；采用右侧前置式进行收获作业，视野开阔，作业过程只需1人驾驶操纵，大大节省了劳动力。

1.松土铲　2.侧刃板　3.输送链耙　4.发动机

2关键部件结构设计

2.1　松土铲

机具工作过程中，影响松土铲工作性能的土壤物理机械性质主要有土壤含水率、土壤附着力、土壤外摩擦因数、土壤内摩擦因数、土壤内聚力、土壤强度及土壤密度等。松土铲的松土功能主要是靠其工作时的剪切作用来实现的。剪切功能是指松土铲工作时在铲刃的切割作用下把土壤切割分开，需要破坏土块的整体结构，还要破坏土块的强度，而在行进的过程中土壤会对铲刃产生反作用力来阻碍剪切过程的进行。针对太子参的生长特点，其根部生长深入土下150mm左右，根系较发达，造成了挖掘时土壤阻力较大的问题，结合松土铲的工作原理，设计了松土铲，结构如图2所示。

1.铲齿　2.铲柄

图2中，松土铲的铲尖设计成锯齿状，可减小入土切割的阻力。松土铲的工作阻力随入土角的增大而增大，但入土角过小会影响作物的收获质量。查阅相关资料得知，入土角应设置20°～30°较为合理[9]。考虑到设计的最大有效挖掘深度为300mm,所以松土铲的入土角选用最小值20°。这样可在保证最大挖掘深度的前提下减小工作过程土对松土铲面的阻力，减少动力损耗。

2.2　升运器

升运器是收获机的重要部件之一，主要由23块板状耙齿、9条双耳工业输送链条、调节板及挂臂等组成，如图3所示。作业时，双耳链条带动耙齿逆时针运动，耙尖贴着底板耙齿耙着药土混合物向上运输，直到将药土混合物喂入分离滚筒。在升运器前端的两侧板处开有一定高度的侧刃，作业时侧刃对割幅以外的土块进行切割，也能对杂草进行切割，避免缠绕，从而减小行进过程中的阻力，降低能耗。调节板起到对链条张紧的作用。图3中，9根工业输送链条均匀分布在升运器的两根轴上，耙齿设计的有效高度为150mm,耙齿在链条上分布的间隔为200mm。

2.3　分离滚筒

分离滚筒主要由双排链条、双排链轮、螺旋结构、滚子、齿轮箱、筛心组成，如图4所示。

1.侧刃板　2.耙齿　3.双耳输送链条

1.双排链条　2.筛心　3.滚子

工作时，分离滚筒两端的链轮拨动分离滚筒两端上固定的链条，实现分离滚筒滚动。混合物在滚筒中螺旋结构的作用下向后输送，在输送的过程中药土混合物沿着分离滚筒内壁上的螺旋轨道滚动，体积较小碎土不断从网孔中落下，体积较大的土块不断与螺旋结构和网筛碰撞，土块体积不断减小，最终从网孔中落下，从而实现药土初次分离。5个固定在外圈上的滚子对筛心起到支撑作用，滚筛的最大外径为1 000mm，长度为1 200mm,螺旋结构的螺距为200mm,螺旋结构的有效高度为60mm。

分离滚筒结构为可拆卸型，外圈为对开式，上半圈和下半圈由4个螺栓连接，这样设计的目的主要是为了针对不同的土壤情况，可通过更换筛心的方式改变分离网孔，实现有效的分离。分离滚筒采用链条的传动方式，具有易更换、成本低的优点。分离滚筒的转速越快，分离效率和分离效果越好。分离滚筒转速与效率成正比关系,根据牛顿第二定律,当离心力大于太子参的重力时，离心力会使干净的太子参紧贴在筛网内壁上，使其无法沿螺旋结构向后面的输送链耙运输。

2.4　输送链耙

输送链耙主要由耙齿、连接板、圆钢、六齿轮等组成，如图5所示。

1.六齿轮　2.圆钢　3.连接板　4.耙齿

挖掘土壤的受力分析如图6所示，松土铲的受力分析如图7所示。

图6　挖掘土壤的受力分析

图7　松土铲的受力分析

根据图6、图7的受力分析,可得松土铲工作时的驱动力为

F=N0(sinα+μcosα)+CaA0cosα

(1)

土块受力的静力平衡关系为

N0(sinα+μcosα)+CaA0cosα

=N0(cosα-μsinα)+N1(sinβ-μ1sinβ)

(2)

令

(3)

联立方程得出松土铲工作时的驱动力为

(4)

式中F—松土铲工作时的驱动力(N)；

G—土块重力(N)；

Ca—土壤与铲面的附着参数；

B—土壤对铲面的加速阻力(N )；

T—土壤抗剪切力(N)；

A0—铲面宽度(mm)；

∂—松土铲的入土角(°)；

C—土壤内聚力(N)；

A1—剪切面积(mm2)；

β—失效前角(°)；

μz—土壤的内摩擦因数；

μ—土壤与金属的摩擦因数；

N0—铲面法向载荷(N)。

3松土铲的有限元分析

3.1　松土铲有限元模型的建立

ANSYS提供了与其他CAD系统的接口,可以利用PRO/E软件创建松土铲的实体模型,并导入ANSYS软件;定义松土铲的材料为45#钢,密度为7890kg/m3,弹性模量E为2.09×1011，泊松比为0.3；单元类型选择Solid45单元作为离散受力单元；根据模型的形状及受力情况，进行网格划分；划分网格时，激活SmartSize,滑块设为1进行划分。最后生成有限元模型如图8所示。

