甘薯收获机挖掘铲的有限元分析

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　　摘要    为了清晰地反映挖掘铲在使用过程中受到应力其内部结构的变化，采用ANSYS的有限元法，对挖掘铲进行了详细的有限元分析。结果表明，在选用Q235A材料的情况下能够达到甘薯收获机工作所需强度，结构设计可行且合理。采用平面铲，挖掘能力强且减少挖掘阻力;采用偏心振动装置，分离能力强且破皮率低。在甘薯收获方面，不仅能大大提高收获效率，还可以使收获的甘薯干净完整。
　　关键词    甘薯;收获机;挖掘铲;有限元分析
　　中图分类号    S225.31        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）07-0172-02                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（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
　　中國作为世界上最主要的甘薯生产地，每年甘薯栽种面积达到500万hm2，年产量为8 500万t，约占世界总产量的80%[1-2]。但我国甘薯栽种和收获机器设备的相关技术相对滞后，远远落后发达国家[3-4]。欧美国家甘薯收获机械以大型化为主，日本、韩国等小型化居多，比较适合中小地块生产作业。其中比较典型的为美国LockWood公司研制的甘薯机，根据茎块收集方式分成2类。其中一类是箱式甘薯收获机（图1），这种收获机的两边对称分布着6个运载箱;全液压操控，可以通过操纵杆来调控收获机的相关参数;运载箱做到自动起落，可以降低撞击伤和破皮;收获前不需要处置甘薯茎蔓与泥土。与收获机匹配的动力>110 kW，作业的行数为2行，行距为1 016～1 219 mm，工作的速度为3～8 km/h[5-6]。
　　我国甘薯收获机相关研究起步较晚，因而发展水平较发达国家存在一定的差距。随着农业机械化发展进程的不断推进，我国各地也出现了多种样式的甘薯收获机械。其中最典型的属徐州甘薯中心研发的环刀形收获器，该发明大大改善了平原地区收获困难的难题，一定程度上对生产起到了积极的推动作用[7-8]。该收获器的工作原理是经过带动弧形的破土片将整个垄的土破开，使薯与土分开，然后薯块会分列在土层上方，以便捡拾收集。这种设计独特新颖，改变了老式收获犁的铲头式设计，大幅度地降低了劳动强度，提高了工作效率，还降低了甘薯的损伤率。
　　1    甘薯收获机关键部件设计要求
　　在甘薯收获机的作业过程中，挖掘铲是前进过程中最先接触土薯的部件。由于土下环境比较恶劣，因而挖掘铲受到阻力也会比较大，这样对挖掘铲的抗变形能力与耐磨性能要求较为严格。 　　2    挖掘鏟有限元分析
　　挖掘铲使用过程中受到应力其内部结构会发生变化，用一般计算等方法无法准确地了解到其变化情况。因此，本文采用ANSYS的有限元法去分析挖掘铲的静力强度。
　　2.1    三维实体模型的建立
　　根据设计参数，运用UG进行三维实体模型的建立，三维模型如图2所示。
　　2.2    三维实体模型的导入
　　ANSYS软件可以与UG之间实现模型完整的传递，将模型从UG导入到ANSYS作为前期准备，挖掘铲的模型导入ANSYS-workbench如图3所示。
　　2.3    材料的定义
　　选择了Q235结构钢，其中弹性模量为206×1011 Pa，屈服强度为2.826 9×108 Pa，剪切模量为8×1010 Pa，材料密度为7 858 kg/m3，泊松比为0.3。
　　2.4    划分网格
　　对挖掘铲整体进行网格划分，可以分为47 308个节点和9 545个单元，网格划分如图4所示。
　　2.5    添加约束，施加载荷
　　在铲面和破土栅之间添加焊接约束，铲面和铲柄之间也添加焊接约束。综上可知，假设工作速度1.5 m/s，挖掘深度0.25 m时，根据挖掘铲的牵引阻力相关公式算得挖掘阻力为4 800 N，根据力的平衡原理在上面施加载荷（图5）。
　　2.6    运行分析
　　根据所定义的相关参数，软件进行变形及应力情况分析，变形情况如图6所示，应力分布如图7所示。根据分析结果可知，挖掘铲铲面的最大应力在螺孔处，为6.506 5e×100.14 Pa，小于所选材料的屈服强度，挖掘铲的最大位移发生在铲刃端，为5.348 8×10-0.05 Pa，并且端部向下卷，呈逐渐向中部发展的态势，最后中部突起，铲便不平，两侧铲柄容易变形。挖掘铲的最大应力和最大位移量都满足设计要求。
　　3    结论
　　（1）甘薯收获机的研制能够有效地解决当前甘薯收获过程中所面临的机械化率过低以及所收获的甘薯质量低等问题，可以大大提高甘薯的收获效率。同时，可以减轻农民的劳动强度，带来可观的经济效益。
　　（2）首先，运用UG软件对重要部件进行三维建模，其次，运用ANSYS-workbench软件对挖掘装置进行有限元分析，主要为结构静力学分析，得到位移云图、应力云图。经分析，在选用Q235A材料的情况下能够达到甘薯收获机工作所需强度，结构设计可行且合理。
　　（3）采用的平面铲挖掘性能强，可大大减少挖掘阻力并且降低藤蔓缠绕的发生，从而提高工作效率。
　　（4）采用偏心振动装置使振动筛的分离能力更强，在提高薯土分离能力的同时可有效减少破皮率。
　　（5）下一步将对薯土关系做进一步分析，从而降低挖掘阻力的影响，得到更优化的设计。目前，该机器不能够做到自动收集，有待进一步研究。
　　4    参考文献
　　[1] 胡良龙，胡志超，谢一芝，等.我国甘薯生产机械化技术路线研究[J].中国农机化，2011（6）：20-25.
　　[2] 张子瑞，刘贵明，李禹红.国内外甘薯收获机械发展概况[J].农业工程，2015，5（3）：13-15.
　　[3] 王冰，胡志超，胡良龙，等.甘薯联合收获机的研究现状及发展[J].江苏农业科学，2018，46（4）：11-16.
　　[4] 施智浩，胡良龙，吴努，等.马铃薯和甘薯种植及其收获机械[J].农机化研究，2015，37（4）：265-268.
　　[5] 胡良龙，王公仆，凌小燕，等.甘薯收获期藤蔓茎秆的机械特性[J].农业工程学报，2015，31（9）：45-49.
　　[6] 马标.甘薯高清除性切蔓技术及其装置研究与优化设计[D].合肥：安徽农业大学，2014.
　　[7] 林子龙，陈根辉，黄艳霞，等.垄距和垄高对甘薯龙薯14号产量和机械收获性状的影响[J].安徽农业科学，2017，45（8）：18-20.
　　[8] 孙伟松，刁培松，李盼.舵轮式破茬免耕玉米播种机研究[J].农业装备与车辆工程，2011（9）：10-12.
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