新型甘蔗剝?nèi)~機仿真與試驗研究

沈中華，黃 博

(桂林理工大學 機械與控制工程學院，廣西 桂林 541004)

0 引言

目前，甘蔗收獲機剝?nèi)~機理普遍采用離心力沖擊法[1]，通過高速轉動的剝?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“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，設計了一套新型甘蔗剝?nèi)~系統(tǒng)，在剝?nèi)~工序前加入碎葉機構。工作時，甘蔗在通過碎葉機構，碎葉機構將甘蔗梢部包覆緊密的蔗葉預先擊碎，完成碎(剝)葉同時，失去尾部蔗葉保護的甘蔗梢部脆弱部分暴露出來；當斷尾刷[4]打擊到甘蔗的脆弱點，更容易實現(xiàn)斷尾，達到剝?nèi)~效率最大化。

1 結構設計與原理分析

1.1 總體結構設計

剝?nèi)~系統(tǒng)由喂入機構、碎葉機構、剝?nèi)~機構及輸出機構等組成，如圖1所示。各機構在機架上都有調(diào)節(jié)孔，試驗中可通過調(diào)整相應的安裝位置達到改變參數(shù)的目的,方便參數(shù)對比試驗。

1.2 工作原理

第1級喂入機構，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，喂入機構具有較強的適應性，輸送不易擁堵，夾持甘蔗產(chǎn)生相對穩(wěn)定的速度進入碎葉機構；碎葉機構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構，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.輔助運輸輥 8、9.輸出機構 10.機架及側板圖1 剝?nèi)~系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of leaf-stripping system

(a) 碎葉元件

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

剝?nèi)~機工作時，碎葉針沿著蔗葉的葉脈方向對甘蔗進行“順切”，此種剝?nèi)~情況下甘蔗葉最大應力強度遠小于甘蔗蔗稈表皮應力強度，蔗葉被剪切成為更有幾何規(guī)律的窄小的細碎葉片而順暢地排出，不易造成堵塞；由于碎葉元件應力要求的變小，降低元件損耗。其中，碎葉機構起到主要的碎(剝)葉作用，第3級剝?nèi)~機構僅起輔助兩次剝?nèi)~作用，縱向布置帶紋理的橡膠片，利用側面產(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 仿真實驗

2.1 仿真實驗模型的建立

剝?nèi)~系統(tǒng)模型在三維設計軟件Pro/E中完成，對部分機構進行適當簡化以減少仿真計算時間并導入多體動力學仿真軟件ADAMS中進行虛擬仿真實驗。本次仿真實驗主要對關鍵碎葉機構進行分析，模擬在喂入機構提供穩(wěn)定喂入速度的仿真環(huán)境中，對碎葉機構剝?nèi)~有關影響因素進行控制單因素變量實驗。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；兩碎葉對輥仿真結構相同，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。喂入與碎葉機構中心距500mm，兩機構有效作用寬度相同為300mm。

2.2 實驗材料

為仿真實驗效果更接近實際狀況，對甘蔗、碎葉針、橡膠元件模型進行了柔性化處理。為防止仿真過程中因柔性元件的變形過大導致仿真實驗失敗，凡是與輥筒直接接觸的柔性體內(nèi)表面均進行了鋼化設置。其中，碎葉針工作端與固定端共同構成柔性體，綜合計算其柔性數(shù)據(jù)并對仿真模型中碎葉針材料進行定義；將建立好的柔性元件轉換為MNF格式文件并導入ADAMS中，分別替換原來Pro/E設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 實驗參數(shù)確定

由參考文獻[7-8]可以確定該碎葉對輥對向運轉數(shù)學模型中，產(chǎn)生用于碎(剝)的離心力與對輥轉速、工作元件交錯角度及交錯深度有主要關系。為增加此套剝?nèi)~系統(tǒng)的廣泛適用性，適用于當前甘蔗收獲機整體收獲量及收獲效率等技術要求，選取第1級喂入機構初始轉速200r/min，第2級碎葉對輥的初始轉速650r/min，碎葉元件交錯深度為15°，交錯深度為5cm，以上數(shù)據(jù)作為仿真實驗的基礎參數(shù)。

2.4 仿真實驗的設計

在保證仿真精度降低計算機計算量的前提下，本次仿真采用連續(xù)仿真[9]的方式，設置仿真時間為4s，作為整個仿真實驗所用時間，包含甘蔗從未接觸直至經(jīng)過喂入、碎葉機構到完全離開剝?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度為46.5N/mm2，由碎葉針各項仿真模型參數(shù)可以計算得出此套碎葉機構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。仿真實驗第1步進行參數(shù)驗證，單根甘蔗進行多組控制單因素變量實驗，確定對輥轉速、交錯深度及交錯角度之間的最優(yōu)參數(shù)選擇；第2步模擬實際作業(yè)，檢驗多根甘蔗同時剝?nèi)~在此參數(shù)組合下是否能達到理想剝?nèi)~效率。在不同因素仿真時，細微調(diào)整甘蔗進入系統(tǒng)的時間，對同一標記點記錄分析數(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模型中設置對輥之間的交錯深度分別為5、10、15cm，對輥轉速設置為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力圖。

仿真結果如圖4(a)所示。由圖4(a)可知：對甘蔗表面標記點單次剝?nèi)~作用歷時約0.1s，取圖像的最高點作為單次剝?nèi)~實驗受力的極值點，3組仿真結果分別為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基礎上，其交錯角度按15°、30°、45°3種情況設置下進行仿真，3種不同角度下的應力圖如圖4(b)所示。由圖4(b)可知：交錯角度按15°、30°、45°安放時，蔗稈稈莖標記點產(chǎn)生的應力大小分別為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果可知：碎葉對輥工作元件交錯角度按30°實時能夠達到最佳剝?nèi)~效果。

