小型整桿式甘蔗收割機撥蔗機構仿真試驗研究

唐大芳，翁紹捷，林 茂

(海南大學 機電工程學院，海口 570228)

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小型整桿式甘蔗收割機撥蔗機構仿真試驗研究

唐大芳，翁紹捷，林 茂

(海南大學 機電工程學院，海口 570228)

通過對小型整桿式甘蔗收割機的撥蔗機構建立仿真運動模型，運用ADAMS動力學仿真軟件對仿真模型進行試驗研究，分析該撥蔗機構的撥蔗完整率。以機器前進速度、旋轉軸轉速、撥桿數目為因素，撥蔗完整率為試驗指標，設立一個三因素三水平的正交試驗。分析三因素與撥蔗完整率的關系，同時對仿真結果的數學模型進行優化分析。結果表明：當機器前進速度為0.9m/s、轉軸轉速為400r/min、 撥桿數目為2時，撥蔗機構的撥蔗完整率可達到的最大值為96.6%。

整桿式甘蔗收割機；撥蔗機構；仿真試驗；優化分析

0 引言

甘蔗是我國南方主要的經濟作物[1]，其收割方式分人工收割和機械化收割。人工收割耗時耗力，一般包括砍伐、削葉、去尾、扎綁、搬運及裝車等程序，勞動強度非常大，勞動效率低；每人每天最多僅能砍伐0.8 t左右，甘蔗收割成本高，在80～100元/t 左右，蔗農砍蔗雇員支出占甘蔗收入的20%左右[2]。機械化收割主要有整桿式和切段式兩種[3]，整桿式甘蔗收割機又有大型整桿式甘蔗收割機和小型整桿式甘蔗收割機之分。小型整桿式甘蔗收割機的功率小、體積小、結構簡單、使用方便，是我國丘陵地帶甘蔗收割機器的首選。

國外對于大型整桿式甘蔗收割機的研究較多，并廣泛投入市場。澳大利亞、美國等發達國家早已實現了甘蔗生產的全程機械化，部分環節機械化正在向自動化、智能化方向發展，實現了甘蔗機械化聯合收獲，生產效率高、成本低[4-6]。小型整桿式甘蔗收割機的研究主要集中在國內：桂林電子科技大學的向家偉等發表了論文《小型甘蔗收獲機切割器試驗研究》，針對小型整桿式收割機的切割器研究了影響其切割功耗和切割損失的評價指標[7]。廣西大學機械工程學院的麻芳蘭等針對甘蔗收割時破頭率高、容易堵塞等問題，對小型整桿式甘蔗收割機切割系統進行了改進與試驗；通過改進和在原樣機前加置一個輔助喂入輥，使破頭率降低，蔗莖合格率明顯提高[8]。國內相關科研院所對整桿式甘蔗收獲機械做了大量的理論和實驗研究，取得較為豐富的成果，但對甘蔗切斷后鋪放在田間的相關研究較少。國內的研究主要有中國農業機械化科學研究院周良墉研制的4GZ-1000型整桿式甘蔗割鋪機[9]；華南農業大學工程學院研制了4ZZX - 48型側懸掛式甘蔗收割機[10]，其切斷后甘蔗都是通過夾持輸送鏈輪機構直立輸送，運動軌跡成“L”型，可在機器割臺一側鋪放甘蔗。該鋪放機構存在一根一根夾持甘蔗及機器前進速度不能過大等問題，容易產生堵塞；另外，當甘蔗比較彎曲或甘蔗交錯時，不利于鏈式傳動裝置的夾持；同時存在切斷后的甘蔗在輸送中阻擋駕駛員的視線不利于機器前進等缺陷。

本文通過對一種整桿式甘蔗收割機的撥蔗機構建立運動學仿真模型，進行仿真試驗分析，探討了機構撥蔗完整率與主要運動構件參數之間的關系。

1 小型整桿式甘蔗收割機撥蔗機構

1.1 撥蔗機構的工作原理

撥蔗機構是整桿式甘蔗收割機中的一個重要部件，用于撥倒被切割后的甘蔗，使甘蔗較為整齊地鋪放在田間的壟間，以便于甘蔗的收集和甘蔗收割機順利前行。

撥蔗機構主要由上撥盤、下撥盤、錐齒輪及旋轉軸組成，如圖1所示。其中，上下兩個直徑相同的撥盤通過旋轉軸固定連接，撥盤上對稱均勻安裝有偶數根撥桿，撥桿為一定長度的直桿，上下對應撥桿運動軌跡完全相同。旋轉軸轉動帶動撥盤的運轉，由甘蔗收割機的行駛前進及撥蔗盤的旋轉，撥桿形成特定的運動軌跡，撥鋪甘蔗莖稈，使甘蔗莖稈按照一定規律較為整齊地倒伏在壟間，以滿足甘蔗鋪放后續工序的功能。

