根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验_许渊.pdf

中国农机化学报 年 根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验 许渊 张锋伟 李保良 张方圆 刘禹辰 宋学锋 甘肃农业大学机电工程学院 兰州市 摘要 针对根茎类中药材收获机采用固定式挖掘铲收获时 存在挖掘深度不足 入土阻力大 功率损耗严重 碎土效果差 铲尖磨损较大等问题 采用理论计算与数值仿真的方法 对振动式挖掘装置的挖掘铲参数 运动机构 铲面运动特性和工 作效果进行研究 结果表明 该装置采用锯齿形平面三角铲 铲刃张角 入土角为 工作深度 铲 面长度为 运动机构类型为四连杆机构 工作时做平面运动 其水平方向运动类似于余弦函数曲线 垂直方向为正 弦函数曲线 速度与加速度变化类似 挖掘铲在水平方向和垂直方向的运动曲线平滑顺畅 运动类型与理论推导值吻合 为简谐运动 运动过程无干涉现象 速度与加速度变化均符合运动规律 当挖掘装置的前进速度为 入土角为 转速为 时 该装置的挖掘阻力最小 采用振动式挖掘装置对中药材进行收获时 可有效减小挖掘阻力 具 有良好的碎土分离效果 整体运行平稳 工作可靠 各项性能均满足行业标准要求 关键词 中药材 振动式挖掘装置 模拟仿真 四连杆机构 简谐运动 中图分类号 文献标识码 文章编号 许渊 张锋伟 李保良 张方圆 刘禹辰 宋学锋 根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验 中国农机化学报 收稿日期 年 月 日 修回日期 年 月 日 基金项目 甘肃省自然科学基金项目 第一作者 许渊 男 年生 甘肃庆阳人 博士研究生 研究方向为农业机械装备 通讯作者 张锋伟 男 年生 甘肃定西人 教授 博导 研究方向为农业机械与装备 引言 中药材的成分天然健康 药理作用温和 在慢性疾 病的防控和滋补保健方面具有明显的疗效 在医学领 域中占有重要地位 随着中药材的药用价值不断被 证实 国内外对中药材产品的需求日益增加 促使中药 材产业迅速发展 根据市场统计 年甘肃省中药 材种植面积超过 年产量超过 成为我国中药材的主要种植区 随着中药材种植面积 不断增大 对中草药收获机械的性能要求也进一步 提高 由于大部分中药材的根系发达 分布于土壤深层 为了保证药材根茎的完整性 挖掘装置的挖掘深度须 大于药材最大根深 同时在挖掘过程中会产生大量的 茎土混合物以及杂草根茎 故要求挖掘铲不仅具有较 大的挖掘深度和良好的入土性能 同时还需具有一定 破碎分离功能 避免大量土垡造成拥堵现象 中草药的产地主要在中国 国外关于药材收获机 械相对较少 挖掘装置采用振动方式的收获机械主要 针对胡萝卜 马铃薯 花生等浅根茎类作物 主要研究 有日本 等研发设计的振动式马铃薯收获机 韩 国高山机械公司研制生产的小型单行和双行马铃薯 地瓜收获机 该类收获机械采用振动式铧犁进行深松 挖掘 结果表明该类机械进行挖掘作业时 挖掘阻力明 显降低 在功率损耗和刀具磨损方面具有一定的改善 作用 但由于马铃薯与中药材的种植模式和生长特性 不同 该类机械无法适用于中药材的收获 国内关 于振动式中药材收获机的研究主要有黑龙江省水利科 学研究院研发设计的 型根茎类中药材振动 挖掘机 甘肃农业大学与甘肃省农业机械鉴定站联合 制造 型药材收获机 该类机械采用曲柄摇 杆机构驱动挖掘铲进行挖掘收获 深度适应性好 入 土阻力小但破碎分离能力差 在挖掘过程中会出现大 量的土垡 易造成拥堵现象 不满足中药材的收 获要求 因此 针对根茎类中药材在收获过程中出现的问 第 卷 第 期 年 月 中国农机化学报 第 期 许渊 等 根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验 