基于虛擬仿真技術(shù)的甘蔗收割機(jī)喂入裝置研究

盛奮華，陳祖爵

( 1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信與信息工程系，江蘇 蘇州　215200；2.江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212000)

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基于虛擬仿真技術(shù)的甘蔗收割機(jī)喂入裝置研究

盛奮華1，陳祖爵2

( 1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信與信息工程系，江蘇 蘇州215200；2.江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212000)

摘要：針對(duì)小型甘蔗收割機(jī)阻塞嚴(yán)重和機(jī)械效率低的問(wèn)題，提出了收割機(jī)的優(yōu)化方案，主要包括對(duì)喂入裝置傾斜角度、刀片轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行進(jìn)速度的優(yōu)化。設(shè)計(jì)了喂入裝置的參數(shù)尺寸，并使用UG6.0建立了優(yōu)化后虛擬樣機(jī)的三維模型，將模型導(dǎo)入到ADMAS軟件中進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)3種優(yōu)化項(xiàng)目進(jìn)行正交仿真模擬實(shí)驗(yàn)，得到了3種優(yōu)化項(xiàng)目對(duì)收割機(jī)收割效果的顯著性影響結(jié)果。由顯著性計(jì)算結(jié)果可以看出：只有一次的喂入率小于90%，最佳整稈率組合為A1B2C2，最低損失率和漏割率組合為A2B1C1和A1B3C3。對(duì)漏割率和損失率進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)：A和B對(duì)漏割率的影響顯著，C和B對(duì)損失率的影響顯著，因此需要綜合考慮這些因素，使收割機(jī)的收割效果達(dá)到最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：甘蔗收割機(jī)；虛擬樣機(jī)；仿真模擬；三維模型；ADMAS軟件

0引言

在甘蔗整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，收割環(huán)節(jié)是勞動(dòng)強(qiáng)度最大、用工最多的環(huán)節(jié)，也是甘蔗機(jī)械化生產(chǎn)的難點(diǎn)。甘蔗的生產(chǎn)地主要以丘陵地形為主，甘蔗的種植面積較小，決定了在甘蔗自動(dòng)化收割過(guò)程中，不能使用大型的收割機(jī)械。因此，在相對(duì)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，甘蔗的收割主要以小型收割機(jī)為主。在小型收割機(jī)收割過(guò)程中，普遍存在的問(wèn)題是堵塞嚴(yán)重和效率過(guò)低，嚴(yán)重阻礙了甘蔗收割機(jī)的推廣和使用。為了提高甘蔗收割機(jī)的機(jī)械效率，筆者分析了各種因素對(duì)甘蔗收割機(jī)收割效果的影響，使用虛擬樣機(jī)仿真模擬的方法，對(duì)各種影響因素進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，從而為優(yōu)化甘蔗收割機(jī)的設(shè)計(jì)提供較有價(jià)值的理論依據(jù)。

1甘蔗收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程分析

由于甘蔗種植面積小，目前一般采用小型甘蔗收獲機(jī)。小型甘蔗收獲機(jī)主要由5部分組成，包括喂入裝置、輸送系統(tǒng)、剝?nèi)~系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)和行走裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。甘蔗通過(guò)喂入裝置進(jìn)入收割機(jī)后容易造成阻塞，一般來(lái)說(shuō)，甘蔗直徑低于30mm時(shí)，在高度方向可以同時(shí)容納兩根甘蔗，甘蔗過(guò)多容易阻塞。收割作業(yè)的過(guò)程如圖2所示。

1.甘蔗　2.扶分蔗輥　3.壓蔗輥　4.齒輪箱

圖2　甘蔗收割作業(yè)示意圖

在設(shè)計(jì)喂入裝置時(shí)，需要考慮甘蔗的受力情況，明確收割機(jī)的作業(yè)過(guò)程。甘蔗在喂入裝置的作用下，通過(guò)拉斷后進(jìn)入錕筒，在普通無(wú)膠指輥筒作用下，在通道橫向截面內(nèi)的受力分析如圖3所示。

圖3　甘蔗收割作業(yè)過(guò)程受力示意圖

圖3中，甘蔗在a、b和c在3個(gè)通道內(nèi)堆疊，y軸表示豎直方向，x軸表示水平方向。對(duì)甘蔗進(jìn)行受力分析，假設(shè)甘蔗c在x方向受力為Fx，y方向受力為Fy，則其受力表達(dá)式為

(1)

