小型整桿式甘蔗收割機(jī)撥蔗機(jī)構(gòu)仿真試驗研究

唐大芳，翁紹捷，林 茂

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

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小型整桿式甘蔗收割機(jī)撥蔗機(jī)構(gòu)仿真試驗研究

唐大芳，翁紹捷，林 茂

(海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228)

通過對小型整桿式甘蔗收割機(jī)的撥蔗機(jī)構(gòu)建立仿真運(yùn)動模型，運(yùn)用ADAMS動力學(xué)仿真軟件對仿真模型進(jìn)行試驗研究，分析該撥蔗機(jī)構(gòu)的撥蔗完整率。以機(jī)器前進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、撥桿數(shù)目為因素，撥蔗完整率為試驗指標(biāo)，設(shè)立一個三因素三水平的正交試驗。分析三因素與撥蔗完整率的關(guān)系，同時對仿真結(jié)果的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析。結(jié)果表明：當(dāng)機(jī)器前進(jìn)速度為0.9m/s、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為400r/min、 撥桿數(shù)目為2時，撥蔗機(jī)構(gòu)的撥蔗完整率可達(dá)到的最大值為96.6%。

整桿式甘蔗收割機(jī)；撥蔗機(jī)構(gòu)；仿真試驗；優(yōu)化分析

0 引言

甘蔗是我國南方主要的經(jīng)濟(jì)作物[1]，其收割方式分人工收割和機(jī)械化收割。人工收割耗時耗力，一般包括砍伐、削葉、去尾、扎綁、搬運(yùn)及裝車等程序，勞動強(qiáng)度非常大，勞動效率低；每人每天最多僅能砍伐0.8 t左右，甘蔗收割成本高，在80～100元/t 左右，蔗農(nóng)砍蔗雇員支出占甘蔗收入的20%左右[2]。機(jī)械化收割主要有整桿式和切段式兩種[3]，整桿式甘蔗收割機(jī)又有大型整桿式甘蔗收割機(jī)和小型整桿式甘蔗收割機(jī)之分。小型整桿式甘蔗收割機(jī)的功率小、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，是我國丘陵地帶甘蔗收割機(jī)器的首選。

國外對于大型整桿式甘蔗收割機(jī)的研究較多，并廣泛投入市場。澳大利亞、美國等發(fā)達(dá)國家早已實現(xiàn)了甘蔗生產(chǎn)的全程機(jī)械化，部分環(huán)節(jié)機(jī)械化正在向自動化、智能化方向發(fā)展，實現(xiàn)了甘蔗機(jī)械化聯(lián)合收獲，生產(chǎn)效率高、成本低[4-6]。小型整桿式甘蔗收割機(jī)的研究主要集中在國內(nèi)：桂林電子科技大學(xué)的向家偉等發(fā)表了論文《小型甘蔗收獲機(jī)切割器試驗研究》，針對小型整桿式收割機(jī)的切割器研究了影響其切割功耗和切割損失的評價指標(biāo)[7]。廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的麻芳蘭等針對甘蔗收割時破頭率高、容易堵塞等問題，對小型整桿式甘蔗收割機(jī)切割系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)與試驗；通過改進(jìn)和在原樣機(jī)前加置一個輔助喂入輥，使破頭率降低，蔗莖合格率明顯提高[8]。國內(nèi)相關(guān)科研院所對整桿式甘蔗收獲機(jī)械做了大量的理論和實驗研究，取得較為豐富的成果，但對甘蔗切斷后鋪放在田間的相關(guān)研究較少。國內(nèi)的研究主要有中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院周良墉研制的4GZ-1000型整桿式甘蔗割鋪機(jī)[9]；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院研制了4ZZX - 48型側(cè)懸掛式甘蔗收割機(jī)[10]，其切斷后甘蔗都是通過夾持輸送鏈輪機(jī)構(gòu)直立輸送，運(yùn)動軌跡成“L”型，可在機(jī)器割臺一側(cè)鋪放甘蔗。該鋪放機(jī)構(gòu)存在一根一根夾持甘蔗及機(jī)器前進(jìn)速度不能過大等問題，容易產(chǎn)生堵塞；另外，當(dāng)甘蔗比較彎曲或甘蔗交錯時，不利于鏈?zhǔn)絺鲃友b置的夾持；同時存在切斷后的甘蔗在輸送中阻擋駕駛員的視線不利于機(jī)器前進(jìn)等缺陷。

