基于作物力學(xué)特性的甘蔗收割機(jī)參數(shù)優(yōu)化與田間試驗

劉麗敏,任 萍,陳建能,張雪恒

(1.浙江經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車技術(shù)學(xué)院,浙江 杭州 310018; 2.余姚市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣中心,浙江 余姚 315402; 3.浙江理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

甘蔗是浙江義烏的主要經(jīng)濟(jì)作物之一。近年來,義烏市從事甘蔗種植的人數(shù)不斷上升。作為制作紅糖的重要原料,甘蔗生產(chǎn)也深刻影響著當(dāng)?shù)丶t糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計,義烏當(dāng)?shù)氐募t糖產(chǎn)量超過6 800 t·a-1,涉及上百個下游公司,相關(guān)從業(yè)者約50 000人,年產(chǎn)值4億多元[1]。當(dāng)前,義烏市的甘蔗種植業(yè)以人工收割為主;但隨著適齡勞動力的流失,農(nóng)業(yè)勞動力短缺問題日漸顯現(xiàn)。要促進(jìn)義烏紅糖產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展,通過機(jī)械化生產(chǎn)來克服甘蔗收割過程中勞動力短缺、作業(yè)效率低和生產(chǎn)成本過高的問題勢在必行。

義烏現(xiàn)有的甘蔗種植區(qū)多位于丘陵地貌之上,田間道路狹窄,且多呈階梯式分布,地塊相對較小。當(dāng)?shù)氐募t糖生產(chǎn)為了保持特色,其種植模式多以單個農(nóng)戶為主。在種植管理模式上,也較為傳統(tǒng),并沒有形成標(biāo)準(zhǔn)化的種植管理模式。受制于上述因素,目前市場上的中大型甘蔗收割機(jī)難以適用于義烏當(dāng)?shù)氐母收崾崭?因此,有必要針對義烏的甘蔗種植開發(fā)適用的微型甘蔗收割機(jī)。由于微型甘蔗收割機(jī)主要是針對丘陵地帶上單個農(nóng)戶甘蔗地的收割而設(shè)計的,故其動力宜采用小型的柴(汽)油機(jī)。受此限制,如何合理分配動力就成為了微型甘蔗收割機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵。目前,剪切式收割器常用的設(shè)計方法是根據(jù)工作速度、工作寬度、切割功比等來進(jìn)行計算,其中,切割功比多采用的是經(jīng)驗值。為提升設(shè)計精度,特開展試驗,深入研究甘蔗的物理特性,建立仿真模型,并針對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體地,首先,將甘蔗分成甘蔗皮和甘蔗芯,分別獲取其力學(xué)特性參數(shù),克服甘蔗切割過程動力學(xué)分析中力學(xué)特性參數(shù)缺失的問題;然后,通過動力學(xué)仿真和正交仿真試驗分析,得出甘蔗收割較優(yōu)的工作參數(shù)組合;最后,基于正交試驗所得的參數(shù)組合,完成手扶式甘蔗收割機(jī)的研制,并通過田間試驗驗證其功效。

1 甘蔗物理特性參數(shù)測試

1.1 試驗對象

義烏紅糖生產(chǎn)中最主要的甘蔗品種是粵糖54-474。為了得到更加準(zhǔn)確和更具針對性的數(shù)據(jù),試驗所用甘蔗均采自義烏核心產(chǎn)糖區(qū),具有較強(qiáng)的代表性。

1.2 物理特性參數(shù)測試

切割刀具的切割方式為沿甘蔗種植壟頂切割甘蔗,故取甘蔗根部土上一節(jié)進(jìn)行測量。隨機(jī)抽取甘蔗,取其根部,以甘蔗根部地上和地下分界面為中心點(diǎn)截取50 mm長度,其中5根用于制作含水率干燥試件,經(jīng)測定,其平均含水率為79%,其余5根用于制作甘蔗皮和甘蔗芯試件。

1.2.1 甘蔗皮拉伸試驗

制作的甘蔗皮試件的尺寸為50 mm×1 mm×0.2 mm。將甘蔗皮試件固定在拉伸夾具上,安裝于濟(jì)南文騰試驗儀器有限公司出品的WDE-50E型電子萬能材料試驗機(jī)上,設(shè)置加載速度10 mm·min-1,開展拉伸試驗(重復(fù)5次),至試件被拉斷,測定拉伸過程中的拉伸力和位移變化曲線(圖1)。

