新型甘蔗剝?nèi)~機(jī)仿真與試驗(yàn)研究

沈中華，黃 博

(桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

目前，甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~機(jī)理普遍采用離心力沖擊法[1]，通過高速轉(zhuǎn)動的剝?nèi)~輥帶動剝?nèi)~元件對喂入的甘蔗莖稈施加沖擊力，隨著剝?nèi)~輥的剝?nèi)~工作元件反復(fù)“抽打”蔗葉，使蔗葉與蔗莖剝離開來，從而完成剝?nèi)~工作。由于成熟后甘蔗的尾梢被蔗葉緊緊包裹，傳統(tǒng)剝?nèi)~方法很難將甘蔗尾梢的蔗葉剝離開來，從而造成甘蔗剝?nèi)~過程中斷尾困難、含雜率及剝?nèi)~元件磨損高[2-3]等問題。為此，設(shè)計了一套新型甘蔗剝?nèi)~系統(tǒng)，在剝?nèi)~工序前加入碎葉機(jī)構(gòu)。工作時，甘蔗在通過碎葉機(jī)構(gòu)，碎葉機(jī)構(gòu)將甘蔗梢部包覆緊密的蔗葉預(yù)先擊碎，完成碎(剝)葉同時，失去尾部蔗葉保護(hù)的甘蔗梢部脆弱部分暴露出來；當(dāng)斷尾刷[4]打擊到甘蔗的脆弱點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)斷尾，達(dá)到剝?nèi)~效率最大化。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與原理分析

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

剝?nèi)~系統(tǒng)由喂入機(jī)構(gòu)、碎葉機(jī)構(gòu)、剝?nèi)~機(jī)構(gòu)及輸出機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。各機(jī)構(gòu)在機(jī)架上都有調(diào)節(jié)孔，試驗(yàn)中可通過調(diào)整相應(yīng)的安裝位置達(dá)到改變參數(shù)的目的,方便參數(shù)對比試驗(yàn)。

1.2 工作原理

第1級喂入機(jī)構(gòu)，上輥采用齒型橡膠刷，下輥采用表面粗糙的橡膠軟管固定在輥筒上，喂入機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，輸送不易擁堵，夾持甘蔗產(chǎn)生相對穩(wěn)定的速度進(jìn)入碎葉機(jī)構(gòu)；碎葉機(jī)構(gòu)中碎葉元件采用具有良好的韌性和抗磨損能力彈簧鋼繞制成類似彈簧回型結(jié)構(gòu)，碎葉針不會在高速“抽打”甘蔗或與甘蔗撞擊中發(fā)生彎折，如圖2所示。

1.齒型刷喂入上輥 2.喂入下輥 3.碎葉下輥 4.碎葉上輥 5.剝?nèi)~下輥 6.剝?nèi)~上輥 7.輔助運(yùn)輸輥 8、9.輸出機(jī)構(gòu) 10.機(jī)架及側(cè)板圖1 剝?nèi)~系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of leaf-stripping system

(a) 碎葉元件

(b) 碎葉輥結(jié)構(gòu)圖2 碎葉輥的主要工作元件及結(jié)構(gòu)Fig.2 The main working elements and structure of blades roller

剝?nèi)~機(jī)工作時，碎葉針沿著蔗葉的葉脈方向?qū)Ω收徇M(jìn)行“順切”，此種剝?nèi)~情況下甘蔗葉最大應(yīng)力強(qiáng)度遠(yuǎn)小于甘蔗蔗稈表皮應(yīng)力強(qiáng)度，蔗葉被剪切成為更有幾何規(guī)律的窄小的細(xì)碎葉片而順暢地排出，不易造成堵塞；由于碎葉元件應(yīng)力要求的變小，降低元件損耗。其中，碎葉機(jī)構(gòu)起到主要的碎(剝)葉作用，第3級剝?nèi)~機(jī)構(gòu)僅起輔助兩次剝?nèi)~作用，縱向布置帶紋理的橡膠片，利用側(cè)面產(chǎn)生的摩擦力將小部分打碎而末端仍與蔗稈相連的蔗葉除凈，提升了整個剝?nèi)~系統(tǒng)的最終剝?nèi)~效率。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h3>