题以及充分考虑根茎类中药材的生长环境和生理特 性 本研究拟设计一种振动式挖掘装置 在保证药材 根茎完整的基础上 以期减少挖掘阻力 降低能耗 提高碎 土 效 果 为中药材的机械化收获提供参考 技术 整体结构与工作原理 整体结构 挖掘装置结构如图 所示 主要由挖掘铲 牵引 架 减速器 偏心轮 机架 挖掘铲支撑架和摆杆等部件 组成 图 挖掘装置结构示意图 摆杆 机架 偏心轮 减速器 皮带轮 牵引架 挖掘铲支撑架 挖掘铲 工作原理 该挖掘装置安装在整机的最前端 通过牵引架与 拖拉机铰接 挖掘铲与挖掘铲支撑架刚性连接 摆杆 分别与挖掘铲支撑架和机架铰接 在减速器输出轴 上安装有皮带轮 并在皮带轮上安装偏心轮 偏心轮 与挖掘铲支撑架铰接 当整机开始运动时 拖拉机 动力输出轴输出的动力经减速器 带动皮带轮转动 皮带轮上的偏心轮随之转动 在偏心轮的带动下 挖 掘铲做平面运动 随着拖拉机的前进 挖掘铲对土壤 进行切割挖掘 挖掘铲的设计 挖掘铲结构设计 挖掘铲从运动形式上可分为固定式挖掘铲和振动 式挖掘铲 从形状上可分为栅条挖掘铲和平面三角挖 掘铲 一般栅条形挖掘铲为振动式 平面三角形为固定 式 振动式栅条挖掘铲具有良好的破碎分离效果 能有 效防止拥堵现象 但入土能力较差 挖掘深度达不到药 材根茎的最大长度 在工作时 容易出现挖断现象 固 定式三角挖掘铲入土能力较好 挖掘深度大于药材最 大根长 但破碎分离能力较差 铲面易堆积茎土混合 物 容易造成拥堵现象 耗费功率 本研究根据 根茎类中药材的生长特性和收获要求 结合不同形式 挖掘铲的特点 设计一种振动式平面锯齿形挖掘铲 如 图 所示 图 锯齿形挖掘铲结构示意图 铲刃 铲体 形导杆 该挖掘铲由铲刃 铲体和尾部 形导杆组成 其 铲刃呈锯齿形 由多个小型三角铲排列固定在铲体上 组成 在铲体后端等间距分布 形导杆 工作时 整 个挖掘装置由四杆机构带动 呈振动式运动 可减少挖 掘阻力 在压力下能更深的切入土壤 且增大了与土壤 的接触面积 进一步提高碎土能力 掘出的大量茎土混 合物通过铲面的振动 在 形导杆的作用下 土壤掉 落地 面 药材根茎被输送到分离装置中 实 现 初 次 分离 挖掘铲主要参数的确定 铲刃张角 铲刃张角为挖掘铲铲刃的夹角 在 收获药材时 为了避免杂草根茎的缠绕造成拥堵 在收 获过程中采用滑切的方式进行切割收获 挖掘铲在切 削过程中铲上任意一点 的受力示意图如图 所示 其中 为铲刃所受挖掘阻力阻力 为铲刃与茎土 混合物的摩擦力 为茎土混合物对铲刃压力 为 挖掘铲上任意一点 图 挖掘铲铲刃受力分析 采用滑切方式切割挖掘时 必须满足 由图 可得 式中 茎 土 混 合 物 与 铲 面 的 摩 擦 角 取 值 为 化简可得 试验表明 若铲刃夹角的过大则不能切断杂草根 茎 使挖掘铲堵塞 若铲刃夹角过小 要使达到同样的 中国农机化学报 年 挖掘宽度 则必须增加铲的宽度 增大挖掘铲的挖掘阻 力 根据式 可得 入土角 挖掘铲入土角的大小决定挖掘铲的 入土性能和挖掘深度 为了达到更好的挖掘效果 减 少对药材的损伤 挖掘铲在工作时入土角度应保证能 将药材根茎完整掘出 使掘出物在铲面上匀速运动 并 能顺利输送到挖掘铲后端而不掉落 现对茎土混合物 进行受力分析 如图 所示 其中 为收获机前进 的速度 为掘起茎土混合物所需要的力 为挖掘 铲对茎土混合物的摩擦力 为挖掘铲对茎土混合物 的作用力 为茎土混合物的重力 为挖掘铲铲刃 及铲体长度 为 形导杆长度 为茎土混合物 到达铲体尾部距离地面的高度 为茎土混合物到 达 形导杆尾部距离地面的高度 为挖掘铲入土角 度 为 型导杆与铲面夹角 为土壤对钢的摩擦 系数 图 茎土混合物受力分析图 入土角 的理论值 可由沿挖掘铲运动的掘起物 作用力的平衡方程确定 烅 烄 烆 方程变换后得 烅 烄 烆 试验表明 入土角 越小 挖掘深度减小 挖掘阻 力减小 入土性能增强 但碎土性能差 