李 建，王春光，謝勝仕，鄧偉剛

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

隨著我國馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略的提出，馬鈴薯的種植面積快速擴大，但與快速膨脹的種植規(guī)模不相稱的是我國馬鈴薯收獲的機械化程度。近年來，越來越多的科研單位對馬鈴薯挖掘機展開研究，但現(xiàn)有的馬鈴薯挖掘機仍存在著薯土分離效果不佳和馬鈴薯破損率高的缺陷。目前，市場上使用較廣的中小型馬鈴薯挖掘機主要有升運鏈?zhǔn)胶蜕\鏈—分離篩式兩種機型。本文針對升運鏈—分離篩式收獲機的參數(shù)進行研究，明確制約篩分效果的主要因素，并進行改進。

國內(nèi)外馬鈴薯薯土分離技術(shù)的研究都是基于本國的國情展開的。以美、俄(前蘇聯(lián))為代表的國家使用的多為大型聯(lián)合收獲機，以英、德為代表的國家對分離技術(shù)的研究朝向高精尖的方向發(fā)展，對篩分技術(shù)的研究也融合到收獲機的整體中，已從最早的物理分離技術(shù)的研究過渡到了現(xiàn)在的光學(xué)分離技術(shù)的研究。國內(nèi)各大科研院校對馬鈴薯收獲機篩分技術(shù)的研究則是集中在中小型收獲機。

筆者以內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機械廠研制的4SW-170型馬鈴薯挖掘機作為研究對象，針對馬鈴薯挖掘機薯土分離效果不佳和馬鈴薯破損率高的問題，通過采用理論分析與虛擬技術(shù)融合的方式對分離篩運動規(guī)律進行研究，旨在為馬鈴薯收獲機分離篩的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 分離篩的功能分析

擺動分離篩作為馬鈴薯挖掘機實現(xiàn)篩分功能的核心部件，分離篩的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。設(shè)篩面傾角為ε，擺動方向角為α，擺桿傾角為β。機構(gòu)的運動方式為偏心輪裝置簡化成的曲柄機構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)提供動力，曲柄每轉(zhuǎn)1周分離篩前擺桿的擺動18°，由曲柄、前擺桿以及連桿構(gòu)成的曲柄搖桿機構(gòu)帶動整套機構(gòu)進行運動，由前擺桿和后擺桿以及篩架構(gòu)成另一組曲柄搖桿機構(gòu)帶動篩條組合成的篩面沿振動方向的往復(fù)擺動；篩條的擺動可以分解為沿垂直方向的振動和沿水平方向的平動，實現(xiàn)篩分功能。

1.曲柄 2.連桿 3.前擺桿 4.一級分離篩 5.后擺桿 6.二級分離篩圖1 馬鈴薯收獲機分離篩結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 A schematic diagram of the separation and sieve structure of a potato harvester

為了研究馬鈴薯分離篩功能，使用UG NX8.0對分離篩的核心部件進行建模，如圖2所示。建模后在運動仿真模塊中選擇ADAMS求解器進行求解。UG ADAMS求解器由UG的開發(fā)公司EDS公司和ADAMS開發(fā)公司MSC聯(lián)合研制，目的是進行產(chǎn)品的強強聯(lián)合，解決軟件互導(dǎo)帶來的問題。由馬鈴薯在分離篩上的運動規(guī)律可知，每級分離篩的末端為分離篩加速度的極值點，因此在馬鈴薯收獲機兩級分離篩篩條末端取標(biāo)記點A1、A2作為加速度的測試點，獲取分離篩末端垂直方向加速度與水平方向加速度變化，如圖3所示。