图8　松土铲网格划分

3.2　载荷施加与边界条件

为了分析松土铲真实的工作状态,就要使用约束限制某些部位的自由度。在实际加工制造中,松土铲的两侧端面和后端面为焊接面，故在此采用完全约束。松土铲作业时，主要受法向载荷、摩擦力、粘附力，但摩擦力与粘附力相对法向载荷影响较小；有限元分析时，只分析法向载荷作用。根据作用力和反作用力相等原理和公式(4),计算松土铲工作时所受到的阻力。法向力与作用面积之比为压强，计算出工作时加载在铲面上的压强值为0.065 5MPa。每个单元所受的载荷均按静力学等效原则转移到网格单元上，把铲面压强值加载到铲面上，松土铲的入土角为20°，分析松土铲内部的应力分析情况。

3.3　ANSYS有限元分析结果

松土铲在受力时经ANSYS求解之后的位移变形云图和应力云图分别如图9、图10所示。

图9　变形云图

图10应力云图

通过分析松土铲的位移云图9可知：在铲尖发生较为明显变形，其位移量值为0.9mm，这个数值在材料的塑性变形范围内,相对于整个松土铲而言，可以忽略不计;通过分析松土铲的应力云图10可知：挖掘铲的最大应力出现在铲的侧面即铲与升运器焊接处最大24.426MPa，说明应力主要出现在焊接部位,所以在加工时焊接部位需满焊并做加固处理;另外,松土铲的铲齿根与铲齿根连接处应力也比较大,加工时做渗碳淬火处理，并且齿根与齿根之间采用圆弧过度,防止阻力过大时应力集中铲被撕裂。其余各处的应力值均小于所用材料的屈服极限强度。所以，松土铲的强度满足设计要求。

4结论

1)设计的太子参联合收获机可以一次性完成挖掘、输送、分离、筛选、收集等作业过程，大大降低了劳动强度，提高了工作效率，降低了收获成本，且收获质量好。

2)该机具有一定的通用性，可以通过更换分离滚筒的方式，对黄芪和钱胡等地下根茎类作物进行收获作业。

3)此项研究为南方山区丘陵小田块地下根茎类作物收获的机械化提供了装备与技术支撑。

参考文献：

[1]胡志超，彭宝良，尹文庆，等. 多功能根茎类作物联合收获机设计与试验[J].农业机械学报，2008，39(8)：58-61.

[2]魏宏安，王蒂，连文香，等. 4UFD-1400 型马铃薯联合收获机的研制[J].农业工程学报，2013，29(1)：11-17.

[3]刘宝，张东兴，李晶. MZPH-820 型单行马铃薯收获机设计[J].农业机械学报，2009，40(5)：81-86.

[4]孙玉涛，尚书旗，王东伟，等. 美国花生收获机械现状与技术特点分析[J].农机化研究，2014，36(4)：7-11.

[5]王家胜，尚书旗.自走式双行胡萝卜联合收获机的研制及试验[J].农业工程学报，2012，28(12)：38-43.

[6]陈书法，李耀明，孙星钊. 花生联合收获机挖掘装置的设计研究[J].中国农机化，2005(1)：47-49.

[7]杨然兵，李国莹，尚书旗，等. 机械化挖掘收获部件发展现状与展望[J].农机化研究，2008(9)：5-8.

[8]尚书旗，李国莹，杨然兵，等. 4HQL-2 型全喂入花生联合收获机的研制[J].农业工程学报，2009，25(6)：125-130.

[9]贾晶霞，张东兴，桑永英. 马铃薯挖掘铲计算机辅助分析与模拟试验研究[J].农业工程学报，2006，22(8)：106-110.

[10]胡志超，彭宝良，尹文庆，等. 4HL2 型半喂入自走式花生联合收获机的研制[J].农业工程学报，2008,24(3):148-153.

[11]陈书法，李耀明，孙星钊. 花生挖掘铲动力学分析实验[J].农业机械学报，2005,36(11)：59-63.

Abstract ID:1003-188X(2016)10-0105-EA

Design and Test of Radix Pseudostellariae Combined Harvester

Lou Shuaishuai, Cao Chengmao, Li Zansong, Ye Daming, Zang Jie

(1.Anhui Agricultural University,School of Technology, Hefei 230036, China; 2.Ningguo City, Anhui Province, Golden Tree Planting Co. Ltd., Ningguo 242300, China)

Abstract：According to the situation that the current traction type harvesters can not meet the requirements of Radix Pseudostellariae in small fields of the southern hilly region, we design and develop a one-time Radix Pseudostellariae combine harvester which combines mining, transportation, separation, screening and packing. This paper describes the overall structure and the detailed design of the shovel, lifting conveying device, a separating roller, conveyor chain harrow and other key parts of the detailed design process and the break shovel was analyzed by ANSYS software.

Key words：Radix Pseudostellariae； combine harvester; structure design; ANSYS

中图分类号：S225.7

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0105-04

作者简介：娄帅帅(1987-)，男，安徽阜阳人，硕士研究生，(E-mail)1097775130@qq.com。通讯作者：曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

基金项目：国家自然科学资金面上项目(51475002)

收稿日期：2015-09-29