容易出现壅土 现象 入土角 越大 挖掘深度增大 挖掘阻力增大 入 土性能降低 但碎土性能较强 通常 取 工作深度 通过人工挖掘后观察根茎类中药 材的根 茎 分 布 可 知 药 材 根 茎 的 分 布 范 围 为 且药材的根须相互缠绕 因此 在收获时挖掘 深度必须的保证大于药材根茎的最大深度 避免挖断 主根 破坏根茎的完整性 影响药用价值 故挖掘铲的 最大入土深度 应 工作长度 挖掘铲的长度可以分为两部分 前端部分为挖掘铲铲刃铲体部分 主要作用为将土壤 中的药材根茎挖掘出来 后端部分为 形导杆 用于 承载和运输茎土混合物 使茎土混合物沿着铲面向后 抛送 后端长度的长度可利用能量守恒定律进行计 算 即掘出的茎土混合物所有的动能 全部用向后 推送克服重力所做的功和克服与 形导杆摩擦力所 做的功 如式 所示 式中 掘出的茎土混合物所有的动能 掘出的茎土混合物的质量 重力加速度 化简后得 选取机器的最低值作为计算的极端条件 故 取 值为 取值为 计算可得 故铲体和 形导杆的长度 为 根据 图 可知茎土混合物到达 形导杆尾部距离地面的 高度与 形导杆的长度关系 计算可知 根据图 可知挖掘铲铲刃长度 计算可得 为 则挖掘铲的总长度 运动机构的设计 杆长的计算 极位夹角 式中 行程速度变化系数 取值为 计算可得 为 做该机构运动状态基圆 的 半径 式中 基圆半径 摇杆长度 摆杆摆角 取 为 则 的取值为 根据基圆半径 绘制出曲柄连杆机构铰链固定中 第 期 许渊 等 根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验 心位置如图 所示 其中 为基圆圆心 为 点在 基圆上的位置夹角 为曲柄 的长度 为连杆 的长度 图 曲柄连杆机构铰链固定中心位置示意图 由于偏心轮安装在减速器输出轴皮带轮上 摆杆 一端固定在下方机架上 两点的位置确定 有 槡 式中 符号系数 取值为 圆心与固定点距离 计算可得可得连杆 的长度 为 曲柄 的长度 偏心轮偏距 为 挖掘铲支撑架 两节点的长度 为 挖掘铲运动分析 挖掘铲在四杆机构的驱动下做平面运动 其中挖 掘铲固定安装在挖掘铲支撑架端点 处 点的运动 轨迹即为挖掘铲的运动的轨迹 已知该四杆机构为曲 柄连杆机构 将四杆机构看作为封闭矢量多边形 建立 坐标系 如图 所示 图 四杆机构封闭矢量多边形 偏心轮转矩 挖掘铲支架 摆杆 机架 在收获机工作时经过时间 则挖掘铲 点 的 位移方程 式中 挖掘铲在 轴方向上的位移 挖掘铲在 轴方向上的位移 挖掘铲距挖掘铲支架端点长度 挖掘铲支架运动转角 将位移运动方程对时间求导 可得挖掘铲 点 的速度方程 式中 挖掘铲在 轴方向上的速度 挖掘铲在 轴方向上的速度 将速度方程对时间 求导 可得挖掘铲 点 的 加速度方程 式中 挖掘铲在 轴方向上的加速度 挖掘铲在 轴方向上的加速度 由分析可知 挖掘铲在工作时的运动呈简谐运动 其水平方向运动类似于余弦函数曲线 垂直方向为正 弦函数曲线 速度与加速度变化类似 说明挖掘铲四 杆机构的设计符合设计要求 挖掘铲运动轨迹满足工 作要求 挖掘装置运动学仿真 模型与参数的建立 利用 软件对振动式挖掘铲进行运动仿 真 将建立的三维实体模型图 导入软件中 并建立 直角坐标系 规定 轴正方向为运动正方向 根据收 获机在工作时减速器输出轴转速 对驱动挖掘铲运 动的偏心轮施加等额转速马达 转速为 方 向为顺时针旋转 仿真时间为 所受到的力仅为自 身重力 方向为竖直向下 分析该挖掘装置在垂直于 水平方向的位移 速度与加速度变化在 轴与 轴随 时间的 变 化 情 况 验证其运动特性是否满足使用 要求 结果分析 通过仿真 得到挖掘铲运动分析图 选取挖掘铲铲 刃上一点 选取该点在静止位置为坐标原点 导出其分 别在 轴方向上的位移 时间 速度 时间 加速度 时间变化曲线如图 图 所示 由图 可知 挖掘铲在 