圖2 馬鈴薯收獲機分離篩三維模型圖

Fig.2 Three dimensional model diagram of potato harvester separation screen

圖3 分離篩測試點加速度圖Fig.3 Test point acceleration map of separation screen

2 分離篩擺桿及篩條運動規(guī)律分析

馬鈴薯挖掘機分離篩兼具篩分與輸送功能，通過試驗的探究得知：馬鈴薯損傷主要由馬鈴薯與分離篩的接觸碰撞及篩分時馬鈴薯之間相互的碰撞造成的，且馬鈴薯與分離篩的碰撞是損傷的主要原因。經(jīng)試驗研究發(fā)現(xiàn)：馬鈴薯在分離篩上的碰撞隨著時間的增加而逐步增強，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是第二級分離篩振動增強和馬鈴薯在無土篩面上的接觸時間過長。因此，如果能降低第二級分離篩的振動，將分離功能向第一級分離篩集中，并且減少馬鈴薯在分離篩上的接觸時間，將會獲得理想的薯土分離效果。根據(jù)分離篩的結(jié)構(gòu)可知，直接影響馬鈴薯挖掘機第二級分離篩振動和接觸時間的因素有擺桿的長度和篩條的長度，本文將針對這兩個因素進行研究。

2.1 分離篩擺桿長度對第二級分離篩加速度影響

2.1.1 理論分析

由于為馬鈴薯挖掘機分離篩提供直接動力的部件是懸掛在兩級分離篩上的4根擺桿，為了研究改變擺桿長度對第二級分離篩的篩分加速度的影響，本文將采用速度瞬心的方法進行理論推導(dǎo)。

由于分離篩的后擺桿直接作用于二級分離篩，因此通過改變后擺桿的相關(guān)參數(shù)來改變二級分離篩垂直方向加速度是本節(jié)研究的目標(biāo)。為了探究其具體規(guī)律，設(shè)計了加長擺桿與縮短擺桿兩種方案。

方案一：縮短桿長，將后擺桿縮短為前擺桿長度的1/2進行分析，如圖4所示。

圖4 分離篩前擺桿加長Fig.4 The lengthening of the front swing bar of the separation screen

設(shè)前擺桿受到的驅(qū)動角速度為ω1，前擺桿AB長度為L,為便于研究將后擺桿CD長度設(shè)為L/2，速度順心為O點。根據(jù)以上條件得

ω1·OA=ω3·OC

ω3=ω1·(OA/OC)=2ω1

前擺桿AB和后擺桿CD的向心加速度分別為

anCD/anAB=2

前擺桿AB和后擺桿CD的切向加速度分別為

aτCD/aτAB=1

由上述推論可知：縮短二級分離篩擺桿長度，兩級分離篩水平方向加速度相同，第二級分離篩垂直方向加速度是第一級的兩倍。

方案二：加長擺桿的長度，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 分離篩后擺桿加長Fig.5 The lengthening of the rear swing bar of the separation screen

設(shè)前擺桿受到的驅(qū)動角速度為ω1，前后桿AB長度為L,則后擺桿CD長度為2L，速度順心為O點。根據(jù)結(jié)構(gòu)可得

ω1·OA=ω3·OC

前擺桿AB和后擺桿CD的向心加速度分別為

前擺桿AB和后擺桿CD的切向加速度分別為

aτCD/aτAB=1

根據(jù)以上推論得：二級分離篩垂直方向加速度是第一級向心分離加速度1/2，通過對兩個方案的比較，方案二符合第二級分離篩垂直方向加速度低于第一級的設(shè)想。

2.1.2 分離規(guī)律

前文通過理論分析對分離篩影響做出分析，提出縮短收獲機分離篩篩條長度將使得馬鈴薯減少在篩條上的碰撞，但縮短篩條的長度將使得分離篩分離加速度增大。為了尋求最佳的分離結(jié)果，本節(jié)將對具體的分離規(guī)律進行探索。從前文可知：通過加長分離篩擺桿的長度將減少分離篩垂直方向的加速度，因此現(xiàn)將擺桿的長度加長至350、400、450mm，兩級分離篩篩條末端取標(biāo)記點A1、A2作為加速度的測試點，其仿真效果如圖6所示。

為獲取擺桿長度與垂直方向加速度的具體函數(shù)關(guān)系，對圖6所示兩點A001與A002的垂直方向加速度的極值點進行標(biāo)記，獲取極值點的數(shù)據(jù)如表1所示。

(a) 350mm

(b) 400mm

(c) 450mm圖6 擺桿長度對垂直方向加速度影響Fig.6 Influence of pendulum length on vertical acceleration表1 擺桿長度改變后垂直方向加速度Table 1 Vertical direction acceleration after changing the length of the pendulum