圖1 拉伸力和位移變化曲線Fig.1 Variation curves of tensile force and displacement

在甘蔗皮被拉伸的過程中,會發(fā)生彈性變形和塑性變形,其中,彈性變形的過程較為短暫,其線性斜率即為甘蔗表皮的彈性模量。因甘蔗表皮具有黏連性和長纖維結(jié)構(gòu),在塑性變形的屈服階段,會呈現(xiàn)出明顯不同于金屬材料的介于彈性和塑性變形的特殊屈服階段,其線性斜率即為甘蔗表皮的切線模量[2]。經(jīng)測定,甘蔗皮的彈性模量E、切線模量Et和屈服極限σs分別為5 660、3 935、125 MPa。

1.2.2 甘蔗芯壓縮試驗

取甘蔗根部用于制作甘蔗皮試件的同一節(jié)的中間段甘蔗制作甘蔗芯試件,尺寸為20 mm×10 mm×20 mm。將甘蔗芯試件固定在拉伸夾具上,設(shè)置加載速度10 mm·min-1,開展壓縮試驗,測定壓縮過程中的壓縮力與位移變化曲線(圖2),當(dāng)位移大于10 mm時停止加壓。經(jīng)測定,甘蔗芯的彈性模量E、切線模量Et和屈服極限σs分別為9.66、4.46、1.28 MPa。

圖2 壓縮力和位移變化曲線Fig.2 Variation curves of compression force and displacement

2 甘蔗切割過程有限元仿真分析模型的建立與驗證

2.1 甘蔗與切割刀具實體模型的建立

2.1.1 三維模型建立

采用三維建模軟件Solidworks 2019創(chuàng)建切割刀具和甘蔗試件的實體模型(圖3)。通過對一年生甘蔗地上第一節(jié)直徑的測量統(tǒng)計,設(shè)定甘蔗模型的直徑為45 mm,切割高度為30 mm,表皮厚度為0.2 mm。切割刀具為雙層鋸齒狀刀具,下層刀具為定刀片,上層刀具為動刀片,通過上層刀具的左右往復(fù)移動與定刀片形成剪刀叉,實現(xiàn)對甘蔗的切割。由文獻(xiàn)[2]可知,切割甘蔗時,刀具夾角一般需小于45°以確保甘蔗莖稈被刀具夾住,故在建模時選取切割夾角為30°。

圖3 甘蔗切割模型示意圖Fig.3 Diagram of sugarcane cutting model

2.1.2 材料參數(shù)設(shè)定

不同品種的甘蔗,其力學(xué)特性參數(shù)有一定的差別[3]。與甘蔗芯相比,甘蔗皮較薄,兩者的力學(xué)性能也有很大的差別。在切割甘蔗時,甘蔗的軸向應(yīng)變較小;因此,為便于建模,將甘蔗皮和甘蔗芯定義為兩種各向同性的塑性材料[4],其塑性隨動模型如下:

(1)

剛體材料模型在動力學(xué)求解中可以減少大量的運(yùn)算時間,且可以約束坐標(biāo)系中X、Y、Z方向上的轉(zhuǎn)動和移動,簡化有限元分析軟件ANSYS的前期數(shù)據(jù)處理。因刀具在切割甘蔗過程中的形變相對甘蔗莖稈來說極小,故在仿真分析時將刀具設(shè)置為剛體[4]。

將甘蔗皮、甘蔗芯、切割刀具(65Mn)的材料力學(xué)特性參數(shù)整理于表1,用于定義ANSYS分析中engineering data模塊的材料參數(shù)。此外,采用浸液法測定甘蔗的密度(1 050 kg·m-3)。另經(jīng)測定,甘蔗的徑向泊松比為0.419[5],65Mn的泊松比為0.30。

表1 用于仿真建模的各項材料的力學(xué)特性參數(shù)Table 1 Mechanical properties parameters of materials for simulation modeling

