木薯收获机多阶挖掘铲设计及其力学特性分析

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1、2015年10月农机化研究第10期木薯收获机多阶挖掘铲设计及其力学特性分析王涛，廖宇兰，杨怡，郑美云，袁成宇(海南大学机电工程学院，海口570228)摘要:基于土壤的碎裂理论，参考薯类等块根类收获挖掘铲设计出了多阶挖掘铲。此挖掘铲轮廓呈弓形，有利于铲在土壤中运动;铲板增添纵向铲刃以增强铲板对土壤的剪切。将其与普通平面铲牵引阻力做对比分析，得出入土倾角取30°较合理，牵引阻力降低6．93%;分析铲板宽度与牵引阻力关系，得出铲板宽度取10～15cm较适宜。通过有限元分析其静力学性能，旨在为进一步的木薯收获机械挖掘铲设计提供

2、参考。关键词:木薯收获机;挖掘铲;力学分析;有限元分析+中图分类号:S225．71文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)10－0050－05DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.10.010时可简化为楔对土壤的作用，平面楔在推进土壤后作0引言用于铲面的推力对土壤产生预压和积压等作用。整木薯是全球七大产量过亿的作物之一，具有很高个挖掘过程可以分为土壤压紧与土壤剪切阶段，如图［7－8］的营养价值，是重要的粮食、工业原材料和能源性物1所示。质，广泛应用于食品加工、饲料产业和能源化工行业，

3、［1－4］对民用、工业与国防技术等诸多领域影响巨大。近年来，随着国家政策的支持与规划，可再生能源生物燃料乙醇展现出巨大潜力，木薯需求量急剧增加。木薯已然成为了迫切需要发展的热带作物和绿色能源发展战略新焦点。木薯收获占据了木薯产业的［5］61%的工作量，因此机械化木薯收获将推动整个木薯产业。图1土壤碎裂模型［6］挖掘铲作为木薯收获机的关键部件，其结构形由土壤破碎理论可知:铲的入土倾角、铲板宽度、式与几何参数将直接影响着收获效果、机械性能、机工作深度等挖掘铲性能参数将直接影响土壤的破碎械牵引功耗和挖掘铲阻力。因此，木薯收获

4、机挖掘铲与铲的工作性能。为了使挖掘铲具有更好的碎土性，应具有较好的入土性和碎土功能，减少壅土，具有可则需增大入土角α值;但随着α的增大，挖掘牵引阻靠的力学性能和优良的机构设计。本设计参考薯类力也随之增大。为此，结合传统的挖掘铲机构和力学挖掘铲及耕作机械与土壤的关系，设计出阶梯式挖掘分析，提出多阶式的挖掘铲。本设计中，在铲板上增铲，对其建立动力学模型并进行分析，采用ANSYS有加纵向碎土刃，增强剪切效应，让土壤更易破裂，有利限元研究其静强度特性。于木薯的脱土拔起。1挖掘铲结构与工作参数设计1．1．1入土阶段的确定挖掘铲结

5、构按功能分为入土及碎土输送部分。1．1挖掘铲的结构设计随着入土角的增大，牵引阻力逐步增加，因此挖掘铲本设计主要基于土壤破碎理论。挖掘铲在掘土的入土阶段深度需合理取值。碎土输送的铲板随入土深度的变化，其倾角也逐渐减小，不仅能减少阻力，收稿日期:2014－11－06基金项目:国家自然科学基金项目(51365011)也能增大土壤的变形，有利于土壤破碎。根据图1的作者简介:王涛(1989－)，男，四川通江人，硕士研究生，(E－mail)几何关系得出wt20110320@163．com。L通讯作者:廖宇兰(1967－)，女，广东

6、兴宁人，教授，硕士生导师，h=sinα(cosα－sinαtanψ)2(E－mail)liaoyulan@sina．com。·50·2015年10月农机化研究第10期其中，L为土壤压紧距离;α为挖掘铲入土倾角;ψ与脱土关系，简化为为铲面与土壤的外摩擦角;H为挖掘铲的垂直高度;hα＞45°－φ/2为挖掘入土深度。设计中，要求h＜H才能有效地减其中，φ为土壤的内摩擦角。结合实际和结构要少阻力。求，设计中挖掘铲的最小倾角α2min=17°。1．1．2铲刃张角的确定挖掘铲工作时，铲面张角的控制将直接影响铲刃的自洁作用和挖掘阻力

7、。铲刃对土壤、茎叶和杂草的有效滑切作用可以使挖掘铲更好地工作，减少挖掘阻力。挖掘铲结构参数与铲刃受力分析如图2所示。图3压力莫尔圆脱土分析1．2挖掘铲性能参数设计1．2．1虚拟入土倾角的确定由于多阶挖掘铲的力学特性及受力分析较为复杂，因此引入虚拟平面铲。如图2的AB即为虚拟挖掘［12］铲面，简化了铲面的受力分析。虚拟铲板倾角α与虚拟长度L的关系为L=22槡［h1/tanα0+h2/tanα1+(h－h1－h2)/tanα2］+h其中，h1、h2、h3为挖掘铲的垂直高度;α0为入土角;α1为二阶倾角;α2为最小倾角;L为

8、挖掘铲的虚拟长度。虚拟挖掘铲铲面的受力如图4所示。图2挖掘铲的结构参数对铲刃进行受力分析可知:当F＜P1时，铲刃时不产生壅土和杂草缠刃现象。其中，F为铲刃与土壤和杂草的阻力;P0为铲刃前进作用力。则°γ＜90－φ其中，φ为摩擦角，土壤与钢的摩擦角为30°～36°，而杂草与钢的摩擦角为40°～42°，因此γmin＜48°。本设计中，