其中，F(xiàn)f上c和F上c為錕筒上方x和y方向上對(duì)甘蔗的作用力，F(xiàn)ac和fac分別表示甘蔗a對(duì)甘蔗c的反作用力及相互摩擦力。

2喂入裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

為了防止甘蔗收割機(jī)喂入裝置發(fā)生阻塞，需要保證甘蔗在收割時(shí)不發(fā)生重疊的情況，因此需要保證甘蔗頭部之間的距離。首先將第1株收割時(shí)作為計(jì)算時(shí)間的點(diǎn)，當(dāng)工作t時(shí)間后，第1株被運(yùn)送的距離為

S1=vtt

(2)

則第2株的運(yùn)送距離為

S2=vt(t-S/vm)

(3)

第1株和第2株重疊后的長(zhǎng)度為

H1=H-(S1-S2)

(4)

將公式進(jìn)行整合后可得

(5)

由式(5)可知：當(dāng)H1>0，兩株甘蔗發(fā)生重疊；當(dāng)H1<0，兩株甘蔗未重疊。其中，H1和多種因素有關(guān)，主要包括收割機(jī)的前進(jìn)速度、刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速及刀盤(pán)的傾角。當(dāng)重疊量過(guò)多時(shí)，會(huì)有多株甘蔗聚集在喂入口部，阻塞嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響收割機(jī)的正常工作；特別是在遇到株距較小的作業(yè)工況時(shí)，收割機(jī)更容易發(fā)生阻塞。

為了保證收割機(jī)的作業(yè)效率，收割機(jī)速度不能太低，駕駛員也不可能通過(guò)頻繁使用換擋來(lái)改變甘蔗的喂入量。為了避免收割機(jī)出現(xiàn)阻塞，應(yīng)該重點(diǎn)設(shè)計(jì)甘蔗輸送系統(tǒng)的輸送速度和刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度。一般來(lái)說(shuō)，甘蔗導(dǎo)入偏角在25°~65°，因此在設(shè)計(jì)喂入裝置時(shí)需要將裝置設(shè)計(jì)成斜置式，刀盤(pán)中心線與水平方向呈30°角，輸送裝置與水平方向呈45°角，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.臺(tái)架　2. 輸送裝置　3.切割喂入裝置　4.支撐輪　5.推蔗裝置

在甘蔗收割機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，刀盤(pán)切刀的數(shù)目選擇為2~8。因刀片數(shù)目過(guò)多會(huì)造成重割，刀片數(shù)目少會(huì)造成漏割，本次設(shè)計(jì)選定刀片數(shù)為3個(gè)，每個(gè)刀片之間的角度為60°。為了避免漏割，取刀片的工作長(zhǎng)度尺寸為

(6)

其中，L表示刀具的工作長(zhǎng)度；Smax表示進(jìn)距的最大值；Zn表示刀片的數(shù)目，Vm≤1.0m/s ，則刀盤(pán)的半徑可以表示為

R=Rp-L

(7)

其中，Rp表示圓盤(pán)切割器的長(zhǎng)度，可以根據(jù)喂入裝置的三維尺寸，建立甘蔗收割機(jī)的虛擬樣機(jī)。利用虛擬仿真軟件對(duì)喂入裝置進(jìn)行仿真模擬，從而達(dá)到優(yōu)化喂入裝置的目的。

3提高喂入能力的虛擬仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證喂入裝置的傾斜角度、刀片轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行進(jìn)速度對(duì)甘蔗收割機(jī)總體收割效果的影響，利用UG6.0建立了聯(lián)合收獲機(jī)喂入裝置的三維模型，并將模型導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真總體模型如圖5所示。

1.扶蔗輥　2.甘蔗　3.上壓蔗輥　4.主動(dòng)喂入輥

甘蔗收割機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括扶蔗輥、上壓蔗輥和主動(dòng)喂入輥，將三維模型導(dǎo)入ADMAS軟件，其導(dǎo)入界面如圖6所示。

圖6　模型導(dǎo)入界面圖

ADMAS是專(zhuān)業(yè)的虛擬樣機(jī)分析軟件，其兼容性較好，可以導(dǎo)入U(xiǎn)G、Solidworks、CAD等一系列建模軟件設(shè)計(jì)的模型，其模型導(dǎo)入后如圖7所示。

圖7　喂入結(jié)構(gòu)三維結(jié)果部分導(dǎo)入圖

將三維模型導(dǎo)入到Admas軟件后可以對(duì)其進(jìn)行一系列的設(shè)置，包括各種接觸參數(shù)、材料設(shè)置、阻尼設(shè)置和摩擦力等，其設(shè)置界面如圖8所示。