轴的运动最大幅度为 呈往复式运动 轨迹曲线平滑 无运动干涉 现象 由图 图 可知 挖掘铲在 轴的速度和加速 度曲线具有轻微波动变化平稳 说明挖掘铲运动机 构存在急回特性 但急性特性不明显 结合位移 速 中国农机化学报 年 度 加速度曲线特性 分析可知 当挖掘铲开始运动 时 铲 尖 处 于 原 点 位 置 此时挖掘铲初速度为 加速度为 挖掘铲开始向左运动 在运 动过程中 速度不断减小 加速度不断增大 当挖掘 铲达到最左端时 挖掘铲的速度降低为 加速度达 到最大值 挖掘铲开始向右运动 速度不 断增大 加 速 度 开 始 减 小 当挖掘铲回到原点位置 时 此时挖掘铲的正向速度达到最大值 加 速度降低为 挖掘铲继续向右运动 挖掘铲的速度 开始降低 加 速 度 正 向 增 大 当挖掘铲到达最右端 时 挖掘铲速度为 加速度达到最大值 此时挖掘铲开始向左移动 此时挖掘铲速度开始反 方向增大 加速度开始减小 当挖掘铲回到原点位置 时 速度达到反向最大值 加速度减小为 挖掘铲以相同运动特向重复向左运动 图 轴方向时间 位移变化曲线 图 轴方向时间 速度变化曲线 图 轴方向时间 加速度变化曲线 同理 选取挖掘铲铲面一点静止位置为坐标原点 导出其在与 轴方向上的位移 时间 速度 时间 加 速度 时间变化曲线如图 图 所示 由图 可知 挖掘铲在 轴运动的最大幅度为 轨迹曲线平滑 无运动干涉现象 由图 和 图 可知 挖掘铲在 轴运动的速度和加速度曲线平 滑对称 说明挖掘铲运动平稳 无急回特性出现 结合 位移 速度 加速度变化特性 分析可知 当挖掘铲开始 运动时 挖掘铲处于原点位置 此时挖掘铲的初速度为 正向最大值 加速度为最大值 挖掘铲开始向上运动 在运动过程中 速度与加速度均 减小 当挖掘铲运动到最上端时 速度与加速度均降低 为 挖掘铲开始向下运动 此时挖掘铲的速度与加速 度均反向增大 当挖掘铲再次回到原点时 速度与加速 度均达到反向最大值 速度为 加速度为为 最大值 挖掘铲继续向下运动 速度与加速 度开始减小 当挖掘铲运动到最下端时 速度与加速度 降低为 挖掘铲开始向上运动 速度与加速度开始正 向增大 当挖掘铲在此回到原点时 速度与加速度再次 达到正向最大值 速度为 加速度为为最大 值 挖掘铲以相同的运动特性在往复式 运动 图 轴方向时间 位移变化曲线 图 轴方向时间 速度变化曲线 图 轴方向时间 加速度变化曲线 第 期 许渊 等 根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验 根据对挖掘铲水平垂直方向的运动分析可知挖掘 铲在工作时做简谐运动 运动特性符合预期要求 行程 变化满足设计要求 挖掘铲的优化模拟试验 模型参数设置 根据挖掘铲在 轴 轴方向位移曲线特性 采用 非线性有限元仿真模拟挖掘铲在工作时挖掘 土壤的具体过程 首先使用 读取模型并 设置相关参数 挖掘铲材料选取 钢 材料参数 为 密度 弹性模量 泊松比 土壤模型也在 中建立 根据药材种植环境与模式选取相关参数 具体 参数如表 所示 根据收获药材的工作幅宽和挖掘深度 土壤模型 的高度为 宽度为 为了保证挖掘 铲在试验过程中能完成一次完整运动 土壤模型的 长度为 挖掘铲距离土壤模型 表 试验土壤的相关参数 参数 数值 土壤密度 水密度 含水率 体积模量 剪切模量 内摩擦角 土粒相对密度 试验方案及结果 采用 非线性有限元仿真模拟挖掘铲在 工作时挖掘土壤的具体过程 以收获机前进速率 挖 掘铲的入土角 和偏心轮转速 作为试验因素 以挖 掘阻力 作为指标 通过调节不同的因素水平 获取在不同水平下指 标的数值变化 试验因素水平分布如表 所示 试验结 果如表 所示 表 试验因素水平表 编码 试验因素 前进速率 入土角 转速 表 试验方案及结果分析表 试验号 试验因素 挖掘阻力 优方案 结果分析 根据试表 可知 三个因素中因素 前进速率 