Design of Key Components for Multi-Stage Rotary Cylinder Type Unmanned Chinese Yam Harvester

doi:10.3969/j.issn.1009-0134.2024.07.030

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Manufacturing Automation ›› 2024, Vol. 46 ›› Issue (7) : 190-195. DOI: 10.3969/j.issn.1009-0134.2024.07.030

Design of Key Components for Multi-Stage Rotary Cylinder Type Unmanned Chinese Yam Harvester

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CAO Yun-long , YANG Bao-jian , LI Bin , YANG Hao , CAO Ming-xuan. Design of Key Components for Multi-Stage Rotary Cylinder Type Unmanned Chinese Yam Harvester[J]. Manufacturing Automation, 2024, 46(7): 190-195 https://doi.org/10.3969/j.issn.1009-0134.2024.07.030

0 引言

山药富有多种营养成分，并且有多种药用功效，我国已有3000多年人工栽种山药的历史^［1-2］。山药是深根植物，根茎深入土下可达60~150 cm，收获难度高，不仅在挖取时容易铲断块茎，影响其品质和销售，而且劳动强度大，生产效率低。随着山药种植产业的逐步发展，种植面积和种植规模也在不断扩大，但长期以来，大多采用的是人工的最传统的收获方法^［3］。目前，较大面积种植区多采用挖沟机先在麻山药两行间开出一条深沟，然后人工再用铁锹挖掘。梁学强等^［5］开发研制了 1K-17 型山药开沟收获机，采用链式开沟方式进行收获^［4］。2014年于万胜开发设计了一种能实现山药自动出土和土壤分离的山药收获机。2017年宋帅帅等^［6］设计了一款自走式麻山药收获机，从山药的底部和两侧实现多方位的松动。以上收获方式机械化程度低，费时费力，易对山药造成损伤，影响品相。

目前市面上生产的山药收获机的机械设备体积过大、运输不便，还只能适用于北方的平原地区，而山药种植面积甚广的南方丘陵与山地地区，机械化收获形势却依然非常严峻。目前山药市场迫切需要一种体型小巧灵活、收获效率高的山药收获机械^［7］。

针对以上问题，本文设计了一种多级转筒式无人山药收获机，对主要部件进行了有限元分析，并进行了实地实验验证。

1 总体方案设计

1.1 工作原理

多级螺旋式转筒山药收获机进行山药收获的整个工作流程分成五个部分，分别为特征识别、位置获取、移动到指定点、转筒挖掘和转筒复位。

设备的主要运转动作包括以下几项动作：后轮直流减速电机启动/停止、辅助升降平台左右微调的步进电机正反转/停止、汽油机启动/停止、负责升降平台上下工作的丝杆直流电机正反转/停止、推杆电机正反转。工作流程图如图1所示，按下启动按钮，后轮直流减速电机启动，设备行走到山药苗上方，判断转筒是否对齐山药苗，接着控制步进电机进行距离微调，如位置偏左，电机启动正转，升降平台右移，角铁触碰到限位开关，该电机停止。上述准备工作完成后，汽油机启动，稍后丝杆电机启动，进行采挖工作，采挖结束后，转筒仍转动，丝杆电机反转，转筒上升，接着汽油机停止，最后步进电机复位，即对准备工作的位置微调进行复位处理，使升降平台回到机械原点，当下一颗山药苗需要对齐时再进行微调。对于转向，当右转时，推杆电机启动并保持，设备前进，转向结束后，推杆复位，左转亦同理。

图1 山药收获机控制流程

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接下来是多级挖掘山药的工作，转筒向下位移加旋转对指定位置的山药进行挖掘，首先是第一级挖掘，转筒下部的破土刀片能让转筒更容易地钻入地下，在提供向下动力的同时把桶内外部的沙土分离开来；第二级挖掘是转筒内的螺旋刀片在山药周围旋转，疏松沙土主要是靠第二级挖掘来完成；第三级挖掘利用的是转筒内部柔软的橡胶棒对山药周围沙土进一步细节疏松，可以保持山药的完整性。挖掘到一米左右的深度转筒向上提出恢复到挖掘之前的位置。如此重复上述步骤，反复工作。山药收获机控制流程如图1所示。

1.2 整体设计

根据课题组研究成果，把山药收获机由视觉部分、控制部分、执行部分、驱动部分以及底座五部分共同构成^［8］：

1）视觉部分：包含相机和相应软件；

2）控制部分：包含五台PLC；

3）执行部分：包含一个转筒；

4）驱动部分：包含一台汽油机、3台直流电机；

5）底盘部分：主要由型材、角码、螺钉和轮子共同组成移动底盘。

图2所示为利用SolidWorks设计的三维渲染模型。

图2 多级转筒式无人山药收获机体三维建模

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2 关键部件选型与设计

2.1 多级螺旋式转筒的设计

山药收获机挖掘机构的主要部件为转筒，设计时主要从几何设计和物理设计两大方面追求工件效率、寿命以及最终加工工件质量的最优组合。本设计几何设计灵感来源于商场里的拔鸡毛机器。把杀好的鸡放入拔鸡毛机的一个圆筒中，圆筒里的橡胶棒通过旋转就可以把鸡毛清理干净。本文中的转筒起到的作用是钻入地下，使筒内与筒外的沙土分离，且长筒型的采收部件能避免损坏根茎类植物，保持根茎类植物的完整性^［9］。