剝?nèi)~系統(tǒng)模型在三維設(shè)計軟件Pro/E中完成，對部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡化以減少仿真計算時間并導(dǎo)入多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS中進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。本次仿真實(shí)驗(yàn)主要對關(guān)鍵碎葉機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，模擬在喂入機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定喂入速度的仿真環(huán)境中，對碎葉機(jī)構(gòu)剝?nèi)~有關(guān)影響因素進(jìn)行控制單因素變量實(shí)驗(yàn)。剝?nèi)~系統(tǒng)模型如圖3所示。其中，喂入齒形刷寬6mm，高90mm；下輥均勻布8根橡膠條，內(nèi)徑35mm外徑40mm；兩碎葉對輥仿真結(jié)構(gòu)相同，單個輥有4組碎葉針繞軸心成90°間隔，每組12個碎葉針，直徑2.5mm，長160mm，兩兩相距20mm。喂入與碎葉機(jī)構(gòu)中心距500mm，兩機(jī)構(gòu)有效作用寬度相同為300mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

為仿真實(shí)驗(yàn)效果更接近實(shí)際狀況，對甘蔗、碎葉針、橡膠元件模型進(jìn)行了柔性化處理。為防止仿真過程中因柔性元件的變形過大導(dǎo)致仿真實(shí)驗(yàn)失敗，凡是與輥筒直接接觸的柔性體內(nèi)表面均進(jìn)行了鋼化設(shè)置。其中，碎葉針工作端與固定端共同構(gòu)成柔性體，綜合計算其柔性數(shù)據(jù)并對仿真模型中碎葉針材料進(jìn)行定義；將建立好的柔性元件轉(zhuǎn)換為MNF格式文件并導(dǎo)入ADAMS中，分別替換原來Pro/E設(shè)計的零件最終建立起來的甘蔗、碎葉元件及橡膠元件的仿真模型。剝?nèi)~系統(tǒng)中橡膠元件密度9.01×10-7kg/mm3，彈性模量取7.87×102N/mm2，泊松比0.46，甘蔗模型植株長度取2 400mm。為方便仿真計算視甘蔗為直徑35mm圓柱體，設(shè)置其密度1.20×10-6kg/mm3，彈性模量1.49×104N/mm2，泊松比0.34，碎葉針的密度為7.85×10-6kg/mm3，彈性模量2.06×105N/mm2，泊松比0.29[5-6]。

(a) 剝?nèi)~系統(tǒng)虛擬模型

(b) 簡化后仿真模型圖3 剝?nèi)~系統(tǒng)模型建立Fig.3 Modeling of leaf-stripping system

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)確定

由參考文獻(xiàn)[7-8]可以確定該碎葉對輥對向運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)學(xué)模型中，產(chǎn)生用于碎(剝)的離心力與對輥轉(zhuǎn)速、工作元件交錯角度及交錯深度有主要關(guān)系。為增加此套剝?nèi)~系統(tǒng)的廣泛適用性，適用于當(dāng)前甘蔗收獲機(jī)整體收獲量及收獲效率等技術(shù)要求，選取第1級喂入機(jī)構(gòu)初始轉(zhuǎn)速200r/min，第2級碎葉對輥的初始轉(zhuǎn)速650r/min，碎葉元件交錯深度為15°，交錯深度為5cm，以上數(shù)據(jù)作為仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)參數(shù)。

