仿生扇贝花生挖掘铲的设计与试验

夏 超,尚书旗,王东伟,刘玉高,何晓宁,赵 壮,郭 鹏,左百强

(青岛农业大学 机电工程学院,山东 青岛 266109)

0 引言

花生收获机械作业过程包括挖掘、去土、晾晒、捡拾、摘果和清选多个阶段[1]。目前,花生收获方式主要分为两段式收获和联合收获两种方式,且挖掘阶段是收获机械动力输出的重要组成部分。花生挖掘铲作为重要的农机触土部件,其减阻耐磨性能对工作质量、功率消耗有影响,针对如何通过几何结构优化提高农机触土部件的减阻耐磨性能,国内外学者做了大量研究。

在提高减阻性能方面,仿生结构优化成为一种广泛应用且可行的重要方法。鼹鼠、蜣螂和蝼蛄等作为常见的土壤挖掘动物,具有非常优秀的土壤挖掘能力。针对蝼蛄挖掘足的仿生研究,国内学者李晓鹏等设计出一种用于马铃薯收获的仿生挖掘铲铲片,通过EDEM仿真分析,较普通挖掘铲所受阻力平均降阻近35%[2]。李长铭通过获取蝼蛄第一足的图像信息,建立仿生蝼蛄花生挖掘铲数学模型,研制出一种蝼蛄仿生挖掘铲,较普通挖掘铲降阻率最高达到10%,土壤碎土性较普通挖掘铲提高了2.86%[3]。杨玉婉通过对鼹鼠多趾组合结构和趾尖轮廓曲线进行研究,设计出一种仿生旋耕刀,与传统的旋耕刀相比,不仅前进速度从1km/h提升到5km/h,且整机的平均功耗降低了近17%[4]。张金波等利用指数函数拟合家鼠爪趾轮廓线方程设计的深松铲,阻力降幅最高达近60%[5]。俞杰运用逆向工程获得家兔爪趾数学模型,制备的仿生旋耕刀不仅降阻率达到18%,受到的扭矩也大幅减小,延长了旋耕刀的仿生设计[6]。仿生学被国内学者大量应用到农机触土部件结构优化中,为改进农机触土部件的结构提供了一种新的思路。

扇贝作为一种常见的海鲜产品,种类繁多。青岛地区常见海湾扇贝生活在水流较急、盐度较高、透明度较大、水深10～30m的岩礁底或有贝壳砂砾的硬质海底。扇贝不仅在运动中经常受到磨粒磨损,也会受到泥沙的冲蚀作用,而扇贝壳为扇贝的生存起着至关重要的作用。花生收获机械在工作过程中,挖掘铲受到的磨损主要为磨粒磨损,与扇贝壳受到的磨损类型一致。为此,获取扇贝壳表面信息,建立数学模型,制备出一种花生仿生挖掘铲。

1 扇贝壳轮廓信息的获取

1.1 扇贝壳轮廓曲线及特征方程拟合

将采购的海湾扇贝,选取出外轮廓曲面均匀的扇贝,去除表面附着物及贝柱残留物,用酒精进行清理,最后用蒸馏水冲洗,放于通风处自然晾干;晾干后,扇贝壳表面喷涂显影剂,通过3D扫描仪对扇贝壳进行整体扫描;因扇贝壳尺寸较小,不需粘贴标记点,将喷涂有显影剂的扇贝壳放置于扫描仪器下方进行图像扫描,结果如图1所示。

图1 扇贝壳扫描图Fig.1 Scallop shell scan

将获取的3D扫描模型图片导入到SolidWorks中,选取合适角度,截取扇贝壳的三视图,新建零件模型;选择基准面编辑草图,进入草图绘制界面,通过工具栏中的草图工具选项将三视图导入到SoildWorks中。在标题栏中选取软件中自带的Atuotrace插件,调整图片位置,借助辅助线使其与坐标轴重合;选中要处理的图片,调整图像的透明度、图像对比度、颜色公差及识别公差选项,生成清晰完整的扇贝壳轮廓线,如图2所示。

