甘蔗收獲機喂入輥的改進設計

蔡力 陳金鑫 王海波

摘要 ? ?甘蔗收獲機的喂入系統位于物流通道的前方，是甘蔗收獲機的重要組成部分，而喂入輥是喂入系統的第一環節，直接影響甘蔗向后輸送的通暢性。為了降低甘蔗輸送物流堵塞的概率以及提高喂入輥的壽命，本文設計了一款新型耙齒喂入輥。通過試驗發現，新型耙齒喂入輥能夠有效降低物流堵塞概率。

關鍵詞 ? ?甘蔗收獲機;喂入輥;仿真分析

中圖分類號 ? ?S225 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）15-0172-01 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

甘蔗是我國制糖工業的重要原料[1]，設計出高效的整稈式甘蔗收獲機將會大幅提升甘蔗收獲效率，利于農業經濟發展。整稈式甘蔗收獲機的喂入系統不僅影響甘蔗宿根的破頭率和切割質量，對甘蔗在收獲機中的物流通順性也有影響[2]。喂入輥又是喂入系統中的重要部件，因而設計一種高性能的喂入輥具有重要意義。針對甘蔗收獲機的喂入輸送物流系統方面已有一些研究。沈中華等[3]建立了甘蔗輸送系統的模型，利用虛擬樣機技術進行仿真試驗，發現增加一級喂入輥能夠有效降低甘蔗在輸送系統中的堵塞概率;周 ?勇等[4]設計了一種斜置式甘蔗切割機喂入裝置，通過正交試驗找到了高喂入率的性能參數。本文對影響喂入效果的零件進行仿真分析，得到了一種性能優良的新型耙齒喂入輥，通過試驗驗證了新型耙齒喂入輥的性能效果。

1 ? ?結構與工作原理

喂入系統主要由喂入輥和輸送輥等2個部分構成，其結構如圖1所示。甘蔗收獲機在工作時，喂入系統接收來自切割器切割好的甘蔗，喂入輥的耙片通過與甘蔗表面摩擦作用力，提供甘蔗向后輸出的動力，并由輸送輥夾持迅速送入后續的剝葉斷尾機構進行甘蔗的剝葉和去尾工作。

2 ? ?現有喂入輥存在的問題以及改進

2.1 ? ?喂入輥現有問題分析

課題組通過視頻監控系統得到甘蔗收獲機在甘蔗喂入輸送系統中的整個輸送狀態（圖2）。可以發現，存在輸送甘蔗動力不足問題，導致有些甘蔗不能進入耙片當中;同時由于耙片間隙過大出現甘蔗漏入喂入輥形成卡死現象。

一是田間生產的甘蔗直徑不一，現有耙齒的設計依據平均直徑，并不能良好兼容不同直徑的甘蔗;二是原有設計矩形齒為直角，容易導致應力集中、強度不足;三是輕量化設計不足，由于高速旋轉產生偏心，在甘蔗的輸送中容易壓縮甘蔗的物流通道，最終造成甘蔗的物流堵塞。

2.2 ? ?喂入輥的改進設計

針對上述問題，利用三維繪圖軟件設計出了一款新型的耙齒喂入輥，如圖3所示。材料彈性模量為0.007 8 GPa，泊松比0.47，材料密度1.25 g/cm3。新型梯形齒喂入輥對于甘蔗的輸送具有自適應調心的功能，使甘蔗在物流輸送通道中不會左右擺動，就不會由于漏輸送甘蔗發生卡死現象（圖4）;新型耙齒喂入輥還能夠有效兼容不同直徑的甘蔗，包裹性更強。為更好地體現工作時受力狀態，利用ANSYS有限元分析軟件對喂入輥耙片進行受力分析（圖4）。在相同的載荷下，梯形齒形的喂入輥耙片更穩定，形變更小;改進前的喂入輥耙片最大工作應力值為37.1 Pa，改進后的梯形喂入輥耙片最大應力值23.4 Pa，且改進前后出現應力最大值處也相同，說明梯形齒形的喂入輥更能適應工作應力更大的場合（圖5）。

2.3 ? ?喂入輥耙齒應用

設定喂入輥轉速分別為165、200、230 r/min，得到甘蔗在物流通道的滯留時間，每個轉速進行10次試驗，最后取平均值（表1）。結果表明，在喂入輥轉速一致的情況下，改進后的喂入輥使甘蔗的滯留時間同比減少18.5%～24.8%，能有效降低甘蔗在物流通道的堵塞概率;隨著轉速的提高，滯留時間也減少，喂入輥在轉速為230 r/min時，較165 r/min滯留時間減少31%。說明適當提高喂入輥轉速能有效降低甘蔗滯留時間，降低物流通道堵塞概率。

3 ? ?結論

（1）新設計的新型耙齒喂入輥，最大工作應力值較改進前小，可適應更大的工作應力場合。

（2）改進后的喂入輥使甘蔗的滯留時間同比減少18.5%～24.8%，能有效降低甘蔗堵塞概率，為后續物理樣機的開發提供了參考依據。

4 ? ?參考文獻

[1] 張長獻，魯華.廣西甘蔗機械化收獲現狀及建議[J].農業工程，2019，9（4）：5-9.

[2] 李尚平，鄧雄，葉才福，等.甘蔗切割器螺旋提升機構輸送性能分析與改進[J].農業工程學報，2016，32（5）：21-28.

[3] 沈中華，范博，李尚平.提高整稈式甘蔗收割機喂入速度的仿真試驗及改進效果[J].湖南農業大學學報（自然科學版），2017，43（4）：451-455.

[4] 周勇，區穎剛，莫肈福.斜置式甘蔗切割喂入裝置設計及試驗[J].農業工程學報，2012，28（14）：17-23.