兩段圓錐式螺旋扶蔗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析

宋春華，區(qū)穎剛

(1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510800；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

我國(guó)南方甘蔗大多種植在丘陵、坡地，甘蔗倒伏情況嚴(yán)重，在甘蔗收割時(shí)必須考慮甘蔗扶起的問題，扶蔗機(jī)構(gòu)主要包括撥指鏈?zhǔn)胶吐菪絒1-3]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)扶蔗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了廣泛的研究：周敬輝等[4]對(duì)螺旋扶蔗器安裝傾角和轉(zhuǎn)速與倒伏甘蔗扶起效果間的關(guān)系進(jìn)行了仿真試驗(yàn)和物理樣機(jī)對(duì)比試驗(yàn)；鄧勁蓮等[5]對(duì)甘蔗收獲機(jī)的扶蔗機(jī)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，采用構(gòu)思一設(shè)計(jì)法(Beitz)構(gòu)建部件的功能原理解和設(shè)計(jì)過程模型，并對(duì)原理解進(jìn)行功能分解；牟向偉等[6]對(duì)影響撥指鏈?zhǔn)椒稣崞鞣銎鸷蟮狗堑脑O(shè)計(jì)參數(shù)：前進(jìn)速度、下鏈輪轉(zhuǎn)速、扶蔗器導(dǎo)軌傾角和扶蔗器導(dǎo)軌偏角進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)；高建民等[7]根據(jù)田間生長(zhǎng)的甘蔗實(shí)際狀況和固有的力學(xué)性能，用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)，探討了扶蔗器與甘蔗的作用過程以及其對(duì)收獲過程的影響；唐大芳等[8]以機(jī)器前進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、撥桿數(shù)目為因素，分析該撥蔗機(jī)構(gòu)的撥蔗完整率，并對(duì)仿真結(jié)果的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析；胡金冰等[9]以扶蔗器轉(zhuǎn)速、螺距、前進(jìn)速度為影響因子，以扶起高度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)扶蔗器扶蔗過程進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，尋找最優(yōu)參數(shù)組合；董振等[10]針對(duì)倒伏甘蔗容易從扶蔗器尾部滑脫的問題，提出了一種螺旋扶蔗器的設(shè)計(jì)方案，并給出了不等距螺旋線的數(shù)學(xué)方程；李尚平等[11]為改善甘蔗收割機(jī)物流系統(tǒng)的堵塞問題，螺旋選用摩擦因數(shù)大的輪胎膠作為覆蓋層時(shí)，當(dāng)切割器轉(zhuǎn)速在750 r/min左右時(shí)，甘蔗的滯留時(shí)間較原鋼筋螺旋縮短了17%，面寬為20mm的螺旋與原圓柱型螺旋相比，甘蔗滯留時(shí)間縮短了32%。以上研究對(duì)甘蔗收割機(jī)的發(fā)展起到積極作用，但針對(duì)扶蔗器的結(jié)構(gòu)參數(shù)研究不多，從運(yùn)動(dòng)學(xué)及力學(xué)方面分析數(shù)據(jù)更少。為此，設(shè)計(jì)了兩段圓錐式螺旋扶蔗機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)，分析了扶蔗器具體結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)扶蔗器的工作性能影響，探討了扶蔗器運(yùn)動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的交互作用對(duì)甘蔗的扶起效果，為甘蔗收割機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 扶蔗器虛擬樣機(jī)模型

針對(duì)不同倒伏狀態(tài)甘蔗，設(shè)計(jì)了一種兩段圓錐式螺旋扶蔗器虛擬樣機(jī)模型，小段為揀拾段，大段為輸送段，如圖1所示。

圖1 圓錐式螺旋扶蔗器虛擬樣機(jī)模型

使用SolidWorks2012畫圖軟件，建立三維模型，該模型副本保存，類型為Parasolid格式，擴(kuò)展名為(*.x-t)，導(dǎo)入View Adams2016，揀拾段總長(zhǎng)度為800mm，直徑為150mm；輸送段圓錐角度為6°，輸送段總長(zhǎng)度為1 600mm，圓錐長(zhǎng)度1 500mm，小圓直徑為200mm。

甘蔗在扶起過程中，依據(jù)甘蔗與地面之間的約束關(guān)系創(chuàng)建扭矩彈簧阻尼器，依據(jù)甘蔗與扶蔗機(jī)構(gòu)接觸點(diǎn)創(chuàng)建接觸面約束。

2 扶蔗器運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

坐標(biāo)原點(diǎn)O是甘蔗的根部，OA為順倒的甘蔗，X軸沿地面指向機(jī)車前進(jìn)方向，Z軸垂直地面向上，Y軸與XOZ平面垂直，使用笛卡爾兒坐標(biāo)系，建立扶蔗器運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

甘蔗與輸送段滾筒的接觸點(diǎn)為一動(dòng)點(diǎn)，該點(diǎn)的位移方程為

(1)

其中，rm為滾筒的半徑；ω為角速度；vn為機(jī)車的前進(jìn)速度；δm為輸送段安裝角；φ為葉片傾角。

螺旋滾筒自轉(zhuǎn)，半徑不同，線速度不同，且隨機(jī)車直線前進(jìn)，滾筒與甘蔗接觸點(diǎn)的速度方程為

(2)