在MatLab软件中提供了多种拟合模型,如二次拟合方程,n阶多项式拟合方程及线性拟合方程等。根据拟合曲线的性状(见图3),选择n阶多项式进行曲线方程的拟合,模拟评估精度的指标R2可以用拟合曲线方程的相关系数来表示,值越大,表示拟合曲线方程精度越高。由表1可看出:拟合曲线方程的精度随阶次的增加而递增,三阶和四阶多项式的精度要高于二次多项式。因此,在精度相同的情况下,优先考虑阶次较低的方程,方便后续仿生设计。

(a) 主视图轮廓曲线

(b) 俯视图轮廓曲线

(c) 左视图轮廓曲线图2 扇贝壳轮廓曲线Fig.2 Contour curve of scallop shell

(a) 主视图轮廓拟合曲线

(b) 俯视图轮廓拟合曲线

(c) 左视图轮廓拟合曲线图3 扇贝轮廓拟合曲线Fig.3 Contour fitting curve of scallop shell

表1 轮廓曲线方程相关系数R2Table 1 Correlation coefficient of contour curve equation R2

最终选取主视图拟合方程为二次多项式,即

y=-0.004x2+0.0635x+1.089

(1)

俯视图拟合方程为三阶多项式,即

y=1.51e-04x3-0.005x2-0.665x+28.218

(2)

左视图拟合方程为三阶多项式,即

y=-3.004e-05x3+9.22e-04x2+0.418x+3.949

(3)

1.2 仿生扇贝挖掘铲三维建模

依据式(1)～式(3),在SolidWorks软件中选择样条曲线→方程式驱动的曲线,将获得的三视图拟合方程导入,调整合适比例。由于挖掘铲的铲刃部分为主要磨损区域,将铲刃部分进行仿生设计,建立仿生挖掘铲模型如图4所示。

图4 仿生扇贝挖掘铲Fig.4 Bionic scallop shovel

2 仿生挖掘铲离散元仿真

2.1 颗粒模型

在实际生产中,土壤环境复杂多变,建立完整的土壤环境十分困难,为了计算方便,在EDEM中建立简化的土壤颗粒模型,将土壤颗粒半径设为5mm的球形单颗粒,尺寸设定为长2800mm×宽800mm×高350mm,土壤颗粒模型数量为450 000个,挖掘深度为120mm。

2.2 仿真参数设置

土壤接触模型选择Hertz-Mindlin with Bonding模型,可以通过结合力将相邻两个土壤颗粒粘结在一起,结合力可以承受切向和法向位移[7]。在实际田间作业过程中,土壤与土壤之间存在粘附力,挖掘铲表面与土壤存在受力关系,该模型可以模拟土壤颗粒之间的粘结作用和土壤颗粒破碎的现象。同时,根据表2、表3设定颗粒模型及其他相关参数。

表2 离散元模型基本参数Table 2 Basic parameters of the discrete element model

表3 接触模型属性参数Table 3 Contact model property parameters

2.3 仿真试验过程

仿真试验采用对照试验法,对比仿生挖掘铲与普通挖掘铲在0.4、0.6、0.8m/s 3种不同速度下挖掘状态,土壤颗粒下落时间为1s,下落速度为2m/s, 所有颗粒生成采用动态(dynamic)的生成方式,使得土壤颗粒完全下落完成之后,挖掘铲开始运动;两种挖掘铲开始运动的时间为1.5s,运动到5s时过程结束。两种挖掘铲的运动过程如图5所示。

(a) 仿生挖掘铲运动过程

(b)普通挖掘铲运动过程图5 挖掘铲运动过程Fig.5 Shovel exercising procession

3 仿真试验结果分析

土壤对触土部件的摩擦体现在其工作的阻力上,在农机的工作过程中, 因摩擦产生的阻力占耕作总阻力的20%～30%[8]。而挖掘铲在工作过程中,常见的失效方式土壤与挖掘铲面发生的磨粒磨损。磨粒磨损时,作用在硬质点上的力分为垂直分力和水平分力,前者使硬质点压入材料表面,后者使硬质点与表面之间产生相对位移[9]。对比分析两种挖掘铲在相同速度下受力变化,如图6所示。

