一种鳞茎类作物的收获机械的设计

摘 要

　　目前，我国百合鳞茎主要通过人工挖掘和利用其他根茎类作物的收获机械进行收获，随着百合产业规模的不断扩大，逐渐凸显出人工挖掘成本高、效率低的问题，同时其他根茎类作物与百合鳞茎的物理机械特性存在差异，其收获机械也不适宜百合收获，主要存在土壤与百合鳞茎分离不彻底的问题，导致捡拾效率低。因此本文综合考虑土壤与百合鳞茎物理机械特性，开展百合鳞茎收获机的研制，有效解决了百合鳞茎与土壤的分离问题，为鳞茎类作物的收获机的设计提供了思路。

　　本论文主要研究内容如下：

　　（1）通过查阅国内外根茎类收获机相关文献，分析其结构特点，结合百合鳞茎收获的实际情况，确定了整机的结构方案；通过分析借鉴国内外根茎作物的挖掘装置，对挖掘铲进行设计；通过对比根茎类作物输送分离装置的特点，确定了输送分离装置为抖动筛式，升运器为杆条式升运器，抖动轮采用双头式；通过计算所消耗的功率，确定了配套动力。

　　（2）对收获期土壤以及百合鳞茎的物理机械特性进行测定与分析，包括土壤质地的测定、土壤含水率的测定、土壤密度的测定、鳞茎三轴尺寸的测定、密度的测定、鳞茎与 65Mn 材料板的滚动摩擦系数的测定、鳞茎碰撞恢复系数的测定与分析，为收获机关键部件的设计以及收获过程的仿真分析提供了基础理论数据。 （3）利用 SolidWorks 软件对收获机的关键零部件进行静应力分析，包括机架、挖掘铲、升运器驱动轴，通过对比最大应力值与材料屈服强度，分析最小安全系数和最大变形量，保证关键零部件满足正常工作需求。

　　（4）利用 EDEM 软件建立土壤-鳞茎-挖掘铲-分离部件的仿真模型，分别对影响收获效率的主要工作参数：机具前进速度、升运器线速度、升运器倾角进行单因素仿真试验，通过分析鳞茎所受平均法向力以及鳞茎与土壤、杆条之间的碰撞次数，得出工作效率较高的因素水平，为工作参数优化提供取值参考。 （5）在仿真试验结果的基础上，采用三因素三水平旋转组合试验方法，以损失率和伤茎率为试验指标，对工作参数进行了优化，最后确定机具前进速度为 1.4m/s,升运器线速度为 1.8m/s,升运器倾角为 25°是最佳工作参数组合，鳞茎损失率为 2.31%,伤茎率为 1.82%,由于损失率包括对埋茎量的统计，因此鳞茎与土壤的分离率应大于 97.69%,验证试验表明，优化结果与试验结果相近。

　　关键词：百合鳞茎；收获装置；参数设计；仿真分析；试验研究

Abstract

　　At present, lily bulbs in China are mainly harvested by manual excavation and machineryof other tuber crops. With the continuous expansion of the scale of lily industry, the problemsof high cost and low efficiency of manual excavation gradually stand out. At the same time, thephysical and mechanical parameters of other tuber crops and lily bulbs are different, otherharvesters are not suitable for lily bulbs harvesting. The main problem is that the separation ofsoil and bulbs is not complete, resulting in low picking efficiency. Therefore, this paper carriedout the research of lily bulbs harvester, though considering the physical and mechanicalproperties of soil and lily bulbs, which solved effectively the separation of lily bulbs and soil.

　　This paper provides another idea for the design of the harvester of bulbs.

　　The main contents of this paper are as follows:

　　（1） Reviewed related literature about tuber crops harvester at home and abroad, determinedthe structural scheme of the whole machine. Analyzed of the research on the digging device oftuber crops at home and abroad, designed the digging shovel. Compared the characteristics ofthe conveying and separating device for rhizome crops, determined the conveying andseparating device as the shaking screen type, the elevator is the rod type elevator, and theshaking wheel is the double head type . Calculated the power consumption, confirmed thematching power.