2.4.3 碎葉對輥轉速改變時仿真

確定此系統(tǒng)中碎葉元件交錯深度為10cm，交錯角度30°能達到最優(yōu)剝?nèi)~效果的基礎上再進行一次仿真實驗。分別設定仿真模型中碎葉對輥的轉速分別為650、750、850r/min進行實驗。仿真結果如圖4(c)所示。由圖4(c)可知：甘蔗剝?nèi)~在對輥轉速為650、750、850r/min的情況下，標記點產(chǎn)生應力大小分別為205.6、228.5、284.3N，受力改變量為22.9、78.7N。分析以上仿真結果可知：在轉速為850r/min時應力增量最大，但此時甘蔗受力284.3N遠大于蔗稈極限破壞應力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到理論上剝?nèi)~效果最佳。

2.4.4 多根甘蔗同時進行剝?nèi)~時的仿真

仿真實驗通過對單根甘蔗剝?nèi)~時各個有關因素驗證，得出甘蔗能夠達到理想剝?nèi)~情況下參數(shù)數(shù)據(jù)設定，以此數(shù)據(jù)為基礎，設計多根甘蔗同時進入剝?nèi)~系統(tǒng)的仿真實驗，驗證在多根甘蔗相互干擾的仿真實驗中該參數(shù)設置是否仍然有效。仿真實驗設計5根甘蔗同時進入本剝?nèi)~系統(tǒng)，建立5根甘蔗模型并柔性化按設計方式導入Adams中，對仿真甘蔗進行編號1～5號。此時，設定碎葉元件交錯深度為10cm，交錯角度為30°，碎葉對輥轉速為750r/min為基礎參數(shù)，進行仿真實驗，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甘蔗達到229.6N，與極限應力之差為2.9N；受力最小值為編號1甘蔗達到208.1N，與極限應力之差為24.4N；5根甘蔗與極限應力差值平均值約為15.0N，此值約占極限應力值6.5%。由5根甘蔗的仿真實驗數(shù)據(jù)結果分析得出：多根甘蔗同時進行剝?nèi)~時，甘蔗之間存在相互干擾、振動、擠壓等情況，對仿真結果產(chǎn)生了些許影響，多根甘蔗仿真受力結果值仍在極限應力范圍之內(nèi)，且每一根仿真甘蔗都能達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。多根甘蔗仿真實驗驗證了在最優(yōu)參數(shù)條件下模擬實際作業(yè)中多根工作情況，此套系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，仍可以達到理想的剝?nèi)~狀態(tài)。

(a)

(b)

(c)

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

3 物理樣機試驗

3.1 試驗目的

直觀地驗證仿真實驗中得出系統(tǒng)最佳工作參數(shù)、參數(shù)變化對剝?nèi)~影響的真實有效性，同時彌補仿真實驗不能考慮到在實際作業(yè)環(huán)境中物理樣機進行剝?nèi)~時的諸多問題，與仿真實驗相互參照，更為直接地從甘蔗剝?nèi)~實際工作情況，來記錄并分析各項有關結果數(shù)據(jù)。

3.2 試驗材料與設備

試驗甘蔗為臺糖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)~試驗臺，長2 400mm皮帶輸送機。試驗臺的制作為方便計算該剝?nèi)~系統(tǒng)完整的剝?nèi)~效率，除本文設計的喂入、碎葉、兩次剝?nèi)~裝置外還有加入輔助斷尾機構。喂入、碎葉、剝?nèi)~裝置分別連接單獨電機與變頻器，通過不同變頻器調(diào)節(jié)控制樣機試驗中不同機構所需的不同運行轉速。

3.3 試驗結果

物理樣機試驗通過對比試驗的方法，探究剝?nèi)~系統(tǒng)中關鍵的碎葉機構在不同參數(shù)設置下甘蔗剝?nèi)~的作用效果差異，對仿真實驗中有關變量進行合理分組，控制單因素變量進行多組對比試驗，并觀察記錄實驗數(shù)據(jù)。為驗證仿真實驗中多根甘蔗仿真數(shù)據(jù)，樣機實驗同樣選取5根甘蔗喂入的樣機實驗結果來印證仿真實驗中多根甘蔗仿真結論。圖5為甘蔗剝?nèi)~試驗臺設置與部分試驗圖。

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

(a) 剝?nèi)~試驗臺

(b) 最佳參數(shù)條件下剝?nèi)~前后對比圖

(c) 過高轉速下甘蔗剝?nèi)~蔗桿損傷圖5 試驗臺與部分甘蔗剝?nèi)~實驗圖Fig.5 Test bench and partial experiment picture of sugarcane leaf-peeling

根據(jù)NYT 1770-2009甘蔗剝?nèi)~機質(zhì)量評價技術規(guī)范，合格甘蔗剝?nèi)~機需滿足含雜率≤3%，剝?nèi)~率≥72%。樣機試驗結果如表1所示。

表1 樣機試驗結果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 結論

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

2)物理樣機試驗表明：加入碎葉機構的剝?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)~率達到97.12%，相對市面?zhèn)鹘y(tǒng)剝?nèi)~機械剝?nèi)~效率有明顯的提升，能較為高效地完成蔗葉分離工序。

3)虛擬樣機仿真試驗為物理樣機制作、實驗提供了理論依據(jù)，節(jié)省了設計制造時間與成本。