圖1 撥蔗機構示意圖1.上撥指 2.上撥盤 3.錐齒輪 4.旋轉軸 5.下撥盤 6.下撥指

1.2 小型整桿式甘蔗收割機工作過程介紹

小型整桿式甘蔗收割機由拖拉機、液壓馬達、切割裝置及撥蔗機構組成，結構如圖2所示。拖拉機提供動力，驅動收割機整體向前以一定的速度前行。拖拉機上的驅動液壓馬達分兩組裝設，分別驅動切割裝置和撥蔗機構；切割刀盤裝設偶數片刀切入土切割甘蔗根部，撥蔗機構的上下兩個撥盤由液壓馬達驅動以相同角速度勻速轉動；隨著收割機的向前移動，甘蔗根部被切斷，上下撥盤上的撥桿將直立甘蔗向同一方向撥倒，甘蔗脫離撥桿做平拋運動后，整齊排放在收割機一側。

圖2 小型整桿式甘蔗收割機結構圖1.撥蔗機構 2.液壓馬達 3.拖拉機 4.切割裝置

2 試驗設計

2.1 仿真模型的建立

本仿真試驗用Pro/E軟件進行建模，設置整片甘蔗林中的甘蔗等大小等高度，且種植間距相等。甘蔗大小設置為直徑d=28mm，高度h=2 000mm,各甘蔗之間間隙s=150mm，甘蔗總數為60根；撥蔗機構的撥桿長度l=150mm,撥盤直徑D=300mm,上下撥盤的距離L=500mm。撥蔗機構仿真模型圖如圖3所示。然后，將撥蔗機構的運動模型及設置好的機構參數導入ADAMS環境。

圖3 撥蔗機構仿真模型圖

2.2 仿真試驗方案及結果

本仿真試驗針對直立完好的甘蔗進行模擬，選定與撥蔗完整率密切相關的收割機前進速度v、撥蔗機構轉速r、撥桿數n作為實驗因素，同時設定3個水平、27個試驗點、9個分析因子進行正交試驗。撥蔗完整率的界定，當撥桿的運動軌跡劃過甘蔗部分面積超過50%，即判斷撥桿可以順利撥鋪該甘蔗；若劃過甘蔗部分面積在10%～50%范圍，即判斷不能順利撥鋪該甘蔗。因此，撥蔗完整率=順利撥鋪甘蔗數量/所撥甘蔗總數×100%。因素水平如表1所示，試驗方案如表2所示，仿真軌跡圖如圖4所示。

表1 試驗因素與水平表

表2 試驗方案及結果

3 仿真結果分析

采用數理統計軟件SPSS對試驗數據進行處理，得出實驗指標撥蔗機構撥蔗完整率與前進速度、轉速、撥桿數的數學模型為

y=0.865-0.111x3+0.194x1x3+0.0001x2x3

(1)

其中，y為撥蔗機構的撥蔗完整率的回歸值。對回歸式進行回歸方程方差分析，結果如表3所示。

圖4 仿真軌跡圖

回歸系數b0b3b1b3b2b3方程標準F方程y0．0810．0270．030000．47734．768

對上述回歸數學模型和回歸系數進行F檢驗，檢驗結果表明：回歸系數在0.05水平上高度顯著，表明回歸數學模型擬和較好。

3.1 單因素對撥蔗完整率的分析

分析單因素變化對完整率的影響。由回歸式(1)作各單因素與試驗指標完整率的關系曲線圖，如圖5所示。由圖5(a)可知：隨著前進速度的增大，撥蔗完整率增大；由圖5(b)可知：隨著撥蔗機構的轉速增大，撥蔗完整率增大；由圖5(c)可知：隨著撥桿數量增大，完整率減小。

由單因素圖分析可得出各因素的優化區間為：機器前進速度區間(0.64～0.82)m/s,撥蔗機構轉速區間(400～600)r/min,撥桿數區間(0～2)。

圖5 各因素與完整率的關系圖

3.2 交互因素對撥蔗完整率的分析

圖6是由回歸數學方程式(1)的試驗因素對完整率的交互影響圖。

圖6 因素交互作用對完整率的影響

1)由圖6(a)可知：當前進速度小于0.3m/s、撥桿數量小于等于3 時，可得到較大的完整率。這說明，小的前進速度有利于提高完整率。因此，前進速度較大、撥桿數量較少及前進速度較小、撥桿數量較多時，都不利于完整率的提高。

2) 圖6(b)是撥蔗機構轉速x2和撥桿數x3交互作用對完整率影響的曲線圖。較小的轉速和較少的撥桿及較大的轉速和較少的撥桿數組合都得到較小的完整率；較多的撥桿數和較小的轉速組合能夠得到較大的完整率。由圖6(b)可知：在撥桿數大于4時，隨著轉速的增加完整率迅猛下降，所以應避免較多的撥桿數與較大的轉速結合。