2.4 仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計

在保證仿真精度降低計算機(jī)計算量的前提下，本次仿真采用連續(xù)仿真[9]的方式，設(shè)置仿真時間為4s，作為整個仿真實(shí)驗(yàn)所用時間，包含甘蔗從未接觸直至經(jīng)過喂入、碎葉機(jī)構(gòu)到完全離開剝?nèi)~系統(tǒng)全過程，仿真步數(shù)為1 500步。參考資料[10]中，甘蔗稈莖極限破壞強(qiáng)度為46.5N/mm2，由碎葉針各項(xiàng)仿真模型參數(shù)可以計算得出此套碎葉機(jī)構(gòu)對甘蔗的打擊力不超過232.5N，越接近該值理論上碎(剝)葉效果最佳。仿真實(shí)驗(yàn)第1步進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證，單根甘蔗進(jìn)行多組控制單因素變量實(shí)驗(yàn)，確定對輥轉(zhuǎn)速、交錯深度及交錯角度之間的最優(yōu)參數(shù)選擇；第2步模擬實(shí)際作業(yè)，檢驗(yàn)多根甘蔗同時剝?nèi)~在此參數(shù)組合下是否能達(dá)到理想剝?nèi)~效率。在不同因素仿真時，細(xì)微調(diào)整甘蔗進(jìn)入系統(tǒng)的時間，對同一標(biāo)記點(diǎn)記錄分析數(shù)據(jù)，防止單組因素數(shù)據(jù)圖形部分重疊、覆蓋，更為清晰地判斷力變化趨勢及其值的大小關(guān)系。

2.4.1 碎葉對輥工作元件交錯深度改變時仿真

在ADMAS模型中設(shè)置對輥之間的交錯深度分別為5、10、15cm，對輥轉(zhuǎn)速設(shè)置為650r/min，工作元件交錯角度15°固定不變，得出3組不同深度條件下的甘蔗表面應(yīng)力圖。

仿真結(jié)果如圖4(a)所示。由圖4(a)可知：對甘蔗表面標(biāo)記點(diǎn)單次剝?nèi)~作用歷時約0.1s，取圖像的最高點(diǎn)作為單次剝?nèi)~實(shí)驗(yàn)受力的極值點(diǎn)，3組仿真結(jié)果分別為167.5、181.7、173.1N，交錯深度依次增加5、10cm，甘蔗表面受力分別增加14.2、5.6N。分析交錯深度組仿真結(jié)果可知：此剝?nèi)~系統(tǒng)碎葉元件相互交錯深度為10cm時，甘蔗能夠達(dá)到最佳的分流效果。

2.4.2 碎葉工作元件交錯角度改變時仿真

確定碎葉元件交錯深度為10cm基礎(chǔ)上，其交錯角度按15°、30°、45°3種情況設(shè)置下進(jìn)行仿真，3種不同角度下的應(yīng)力圖如圖4(b)所示。由圖4(b)可知：交錯角度按15°、30°、45°安放時，蔗稈稈莖標(biāo)記點(diǎn)產(chǎn)生的應(yīng)力大小分別為181.7、205.6、187.3N，作用力分別增大23.9、5.6N。分析交錯角度組仿真結(jié)果可知：碎葉對輥工作元件交錯角度按30°實(shí)時能夠達(dá)到最佳剝?nèi)~效果。

2.4.3 碎葉對輥轉(zhuǎn)速改變時仿真

確定此系統(tǒng)中碎葉元件交錯深度為10cm，交錯角度30°能達(dá)到最優(yōu)剝?nèi)~效果的基礎(chǔ)上再進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn)。分別設(shè)定仿真模型中碎葉對輥的轉(zhuǎn)速分別為650、750、850r/min進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。仿真結(jié)果如圖4(c)所示。由圖4(c)可知：甘蔗剝?nèi)~在對輥轉(zhuǎn)速為650、750、850r/min的情況下，標(biāo)記點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力大小分別為205.6、228.5、284.3N，受力改變量為22.9、78.7N。分析以上仿真結(jié)果可知：在轉(zhuǎn)速為850r/min時應(yīng)力增量最大，但此時甘蔗受力284.3N遠(yuǎn)大于蔗稈極限破壞應(yīng)力232.5N，會對甘蔗蔗稈造成損傷。綜上分析，此套剝?nèi)~系統(tǒng)在碎葉對輥轉(zhuǎn)速750r/min、工作元件交錯深度10cm、交錯角度30°時，單根甘蔗工作可以達(dá)到理論上剝?nèi)~效果最佳。