水平改变时对试验指标的影响最大 主要因素 其次 是因素 入土角 最后是因素 转速 因素 前 进速率 的三个水平所对应的挖掘阻力的平均值 为 为 为 由于该试验以挖掘阻力 为试验指标 其值越小表示挖掘装置入土性能越好 故 最小平均值对应的水平即为因素的最佳水平 即因素 前进速率 的第二水平为最佳水平 同理由表 可 得因素 和因素 的最佳水平分别为第一水平和第 三水平 从以上分析可知 各因素对试验指标的影响按大 小排序为 前进速率 入土角 因素 转速 最佳方案为 即前进速度为 入土角 为 转速为 时挖掘铲的挖掘阻力最小 由试验结果表中可以看出 最佳方案为第 次试验 从 结果可知第 次试验中的挖掘阻力为 为 次 试验中最小值 故最佳方案符合实际 结论 针对根茎类中药材收获机采用固定式挖掘铲收获 时 存在挖掘深度不足 入土阻力大 功率损耗严重 碎 土效果差 铲尖磨损较大等问题 本研究设计了一种振 动式挖掘铲 该装置采用曲柄连杆机构 在偏心轮驱动 下做平面运动 在挖掘过程中大大减少挖掘阻力 主 中国农机化学报 年 要结论如下 对挖掘装置的整体结构 挖掘铲参数和运动机 构进行设计分析 根据挖掘装置的工作原理确定该装 置采用四杆机构驱动 挖掘铲结构采用锯齿形平面铲 铲刃张角 小于 入土角 为 工作深度 为 铲面长度 为 根据四杆机构的运 动特点确定各个杆件的位置和长度 并对挖掘铲进行 运动 分 析 求 得 挖 掘 铲 的 位 移 速 度 和 加 速 度 运 动 方程 对挖掘铲进行运动学仿真 提取挖掘铲铲尖在 水平方向和垂直方向上的位移 时间 速度 时间 加 速度 时间运动曲线 分别对曲线进行分析可知 挖掘 铲在工作时做简谐运动 运动特性符合设计要求 对挖掘装置进行优化模拟试验 采用 非线性有限元仿真模拟挖掘铲在工作时挖掘土壤的具 体过程 以收获机前进速率 挖掘铲的入土角 和 偏心轮转速 作为试验因素 以挖掘阻力 作为指标 进行三因素三水平正交试验 通过分析试验结果 当挖 掘装置的参数为前进速度为 入土角为 转速为 时 挖掘阻力最小 即该组合为挖掘 装置的最佳参数组合 参 考 文 献 周欣 中医药国际化的发展及趋势研究 广州 广州中 医药大学 陈宇 中草药种植产业现状及发展 黑龙江科技信息 张瑞麟 范敏 周桂玲 新疆中草药的产业优势与发展策 略 新疆农业科学 张训 中草药种植产业综述 农业技术与装备 张顺 熊玮 朱德泉 等 根茎类中草药收获机械设计 中国农机化学报 张文杰 型药材收获机设计与研究 兰州 甘肃农业大学 巩自卫 长根茎类中药材收获机挖掘铲的设计 南方农 机 崔中凯 张华 周进 等 牵引式甘薯收获机设 计与试验 中国农机化学报 范开欣 甘草收获机设计及关键机构仿真分析 兰州 甘肃农业大学 刘宝 张东兴 李晶 型单行马铃薯收获机 设计 农业机械学报 杨红光 胡志超 王冰 等 马铃薯收获机械化技术研究 进展 中国农机化学报 王虎存 张育豪 孙伟 等 振铲式马铃薯挖掘机设计与 试验 中国农机化学报 吕金庆 田忠恩 杨颖 等 型双行马铃薯挖掘机 的设计与试验 农业工程学报 罗彤娥 吴建民 孙伟 等 种马铃薯挖掘铲的对比分 析 甘肃农业大学学报 张丹 张兆国 曹永辉 等 三七收获机组合式挖掘铲设 计与试验 江苏大 学 学 报 自 然 科 学 版 第 期 许渊 等 根茎类中药材收获机挖掘装置设计与仿真试验 魏宏安 王蒂 连文香 等 型马铃薯联合 收获机的研制 农业工程学报 刘潇 何彬涛 段爱国 等 振动式马铃薯挖掘装置关键 部件设计 中国农机化学报 杨小平 石林榕 孙伟 等 黄芪振动挖掘机工作参数的优 化与试验 中国农业大学学报 刘友成 曲柄摇杆机构计算机仿真设计 科技信息 科 学教研 陈英凯 李青江 周进 等 基于 的凸轮设计建 模及性能分析 农业装备与车辆工程 石林榕 孙伟 赵武云 等 振动挖掘铲减阻数值模拟及参 数优化 中国农业大学学报