3) 圖6(c)是機器前進速度x1和撥蔗機構轉速x2交互作用對完整率影響的曲線圖。由圖6(c)可知：較小的前進速度和較小的轉速組合及較大的前進速度和較小的轉速組合都可得較大的完整率；然而，隨著轉速的不斷增加，完整率迅速下降。

3.3 試驗因素的優化

本實驗主要是分析機器的前進速度、撥蔗機構轉速、撥桿數對撥蔗完整率的影響情況。通過SPSS軟件建立的回歸數學模型，再經過回歸方差來進行定性和定量分析。通過定性分析，由方程(1)與單因素對撥蔗完整率影響的分析可知：撥蔗機構撥蔗完整率與機器前進速度、撥桿數的影響均為顯著，與轉速的影響不顯著。

把回歸方程的回歸值進行優化來進行定量分析，然后比較各自回歸值的大小，就能清楚地了解3個因素對撥蔗完整率的影響差異。采用MatLab數學軟件對回歸方程進行綜合優化，在確定好各因素的優化區間值后，再對優化目標進行優化。各因素的優化區間值為各自的上下水平值區域，撥蔗完整率取值區間在80%～96.6%。對方程在三因素優化組合下，x1=0.9m/s、x2=400r/min、x3=2時，可得到撥蔗完整率較大值y=96.6%。

4 結論

1)三因素對撥蔗完整率的影響如下：當前進速度較大、旋轉軸轉速較小、撥桿數較小時，撥蔗完整率較大。

2)當較大的前進速度與較小的旋轉軸轉速組合時，有較大的撥蔗完整率。

3)綜合三因素優化結果，撥蔗完整率達到最大值95%時，機器前進速x1=0.9m/s，旋轉軸轉速x2=400r/min，撥桿數x3=2，表明撥蔗裝置撥蔗完整程度達到理想效果。

[1] 廖娜,劉赟東.甘蔗收獲機扶蔗裝置研究現狀[C]//2012中國農業機械學會國際學術年會 ·杭州：中國農業機械學會,2012:48-52.

[2] 肖凌.2種甘蔗收割機在甘蔗收獲中的應用[J].甘蔗糖業，2012 (6):56-60.

[3] 劉志華，林茂.甘蔗收割機剝葉元件的優化研究[J].機械設計與制造，2015(2)：253-256.

[4] 梁兆新．甘蔗生產機械化發展狀況探討[J].中國農機化，2003(2):14-18．

[5] 游建華，方鋒學．廣西甘蔗生產機械化現狀及發展對策[J]．中國糖料， 2008(4):69-72．

[6] 梁怡,李慧超.國外甘蔗聯合收割機在廣西應用的經濟效益分析[J].大眾科技， 2011(12):147-149.

[7] 向家偉, 楊連發, 李尚平.小型甘蔗收獲機切割器試驗研究[J].農業工程學報，2007,23(11)：158-163.

[8] 麻芳蘭，韋榮發，范志達，等.小型整稈式甘蔗收割機切割系統的改進與試驗[J].農業工程學報，2014,30(15)：18-24.

[9] 查良墉. 4GZ-1000型整桿式甘蔗割鋪機[J].南方農機，2007(4):37.

[10] 陳連飛，區穎剛，李志紅，等.整桿式甘蔗收割機柔性夾持輸送裝置[J].農機化研究，2009,31(1)：71-75.

The Simulation Experimental Research on Dial the Sugarcane Institutions of Small Whole-stalk Sugarcane Harvester

Tang Dafang， Weng Shaojie, Lin Mao

(Hainan University, College of Mechanical and Electronic Engineering, Haikou 570228, China)

This article through to establishing the motion model simulation about the Dial the sugarcane institutions of small whole-stalk sugarcane harvester,using the simulation software ADAMS to experimental study on the simulation model, analyzing the integrity rate of the sugarcane. With the machine speed, rotation speed, dial the number as factors, dial the sugarcane complete rate as test indexes, set up a orthogonal experiment with3 factors 3 levels.Analysis of the relationship between the three factors and dial the sugarcane integrity rate,Simultaneously optimal analysisthe result of the simulation of mathematical model . Results show that when the machine speed 0.9 m/s, the rotation speed of 400 r/min,dial the pole number for 2,dial sugarcane institutions of the sugarcane complete rate can reach a maximum of 96.6%.

whole-stalk sugarcane harvester; dial the sugarcane institutions; simulation test; optimization analysis

2016-01-20

海南省自然科學基金項目(20153051)

唐大芳(1987-)，女，重慶人，碩士研究生,(E-mail)dafang1027@163.com。

翁紹捷(1961-)，男，廣東潮州人，教授，碩士生導師，(E-mail)wsj818@sohu.com。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)02-0148-05