本文通過對一種整桿式甘蔗收割機(jī)的撥蔗機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動學(xué)仿真模型，進(jìn)行仿真試驗分析，探討了機(jī)構(gòu)撥蔗完整率與主要運(yùn)動構(gòu)件參數(shù)之間的關(guān)系。

1 小型整桿式甘蔗收割機(jī)撥蔗機(jī)構(gòu)

1.1 撥蔗機(jī)構(gòu)的工作原理

撥蔗機(jī)構(gòu)是整桿式甘蔗收割機(jī)中的一個重要部件，用于撥倒被切割后的甘蔗，使甘蔗較為整齊地鋪放在田間的壟間，以便于甘蔗的收集和甘蔗收割機(jī)順利前行。

撥蔗機(jī)構(gòu)主要由上撥盤、下?lián)鼙P、錐齒輪及旋轉(zhuǎn)軸組成，如圖1所示。其中，上下兩個直徑相同的撥盤通過旋轉(zhuǎn)軸固定連接，撥盤上對稱均勻安裝有偶數(shù)根撥桿，撥桿為一定長度的直桿，上下對應(yīng)撥桿運(yùn)動軌跡完全相同。旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動撥盤的運(yùn)轉(zhuǎn)，由甘蔗收割機(jī)的行駛前進(jìn)及撥蔗盤的旋轉(zhuǎn)，撥桿形成特定的運(yùn)動軌跡，撥鋪甘蔗莖稈，使甘蔗莖稈按照一定規(guī)律較為整齊地倒伏在壟間，以滿足甘蔗鋪放后續(xù)工序的功能。

圖1 撥蔗機(jī)構(gòu)示意圖1.上撥指 2.上撥盤 3.錐齒輪 4.旋轉(zhuǎn)軸 5.下?lián)鼙P 6.下?lián)苤?/p>

1.2 小型整桿式甘蔗收割機(jī)工作過程介紹

小型整桿式甘蔗收割機(jī)由拖拉機(jī)、液壓馬達(dá)、切割裝置及撥蔗機(jī)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。拖拉機(jī)提供動力，驅(qū)動收割機(jī)整體向前以一定的速度前行。拖拉機(jī)上的驅(qū)動液壓馬達(dá)分兩組裝設(shè)，分別驅(qū)動切割裝置和撥蔗機(jī)構(gòu)；切割刀盤裝設(shè)偶數(shù)片刀切入土切割甘蔗根部，撥蔗機(jī)構(gòu)的上下兩個撥盤由液壓馬達(dá)驅(qū)動以相同角速度勻速轉(zhuǎn)動；隨著收割機(jī)的向前移動，甘蔗根部被切斷，上下?lián)鼙P上的撥桿將直立甘蔗向同一方向撥倒，甘蔗脫離撥桿做平拋運(yùn)動后，整齊排放在收割機(jī)一側(cè)。

圖2 小型整桿式甘蔗收割機(jī)結(jié)構(gòu)圖1.撥蔗機(jī)構(gòu) 2.液壓馬達(dá) 3.拖拉機(jī) 4.切割裝置

2 試驗設(shè)計

2.1 仿真模型的建立

本仿真試驗用Pro/E軟件進(jìn)行建模，設(shè)置整片甘蔗林中的甘蔗等大小等高度，且種植間距相等。甘蔗大小設(shè)置為直徑d=28mm，高度h=2 000mm,各甘蔗之間間隙s=150mm，甘蔗總數(shù)為60根；撥蔗機(jī)構(gòu)的撥桿長度l=150mm,撥盤直徑D=300mm,上下?lián)鼙P的距離L=500mm。撥蔗機(jī)構(gòu)仿真模型圖如圖3所示。然后，將撥蔗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模型及設(shè)置好的機(jī)構(gòu)參數(shù)導(dǎo)入ADAMS環(huán)境。

