鹽堿地蒙古黃芪起收裝置仿真設計研究

永生 金宏亮 于瀟澤

摘要：鹽堿地蒙古黃芪收獲主要采用人工起收方式，勞動強度大、作業效率低、損失率高。設計一種適于鹽堿地的蒙古黃芪收獲機，可一次性完成挖掘、根土破碎、分離、輸送和集中堆放等作業過程，能有效提高鹽堿地蒙古黃芪的收獲作業質量。借助仿真模擬方法對機架與挖掘裝置進行強度校核與模態分析，結果表明：機架所受最大應力為41.62 MPa，挖掘裝置所受最大應力為66.73 MPa，均小于材料屈服極限220 MPa；機架模態固有振動頻率最小值為38.99 Hz，最大值為99.30 Hz，挖掘裝置模態固有振動頻率最小值為39.97 Hz，最大值為236.11 Hz，均大于機組工作時所受的激勵頻率，滿足設計要求。

關鍵詞：蒙古黃芪；鹽堿地；仿真分析；強度分析；模態分析

中圖分類號： S225;S567? ? ?文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2023）06-0047-03

我國是受土壤鹽漬化危害最為嚴重的國家之一，西北、華北、東北及沿海地區各省區均有鹽堿地分布，其中內蒙古自治區不同程度的鹽堿化耕地和草原總面積已經超過了333.33萬hm2。隨著全球氣候變暖、環境污染加劇、城市化進程加速及灌溉農業發展，部分地區耕地鹽堿化趨勢加重，已成為限制種植業發展的主要因素[1]。目前，現有國土面積中可用耕地面積為1.28億hm2，而鹽堿地總面積達1億多hm2，其中80%的鹽堿地通過有效治理可發展為耕地。因此，切實加強耕地保護，全力提升耕地質量，充分挖掘鹽堿地的綜合利用潛力，有助于穩步拓展農業生產空間，提高農業綜合生產能力。因地制宜利用鹽堿地、將“以種適地”同“以地適種”相結合、加快選育耐鹽堿特色品種、大力推廣鹽堿地治理改良的有效做法、加強鹽漬土生物治理與綜合開發、提高植物耐鹽性，是種植業的重大課題[2]。

部分中藥植物具有較好的耐鹽堿特性，同時適度的鹽堿脅迫、干旱脅迫有助于提高中藥材藥效成分含量，蒙古黃芪就是典型代表之一。蒙古黃芪根可入藥，具有補氣升陽、固表止汗、利水消腫、生津養血、行滯通痹、托毒排膿、斂瘡生肌的療效。2020年初，預防新型冠狀病毒肺炎所使用的諸多中藥中，大多含有蒙古黃芪[3]。蒙古黃芪一般采用先育苗后移栽的種植方法，種苗在種植培育1 a后收獲，第2 a春再移栽至經過粉壟耕作的鹽堿地中。蒙古黃芪移栽后生長周期為2 a，收獲時要深挖土壤，同時避免挖斷主根或碰傷外皮，以免影響藥材品質。目前為保證黃芪品質，通常采用人工起收，即農民先將地上莖稈部分割掉，借助挖掘鏟將根莖刨出，去凈泥土后再將根莖打捆。由于鹽堿地土壤板結嚴重，人工起收黃芪的工作具有勞動強度大、效率低、成本高、收獲損失率高、經濟效益差等劣勢，這也成為制約鹽堿地蒙古黃芪種植產業發展的瓶頸[4]。為此，設計一種適用于鹽堿地的蒙古黃芪收獲機，能夠一次性完成挖掘、根土破碎、分離、輸送和集中堆放等作業過程，從而為有效提高鹽堿地蒙古黃芪的收獲機械化率提供技術支持。

1 整機結構

1.1 工作原理

蒙古黃芪收獲機的結構組成如圖1所示。

收獲機主要由機架、傳動裝置、變速器、振動分離裝置、曲柄連桿機構、挖掘裝置、側壁板、機架、懸掛裝置等組成，可以一次性完成挖掘、起苗、根土分離、輸送、集中堆放等作業。振動分離裝置由動力軸、偏心輪、連桿等零件組成。挖掘工作時，動力軸與變速器連接帶動偏心輪一起轉動，偏心輪通過連桿與分離裝置支架后端鉸接，并借助曲柄連桿機構的運動特點來帶動分離裝置形成往復振動。機具動力由拖拉機提供，其采用三點懸掛的方式與拖拉機連接。種苗起收作業時，由拖拉機的液壓懸掛裝置控制入土，機組沿作業方向前進挖掘鏟，土壤和黃芪的復合體在挖掘鏟和機組作用下沿著挖掘鏟向后相對移動，在經過振動分離裝置的抖動、疏松、破碎后落入地面[5]。

1.2 蒙古黃芪收獲機的參數確定

根據當地蒙古黃芪的種植農藝要求，移栽株距為20 cm×40 cm，同時設計機具作業可以一次性完成2～3行藥材收獲。與一般耕地作業環境相比，鹽堿地內土壤硬度高、粘性大，因此為了盡可能降低機具對種苗的損傷，同時保證機組具有較高的作業效率，收獲機運行速度的合適范圍應設置為2 km/h≤V1≤2.5 km/h[6]。具體參數見表1。

2 機架仿真分析

2.1 靜力學分析

工作狀態下，懸掛架固定幾何體為模型約束條件。將機架和各零部件重力以及挖掘裝置和振動分離裝置所受的工作阻力分別加載到機架的對應位置上。仿真結果如圖2所示。

由圖2可知。工作狀態下，機架所受最大應力為41.62 MPa，小于材料屈服極限220 MPa，危險截面安全系數2.9，滿足機架的強度要求。

2.2 模態分析

利用模態分析方法，研究機架在該狀態下的固有頻率和相應模態下的振動形式。分析得出機架前4階模態固有振動頻率分別為38.99、43.34、74.46、99.30 Hz。對應模態振型如圖3所示。

