甘蔗收獲機站稈式收割系統(tǒng)設計與仿真分析

江佳運，陸靜平

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

收割系統(tǒng)是甘蔗收獲機的重要組成部分，其優(yōu)劣直接影響甘蔗的收割質量以及輸送和除雜效果[1]。當前，市場上大部分收獲機采用的是“壓倒-切割-提升輸送”的推倒式收割方式[2]，即通過壓蔗裝置把甘蔗推倒后，刀具對根部進行切割，刀盤上的螺旋機構再將甘蔗提升輸送。國外一些制糖工業(yè)發(fā)達的國家，由于甘蔗種植地廣闊平坦，加上糖廠先進的榨糖技術，能夠較好地適應推倒式收割方式。而在我國的甘蔗種植環(huán)境下，推倒式收割存在著一系列的問題[2]。首先，甘蔗推倒后容易連根拔起，影響甘蔗的切割質量，且對來年甘蔗的發(fā)芽發(fā)育造成影響；其次，切割拔起的甘蔗無反向壓力致使刀具割入土層增大刀具切割的阻力，也加劇刀具的磨損；除此之外，切割后的甘蔗通過底盤提升裝置輸入輥筒時較控制而使大量甘蔗在窄小的空間內集結，容易造成機器堵塞。針對推倒式收割存在的弊端，本研究進行甘蔗收獲機站稈式收割系統(tǒng)的設計，使甘蔗在直立狀態(tài)下刀盤緊貼地面切割，以期能達到提高甘蔗切割質量和避免機器堵塞的收割效果。

1 整體結構與工作原理

甘蔗站稈式收割系統(tǒng)如圖1所示，主要有撥桿機構、雙圓盤切割器和輸送通道等結構組成。底部為切割器，支撐桿件安裝在刀盤上方，撥桿安裝在撥盤上形成撥桿機構，由液壓馬達驅動其繞撥盤軸轉動。每側安裝兩個撥桿機構以增大對甘蔗的作用效果，并且兩側成對稱狀態(tài)。與撥桿機構相連的是輸送通道，其設計成以鏈條傳動為動力的輸送機構，鏈條安裝在輸送通道兩側，并且有數(shù)根鋼條依附在鏈條上隨其傳動，甘蔗可在鋼條的支撐下隨著鏈條傳動送至喂入輥筒中。

圖1 站稈式收割系統(tǒng)結構示意圖

收獲機工作時，在兩側撥桿往回轉動的作用下使得甘蔗往里收攏，甘蔗便與支撐桿件接觸，甘蔗在受到支撐桿件與撥桿拉動的共同作用下達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此時底部的刀盤緊貼地面并對甘蔗根部進行切割，切割后的甘蔗在撥桿的回拉以及收獲機往前行駛的共同作用下，甘蔗順勢落入收割系統(tǒng)的輸送通道中，進而輸送進入喂入輥筒里面，至此完成甘蔗的收割部分工作。

相較于推倒式收割而言，站稈式收割避免了甘蔗因單向受力而產(chǎn)生的根部損傷現(xiàn)象，由于甘蔗在夾持狀態(tài)下切割，因此刀具可以在不入土情況下工作，切割后的甘蔗落入到開放式的輸送通道中，能夠很大程度地緩解了收獲機的機器堵塞問題。

2 虛擬樣機仿真分析

2.1 仿真模型的建立

收割系統(tǒng)三維模型在Solidworks建立后導入到ADAMS中。甘蔗三維模型在Ansys中建立后選擇單元類型為20節(jié)點的結構單元solid186，設置材料密度為1 100 kg/m3，彈性模量為1.1×1011Pa，泊松比為0.33，并進行六面體網(wǎng)格劃分后導出mnf文件到ADAMS中[3]，與收割系統(tǒng)形成剛柔耦合模型。

