甘薯收獲機(jī)挖掘鏟的有限元分析

羅志豪 劉玉 馬坡 蔣宇浩

摘要? ? 為了清晰地反映挖掘鏟在使用過程中受到應(yīng)力其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，采用ANSYS的有限元法，對挖掘鏟進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析。結(jié)果表明，在選用Q235A材料的情況下能夠達(dá)到甘薯收獲機(jī)工作所需強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行且合理。采用平面鏟，挖掘能力強(qiáng)且減少挖掘阻力;采用偏心振動(dòng)裝置，分離能力強(qiáng)且破皮率低。在甘薯收獲方面，不僅能大大提高收獲效率，還可以使收獲的甘薯干凈完整。

關(guān)鍵詞? ? 甘薯;收獲機(jī);挖掘鏟;有限元分析

中圖分類號(hào)? ? S225.31? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

文章編號(hào)? ?1007-5739（2020）07-0172-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Finite? Element? Analysis? of? Digging? Shovel? of? Sweet? Potato? Harvester

LUO Zhi-hao? ? LIU Yu *? ? MA Po? ? JIANG Yu-hao

（Jiangsu Normal University，Xuzhou Jiangsu 221116）

Abstract? ? In order to clearly reflect the change of the internal structure of the digging shovel under stress in the process of use，the finite element analysis of the digging shovel was carried out in detail by using the ANSYS finite element method.The results showed that the strength of the harvester could be achieved when Q235A material was selected，and the structure design was feasible and reasonable.With plane shovel，the excavation capacity was strong and the excavation resistance was reduced;With eccentric vibration device，the separation capacity was strong and the skin breaking rate was low.In the aspect of sweet potato harvest，it could not only greatly improved the harvest efficiency，but also made the harvested sweet potato clean and complete.

Key words? ? sweet potato;harvester;digging shovel;finite element analysis

中國作為世界上最主要的甘薯生產(chǎn)地，每年甘薯栽種面積達(dá)到500萬hm2，年產(chǎn)量為8 500萬t，約占世界總產(chǎn)量的80%[1-2]。但我國甘薯栽種和收獲機(jī)器設(shè)備的相關(guān)技術(shù)相對滯后，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后發(fā)達(dá)國家[3-4]。歐美國家甘薯收獲機(jī)械以大型化為主，日本、韓國等小型化居多，比較適合中小地塊生產(chǎn)作業(yè)。其中比較典型的為美國LockWood公司研制的甘薯機(jī)，根據(jù)莖塊收集方式分成2類。其中一類是箱式甘薯收獲機(jī)（圖1），這種收獲機(jī)的兩邊對稱分布著6個(gè)運(yùn)載箱;全液壓操控，可以通過操縱桿來調(diào)控收獲機(jī)的相關(guān)參數(shù);運(yùn)載箱做到自動(dòng)起落，可以降低撞擊傷和破皮;收獲前不需要處置甘薯莖蔓與泥土。與收獲機(jī)匹配的動(dòng)力>110 kW，作業(yè)的行數(shù)為2行，行距為1 016～1 219 mm，工作的速度為3～8 km/h[5-6]。

我國甘薯收獲機(jī)相關(guān)研究起步較晚，因而發(fā)展水平較發(fā)達(dá)國家存在一定的差距。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程的不斷推進(jìn)，我國各地也出現(xiàn)了多種樣式的甘薯收獲機(jī)械。其中最典型的屬徐州甘薯中心研發(fā)的環(huán)刀形收獲器，該發(fā)明大大改善了平原地區(qū)收獲困難的難題，一定程度上對生產(chǎn)起到了積極的推動(dòng)作用[7-8]。該收獲器的工作原理是經(jīng)過帶動(dòng)弧形的破土片將整個(gè)壟的土破開，使薯與土分開，然后薯塊會(huì)分列在土層上方，以便撿拾收集。這種設(shè)計(jì)獨(dú)特新穎，改變了老式收獲犁的鏟頭式設(shè)計(jì)，大幅度地降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，還降低了甘薯的損傷率。