圖3 撥蔗機(jī)構(gòu)仿真模型圖

2.2 仿真試驗方案及結(jié)果

本仿真試驗針對直立完好的甘蔗進(jìn)行模擬，選定與撥蔗完整率密切相關(guān)的收割機(jī)前進(jìn)速度v、撥蔗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速r、撥桿數(shù)n作為實驗因素，同時設(shè)定3個水平、27個試驗點、9個分析因子進(jìn)行正交試驗。撥蔗完整率的界定，當(dāng)撥桿的運(yùn)動軌跡劃過甘蔗部分面積超過50%，即判斷撥桿可以順利撥鋪該甘蔗；若劃過甘蔗部分面積在10%～50%范圍，即判斷不能順利撥鋪該甘蔗。因此，撥蔗完整率=順利撥鋪甘蔗數(shù)量/所撥甘蔗總數(shù)×100%。因素水平如表1所示，試驗方案如表2所示，仿真軌跡圖如圖4所示。

表1 試驗因素與水平表

表2 試驗方案及結(jié)果

3 仿真結(jié)果分析

采用數(shù)理統(tǒng)計軟件SPSS對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出實驗指標(biāo)撥蔗機(jī)構(gòu)撥蔗完整率與前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速、撥桿數(shù)的數(shù)學(xué)模型為

y=0.865-0.111x3+0.194x1x3+0.0001x2x3

(1)

其中，y為撥蔗機(jī)構(gòu)的撥蔗完整率的回歸值。對回歸式進(jìn)行回歸方程方差分析，結(jié)果如表3所示。

圖4 仿真軌跡圖

回歸系數(shù)b0b3b1b3b2b3方程標(biāo)準(zhǔn)F方程y0．0810．0270．030000．47734．768

對上述回歸數(shù)學(xué)模型和回歸系數(shù)進(jìn)行F檢驗，檢驗結(jié)果表明：回歸系數(shù)在0.05水平上高度顯著，表明回歸數(shù)學(xué)模型擬和較好。

3.1 單因素對撥蔗完整率的分析

分析單因素變化對完整率的影響。由回歸式(1)作各單因素與試驗指標(biāo)完整率的關(guān)系曲線圖，如圖5所示。由圖5(a)可知：隨著前進(jìn)速度的增大，撥蔗完整率增大；由圖5(b)可知：隨著撥蔗機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速增大，撥蔗完整率增大；由圖5(c)可知：隨著撥桿數(shù)量增大，完整率減小。

由單因素圖分析可得出各因素的優(yōu)化區(qū)間為：機(jī)器前進(jìn)速度區(qū)間(0.64～0.82)m/s,撥蔗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速區(qū)間(400～600)r/min,撥桿數(shù)區(qū)間(0～2)。

圖5 各因素與完整率的關(guān)系圖

3.2 交互因素對撥蔗完整率的分析

圖6是由回歸數(shù)學(xué)方程式(1)的試驗因素對完整率的交互影響圖。

圖6 因素交互作用對完整率的影響

1)由圖6(a)可知：當(dāng)前進(jìn)速度小于0.3m/s、撥桿數(shù)量小于等于3 時，可得到較大的完整率。這說明，小的前進(jìn)速度有利于提高完整率。因此，前進(jìn)速度較大、撥桿數(shù)量較少及前進(jìn)速度較小、撥桿數(shù)量較多時，都不利于完整率的提高。

2) 圖6(b)是撥蔗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速x2和撥桿數(shù)x3交互作用對完整率影響的曲線圖。較小的轉(zhuǎn)速和較少的撥桿及較大的轉(zhuǎn)速和較少的撥桿數(shù)組合都得到較小的完整率；較多的撥桿數(shù)和較小的轉(zhuǎn)速組合能夠得到較大的完整率。由圖6(b)可知：在撥桿數(shù)大于4時，隨著轉(zhuǎn)速的增加完整率迅猛下降，所以應(yīng)避免較多的撥桿數(shù)與較大的轉(zhuǎn)速結(jié)合。

