甘蔗收獲機(jī)站稈式收割系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

江佳運(yùn)，陸靜平

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

收割系統(tǒng)是甘蔗收獲機(jī)的重要組成部分，其優(yōu)劣直接影響甘蔗的收割質(zhì)量以及輸送和除雜效果[1]。當(dāng)前，市場(chǎng)上大部分收獲機(jī)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(duì)根部進(jìn)行切割，刀盤上的螺旋機(jī)構(gòu)再將甘蔗提升輸送。國(guó)外一些制糖工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家，由于甘蔗種植地廣闊平坦，加上糖廠先進(jìn)的榨糖技術(shù)，能夠較好地適應(yīng)推倒式收割方式。而在我國(guó)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(zhì)量，且對(duì)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(wú)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(shí)較控制而使大量甘蔗在窄小的空間內(nèi)集結(jié)，容易造成機(jī)器堵塞。針對(duì)推倒式收割存在的弊端，本研究進(jìn)行甘蔗收獲機(jī)站稈式收割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使甘蔗在直立狀態(tài)下刀盤緊貼地面切割，以期能達(dá)到提高甘蔗切割質(zhì)量和避免機(jī)器堵塞的收割效果。

1 整體結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)、雙圓盤切割器和輸送通道等結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)其繞撥盤軸轉(zhuǎn)動(dòng)。每側(cè)安裝兩個(gè)撥桿機(jī)構(gòu)以增大對(duì)甘蔗的作用效果，并且兩側(cè)成對(duì)稱狀態(tài)。與撥桿機(jī)構(gòu)相連的是輸送通道，其設(shè)計(jì)成以鏈條傳動(dòng)為動(dòng)力的輸送機(jī)構(gòu)，鏈條安裝在輸送通道兩側(cè)，并且有數(shù)根鋼條依附在鏈條上隨其傳動(dòng)，甘蔗可在鋼條的支撐下隨著鏈條傳動(dòng)送至喂入輥筒中。

圖1 站稈式收割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

收獲機(jī)工作時(shí)，在兩側(cè)撥桿往回轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的共同作用下達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，此時(shí)底部的刀盤緊貼地面并對(duì)甘蔗根部進(jìn)行切割，切割后的甘蔗在撥桿的回拉以及收獲機(jī)往前行駛的共同作用下，甘蔗順勢(shì)落入收割系統(tǒng)的輸送通道中，進(jìn)而輸送進(jìn)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(jī)的機(jī)器堵塞問題。

2 虛擬樣機(jī)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(dǎo)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(diǎn)的結(jié)構(gòu)單元solid186，設(shè)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(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分后導(dǎo)出mnf文件到ADAMS中[3]，與收割系統(tǒng)形成剛?cè)狁詈夏Ｐ汀?/p>

在ADAMS中，設(shè)置整個(gè)機(jī)構(gòu)與地面形成移動(dòng)副并根據(jù)實(shí)際工作情況添加0.5 m/s的平移驅(qū)動(dòng)，設(shè)置撥桿機(jī)構(gòu)與機(jī)架形成轉(zhuǎn)動(dòng)副并添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，設(shè)置甘蔗與機(jī)構(gòu)零部件的接觸力[4]。甘蔗與地面的連接效果通過設(shè)置軸套力替代，當(dāng)?shù)侗P與甘蔗產(chǎn)生接觸時(shí)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(gè)Marker點(diǎn)，利用傳感器判斷兩個(gè)Marker點(diǎn)的距離為接觸狀態(tài)時(shí)使軸套力失效，若刀盤直徑為R，甘蔗半徑為r，當(dāng)l=R-r時(shí)使得軸套力失效，則傳感器設(shè)置為DX（Marker_1，Marker_2）=R-r時(shí)終止當(dāng)前仿真并繼續(xù)腳本仿真。整個(gè)過程中設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)為1.5 s，步長(zhǎng)為200，利用腳本進(jìn)行仿真，仿真腳本為：

圖2 甘蔗與刀盤Marker點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(jié)果的前提下簡(jiǎn)化整個(gè)收割系統(tǒng)。撥桿對(duì)甘蔗的作用運(yùn)動(dòng)效果影響最大，因此設(shè)置不同的撥桿轉(zhuǎn)速，找出甘蔗能夠順利落入輸送通道的參數(shù)，撥桿轉(zhuǎn)速為40～120 r/min，車速設(shè)定為0.5 m/s，得到的結(jié)果見表1。

表1 仿真條件及結(jié)果

當(dāng)行駛速度為0.5 m/s，撥桿轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)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(jìn)和兩側(cè)撥桿旋轉(zhuǎn)回拉的作用下甘蔗處于一個(gè)被夾持的狀態(tài)，此時(shí)底部刀盤進(jìn)行根部切割使得甘蔗與地面軸套力失效，甘蔗順勢(shì)落入輸送通道，在輸送通道的傳送中甘蔗進(jìn)入剝?nèi)~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(shí)，甘蔗質(zhì)心的位移主要經(jīng)歷撥桿回拉—落入通道—輸送提升三個(gè)階段，甘蔗柔性體質(zhì)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(jī)作前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，并且繞著撥盤中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，撥桿端點(diǎn)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(zhì)點(diǎn)曲線變化，可以看到在0.9 s處甘蔗質(zhì)心開始下降，在0.9～1 s處下降相對(duì)緩慢，1～1.15 s迅速下降，之后1.15～1.5 s呈上升趨勢(shì)。根據(jù)分析可得0.9 s時(shí)撥桿與甘蔗接觸，在撥桿的回拉作用下甘蔗輕微擺動(dòng)使得質(zhì)心向下，1 s時(shí)由于甘蔗根部切割后落入輸送通道中質(zhì)心下降到最低，1.15 s后隨著輸送通道向上運(yùn)輸，質(zhì)心位置開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。觀察撥桿端點(diǎn)的曲線變化可得撥桿回拉時(shí)間區(qū)間為0.8 s～1.2 s，由撥桿為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)可得1 s時(shí)撥桿正處于夾持甘蔗位置，而1 s的時(shí)間點(diǎn)恰是甘蔗質(zhì)點(diǎn)迅速下降的時(shí)間，由此可得撥桿在對(duì)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(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)甘蔗收獲機(jī)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(duì)其結(jié)構(gòu)組成與工作原理進(jìn)行了闡述，并在ADAMS中建立甘蔗收割的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過仿真實(shí)驗(yàn)得到了在行速度為0.5 m/s，撥桿轉(zhuǎn)速為60 r/min的條件下，甘蔗能夠順利地落入輸送通道進(jìn)入剝?nèi)~箱中。通過對(duì)甘蔗質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)曲線和撥桿端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)曲線的分析，得到的結(jié)論是：撥桿機(jī)構(gòu)對(duì)甘蔗的作用效果符合收割的要求，收割系統(tǒng)具有技術(shù)可靠性。