圖8　運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真參數(shù)定義

甘蔗在收割機(jī)總的輸送過(guò)程主要是利用甘蔗和其他部件間的摩擦力和接觸來(lái)完成的，根據(jù)赫茲接觸理論，定義接觸參數(shù)，其界面如圖8所示。其中,Stiffness表示材料剛度的設(shè)定，F(xiàn)orce Exponent表示材料剛度的貢獻(xiàn)指數(shù)定義，Damping表示接觸阻尼的定義。定義完成后可以設(shè)置甘蔗和喂入裝置之間的碰撞，其三維結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　碰撞三維模型

在ADMAS軟件運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模擬過(guò)程中，甘蔗和喂入裝置之間的碰撞需要通過(guò)大量的重復(fù)命令來(lái)完成。為了降低工作量，提高仿真模擬效率，對(duì)于甘蔗和收割機(jī)之間的碰撞，可以利用ADMAS自帶的命令宏來(lái)完成。

4仿真結(jié)果分析

根據(jù)前文的分析，甘蔗收割機(jī)的收割效率主要受到喂入裝置傾斜角度、刀片旋轉(zhuǎn)速度和收割機(jī)行進(jìn)速度的影響，因此在仿真模擬是利用這3個(gè)條件的變化，對(duì)其收割效率進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn).正交實(shí)驗(yàn)的因素水平如表1所示。

利用不同影響因素之間的組合關(guān)系，可以對(duì)收割機(jī)的收割效率進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)。得到正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1　甘蔗收割機(jī)正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

由表2可以看出:在所有模擬試驗(yàn)中，只有一次的喂入率<90%，不能使用該組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，最佳整稈率組合為A1B2C2，最低損失率和漏割率組合為A2B1C1和A1B3C3，對(duì)漏割率進(jìn)行方差分析，得到了如表3所示的計(jì)算結(jié)果。

表3　漏割率方差分析表

F0.05=18,F0.01=98。

表3表示漏割率的方差分析表。由表3可以看出：A和B對(duì)漏割率的影響顯著，C對(duì)漏割率的影響不顯著。因此，在提高漏割率的設(shè)計(jì)時(shí)，可以注重對(duì)A和B的設(shè)計(jì)，從而得到最優(yōu)組合。

表4表示損失率的方差分析表。由表4可以看出：C和B對(duì)損失率的影響顯著，A對(duì)損失率的影響不顯著，因此在提高損失率的設(shè)計(jì)時(shí)，可以注重對(duì)B和C的設(shè)計(jì)，從而得到最優(yōu)組合。

表4　損失率方差分析表

F0.05=12，F(xiàn)0.01=58。

5結(jié)論

1)為了解決小型收割機(jī)普遍存在的機(jī)械效率低和容易阻塞的問(wèn)題，提出了喂入裝置傾斜角度、刀片轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行進(jìn)速度的優(yōu)化方案，并設(shè)計(jì)了喂入裝置的主要參數(shù)尺寸。

2)使用UG6.0軟件建立了甘蔗收割機(jī)喂入裝置的三維模型，并將模型導(dǎo)入到了ADMAS軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；利用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)裝置傾斜角度、刀片轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行進(jìn)速度對(duì)收割機(jī)收割效果進(jìn)行了計(jì)算，得到了顯著性結(jié)果。

3)由顯著性結(jié)果可以看出：只有一次的喂入率小于90%，最佳整稈率組合為A1B2C2，最低損失率和漏割率組合為A2B1C1和A1B3C3；A和B組合對(duì)漏割率的影響顯著，C和B組合對(duì)損失率的影響顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅隆正,蒙艷玫,董政,等.整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)物流設(shè)計(jì)與仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34 (2):19-23.

[2]楊望,楊堅(jiān),劉增漢,等.入土切割對(duì)甘蔗切割過(guò)程影響的仿真試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(8): 150-156.

[3]陳超君,梁和,何章飛,等.甘蔗機(jī)械收獲對(duì)蔗蔸質(zhì)量和宿根蔗生長(zhǎng)影響初探[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011(23):26-30.

[4]傅隆正,蒙艷玫,董振,等.整稈式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)整機(jī)物流設(shè)計(jì)與仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012，34(2): 19-23.

[5]羅菊川,區(qū)穎剛,劉慶庭,等.整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)斷蔗尾機(jī)構(gòu)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(4):89-94.