2.4.4 多根甘蔗同時進(jìn)行剝?nèi)~時的仿真

仿真實(shí)驗(yàn)通過對單根甘蔗剝?nèi)~時各個有關(guān)因素驗(yàn)證，得出甘蔗能夠達(dá)到理想剝?nèi)~情況下參數(shù)數(shù)據(jù)設(shè)定，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計多根甘蔗同時進(jìn)入剝?nèi)~系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證在多根甘蔗相互干擾的仿真實(shí)驗(yàn)中該參數(shù)設(shè)置是否仍然有效。仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計5根甘蔗同時進(jìn)入本剝?nèi)~系統(tǒng)，建立5根甘蔗模型并柔性化按設(shè)計方式導(dǎo)入Adams中，對仿真甘蔗進(jìn)行編號1～5號。此時，設(shè)定碎葉元件交錯深度為10cm，交錯角度為30°，碎葉對輥轉(zhuǎn)速為750r/min為基礎(chǔ)參數(shù)，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，如圖4(d)所示。

分析圖4(d)可知：編號1～5甘蔗分別受到力大小為208.1、229.6、210.9、217.3、221.8N。其中，受力最大值為編號2甘蔗達(dá)到229.6N，與極限應(yīng)力之差為2.9N；受力最小值為編號1甘蔗達(dá)到208.1N，與極限應(yīng)力之差為24.4N；5根甘蔗與極限應(yīng)力差值平均值約為15.0N，此值約占極限應(yīng)力值6.5%。由5根甘蔗的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析得出：多根甘蔗同時進(jìn)行剝?nèi)~時，甘蔗之間存在相互干擾、振動、擠壓等情況，對仿真結(jié)果產(chǎn)生了些許影響，多根甘蔗仿真受力結(jié)果值仍在極限應(yīng)力范圍之內(nèi)，且每一根仿真甘蔗都能達(dá)到較為均勻理想的受力，未出現(xiàn)部分甘蔗受力偏差較大的情況。多根甘蔗仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在最優(yōu)參數(shù)條件下模擬實(shí)際作業(yè)中多根工作情況，此套系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，仍可以達(dá)到理想的剝?nèi)~狀態(tài)。

(a)

(b)

(c)

(d)圖4 仿真結(jié)果圖Fig.4 Simulation result diagram

3 物理樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

直觀地驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)中得出系統(tǒng)最佳工作參數(shù)、參數(shù)變化對剝?nèi)~影響的真實(shí)有效性，同時彌補(bǔ)仿真實(shí)驗(yàn)不能考慮到在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中物理樣機(jī)進(jìn)行剝?nèi)~時的諸多問題，與仿真實(shí)驗(yàn)相互參照，更為直接地從甘蔗剝?nèi)~實(shí)際工作情況，來記錄并分析各項(xiàng)有關(guān)結(jié)果數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)甘蔗為臺糖22號甘蔗，單株高3 400～3 700mm，直徑35～50mm，單根質(zhì)量約2～3kg。自制的甘蔗剝?nèi)~試驗(yàn)臺，長2 400mm皮帶輸送機(jī)。試驗(yàn)臺的制作為方便計算該剝?nèi)~系統(tǒng)完整的剝?nèi)~效率，除本文設(shè)計的喂入、碎葉、兩次剝?nèi)~裝置外還有加入輔助斷尾機(jī)構(gòu)。喂入、碎葉、剝?nèi)~裝置分別連接單獨(dú)電機(jī)與變頻器，通過不同變頻器調(diào)節(jié)控制樣機(jī)試驗(yàn)中不同機(jī)構(gòu)所需的不同運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

