黄芪,又名黑皮芪、独芪等,是一种十分常见且药用价值很高的中药材。随着中医药在世界范围内的广泛推广,国内外对黄芪的需求量更是连年增长。而如今对于黄芪这类长根茎类作物的收获,采用人工收获劳动强度大、成本高。目前已有的黄芪收获机又存在作业深度不达标、作业效率低、收获品质差等问题。究其主要原因还是作业阻力过大,进而影响相关性能参数。为此,本文运用振动减阻原理,设计了一种装备在黄芪收获机前部的振动挖掘铲,通过前置挖掘铲的振动来减小机具行驶阻力,以此来提升机具的作业深度、作业效率以及作业品质。本文研究涉及的主要内容如下:(1)根据振动减阻的机理可知,振动减阻的效果受到振动频率、振动幅值、机具行驶速度等参数的直接影响。本文在ANSYS/LS-DYNA软件中,使用符合修正后的摩尔-库伦准则的MAT147材料建立土壤模型,对挖掘铲的振动切削过程进行显式动力学仿真。运用正交试验法,得出了机具行驶阻力以及土壤平均变形功率对振动频率、铲尖振动幅值、机具行驶速度的响应曲面。综合考虑相关参数之间的相互作用关系,将振动挖掘铲的相关振动参数设定如下:振动频率为5~15Hz,铲尖振动幅值为15mm,机具行驶速度为0.55m/s。(2)使用ANSYS软件在振动挖掘工况中,根据上下行程的不同,分别对三角形铲片进行受力分析,得到上下行程的最大应力和等效应变分别为192.5Mpa、191.9Mpa和0.523、0.482,且根据受力云图,发现其中部易出现疲劳损坏以及尖端易产生应力集中的缺陷。对此,选用蝼蛄前足爪趾作为仿生对象,根据提取的爪趾外形拟合曲线,对铲片中部、尖部以及侧面轮廓进行了仿生学结构优化,通过仿真结果的对比证明,优化后铲片的最大应力、形变量都有所下降,且上下行程的安全系数分别从2.2、2.2提升为2.9、3.7。(3)振动挖掘铲设计采用偏心振动机构驱动,在CATIA软件中对其中关键零件进行了三维建模。使用图解法对偏心振动机构的上下极限位置进行了分析计算,设定偏心轮偏心距为3.5mm。将振动机构模型导入ADAMS软件中,对其进行了运动学仿真,验证得出相关零件的运动轨迹及运动规律满足设计要求。(4)在约束状态下,对振动挖掘铲进行了模态分析,得出振动挖掘铲的前六阶模态固有频率及振型,其中第一阶和第二阶模态的固有频率分别为14.28Hz和23.38Hz,与前文设定的5~15Hz的振动频率存在共振风险,因此对挖掘铲振动频率进行微调,将其频率调整为10Hz。(5)使用对比实验法,将装备有振动挖掘铲的改进后机型与原机型进行实际的田间对比试验。从作业深度、作业效率、收获品质三个方面进行性能对比。试验得出,通过改进,机型作业深度从30.43cm提升为36.13cm,作业效率从2.3亩/h提升为2.4亩/h,收净率从94.6%提升为95.4%,损伤率从5.1%降低为2.1%,总损失率从7.3%降低为5.4%。性能参数符合设计要求且提升明显。