根據(jù)坐標(biāo)系分析，當(dāng)vx<0時(shí)，甘蔗才能被揀拾，扶蔗器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)交互作用，必須滿足的運(yùn)動(dòng)條件為

(3)

3 虛擬仿真試驗(yàn)

通過公式分析，選取扶蔗器的安裝角度、螺旋傾角、螺距為試驗(yàn)因素，進(jìn)行甘蔗運(yùn)動(dòng)及力學(xué)分析。其中，扶蔗器轉(zhuǎn)速范圍為100～150r/min，機(jī)車前進(jìn)速度為0.21～0.50m/s。

3.1 安裝角度對(duì)甘蔗運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

輸送段安裝角取30°～90°范圍，進(jìn)行甘蔗運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真試驗(yàn)。甘蔗扶起過程是一個(gè)三維空間的運(yùn)動(dòng)，甘蔗重心在X、Y、Z3個(gè)方向的位移H、速度V變化。圖3～圖8所示為安裝角度60°情況下位移及速度曲線圖。

圖3 甘蔗重心HX的位移圖

圖5 甘蔗重心HZ的位移圖

從圖3中可以看出：甘蔗與機(jī)車前進(jìn)方向X相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在0～2.3s位移是揀拾段傳送，直線下降比較陡；在2.5～5s是輸送段扶升，直線下降比較緩，移動(dòng)的位移量小。由圖4中得出：甘蔗在0～5s內(nèi)，Y方向位移一直減少。由圖5中得出：甘蔗在垂直方向Z位移變化，從0～5s一直上升，在2.5s瞬間有輕微變化，是揀拾段與輸送段過渡處甘蔗向下滑落，整體扶升過程穩(wěn)定。

圖6 甘蔗重心VX的速度圖

圖7 甘蔗重心VY的速度圖

圖8 甘蔗重心VZ的速度圖

由圖6～圖8得出：在0.5s甘蔗與拾取段接觸，VX沿X軸負(fù)方向跳動(dòng)，VY正方向跳動(dòng)，隨后沿Y軸正方向，VZ沿Z正方向跳動(dòng)，2.3s時(shí)刻，甘蔗開始與輸送段接觸，VX、VY、VZ小幅波動(dòng)，3.0s后趨于穩(wěn)定，4.1s左右甘蔗到達(dá)最高點(diǎn)。

安裝角在30°～60°時(shí)，甘蔗無跌落現(xiàn)象，安裝角為30°、45°、50°、55°、60°，甘蔗達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)間分別為4.8、4.4、4.3、4.2、4.1s；安裝角為65°時(shí)，甘蔗有1次跌落現(xiàn)象；安裝角為70°時(shí)，甘蔗有2次跌落現(xiàn)象；安裝角在75°時(shí)甘蔗有3次跌落現(xiàn)象；輸送段安裝角在90°時(shí)，甘蔗與輸送段接觸時(shí)直接彈離輸送段。

甘蔗不跌落情況下安裝角選取范圍為30°～60°。輸送段安裝角為60°情況下，甘蔗扶起到最高點(diǎn)所花的時(shí)間最短，且60°時(shí)各曲線圖最平穩(wěn)，甘蔗被扶起效果最佳。

3.2 螺旋傾角對(duì)甘蔗力學(xué)分析

甘蔗沿著螺旋傾角方向扶起，葉片對(duì)甘蔗施加作用力，主要是在X方向，為軸向輸送力。螺旋傾角取30°～90°范圍，進(jìn)行甘蔗力學(xué)仿真試驗(yàn)，如圖9～圖11所示。

圖9 螺旋傾角30°時(shí)FX力學(xué)圖

圖10螺旋傾角45°時(shí)FX力學(xué)圖

圖11 螺旋傾角60°時(shí)FX力學(xué)圖

從圖9中可以看出：螺旋傾角為30°時(shí)，在0.6s時(shí)力有突變，在1.2s和4.4s時(shí)力有變化，甘蔗受力曲線圖基本平穩(wěn)，有1次跌落現(xiàn)象。

從圖10中可以看出：螺旋傾角為45°時(shí)，甘蔗在輸送段中均勻受到螺旋葉片的作用，受力曲線平穩(wěn)，無跌落現(xiàn)象。

從圖11中可以看出：螺旋傾角為60°時(shí)，第2.6s甘蔗與輸送段接觸，沿螺旋葉片向上輸送，力曲線圖跳動(dòng)，曲線圖整體有波動(dòng)。

其他情況：螺旋傾角為75°時(shí)，第2.3s左右甘蔗與輸送段接觸，隨后沿螺旋葉片向上輸送，力曲線圖跳動(dòng)，輸送段螺旋葉片對(duì)力影響較大；螺旋傾角為90°時(shí)，2.9s和3.8s時(shí)受輸送段螺旋葉片的作用，力曲線圖跳動(dòng)幅度較大。