[6]牟向偉,區(qū)穎剛,王美美,等.甘蔗葉鞘破壞與剝離方式試驗(yàn)與分析[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013(4): 584-588.

[7]解福祥,區(qū)穎剛,劉慶庭,等.甘蔗收割機(jī)物流虛擬試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010(S1):90-94.

[8]劉慶庭,莫建霖,區(qū)穎剛,等.我國(guó)整稈與切段2種甘蔗收獲方式發(fā)展歷程與前景分析[J].甘蔗糖業(yè),2013(6):45-55.

[9]劉海清.我國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè),2009(1):8-9.

[10]張華,沈勝,羅俊,等.關(guān)于我國(guó)甘蔗機(jī)械化收獲的思考[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2009(4):15-16,33.

[11]梁闐,陳引芝,王維贊,等.甘蔗機(jī)械化收獲現(xiàn)狀及對(duì)策[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2010(11):85-87.

[12]陳世凡.甘蔗分段收獲集中剝?nèi)~處理模式初探[J].廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械化,2009(6):20-23.

[13]肖宏儒,王明友,宋衛(wèi)東,等.整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)降低含雜率的技術(shù)改進(jìn)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(11):42-45.

[14]向家偉,楊連發(fā),李尚平.小型甘蔗收獲機(jī)根部切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(4):56-59.

[15]王汝貴,姜永圣,楊堅(jiān).甘蔗切割器工作參數(shù)優(yōu)化綜合[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,33 (2):138-140.

[16]李志紅,區(qū)穎剛.整稈式甘蔗收獲機(jī)甘蔗鋪放運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(11): 103-108.

[17]李明,黃暉,鄧干然,等.甘蔗收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2008(1):54-64.

[18]解福祥,區(qū)穎剛,劉慶庭,等.甘蔗收獲機(jī)物流虛擬試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(9):90-94.

[19]唐忠,李耀明,徐立章,等.單莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(12):141- 143.

[20]李玉道,杜現(xiàn)軍,宋占華,等.棉花秸稈剪切力學(xué)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(2):124- 128.

[21]介戰(zhàn),羅四倍,周學(xué)建.基于LabVIEW 的聯(lián)合收割機(jī)水稻喂入量遙測(cè)試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2009, 25(S2):87-91.

[22]張道林,刁培松,董鋒,等.撥禾指式不對(duì)行玉米收獲裝置的試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010,26(5): 103-106.

[23]杜現(xiàn)軍,李玉道,顏世濤,等.棉稈力學(xué)性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(4):87-91.

[24]宋占華,肖靜,張世福,等.曲柄連桿式棉稈切割試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(11): 162-167.

[25]王鋒德,燕曉輝,董世平,等.我國(guó)棉花秸稈收獲裝備及收儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)路線分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009, 31(12):217-220.

[26]李耀明,秦同娣,陳進(jìn),等.玉米莖稈往復(fù)切割力學(xué)特性試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(1): 160-164.

[27]趙湛,李耀明,徐立章,等.超級(jí)稻單莖稈切割力學(xué)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(10):72-75.

Research on Feeding Device of Sugarcane Harvester Based on Virtual Simulation Technology

Sheng Fenhua1, Chen Zujue2

(1.Department of Communication and Information Engineering,Suzhou College of Information Technology,Suzhou 215200, China; 2.School of Computer Science and Telecommunication Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

Abstract：Aiming at the problem that the obstruction of the small sugarcane harvester and the mechanical efficiency is low, the optimization scheme of the harvester is put forward. The parameters dimensions of feeding device are designed, and the 3D model of the virtual prototype is established by using UG6.0.The model is imported into ADMAS software,and the simulation experiment is carried out. The results of three kinds of optimization projects are obtained. The results showed that only one feed rate was less than 90%,the best overall rate was A21B2C2, and the lowest loss rate and the rate of leakage cut were A2B1C1 and A1B3C3. The variance analysis of the drain rate and loss rate showed that the effect of B and A on the drain rate was significant, and the effect of B and C on the loss rate was significant. Therefore,the effect of the harvester was optimized in the design process of the harvester.

Key words：sugarcane harvester; virtual prototype; simulation; 3D model; ADMAS software

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0059-05

作者簡(jiǎn)介：盛奮華(1978-)，女，江蘇吳江人，講師，(E-mail) shengfenhua1978@sina.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61203072)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐項(xiàng)目(BE2010347)

收稿日期：2015-08-13