物理樣機(jī)試驗(yàn)通過對比試驗(yàn)的方法，探究剝?nèi)~系統(tǒng)中關(guān)鍵的碎葉機(jī)構(gòu)在不同參數(shù)設(shè)置下甘蔗剝?nèi)~的作用效果差異，對仿真實(shí)驗(yàn)中有關(guān)變量進(jìn)行合理分組，控制單因素變量進(jìn)行多組對比試驗(yàn)，并觀察記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)中多根甘蔗仿真數(shù)據(jù)，樣機(jī)實(shí)驗(yàn)同樣選取5根甘蔗喂入的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來印證仿真實(shí)驗(yàn)中多根甘蔗仿真結(jié)論。圖5為甘蔗剝?nèi)~試驗(yàn)臺設(shè)置與部分試驗(yàn)圖。

剝?nèi)~試驗(yàn)臺如圖5(a)所示；圖5(b)為在仿真實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)參數(shù)下達(dá)到較高的剝?nèi)~效果時實(shí)際剝?nèi)~的前后對比圖；圖5(c)表明當(dāng)在碎葉對輥轉(zhuǎn)速超過一定數(shù)值[11]情況下，產(chǎn)生較高的離心力損傷蔗稈從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。根據(jù)樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果可以得出：該剝?nèi)~系統(tǒng)在碎葉對輥轉(zhuǎn)速為750r/min、碎葉元件交錯深度10cm、交錯角度30°時，可以達(dá)到整組樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中最佳剝?nèi)~效果。

(a) 剝?nèi)~試驗(yàn)臺

(b) 最佳參數(shù)條件下剝?nèi)~前后對比圖

(c) 過高轉(zhuǎn)速下甘蔗剝?nèi)~蔗桿損傷圖5 試驗(yàn)臺與部分甘蔗剝?nèi)~實(shí)驗(yàn)圖Fig.5 Test bench and partial experiment picture of sugarcane leaf-peeling

根據(jù)NYT 1770-2009甘蔗剝?nèi)~機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范，合格甘蔗剝?nèi)~機(jī)需滿足含雜率≤3%，剝?nèi)~率≥72%。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Prototype experimental results

含雜率為

(1)

式中Jh—含雜率(%)；

Wz—剝?nèi)~過后殘留在蔗稈上的蔗葉及根須等雜質(zhì)的質(zhì)量之和(kg)；

Wzj—經(jīng)過剝?nèi)~后的蔗桿與殘留在蔗稈上的雜質(zhì)質(zhì)量總和(kg)。

剝?nèi)~率為

(2)

式中Jb—剝?nèi)~率(%)；

Wj—剝?nèi)~后除去蔗葉和根須等雜質(zhì)的純蔗稈質(zhì)量(kg)。

4 結(jié)論

1)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)表明：此剝?nèi)~系統(tǒng)中，在第一級喂入機(jī)構(gòu)保證一定甘蔗剝?nèi)~初速度進(jìn)入碎葉工序以及第三級剝?nèi)~機(jī)構(gòu)起到輔助除凈殘余蔗葉作用的前提下，當(dāng)碎葉對輥轉(zhuǎn)速為750r/min、碎葉元件交錯深度10cm、交錯角度30°時，甘蔗受力達(dá)到允許值范圍內(nèi)最大值，即此時剝?nèi)~效率理論上達(dá)到最大。

2)物理樣機(jī)試驗(yàn)表明：加入碎葉機(jī)構(gòu)的剝?nèi)~系統(tǒng)，甘蔗頂端難剝的包覆緊密葉鞘被碎葉針劃開、剝下并成細(xì)碎條狀輸出；在仿真最優(yōu)參數(shù)下，此套剝?nèi)~系統(tǒng)的剝?nèi)~含雜率0.88%，剝?nèi)~率達(dá)到97.12%，相對市面?zhèn)鹘y(tǒng)剝?nèi)~機(jī)械剝?nèi)~效率有明顯的提升，能較為高效地完成蔗葉分離工序。

3)虛擬樣機(jī)仿真試驗(yàn)為物理樣機(jī)制作、實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)，節(jié)省了設(shè)計制造時間與成本。