XL/mmYA/m·s-2X0350Y02.606X1400Y12.051X2450Y21.618

利用拉格朗日插值多項式將獲得插值參數(shù)帶入得擺桿—加速度函數(shù)，可獲得分離函數(shù)為

按照相同的方法可以求得擺桿長與水平方向加速度的關(guān)系為

2.2 分離篩篩條長度對第二級分離篩加速度影響

2.2.1 理論分析

為了解決馬鈴薯在分離篩無土覆蓋區(qū)接觸時間過長的問題，將二級分離篩的篩條長度縮短(見圖7),并通過理論分析對縮短后的分離性能做出分析。

由圖7可知：分離篩篩條上的各點在垂直方向的運動可以視為各點繞與擺桿AB平行處擺動，當(dāng)篩條的長度由D處縮短至C處時，其旋轉(zhuǎn)半徑縮短。由轉(zhuǎn)動剛體加速度公式an=v2/R可知同一篩條上各點速度相同，當(dāng)半徑減小時，篩條垂直方向加速度增大。

圖7 第二級分離篩機構(gòu)簡圖Fig.7 Simple diagram of second stage separation sieve mechanism

2.2.2 分離規(guī)律

為了探究篩條長度對垂直方向加速度的影響，將擺桿長作為定量，改變篩條的長度分析其對分離加速度的影響，并仍采用插值的方式來求取函數(shù),但與擺桿同時影響前后兩級篩子不同的是改變篩條的長度將只對二級分離篩產(chǎn)生影響。將篩條的長度分別縮短至距二級分離篩起始處100、200、300mm，兩級分離篩篩條末端取標(biāo)記點A1、A2作為加速度的測試點，其仿真效果如圖8所示。

(a) 100mm

(b) 200m

(c) 300mm圖8 篩條長度改變后垂直方向加速度Fig.8 Vertical direction acceleration after the length of the screen is changed

為獲取篩條長度與垂直方向加速度的具體函數(shù)關(guān)系，對圖6所示兩點A001與A002的垂直方向加速度的極值點進行標(biāo)記，獲取極值點的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 篩條長度改變后垂直方向加速度Table 2 Vertical direction acceleration after the length of the screen is changed

經(jīng)過計算得到如下函數(shù)式子,即

a2y=4.195x2+1.6175，x∈(x0,x2)

按照相同的方法可以求得篩條的長度與水平方向加速度的關(guān)系，根據(jù)模擬的效果可知改變篩條的長度不會對水平方向加速度產(chǎn)生影響，可得

a2z=14.51m/s2,x∈(x0,x2)

3 確定目標(biāo)函數(shù)與邊界條件

3.1 目標(biāo)函數(shù)的確定

根據(jù)前文的論述獲得了分離篩擺桿與一級分離篩垂直與水平方向的規(guī)律及分離篩篩條與二級分離篩垂直于水平方向加速度的規(guī)律，根據(jù)規(guī)律可得兩個目標(biāo)不具可度性。為獲取統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)，對兩個子目標(biāo)函數(shù)分別賦權(quán)，獲取目標(biāo)的函數(shù)模型為

aymax=ψa1y+ξa2y

對于多目標(biāo)函數(shù)加權(quán)因子的確定主要考慮兩個目標(biāo)函數(shù)的重要性和兩個函數(shù)數(shù)量級的差別，由于本函數(shù)的兩個分函數(shù)的本征權(quán)相同，可取對等數(shù)。因此，加權(quán)因子的確定，主要由校正權(quán)來確定，即需要確定數(shù)量級差異。由表1、表2可知：擺桿每改變一個數(shù)量級垂直方向的加速度將改變8個數(shù)量級，而篩子篩條長度每改變一個數(shù)量級垂直方向加速度將改變3.4個數(shù)量級，按此配比可得到賦權(quán)數(shù)ψ為7.02，賦權(quán)數(shù)ζ為2.98，因此目標(biāo)函數(shù)為

aymax=7.02a1y+2.98a2y

篩條縮短長度和擺桿長度的交互作用對馬鈴薯收獲機分離篩垂直方向加速度的影響如圖9所示。由圖9可知：擺桿的長度越長，篩條縮短的長度越短擺動分離篩垂直方向加速度越小。當(dāng)擺桿長度為400～450mm、篩條長度縮短100～150mm時，加速度符合預(yù)期效果。