　　（2） Measured and analyzed the physical parameters of soil and lily bulb, including soiltexture, soil moisture content, soil density, bulb size, density, rolling friction coefficient betweenbulb and 65Mn material plate, and bulb coefficient of restitution, which provided the theoreticalbasis of each parameter.

　　（3） Carried out the static stress analysis of the key parts of the harvester by SolidWorkssoftware, including the frame, digging shovel and elevator drive shaft. Compared the maximumstress value with the material yield strength, analyzed the minimum safety factor and maximumdeformation to ensure that the key parts meet the normal working requirements.

　　（4） Built up soil-lily bulbs-digging shovel-separation parts model by EDEM, and thesimplified machine model, the main working parameters affecting the harvesting efficiency,such as the forward speed of the machine, the linear speed of the elevator and the angle of theelevator, were tested by single factor. Analyzed the average normal force of the bulb and thecollision times between the bulb and the soil and the rod, obtained the factor level of higherwork efficiency, which provides the reference for working parameter optimization.

　　（5） On the basis of the simulation test, optimized the working parameters though the threefactors and three levels rotation combination test, with the loss rate and the stem damage rateas the test indexes. Finally, the optimal working parameters combination was determined as theforward speed of the machine was 1.4m/s, the linear speed of the elevator was 1.8m/s, and theelevator inclination angle was 25 °。 The lily bulbs loss rate was 2.31%, and the stem injury ratewas 1.82%. The results show that the optimization results are similar to the experimental results.

　　Key words: Lily Bulbs; Harvesting Device; Parameter Design; Simulation Analysis;Experimental Study

目 录

　　第一章 绪论

　　1.1 研究背景与意义

　　百合作为中国传统的出口特产，是药膳食疗的佳品，其含有丰富的蛋白质、脂肪及维生素等各种营养素外，还含有丰富的生物碱，这些营养成分作用于人体，不仅具有良好的营养滋补之效，而且还可以预防多种季节性疾病。百合包括观赏百合、食用百合、药用百合，由于我国食用、药用百合种植历史悠久，又有特产品种，因此在食用药用百合产业研发上处于世界领先地位，已在世界范围内形成巨大的食用和药用百合市场，并呈现逐年增长的趋势，其收获过程的机械化逐渐成为市场所需。

　　通过市场调研，目前尚未发现推广应用的百合鳞茎收获机械，严重制约了百合产业的发展。针对百合的收获，部分地区利用人工进行收获，存在收获效率低、劳动强度大、收获成本高等问题；也有地区利用其它根茎作物的收获机进行收获，但是由于百合鳞茎与其它根茎作物的物理特性上的差异，在收获过程中，存在鳞茎破皮严重、土壤与鳞茎分离不彻底等问题，由于百合特殊的种植方式及生长周期，培育一颗 50g 的鳞茎大约需要 2-3 年，因此损伤对百合的产值会造成巨大损失。综上所述，研究出一种低损伤、碎土分离效果好、可靠性高的百合鳞茎收获机具，尤其适用于东北地区的种植模式，对有效改善当地百合收获现状意义重大。