由圖3可知，前4階模態的振動分別為水平振動、上下振動、前后振動和扭轉振動。此狀態下，機架固有頻率最小為38.99 Hz，4階以上模態固有振動頻率均大于32.56 Hz，高于機具工作時所受的激勵頻率，不會發生大位移形變，因此機架滿足設計要求。

3 挖掘裝置仿真分析

3.1 靜力學分析

工作狀態下，假設機組勻速運動，并認為此時的挖掘裝置受力平衡。挖掘裝置幾何體為模型約束條件。將挖掘裝置所受的工作阻力分別加載到挖掘裝置的對應位置上，如圖4所示。

由圖4可知，挖掘裝置所受最大應力為66.73 MPa，且位于挖掘裝置中間附近，小于材料屈服極限220 MPa，最大合位移為3.49 mm，危險截面安全系數2.9，滿足挖掘裝置的強度要求。根據應力集中位置的特點，可以將中間位置處的挖掘鏟進行強化處理，同時設計時可以適當增加中間位置挖掘鏟的長度，從而使挖掘裝置更有利于入土。

3.2 模態分析

根據挖掘裝置的受力情況，對挖掘部件進行模態分析，并研究在該狀態下的固有頻率和相應模態下的振動形式。分析算例的模型、材料、夾具，載荷等參數設置同靜力學分析一致。分析得出挖掘裝置前4階模態固有振動頻率分別為39.97、115.9、122.26、236.11 Hz。對應模態振型如圖5所示。

由圖5可知，前4階模態的振動分別為挖掘裝置寬度方向的水平振動、豎直方向的上下振動、以挖掘裝置中間位置為中心的扭轉振動和行進方向的前后振動。此狀態下的挖掘裝置固有頻率最小為39.97 Hz，4階以上模態固有振動頻率均大于32.56Hz，高于機組工作時所受的激勵頻率，不會發生大位移形變，且靜力學分析下的挖掘裝置有充足的安全系數，滿足挖掘裝置在田間作業狀態下的設計要求。

4 結論

通過分析計算與仿真相結合的方法，設計一種蒙古黃芪種苗收獲機。該機能夠一次性完成蒙古黃芪種苗的挖掘、根土分離輸送和集中堆放等作業，提高了收獲效率。通過理論計算和軟件分析的方法來對機架和挖掘裝置進行強度校核，并利用SolidWorks軟件來分析機架在作業狀態下的振動特性。結果表明，機架所受最大應力為41.62 MPa，挖掘裝置所受最大應力為66.73 MPa，均小于材料屈服極限220 MPa；機架模態固有振動頻率最小值為38.99 Hz，最大值為99.30 Hz，挖掘裝置模態固有振動頻率最小值為39.97 Hz，最大值為236.11 Hz，均大于機組工作時所受的激勵頻率，滿足設計要求。

參考文獻

[1] 李紫巖，朱壽東，劉瀾波，等.內蒙古地區道地藥材蒙古黃芪生態適宜性區劃研究[J].中國農業科技導報，2021，23（2）：170-176.

[2] 陳學深，方貴進，黃旭楠，等.根莖類藥材收獲機的設計與試驗[J].農機化研究，2020，42（8）：61-67+73.

[3] 田亮，曹成茂，張遠，等.聯合式前胡收獲機設計與試驗[J].安徽農業大學學報，2022，49（5）：815-822.

[4] MEHTAB ALAM，YUAN-JUN JIANG，MUHAMMD UMAR.Influence of drainage and root biomass on soil mechanical behavior in triaxial tests[J]. Acta Geotechnica，2021（4）： 34-42.

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Research on Simulation Design of Mongolia Astragalus Pick-Up Device in Saline-Alkali Land

YONG Sheng1， JIN Hongliang2， YU Xiaoze1*

（1. Key Laboratory of Intelligent manufacturing technology， Inner Mongolia Minzu University， College of Engineering，Tongliao Inner Mongolia，028000，China; 2. Jiangxi Xintong Machinery Manufacturing Co.， LTD.， Pingxiang Jiangxi 337000， China）

Abstract：? The harvest of Mongolian Astragalus in saline-alkali land mainly adopts the manual harvesting method， which has low labor intensity， low efficiency and high loss rate. A Mongolian Astragalus harvester suitable for saline-alkali soil is designed， which can complete the digging， root soil crushing， separation， transportation and centralized stacking at one time， and can effectively improve the harvesting quality of Mongolian Astragalus in saline-alkali soil. Meanwhile， the strength check and modal analysis of the frame and digging device are carried out by means of simulation. The results show that： The maximum stress of the frame is 41.62 MPa， and the maximum stress of excavating device is 66.73 MPa， both of which are less than the material yield limit of 220 MPa; The minimum modal natural vibration frequency of the frame is 38.99 Hz， the maximum is 99.30 Hz， and the minimum modal natural vibration frequency of the mining device is 39.97 Hz and the maximum is 236.11 Hz， both of which are greater than the excitation frequency of the unit during operation， and meet the design requirements.

Key words：? Mongolian Astragalus; saline-alkali land; simulation analysis; strength analysis; modal analysis

收稿日期：2023-11-20

基金項目：內蒙自治區高校直屬項目（GXKY22126）；內蒙古自治區自然科學基金項目（2023LHMS05005）

作者簡介：永 生（1990—），男，碩士，實驗師，研究方向為農業機械工程。

通信作者：于瀟澤（1984—），男，博士，副教授，研究方向為智慧農業及農業智能裝備。