圖9 擺桿與篩條的長度對垂直方向加速度影響Fig.9 Effect of length of swing bar and screen strip on acceleration in vertical direction

3.2 尋找邊界要素

進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化除了確立目標(biāo)函數(shù)，還需要尋找邊界約束條件，依據(jù)以上研究結(jié)果及相關(guān)因素，現(xiàn)提出如下的約束邊界條件：

1)第一級分離篩垂直方向的分離能力大于第二級分離篩垂直方向的分離能力即a1y>a2y,帶入函數(shù)式子可得約束條件為

2)第一級分離篩水平方向的輸送能力不超過第二級分離篩水平方向的輸送能力，即a1z≤a2z,帶入函數(shù)式子可得約束條件為

3)第一級分離篩篩條長度與第二級分離篩篩條長度疊加應(yīng)在無土范圍之內(nèi)，即

100mm

4)為確保改進后收獲機不發(fā)生干涉，分離篩擺桿不能超過懸掛的極限位置，即

x1≤428mm

5)曲柄轉(zhuǎn)速在合理的范圍之內(nèi)，即

180r/min

按照約束條件得重要性，約束邊界的優(yōu)先級為:1)>2)>3)=4)>5)。

綜上所述，在不改變其他因素的情況下確定最終的優(yōu)化模型為

3.3 目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化

由于本優(yōu)化中的兩個子目標(biāo)函數(shù)性質(zhì)相同所以不能采用乘除法，且目標(biāo)函數(shù)的子函數(shù)之間也無法按照預(yù)先確定的方式進行讓步，構(gòu)建統(tǒng)一目標(biāo)也不能采用統(tǒng)一目標(biāo)函數(shù)法。因此，本文將采用協(xié)調(diào)曲線(TQSP)法進行優(yōu)化。

前文在確定加權(quán)因子時已對目標(biāo)函數(shù)之間的讓步做出了分析，確定了最終的目標(biāo)曲線及滿意曲線，按照此匹配關(guān)系轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)，此時再按照單純型法并借助MatLab進行編程,計算得到最優(yōu)結(jié)果。根據(jù)在MatLab中優(yōu)化可得參數(shù)的最優(yōu)結(jié)果如表3所示。

表3 分離篩結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果Table 3 Optimization results of separation sieve structure

通過對擺桿和篩條長度的修改，使得第一級分離篩在垂直方向上的加速度提高且超過第二級分離篩垂直方向的加速度，改變了以往馬鈴薯在分離篩上振動遞增的篩分方式，修改分離篩篩條的長度后使得馬鈴薯減少了在無土篩面上的碰撞。通過前期的試驗可知：馬鈴薯挖掘機在曲柄轉(zhuǎn)速230r/min、前進速度為2.03km/h時，明薯率可達98.94%，破皮率為0.21%。經(jīng)過優(yōu)化后；擺桿的長度增加到420mm,將進一步降低馬鈴薯的破損，提高生產(chǎn)率。

4 結(jié)論

采用虛擬仿真技術(shù)，獲取馬鈴薯挖掘機分離篩在不同方向上的運動規(guī)律，并按照理論分析提出的思路，對分離篩的結(jié)構(gòu)做出改進。改進后的分離篩將分離功能向第一級分離篩集中，將輸送功能向第二級分離篩集中，并減少馬鈴薯在二級分離篩上的接觸時間，實現(xiàn)兩級篩子功能分離。運用優(yōu)化設(shè)計的方法，輔助使用MatLab軟件獲取最終的優(yōu)化方案，得出實現(xiàn)功能所需的擺桿長度為420mm,篩條的長度是595mm。通過本文的優(yōu)化，使分離篩增大了薯土分離能力，減少了馬鈴薯的損傷。