考虑到山药长度为1000 mm上下，那么转筒钻入地下深度为1100 mm，所以整个转筒高度为1200 mm。山药直径在80 mm以内，转筒要把山药包裹在内部，转筒中间要保留直径100 mm的圆柱空间，橡胶棒使用长度94 mm，所以筒的直径设计为300 mm，转筒壁厚为1 mm。

转筒内部的下方螺旋叶片和圆孔，排列用的是双螺旋结构，角度和距离都设置成五十。螺旋叶片共有8片，长度为60 mm，能够把筒内根山药之间的的沙土打松。圆孔在螺旋叶片上方，共有6个，直径为20 mm，圆孔内各安装长度为100 mm的橡胶棒，作用是分离山药和周围的沙土并得到个体完整表面不破损的山药；另外筒的最上部连接处用四根加强筋来增加转筒强度；筒的最下部的每个刀齿上都各焊接了一个小铁块，可以增大钻入口的面积，减小筒壁与沙土间的摩擦阻力。

在材料选择方面，分别选取铝、钢和铝合金三种材料来制作同等规格的转筒，并进行了沙土地钻地实验。结果表明，铝制转筒强度偏小，实验后出现明显变形；钢制转筒重量过大，影响工作灵活性，钻地过程中机器出现剧烈晃动，而且钢会发生氧化反应，容易被腐蚀；而铝合金制作的转筒不仅重量轻、强度大，还有耐腐蚀的效果。所以转筒的最优选项为铝合金材料。

2.2 升降机构和精准定位机构的设计

首先升降平台的外部则是由直线轴承滑块、立式光轴支撑座、光轴组合而成的光轴导轨，分别安装在小型山药挖掘机整体机架的四个角落，主要起滑轨导向作用，实现升降平台的升起降落；位于小型山药挖掘机中心部位是由角铁、光轴导轨、滚珠丝杆套装搭建而成，其中滚珠丝杆套装主要由丝杆，丝杆螺母、螺帽、联轴器、固定座、螺母座、支撑座和步进电机搭建组合起来，此外还有负责升降平台动力部分的滚珠丝杆套装。即整形升降平台由两不同规格的滚珠丝杆套装、两不同规格的光轴导轨和角铁组合而成，其中大规格的滚珠丝杆套装负责上下移动，小规格的负责左右位置的微调用来精准定位。升降平台的上方承载采收装置，升降平台和采收装置通过螺栓连接。

当采收装置需要向下移动，完成松土排土工作时，竖直安装的滚珠丝杆工作，使得升降平台下降，进而带动采收装置下降；当多级螺旋式转筒山药收获机在校对山药苗的横向位置时，精准定位机构的小型滚珠丝杆工作，小型的光轴导轨辅助导向，使得采收装置进行左右移动，完成位置的调整。图3为多级螺旋式转筒山药收获机升降机构与精准定位机构的外观。

图3 升降机构与精准定位机构

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2.3 电机的选型

本课题设计的后轮轮胎的驱动时的启动力矩大，对电机的扭矩要求大，因此在此处设计选择直流减速电动机，减速装置选择的是减速器，一般情况下，转速越低，扭矩越大，即通过减速器，可将电机转速降到一定程度，带动链轮链条，进而带动后轮驱动行走。接下来计算：小型山药挖掘机的整机重量m = 150 kg，轮胎与泥土的摩擦系数μ = 0.6，计划小型山药挖掘机每半分钟挖一颗，前进时间t = 10 s，山药挖掘工作时间t ₁ = 20 s，每颗山药苗之间的距离L = 1000 mm，轮子要求一分钟转 4~5 圈，电机额定转速n =1400 r/min。