　　1.2 根茎类作物收获机械发展现状

　　1.2.1 国外根茎类作物收获机械发展现状

　　1.2.2 国内根茎类作物收获机发展现状

　　1.3 根茎类作物收获机关键部件研究现状

　　1.3.1 根茎类作物收获机挖掘装置研究现状

　　1.3.2 根茎类作物收获机输送分离装置研究现状

　　1.4 研究目标与内容·

　　1.4.1 研究目标

　　1.4.2 研究内容

　　1.5 技术路线

　　第二章 土壤及百合鳞茎物理机械特性的测定与分析

　　2.1 土壤参数的测定

　　2.1.1 土壤质地的测定

　　2.1.2 土壤含水量的测定

　　2.1.3 土壤密度的测定

　　2.2 百合鳞茎参数的测定

　　2.2.1 三轴尺寸的测定

　　2.2.2 密度的测定与分析

　　2.2.3 动摩擦系数的测定与分析

　　2.2.4 碰撞恢复系数的测定与分析

　　2.3 本章小结

　　第三章 百合收获机关键部件的设计与受力分析

　　3.1 整机结构设计方案·

　　3.2 传动系统设计方案·

　　3.3 关键部件的设计

　　3.3.1 机架的设计

　　3.3.2 挖掘铲的设计

　　3.3.3 输送分离装置的设计

　　3.4 功率计算·

　　3.4.1 牵引功率

　　3.4.2 输送分离功率

　　3.5 关键部件有限元分析

　　3.5.1 机架的有限元分析

　　3.5.2 挖掘铲的有限元分析

　　3.5.3 轴的有限元分析

　　3.6 本章小结

　　第四章 收获过程仿真试验研究

　　4.1 离散元基础理论

　　4.1.1 离散元简介

　　4.1.2 EDEM 软件简介

　　4.2 离散元模型的建立·

　　4.2.1 土壤颗粒模型的建立

　　4.2.2 百合鳞茎模型的建立

　　4.2.3 收获机具三维模型的建立

　　4.2.4 接触模型的选择

　　4.2.5 生成颗粒床

　　4.3 物料在升运器上的运动仿真·

　　4.3.1 机具前进速度的影响

　　4.3.2 升运器速度的影响

　　4.3.3 升运器倾角的影响

　　4.4 本章小结

　　第五章 样机试制及田间试验研究

　　5.1 因素与水平选择

　　5.2 试验方案的确定

　　5.3 试验结果与分析

　　5.3.1 损失率 Y1 的显著性分析

　　5.3.2 伤茎率 Y2 的显著性分析

　　5.4 响应面分析

　　5.5 参数优化

　　5.6 本章小节

第六章 结论与展望

　　6.1 结论

　　近年来，随着百合种植模式的不断扩大，其生产过程机械化逐渐成为市场所趋，收获过程机械化作为机械化的重要一环，其收获质量直接影响到百合的产量。目前尚未找到专门用于百合收获的机械，基本上是利用其他根茎类作物的收获机械或者人工进行收获，收获成本高，效率低，因此设计一种用于百合鳞茎的收获机对百合产业的发展具有重要意义。本论文在查阅相关国内外文献的基础上，进行实地调研，深入了解百合的种植模式，通过理论研究、建模分析、仿真分析以及搭建样机试验相结合的方式，完成了对百合收获机的结构方案设计、传动系统设计、关键零部件设计及受力分析、工作参数离散元仿真分析、工作参数试验研究与优化。得出以下结论：

　　（1）针对百合根系比较发达，不易与土壤分离，研制了一种主动抖动式百合鳞茎收获机，该机参考其他根茎类作物收获机械，通过对百合种植基地的实地调研，确定整机结构方案，主要由挖掘铲、升运器、抖动器、机架以及传动系统等部分组成。根据百合种植模式，确定机架长 1400mm,宽 730mm,高 970mm;依据挖掘铲的工况，确定挖掘铲的材料为 65Mn,根据挖掘铲的挖掘深度需求以及整机的工作宽度，确定了挖掘铲的铲长为 440mm、铲宽为 110mm,通过理论分析，确定了挖掘铲的铲刃夹角为 100°；结合百合鳞茎易损伤的特性，确定升运器的类型为带杆式升运器，依据机架的结构长度确定杆条长 700mm,升运带长 2.5m,依据百合鳞茎的三轴尺寸，确定杆条间距为 35mm;依据各运动部件转速以及实际工作条件，设计了本机的传动系统。

　　（2）利用 SolidWorks 对整机结构进行建模，并对机架、挖掘铲、升运器驱动轴关键零部件进行静应力分析，并对收获机的机架进行结构调整，最终得出结论：三个关键零部件所受静应力均小于各零件的屈服极限，并且安全系数都大于 3,满足工作需求。

　　（3）对收获期百合鳞茎以及土壤的物理参数进行测定分析，包括鳞茎的三轴尺寸、密度、滚动摩擦系数、碰撞恢复系数、土壤的质地、土壤含水率以及土壤密度，为利用EDEM 分析软件对收获过程中工作参数的仿真分析提供参数依据。

