马铃薯输送线动堆积角与输运效率优化分析计算

程鹏飞，于文强，李学强，孙　军

(1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博　255000；2.乐陵市天成工程机械有限公司，山东 乐陵　253600)



马铃薯输送线动堆积角与输运效率优化分析计算

程鹏飞1，于文强1，李学强2，孙军1

(1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博255000；2.乐陵市天成工程机械有限公司，山东 乐陵253600)

摘要：中国是世界上马铃薯总产最多的国家，且在2015年启动了马铃薯主粮化战略，然而我国却还处在以人力为主的半机械化状态，针对马铃薯播种、收获及分选输运的机械结构及优化设计研究甚少。马铃薯在运输过程中输送装置的提升角度与输送速度是影响输运效率和马铃薯破皮率的重要因素，通过有限元方法分析马铃薯输送装置动堆积角与输送速度之间的关系，确定动堆积角与输送速度的最优参数，旨在对提高马铃薯的输送效率和减少马铃薯的破皮率提供参考。

关键词：马铃薯；动堆积角；有限元；破皮率；输送速度

0引言

农业生产中，马铃薯表皮破损极易使受损组织发黑变质，影响贮存。一些调查者在英国665个农场对马铃薯损伤情况进行调查，发现表皮损伤占23%，内部损伤占13%。Brook估测每1%的表皮损伤就代表着英国马铃薯750万美元的损失，因此减少马铃薯的表皮损伤，可以减少农场的经济损失[1]。然而，马铃薯表皮损伤主要发生在运输过程中马铃薯与皮带之间的挫伤损害，所以研究马铃薯输送装置的堆积角与输送速度之间的关系，对提高马铃薯质量有着重大意义。

输送装置在工作过程中依据动堆积角取值范围设定的提升角度，理论上对应于一个最佳的输送速度，既能将马铃薯的表皮破损减少到最小，又能做到马铃薯最大输送效率。因此，找出马铃薯输送装置动堆积角与输送速度之间的关系，对提高马铃薯的输送效率有着重大意义。

1输送装置模型及工作原理

皮带线在矿山、物料输送中存在很多种传动方式，本文所要分析的平带输送机构，其主要特点是成本低、结构简单，以及具有良好的弹性和挠度、输送距离大和传动平稳等优点。

输运装置如图1所示。工作过程中，通过调节托架上的千斤顶来改变输送装置的提升角度，以便装车或入库；输送带在实际工作过程中依据马铃薯动堆积角取值范围进行调节。电机输出动力通过链条使得主动滚筒转动，通过主动滚筒与输送带之间的摩擦力从而带动输送带运动，此时可通过调节电机的转速来改变输送带的传送速度。图1中所示两前轮呈“八”字形设置，以防止调节提升角度以及运输速度改变时时输送装置发生前后移动。输送装置实物如图2所示。

1.电机　2.链条　3.输送带　4.输送架收缩外壁　5.千斤顶位置处

2运送马铃薯时的运动分析

已知农业机械中马铃薯与输送带的摩擦因数为0.6；输送速度v不超过2m/s；输送装置堆积角不超过30°。

图2　输送装置实物

图3　受力分析简图

已知输送装置堆积角与输送带速度v均为变参数，采用控制变量法，得出速度一定时输送装置堆积角与相对滑动位移的关系如图4所示。

(a)　v=0.4m/s

(b)　v=0.6m/s

(c)　v=0.8m/s

(d)　v=1.0m/s

(e)　v=1.2m/s

(f)　v=1.4m/s

不同速度时，堆积角与滑动位移曲线关系如图5所示。

图5　滑动位移一定时不同速度对应的最大堆积角曲线图

由经验可知：马铃薯与输送带相对滑动的位移不要超过0.4m，否则导致马铃薯的表皮磨损。

3有限元模拟分析

3.1建立模型

首先用三维软件建立处几何模型图，本模型是由SolidWorks软件建模，马铃薯的大体尺寸是跟实际情况相同的，取得样本中马铃薯的均值，模型如图6所示。因为只分析马铃薯在输送带上的运动情况，将模型简化为如图7所示的模型。这样不仅可以减少后面的仿真计算，也可以减少一些约束的添加，从而提高分析精度。