螺旋傾角為45°時(shí)，在輸送段過程中甘蔗無跌落現(xiàn)象，葉片作用力最為穩(wěn)定。

3.3 螺距對(duì)甘蔗力學(xué)分析

甘蔗被扶起的過程中，螺距影響對(duì)甘蔗的作用，螺距太小，葉片阻礙甘蔗上升，螺距太大，容易跌落。螺距取210～330mm范圍，葉片對(duì)甘蔗施加軸向輸送力，作用力方向在X軸，進(jìn)行甘蔗力學(xué)仿真試驗(yàn)，如圖12～圖14所示。

圖12 螺距210mm時(shí)FX力學(xué)圖

圖13 螺距285mm時(shí)FX力學(xué)圖

圖14 螺距330mm時(shí)FX力學(xué)圖

從圖12中得出：螺距為210mm時(shí)，甘蔗力曲線圖波動(dòng)較大，2.3s左右，甘蔗與輸送段作用力在X軸正向有突變，葉片阻礙甘蔗上升，有輕微滑落。

從圖13中得出：螺距為285mm時(shí)，甘蔗與輸送段作用力在X軸負(fù)向，力曲線圖最平穩(wěn)，無跌落現(xiàn)象。仿真可知：4.1s左右甘蔗到達(dá)最高點(diǎn)。

從圖14中得出：螺距為330mm時(shí)，力曲線相對(duì)平穩(wěn)，3.6s甘蔗與輸送段作用時(shí)有滑落現(xiàn)象。仿真可知：4.4s甘蔗到達(dá)最高點(diǎn)。

螺距在210～240mm甘蔗有跌落，作用力在X軸正向，葉片阻礙甘蔗上升。螺距為295mm以上時(shí)，葉片作用影響力減弱，滾筒起主要作用，出現(xiàn)兩次跌落現(xiàn)象以上。根據(jù)甘蔗的跌落現(xiàn)象、螺旋葉片影響，螺距有效范圍為270～290mm，螺距為285mm時(shí)，受力情況以及扶起變化最穩(wěn)定，扶起效果最好。

3.4 扶起的運(yùn)動(dòng)條件分析

根據(jù)公式，分析扶蔗器運(yùn)動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)聯(lián)，優(yōu)化設(shè)計(jì)，取輸送段安裝角為60°，螺旋傾角為45°，甘蔗不跌落滿足的運(yùn)動(dòng)條件為

4 高速攝影試驗(yàn)驗(yàn)證

通過對(duì)甘蔗扶起過程運(yùn)動(dòng)學(xué)及力學(xué)分析，得到了甘蔗能夠被扶起的條件，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，并進(jìn)行高速攝影試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論及仿真的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)機(jī)車采用華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院土壤機(jī)器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備,兩段螺旋滾筒軸線平行，分別由相同型號(hào)的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，油路連接是串聯(lián)的，從而使兩段螺旋機(jī)構(gòu)能達(dá)到相同的轉(zhuǎn)速，螺旋式扶蔗器的轉(zhuǎn)動(dòng)由液壓站提供動(dòng)力，如圖15所示。高速攝影設(shè)備采用美國(guó)Southern Vision Systems. Inc生產(chǎn)的 Giga View攝像機(jī)， 型號(hào)為GVCC08-B06，試驗(yàn)采用碘鎢燈照明， 記錄速度為250fr/s。試驗(yàn)觀察扶蔗器對(duì)甘蔗作用的運(yùn)動(dòng)情況，如圖16所示。

圖15 扶起試驗(yàn)裝置

圖16 高速攝影甘蔗扶起運(yùn)動(dòng)

揀拾段主要是滾筒的支撐力把甘蔗提升起來，葉片的作用力把甘蔗水平傳遞，傳送過程平穩(wěn)；輸送段在機(jī)車前進(jìn)時(shí)，依靠滾筒的摩擦力上升，并且螺旋葉片對(duì)甘蔗作用，以免下滑、跌落。扶蔗器運(yùn)動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的交互作用對(duì)扶起影響較大，機(jī)車前進(jìn)速度過快，螺距小，安裝角大，甘蔗被扶升到輸送段時(shí)，上層螺旋葉片會(huì)阻礙其扶升；扶蔗器轉(zhuǎn)速過快，螺旋傾角大， 則會(huì)導(dǎo)致扶蔗器對(duì)甘蔗嚴(yán)重碰撞， 出現(xiàn)跌落現(xiàn)象。當(dāng)螺旋傾角為45°、螺距為270～290mm、輸送段安裝角為30°～60°，甘蔗扶起有效，高速攝影與仿真試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)過程一致。

5 結(jié)論

1)輸送段安裝角為30°～60°范圍內(nèi)，甘蔗不跌落，其中輸送段安裝角為60°，甘蔗扶起到最高點(diǎn)為4.1s，時(shí)間最短，效率最高。

2)螺旋角為45°時(shí)，甘蔗均勻受到螺旋葉片的作用，受力曲線平穩(wěn)，無跌落現(xiàn)象。

3)螺距有效范圍為270～290mm，當(dāng)螺距為285mm時(shí)，受力情況及扶起變化最穩(wěn)定，扶起效果最好。