基于仿真技術(shù)的甘蔗收割機(jī)喂入裝置分析

趙亞鋒 紀(jì)道松 楊曉峰

摘要：甘蔗收獲機(jī)械的喂入裝置在使用中很容易堵塞，從而影響收獲的效率。通過(guò)設(shè)計(jì)一種新式的喂入裝置解決了這個(gè)問(wèn)題，并使用仿真技術(shù)對(duì)其展開(kāi)仿真分析，對(duì)它的某些信息和通過(guò)性進(jìn)行模擬仿真和研究分析，從而對(duì)其可行性展開(kāi)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù);甘蔗收割機(jī);喂入裝置

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.093

甘蔗的產(chǎn)地大部分是丘陵地區(qū)，種植面積一般很小，這使得在甘蔗自動(dòng)化收割的過(guò)程中，無(wú)法使用大型的收割機(jī)械。所以，目前甘蔗的收割大部分還是通過(guò)小型收割機(jī)進(jìn)行作業(yè)，在小型收割機(jī)收割的過(guò)程中，出現(xiàn)得最多的問(wèn)題就是效率太低和堵塞嚴(yán)重，這大大妨礙了甘蔗收割機(jī)的使用和推廣。為了增強(qiáng)甘蔗收割機(jī)的效率，本文分析了多種因素對(duì)甘蔗收割的影響，使用模擬仿真的方式，對(duì)各個(gè)影響因素展開(kāi)了模擬仿真計(jì)算。

1喂入裝置的設(shè)計(jì)

甘蔗聯(lián)合收割機(jī)由斷尾、傳輸、喂入、砍蔗等部分構(gòu)成，喂入裝置作為連接以上模塊的紐帶，有著重要的作用。本文喂入構(gòu)件是由單獨(dú)的耙輪和三個(gè)柔軟的耙齒組成，三個(gè)耙齒位耙筒外部，呈梯形結(jié)構(gòu)，且耙輪的內(nèi)部是中空的，這種組成能夠使其對(duì)甘蔗的破壞程度降到最小，并能使整個(gè)流程更加順利的進(jìn)行。耙齒使用的彈性材料硬度較大，其里面鑲嵌著彈簧，以確保有一定的彈性與剛性，并擁有較好的耐磨性，從而提升其使用壽命。使用時(shí)，砍斷的甘蔗會(huì)通過(guò)兩柔性耙齒，被喂入輸送機(jī)構(gòu)。

2喂入裝置的仿真分析

使用Pro/E進(jìn)行三維建模，組成喂入構(gòu)件的每一個(gè)部分的模型，在它的裝配模式下展開(kāi)裝配。使用軟件ADAMS的接口MECH/Pro與Pro/E，把組裝成功的喂入構(gòu)件模型加入到ADAMS內(nèi)，并 加以相對(duì)的約束條件，進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

在加入約束條件時(shí)，耙齒和甘蔗之間contact約束的數(shù)值十分重要。通過(guò)多次的仿真實(shí)驗(yàn)，根據(jù)耙齒和甘蔗自身的特點(diǎn)，同時(shí)按照使用說(shuō)明書(shū)中的信息，選用尼龍對(duì)尼龍的數(shù)據(jù)。

因?yàn)楦收岜旧頁(yè)碛幸欢ǖ娜彳浶裕虼藶榱嗽诜抡鏁r(shí)較好的模擬甘蔗，把甘蔗模型分成兩部分，每部分之中加入Bushing約束，其信息依照對(duì)甘蔗進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果來(lái)認(rèn)定。

耙齒運(yùn)用一些硬度較強(qiáng)的彈性材料構(gòu)成，在仿真時(shí)，為了表現(xiàn)出耙齒的柔軟性，在滾筒和耙齒相連出進(jìn)行Bushing連接，其扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值K表現(xiàn)的是耙齒的柔軟程度，對(duì)于甘蔗的喂入能力影響較大，因此十分重要。

2.1仿真分析第一步

甘蔗機(jī)械的預(yù)估收獲速度達(dá)到了至少4小時(shí)/噸，依照甘蔗的種植情形，如果用平均5小時(shí)1噸的速度展開(kāi)計(jì)算，那么甘蔗的密度為1100kg/m，平均長(zhǎng)度是3000mm，平均直徑是30mm。計(jì)算顯示，如果一小時(shí)需要通過(guò)的甘蔗有2200根，一次最多兩個(gè)同時(shí)通過(guò)，則一小時(shí)輸送部件的線速度達(dá)到了

V=3213m/h=892.5mm/s

若將耙輪輸送甘蔗的夾持點(diǎn)在半徑是200mm的圓內(nèi)，同時(shí)耙齒與甘蔗之間無(wú)滑動(dòng)，那么耙的角速度達(dá)到了：

ω=V/R=4.481 rad/s

換算成轉(zhuǎn)速達(dá)到了：

n =ω/2π=0.71 r/s

耙齒和甘蔗之間的摩擦數(shù)值與尼龍對(duì)尼龍的摩擦值相同，它的值為：μs=0.13，μd=0.09。先去滾筒與耙齒間的Bushing相連的X方向的扭轉(zhuǎn)剛度數(shù)值K=3000N·mm/deg。以以上的數(shù)值為基礎(chǔ)，對(duì)喂入時(shí)的狀況進(jìn)行仿真。再根據(jù)仿真結(jié)果畫(huà)出的曲線得到甘蔗的輸出速度達(dá)到了V2=697.3mm/s，相比于之前預(yù)估的運(yùn)輸速度V=892.5mm/s要低得多，因此能夠推算出仿真時(shí)耙齒與甘蔗中間存在滑動(dòng)。

2.2增加轉(zhuǎn)速和修改剛度值仿真分析

要得到設(shè)計(jì)時(shí)的傳輸能力，需要更改Bushing相連的剛度K值和輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。初始一步需要改變輥輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使其增加10%，得出n=0.71×110%=0.78 r/s;第二步，進(jìn)行仿真，畫(huà)出相應(yīng)的曲線。根據(jù)仿真的曲線算出甘蔗的V2=755.5mm/s，比之前上升了8.3%;第三步，更改耙齒相連Bushing的剛度數(shù)值K。同時(shí)增加或減少K值10%，得到K=3300N·mm/deg和K=2700N·mm/deg，之后再進(jìn)行仿真;最后算出其速度依次達(dá)到V2=670.7mm/s和V2=770mm/s，

相比于原值分別下降或者增多了3.8%和10.4%。

2.3結(jié)論

根據(jù)前面的仿真結(jié)果可以得出，增強(qiáng)Bushing的剛度數(shù)值K無(wú)法提升甘蔗的運(yùn)輸速度，而提升耙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度或者下調(diào)K值都能夠提升甘蔗的運(yùn)輸速度。只是相比于提升耙輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，在更改都達(dá)到10%的情況下，降低剛度K后甘蔗物流的速度上升更加明顯。因此我們能夠推斷出，使用的彈性材料的硬度要稍小，運(yùn)輸?shù)男Ч艜?huì)更佳。因此能夠通過(guò)減弱Bushing相連的剛度數(shù)值K，從而得到一個(gè)較好的K值，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的物流運(yùn)輸速度需求。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)分析喂入裝置的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)喂入裝置的設(shè)計(jì)，并使用模擬仿真的技術(shù)對(duì)裝置展開(kāi)了仿真研究，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。同時(shí)在多種實(shí)驗(yàn)下，分析了不同因素對(duì)喂入能力的作用及影響，并得出該喂入裝置組成簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)的結(jié)論，從而能夠有效解決甘蔗堵塞的問(wèn)題。

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