1）计算前进平均速度

v

，见式（1）。

v = \frac{L}{t} = \frac{1000}{10} = 100 m m / s

（1）

经单位换算后取

v

= 0.1 m∙s。

2）计算整台设备需克服的摩擦力

f

，见式（2）。

f

μ m g

= 0.6×150×9.8 = 882 N

（2）

式中，

g

为重力加速度，取9.8 m/

s^{2}

；

μ

为轮胎与泥土的摩擦系数，取 0.6。

3）计算输出功率

P

₁，见式（3）。

P_{1}

f

∙

v

= 882×0.1=88.2 N∙m∙s

（3）

式中，

v

为设备前进平均速度。

4）确定负载转矩

T_{1}

，式（4）。

T_{1} = \frac{9550 p_{1}}{n} = \frac{9550 \times 0.1323}{1400} = 0.6 N ∙ m

（4）

式中P ₁为输出功率，单位kW；

n

为电动机额定转速，单位 r/min。

5）选择电机额定功率

P

，见式（5）。

P

= S∙

P_{1}

= 2×88.2 = 176.4 W

（5）

式中，

S

为安全系数，一般取值范围为1.5～2，取

S

= 2。

6）选择电机额定转矩

T

，见式（6）。

T = \frac{T_{1}}{K} = \frac{0.6}{0.7} = 0.857 N ∙ m

（6）

式中，

K

为安全系数，一般取值范围为0.7~1，取

K

= 0.7。

由于还有直流减速电机与输出轴之间还有链轮链条进一步减速，减速比

i

= 3.3，因此电机经减速器减速后的转速约15~20 r/min即可。根据上述计算，选择直流可调速电机6IK140RNG-AF，通过齿轮减速的，功率为140 W，单相电压，频率为60 Hz，调速范围为10 r/min~1400 r/min，启动转矩0.64 N∙m。如图4所示。

图 4 直流减速电机

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对于丝杆的直流减速电机，选择可调速的齿轴减速电机，型号 51K60RGN-AF，功率60 W，电压110 V，频率为50 Hz，调速范围为90 r/min～1400 r/min，启动转矩0.4 N∙m。

2.4 行走机构的设计

为了实现山药收获机能够在沙土地里方便的行走，并且机器在过田埂的时候更加稳定，前期提出两种结构方案：一种是采用履带结构，因为履带与地面接触面积大，可以很好的在松软的沙土地上稳定的行走，缺点是过于笨重，成本也偏高；第二种是采用四个直径为400 mm轮胎，转向机构的动力来源于电动推杆的推力，这样不仅成本低还更加小巧、灵活，但缺点是越野没有履带稳定。

此外，本设计因为要用到视觉系统，履带会遮挡周围的光线，会严重影响到拍摄图片的对比度，从而影响机器的工作，而轮子对光线的影响则大大降低。综合考虑，我们最终选择了第二种方案，在第二种轮胎底盘上加两个类似蜘蛛脚的辅助支架轮，能够在车身倾斜的时候给倾斜的机身提供反向的支撑力，从而辅助矫正机器稳定行走。

3 有限元分析

3.1 转筒的有限元分析

转筒在整个山药收获过程中扮演着非常重要的角色，也是整个机器的核心部件，采用何种材料，为什么设计成筒状，这些都是山药收获机能否收获山药的关键因素。铝合金作为一种新型的金属材料，铝合金相对于钢材存在一些明显的优点，因其具有质量轻、耐腐蚀强、免维护等特点，被广泛应用于各个行业^［10-11］。查阅机械设计手册^［12］可知：铝合金密度一般为2.5~2.88 g/

c m^{3}

，本材质为2.77 g/

c m^{3}

；泊松比为0.33；弹性模量为70 GPa。

由于转筒在工作时竖直方向主要受转筒的重力200 N，水平方向主要受180cc二冲程发动机最大提供13.5 Nm的扭矩。有限元分析如图5~图8所示：导入简化后的模型，定义材料属性，设置接触属性，划分网格，对模型添加载荷和约束，应力应变分析。

结果表明，转筒受到的应力和变形主要集中在中间的柱子上，最大变形量为4.3405e-4 m；最大应力值为10.95 MPa，小于材料抗拉强度。所以材料强度完全能够满足正常工作，因此转筒设计强度合理，满足使用要求。

3.2 升降台的有限元分析

升降台是升降机构的一部分，下方是三个滑块，作用是连接汽油机，带动转筒旋转和升降运动，如图9所示。

图9 升降台

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升降台主要受转筒旋转的反作用力以及转筒与汽油机垂直的重力，汽油机的重量大约为50 N。图10、图11为有限元分析过程和结果。

图10 升降台应力分析

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图11 升降台变形分析

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结果表明，升降台受到的应力和变形主要集中在右边的角铁上，最大变形量为2.7901e-4 m；最大应力值为63.158 MPa，小于铁的抗拉强度200 MPa。所以材料强度完全能够满足正常工作，满足使用要求。

4 实验分析

通过搭建实验样机，模拟对山药进行收获实验，如图12所示，进行可行性分析。测得样机工作数据：转筒工作的整个过程工作时间约为32 s~35 s之间，而人工在相同土质挖掘1100 mm时间至少为360 s，实验证明本设计挖孔效率可达到人工挖孔10倍以上。钻入孔的直径为335 mm，减掉橡胶棒外露的7 mm，山药机工作时转筒会产生10.5 mm的最大振动偏差，计算可得转筒中间空隙为89 mm，对筒中间山药无影响。工作期间，机器运行平稳、结构稳定，验证结构设计可行。

图12 实地模拟收获山药

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5 结论

通过对山药生长地区阳江市的实地调研，在知悉人工收获和传统大型机械收获方法的基础上，创行性的设计一种无人山药收获机器，其研发具有如下的特征和意义：

1）取代大型山药挖掘机械去不了的地区挖掘山药；

2）采收机构采用转筒的外形设计，配合和山药个体完整性；

3）提高山药收获效率，节省劳动力的同时还能增加收益；

4）无人收获山药技术，实现了对山药的自动收获。

References

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2022-10-20	2024-07-25
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2024-08-15

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