在相同速度下,仿生扇贝挖掘铲的水平阻力要小于普通挖掘铲的阻力。两种挖掘铲在1.5s开始运动并接触土壤,进行仿真挖掘运动,并随运动时长所受的挖掘阻力逐渐增大,在3s以后挖掘铲的阻力变化逐渐趋于平稳。为研究在不同速度下,挖掘铲受力数值,取3～5s时间段内,挖掘铲所受挖掘阻力数值,取平均值,查看相同速度下,依据降阻率式(4),计算出仿生扇贝挖掘铲的减阻率,即

(4)

(a) 0.4m/s速度下受力挖掘铲受力状态

(b) 0.6m/s速度下受力挖掘铲受力状态

(c) 0.8m/s速度下受力挖掘铲受力状态图6 挖掘铲受力状态Fig.6 Shovel force state

两种挖掘铲在不同速度下阻力数值及减阻率如表4～表6所示。

表4 0.4m/s速度下阻力数值及减阻率Table 4 Drag value and drag reduction rate of 0.4m/s velocity

续表4

表5 0.6m/s速度下阻力数值及减阻率Table 5 Drag value and drag reduction rate of 0.6m/s velocity

表6 0.8m/s速度下阻力数值及减阻率Table 6 Drag value and drag reduction rate of 0.8m/s velocity

续表6

由表4～表6中挖掘铲阻力数值变化可以看出:挖掘阻力随速度的增加而增大;两种挖掘铲在相同运动状态下,在0.4、0.6、0.8m/s 3种运动速度下,仿生扇贝挖掘铲较普通挖掘铲的减阻率分别为6.71%、5.43%和7.23%;在3种不同速度下,运动速度0.8m/s时,减阻率最为明显。对比分析两种挖掘铲在0.8m/s时土壤颗粒运动状态,截取土壤颗粒随时间变化的图片,如图7、图8所示。

图7 普通挖掘铲土壤颗粒运动状态Fig.7 Normal shovel state of soil particle movement

图8 仿生挖掘铲土壤颗粒运动状态Fig.8 Bionic shovel state of soil particle movement

通过对比相同时间下,两种挖掘铲在接触土壤颗粒模型时土壤颗粒的变化,普通挖掘铲的土壤颗粒运动速度略高于仿生挖掘铲土壤颗粒速度,而土壤颗粒运动越快,对挖掘铲造成的阻力越大,挖掘铲磨损越严重。相较于普通挖掘铲,仿生挖掘土壤颗粒的运动整体比较均匀,而普通挖掘铲两侧的土壤运动颗粒较中间部位运动,速度变化较为明显,普通挖掘铲的挖掘过程中,土壤颗粒痕迹运动比较杂乱,而仿生挖掘铲的挖掘痕迹中土壤颗粒运动轨迹均匀,挖掘铲所受的阻力变化相对较小。综合以上因素可知:仿生挖掘铲在工作过程中,土壤颗粒速度变化较小,轨迹较为均匀,所受的挖掘阻力要小于普通挖掘铲,耐磨性能更优异。

4 结论

1)通过对扇贝壳整体进行轮廓曲线拟合,建立数学模型,研制出一种新的花生仿生挖掘铲。

2)基于EDEM进行仿真试验,对比仿生花生挖掘铲和普通挖掘在工作过程中的受力及土壤颗粒运动变化,仿生挖掘铲在降阻性能上可以提高5%～7%。

3)对挖掘铲的铲刃部分仿生位置进行仿真分析,没有对整体进行仿真研究,旨在为以后花生挖掘铲的优化设计提供一种新的思路和方法。