图6　实际建立的模型图

图7　简化后的模型图

3.2赋予模型材料

确定马铃薯密度为1 100kg/m3，弹性模量为2×106，泊松比为0.25，输送带材料采用的是“Neoprene Rubber”(氯丁橡胶)。

3.3添加约束条件

设置输送带与马铃薯之间的摩擦因数为0.6，给马铃薯添加一竖直向下的重力，给输送带一倾斜向上的变参数速度值，同时堆积角度也设置为变参数值，约束后的状况如图8所示。

图8　添加约束条件

3.4划分网格

因马铃薯形状不规则，采用的四面体划分网格的方法，输送带则采用的六面体划分网格法，划分网格如图9所示。

四面体划分网格主要有两种方法：TGRID算法与ICEM CFD Tetra算法。基于TGRID算法其主要特点是划分网格以此从边、面、体的顺序划分；划分网格时都要考虑模型的面以及边界，包括边界层上网格的设置；同一个模型可以有不同的网格类型；适用于比较“干净”的模型。基于ICEM CFD Tetra算法主要特点是划分网格以此从模型的体、面、边顺序划分；适用于比较“烂”的模型；模型的面以及边界等的影响往往可能被忽略，对马铃薯的划分采用的是ICEM CFD Tetra算法。

六面体划分网格也称为“Hex Dominant”网格划分，算法是在外表面生成一个平面网格，然后经过向内拖拉形成块或锥，最后再在内部添加锥形的四面体网格，输送带则采用的六面体划分网格法。

图9　划分后的网格

3.5求解计算输出结果

根据理论计算得出的一定速度时的最大堆积角，来确定输送带的参变量速度与其对应的最大堆积角，输出结果如图10所示。

图10　输出马铃薯相对滑动的位移云图结果

理论计算与仿真结果对比如表1所示。

表格中的误差分析公式为

4结论

以马铃薯与输送带为研究对象，利用三维软件SolidWorks、ANSYS Workbench有限元软件分析软件进行动力学分析，分别在输送带速度分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4m/s，堆积角相对应分别为30°、29°、27°、24°、22°、19°时,分析马铃薯相对滑动的位移。分析结果表明：

1)输送带的速度过大时，其输送装置堆积角应该相应减小一些，这样堆积角在一定范围内变化既能保证输送效率，也能减少马铃薯相对滑动的距离，从而减少马铃薯表皮的磨损。

2)经过计算与仿真得出：堆积角调至到30°时，对应的最佳输送速度为0.4m/s。同理，堆积角调至29°、27°、24°、22°、19°时，对应的最佳输送速度分别为0.6、0.8、1.0、1.2、1.4m/s。分析误差范围在2%～6%之间，理论上应用该数据是可行的。

3)通过有限元模拟对分析马铃薯与输送带之间的运动状态有着十分重要的意义，既避免了试验中输送装置繁琐的角度调整与大量参数的测量，又能直观地将结果以云图形式呈现出来，便于取值分析。

参考文献：

[1]张建华,金黎平,谢开云,等.马铃薯块茎损伤及损伤评价的研究进展[C]//2005年全国马铃薯产业学术年会论文集，2005.

[2]屈冬玉,谢开云,金黎平,等.中国马铃薯产业与现代农业[J].农业技术与装备,2007(7):4-7.

[3]赵润良.2BMF-1马铃薯播种机的研制[J]. 农机化研究,2012,34(10):100-102.

[4]王文腾.中国马铃薯产业化的发展现状与政策研究[D].武汉：华中师范大学,2012.

[5]赵萍,李春雷,张轶,等.马铃薯生产加工现状及发展前景[J].兰州理工大学学报,2003,29(1):76-80.

[6]浦广益.ANSYS Workbench基础教程与实例详解(2版)[M].北京：中国水利水电出版社，2013：49-52.

The Analysis between Dynamic Pile Angle and Transportation Speed on the Transportation Equipment of Potatoes

Cheng Pengfei1, Yu Wenqiang1, Li Xueqiang2, Sun Jun1

(1.School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000,China; 2.Leling Transce Engineering Machinery Co.,Ltd, Leling 253600,China)

Abstract：Currently, the output of potatoes in china is the first in the world,and starting a strategy of making potatoes become staple food either.However,China is still very much a semi-mechanization and labor force country.The mechanical design and optimization of the potato is still poor.While potatoes are being transported,the relationship between dynamic pile angle and transportation speed has an obvious influence on the rate of skin destruction.Analysis the relationship between the two factors and get the best combination by finite element software that has an important significance on the transportation efficiency, and can reduce the rate of skin destruction.

Key words：potatoes; dynamic pile angle; finite element; rate of skin destruction; transportation speed

文章编号：1003-188X(2016)07-0095-05

中图分类号：S225.7+1

文献标识码：A

作者简介：程鹏飞(1990-)，男，山东德州人，硕士研究生，(E-mail) 872989864@qq.com。通讯作者：于文强(1976-)，男，天津人，副教授，硕士，(E-mail) yyu2000@126.com，13581021304。

基金项目：山东省重点研发计划项目(2015GNC112012)

收稿日期：2015-06-22