在ADAMS中，設置整個機構與地面形成移動副并根據(jù)實際工作情況添加0.5 m/s的平移驅動，設置撥桿機構與機架形成轉動副并添加旋轉驅動，設置甘蔗與機構零部件的接觸力[4]。甘蔗與地面的連接效果通過設置軸套力替代，當?shù)侗P與甘蔗產(chǎn)生接觸時使軸套力失效替代甘蔗被切割的效果，如圖2所示，ADAMS中在刀盤中心和甘蔗根部建立一個Marker點，利用傳感器判斷兩個Marker點的距離為接觸狀態(tài)時使軸套力失效，若刀盤直徑為R，甘蔗半徑為r，當l=R-r時使得軸套力失效，則傳感器設置為DX（Marker_1，Marker_2）=R-r時終止當前仿真并繼續(xù)腳本仿真。整個過程中設置仿真時長為1.5 s，步長為200，利用腳本進行仿真，仿真腳本為：

圖2 甘蔗與刀盤Marker點的建立

軸套力失效后，撥桿回拉過程中，觀察在甘蔗與收割系統(tǒng)零部件的接觸力的作用下其運動效果，觀察其是否能夠順利落入系統(tǒng)的輸送通道中。

2.2 收割過程仿真分析

為了便于分析仿真過程，在不影響仿真結果的前提下簡化整個收割系統(tǒng)。撥桿對甘蔗的作用運動效果影響最大，因此設置不同的撥桿轉速，找出甘蔗能夠順利落入輸送通道的參數(shù)，撥桿轉速為40～120 r/min，車速設定為0.5 m/s，得到的結果見表1。

表1 仿真條件及結果

當行駛速度為0.5 m/s，撥桿轉速為60 r/min時甘蔗能夠順利落入輸送通道，收獲仿真過程如圖3所示。收割前甘蔗通過軸套力連接直立在地面上，隨著收割系統(tǒng)前進和兩側撥桿旋轉回拉的作用下甘蔗處于一個被夾持的狀態(tài)，此時底部刀盤進行根部切割使得甘蔗與地面軸套力失效，甘蔗順勢落入輸送通道，在輸送通道的傳送中甘蔗進入剝葉箱完成收割工作。

圖3 甘蔗收獲仿真過程

收割系統(tǒng)工作時，甘蔗質心的位移主要經(jīng)歷撥桿回拉—落入通道—輸送提升三個階段，甘蔗柔性體質心在豎直方向的位移變化曲線如圖4所示。撥桿隨著收獲機作前進運動，并且繞著撥盤中心作旋轉運動，撥桿端點在車輛行駛方向位移變化曲線如圖5所示。

通過觀察甘蔗質點曲線變化，可以看到在0.9 s處甘蔗質心開始下降，在0.9～1 s處下降相對緩慢，1～1.15 s迅速下降，之后1.15～1.5 s呈上升趨勢。根據(jù)分析可得0.9 s時撥桿與甘蔗接觸，在撥桿的回拉作用下甘蔗輕微擺動使得質心向下，1 s時由于甘蔗根部切割后落入輸送通道中質心下降到最低，1.15 s后隨著輸送通道向上運輸，質心位置開始呈現(xiàn)上升趨勢。觀察撥桿端點的曲線變化可得撥桿回拉時間區(qū)間為0.8 s～1.2 s，由撥桿為勻速轉動可得1 s時撥桿正處于夾持甘蔗位置，而1 s的時間點恰是甘蔗質點迅速下降的時間，由此可得撥桿在對甘蔗夾持狀態(tài)下完成甘蔗根部切割，甘蔗隨之落入到輸送通道中，符合甘蔗收割的要求。

3 結束語

針對傳統(tǒng)甘蔗收獲機推倒式收割存在的問題，提出了一種采用站稈收割方式的甘蔗收割系統(tǒng)，對其結構組成與工作原理進行了闡述，并在ADAMS中建立甘蔗收割的剛柔耦合模型，通過仿真實驗得到了在行速度為0.5 m/s，撥桿轉速為60 r/min的條件下，甘蔗能夠順利地落入輸送通道進入剝葉箱中。通過對甘蔗質心的運動曲線和撥桿端點的運動曲線的分析，得到的結論是：撥桿機構對甘蔗的作用效果符合收割的要求，收割系統(tǒng)具有技術可靠性。