3) 圖6(c)是機(jī)器前進(jìn)速度x1和撥蔗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速x2交互作用對完整率影響的曲線圖。由圖6(c)可知：較小的前進(jìn)速度和較小的轉(zhuǎn)速組合及較大的前進(jìn)速度和較小的轉(zhuǎn)速組合都可得較大的完整率；然而，隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加，完整率迅速下降。

3.3 試驗因素的優(yōu)化

本實驗主要是分析機(jī)器的前進(jìn)速度、撥蔗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速、撥桿數(shù)對撥蔗完整率的影響情況。通過SPSS軟件建立的回歸數(shù)學(xué)模型，再經(jīng)過回歸方差來進(jìn)行定性和定量分析。通過定性分析，由方程(1)與單因素對撥蔗完整率影響的分析可知：撥蔗機(jī)構(gòu)撥蔗完整率與機(jī)器前進(jìn)速度、撥桿數(shù)的影響均為顯著，與轉(zhuǎn)速的影響不顯著。

把回歸方程的回歸值進(jìn)行優(yōu)化來進(jìn)行定量分析，然后比較各自回歸值的大小，就能清楚地了解3個因素對撥蔗完整率的影響差異。采用MatLab數(shù)學(xué)軟件對回歸方程進(jìn)行綜合優(yōu)化，在確定好各因素的優(yōu)化區(qū)間值后，再對優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。各因素的優(yōu)化區(qū)間值為各自的上下水平值區(qū)域，撥蔗完整率取值區(qū)間在80%～96.6%。對方程在三因素優(yōu)化組合下，x1=0.9m/s、x2=400r/min、x3=2時，可得到撥蔗完整率較大值y=96.6%。

4 結(jié)論

1)三因素對撥蔗完整率的影響如下：當(dāng)前進(jìn)速度較大、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速較小、撥桿數(shù)較小時，撥蔗完整率較大。

2)當(dāng)較大的前進(jìn)速度與較小的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速組合時，有較大的撥蔗完整率。

3)綜合三因素優(yōu)化結(jié)果，撥蔗完整率達(dá)到最大值95%時，機(jī)器前進(jìn)速x1=0.9m/s，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速x2=400r/min，撥桿數(shù)x3=2，表明撥蔗裝置撥蔗完整程度達(dá)到理想效果。

[1] 廖娜,劉赟東.甘蔗收獲機(jī)扶蔗裝置研究現(xiàn)狀[C]//2012中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會國際學(xué)術(shù)年會 ·杭州：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會,2012:48-52.

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The Simulation Experimental Research on Dial the Sugarcane Institutions of Small Whole-stalk Sugarcane Harvester

Tang Dafang， Weng Shaojie, Lin Mao

(Hainan University, College of Mechanical and Electronic Engineering, Haikou 570228, China)

This article through to establishing the motion model simulation about the Dial the sugarcane institutions of small whole-stalk sugarcane harvester,using the simulation software ADAMS to experimental study on the simulation model, analyzing the integrity rate of the sugarcane. With the machine speed, rotation speed, dial the number as factors, dial the sugarcane complete rate as test indexes, set up a orthogonal experiment with3 factors 3 levels.Analysis of the relationship between the three factors and dial the sugarcane integrity rate,Simultaneously optimal analysisthe result of the simulation of mathematical model . Results show that when the machine speed 0.9 m/s, the rotation speed of 400 r/min,dial the pole number for 2,dial sugarcane institutions of the sugarcane complete rate can reach a maximum of 96.6%.

whole-stalk sugarcane harvester; dial the sugarcane institutions; simulation test; optimization analysis

2016-01-20

海南省自然科學(xué)基金項目(20153051)

唐大芳(1987-)，女，重慶人，碩士研究生,(E-mail)dafang1027@163.com。

翁紹捷(1961-)，男，廣東潮州人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wsj818@sohu.com。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)02-0148-05