　　（4）利用 EDEM 对收获机关键工作参数机具前进速度、升运器线速度以及升运器倾角进行仿真分析，利用对百合鳞茎以及土壤的物理参数的测量结果，对仿真参数进行设置，并对鳞茎和土壤进行建模，最终生成颗粒床，添加零部件进行单因素试验，最终得出以下结论：当机具前进速度为 1.6m/s 时，升运器带速为 1.8m/s,倾角为 25°时，对百合鳞茎的损伤较小，混合物分离效果较好，工作效率较高。

　　（5）利用仿真分析的结果，对三个关键工作参数细化取值进行田间试验，通过Design-Expert8.0.6 设计正交旋转组合试验，并对各工作参数进行优化，得出结论为：当机具前进速度为 1.4m/s,升运器线速度为 1.8m/s,升运器倾角为 25°时，鳞茎损失率和伤茎率最低，收获效率最高。

　　6.2 展望

　　本研究重点在于对收获机工作参数进行仿真、试验与优化，也实现了百合鳞茎较高质量的收获，但是在结构参数的设计方面略显不足，建议今后在以下方面展开深入研究。 （1）本文仅利用 EDEM 对百合鳞茎的碰撞次数和平均法向力进行仿真分析，以最小值为指标，并未进行实际损伤试验，因此对百合鳞茎损伤方面的研究有待深入，比如碰撞试验、跌落试验，以获取更加精确的损伤边界数据。

　　（2）本文设计的收获机仅满足将鳞茎铺放到田地中，需要人工捡拾，后续可设计集挖掘-输送分离-收集于一体的联合收获机，解放劳动力。

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致谢

　　时光荏苒，岁月如梭，转眼间两年半的研究生生活即将结束，心里有说不出的喜悦感和成就感，但更多的是感激、留恋与不舍，我的所有成绩的取得都离不开师长们的传道、授业、解惑，由衷的感谢老师、同学、家人以及工厂师傅们在研究生期间对我的悉心指导和帮助。

　　感谢我硕士两年半以及本科四年的导师赵萍老师，在这六年多的学习与相处过程中，我的老师总是对我严格要求，对待每一件事都一丝不苟，对我产生了潜移默化的影响，凌晨和夜深的工程楼、尘土飞扬的田地里，总能看到老师忙碌的身影。科研方面，老师对我的严格要求，让我养成了认真仔细的好习惯，在指导我完成毕业设计之余，赵老师也利用一切资源帮助我完成科研，解决了许多设备等方面的问题，使我的科研道路畅通无阻。生活方面，每个节假日都能感受到老师的无微不至的关怀，对于我的校外实习，赵老师一直都很支持我，询问我的进展，让远在他乡的我感受到了家的温暖。

　　感谢田素博老师、辛丽丽老师、白晓虎老师、宁晓峰老师、郭娜老师、白雪卫老师、王君玲等老师在每次开题组会时指出问题并悉心指导，引导我向正确的方向展开科研；感谢辽宁省农科院花卉研究所的杨迎东老师，为我提供足够的百合鳞茎用于试验，为整个收获机的设计奠定了坚实的基础。感谢沈抚立交桥加工厂王经理在机械设计与加工过程中给予的指导与帮助，让我学会了许多图纸加工以及机械制造基础等相关的知识；感谢李松师哥、于天阔师弟在零部件加工以及整机装配过程中对我的帮助。

　　感谢同组研究生康建、赵晨希、关旭生在我科研、整机装配以及田间试验中对我的帮助，感谢徐国发我机械设计方面提供的巨大帮助，他严谨认真的态度一直感染着我，感谢朱红杰等 407 实验室的兄弟姐妹，感谢同寝室室友郭敬阳、冯指名的陪伴，在漫长的科研道路上，给予我鼓励与支持，这深厚的同学情谊是我研究生生活的无价之宝。

　　感谢家人的默默付出、感谢女友顾家的关心与支持、感谢朋友的鼓励，在我迷茫的时候为我指明道路。

　　最后，我要向百忙之中参与审阅、评议本论文各位老师表示由衷的感谢！人生的每个阶段都值得好好珍惜，这段美好岁月，因为有你们的关心和帮助，才会变得风景独好，谢谢大家！

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