1? ? 甘薯收獲機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)要求

在甘薯收獲機(jī)的作業(yè)過程中，挖掘鏟是前進(jìn)過程中最先接觸土薯的部件。由于土下環(huán)境比較惡劣，因而挖掘鏟受到阻力也會(huì)比較大，這樣對挖掘鏟的抗變形能力與耐磨性能要求較為嚴(yán)格。

2? ? 挖掘鏟有限元分析

挖掘鏟使用過程中受到應(yīng)力其內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，用一般計(jì)算等方法無法準(zhǔn)確地了解到其變化情況。因此，本文采用ANSYS的有限元法去分析挖掘鏟的靜力強(qiáng)度。

2.1? ? 三維實(shí)體模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，運(yùn)用UG進(jìn)行三維實(shí)體模型的建立，三維模型如圖2所示。

2.2? ? 三維實(shí)體模型的導(dǎo)入

ANSYS軟件可以與UG之間實(shí)現(xiàn)模型完整的傳遞，將模型從UG導(dǎo)入到ANSYS作為前期準(zhǔn)備，挖掘鏟的模型導(dǎo)入ANSYS-workbench如圖3所示。

2.3? ? 材料的定義

選擇了Q235結(jié)構(gòu)鋼，其中彈性模量為206×1011 Pa，屈服強(qiáng)度為2.826 9×108 Pa，剪切模量為8×1010 Pa，材料密度為7 858 kg/m3，泊松比為0.3。

2.4? ? 劃分網(wǎng)格

對挖掘鏟整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以分為47 308個(gè)節(jié)點(diǎn)和9 545個(gè)單元，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

2.5? ? 添加約束，施加載荷

在鏟面和破土柵之間添加焊接約束，鏟面和鏟柄之間也添加焊接約束。綜上可知，假設(shè)工作速度1.5 m/s，挖掘深度0.25 m時(shí)，根據(jù)挖掘鏟的牽引阻力相關(guān)公式算得挖掘阻力為4 800 N，根據(jù)力的平衡原理在上面施加載荷（圖5）。

2.6? ? 運(yùn)行分析

根據(jù)所定義的相關(guān)參數(shù)，軟件進(jìn)行變形及應(yīng)力情況分析，變形情況如圖6所示，應(yīng)力分布如圖7所示。根據(jù)分析結(jié)果可知，挖掘鏟鏟面的最大應(yīng)力在螺孔處，為6.506 5e×100.14 Pa，小于所選材料的屈服強(qiáng)度，挖掘鏟的最大位移發(fā)生在鏟刃端，為5.348 8×10-0.05 Pa，并且端部向下卷，呈逐漸向中部發(fā)展的態(tài)勢，最后中部突起，鏟便不平，兩側(cè)鏟柄容易變形。挖掘鏟的最大應(yīng)力和最大位移量都滿足設(shè)計(jì)要求。

3? ? 結(jié)論

（1）甘薯收獲機(jī)的研制能夠有效地解決當(dāng)前甘薯收獲過程中所面臨的機(jī)械化率過低以及所收獲的甘薯質(zhì)量低等問題，可以大大提高甘薯的收獲效率。同時(shí)，可以減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）首先，運(yùn)用UG軟件對重要部件進(jìn)行三維建模，其次，運(yùn)用ANSYS-workbench軟件對挖掘裝置進(jìn)行有限元分析，主要為結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，得到位移云圖、應(yīng)力云圖。經(jīng)分析，在選用Q235A材料的情況下能夠達(dá)到甘薯收獲機(jī)工作所需強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行且合理。

（3）采用的平面鏟挖掘性能強(qiáng)，可大大減少挖掘阻力并且降低藤蔓纏繞的發(fā)生，從而提高工作效率。

（4）采用偏心振動(dòng)裝置使振動(dòng)篩的分離能力更強(qiáng)，在提高薯土分離能力的同時(shí)可有效減少破皮率。

（5）下一步將對薯土關(guān)系做進(jìn)一步分析，從而降低挖掘阻力的影響，得到更優(yōu)化的設(shè)計(jì)。目前，該機(jī)器不能夠做到自動(dòng)收集，有待進(jìn)一步研究。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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