2.1.3 前期處理

在有限元仿真試驗開始之前,需要設(shè)置各模型表面的接觸類型。為保證切割系統(tǒng)中各個模型不出現(xiàn)侵蝕破壞現(xiàn)象,定義接觸類型為點(diǎn)面接觸的侵蝕類型[6]。將甘蔗芯和甘蔗皮之間的接觸類型設(shè)置為固定連接,切割刀具和甘蔗接觸面的接觸類型設(shè)置為有摩擦接觸。為模擬甘蔗莖稈埋入土中的情況,選取甘蔗模型的底部設(shè)置全約束。

在建立的甘蔗切割有限元模型坐標(biāo)系中,切割刀具的往復(fù)切割方向為X方向,前進(jìn)方向為Y方向,垂直于地面的為Z方向。動刀片限制Z方向上的移動和X、Y、Z方向上的轉(zhuǎn)動,定刀片限制X、Z方向上的移動和X、Y、Z方向上的轉(zhuǎn)動。在實際收割甘蔗的工況中,動刀片的往復(fù)移動速度和機(jī)器前進(jìn)速度基本保持恒定,所以在設(shè)置初始條件時,賦予動刀片沿X軸和Y軸方向恒定的速度,用以模擬動刀片往復(fù)切割甘蔗和機(jī)器的前進(jìn);賦予定刀片沿Y軸方向恒定的速度,用以模擬定刀片隨著機(jī)器前進(jìn)。具體地,將動刀片的往復(fù)速度和機(jī)器前進(jìn)速度均設(shè)置為0.6 m·s-1。

2.2 模型驗證

為驗證所設(shè)定材料參數(shù)的可靠性,設(shè)計了基于電子萬能材料試驗機(jī)和ANSYS Workbench 2021仿真平臺分析軟件的驗證對比試驗。

供試甘蔗莖稈直徑45 mm,刀具切入速度60 mm·s-1,切斷甘蔗莖稈后停止加壓。同時,采用前述力學(xué)特性參數(shù)開展仿真試驗。結(jié)果顯示,4次實際切斷力的試驗數(shù)據(jù)與仿真切斷力的數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致(圖4),仿真切斷力的平均值為478.1 N,實際切斷力的平均值為456.2 N,兩者相差為4.6%,說明仿真模型與實際試驗的吻合度較高,可以作為后續(xù)參數(shù)優(yōu)化的理想仿真模型。

圖4 實際切斷力與仿真切斷力的對比曲線Fig.4 Comparison of real cutting force and simulated cutting force

2.3 仿真過程分析

將輸出中的“Equally Spaced Points”設(shè)為40,對甘蔗切割過程進(jìn)行仿真(圖5)。具體地,可分為3個階段:第一階段,動刀片開始接觸甘蔗表面,此時甘蔗皮開始破損;第二階段,動刀片切割至甘蔗莖稈直徑1/2處,此時甘蔗皮撕裂;第三階段,動刀片完全切斷甘蔗莖稈。

a,動刀片接觸甘蔗;b,動刀片切割甘蔗;c,甘蔗被切斷。a, Moving blade touching sugarcane; b, Moving blade cutting sugarcane; c, Sugarcane was cut.圖5 甘蔗切割過程的仿真照片F(xiàn)ig.5 Photos of simulation of sugarcane cutting process

圖6 甘蔗切割過程中的等效應(yīng)力曲線Fig.6 Equivalent stress curve during sugarcane cutting

等效應(yīng)力作為切割過程中的一項重要指標(biāo),間接反映了割刀的切割質(zhì)量。切割過程中的等效應(yīng)力越小,切割質(zhì)量越高,甘蔗破頭率和損失率越低。為此,在動力學(xué)仿真過程中選擇等效應(yīng)力作為反映切割質(zhì)量的評價指標(biāo)[4]。仿真結(jié)果顯示,經(jīng)過0.021 5 s甘蔗被切斷后,由于系統(tǒng)中存在摩擦力,等效應(yīng)力在10 MPa附近波動。切割過程中,等效應(yīng)力的峰值為43 MPa。在本研究中,切割刀片的材料選擇的是65Mn,其屈服強(qiáng)度超過375 MPa,大于切割過程中等效應(yīng)力的峰值,符合強(qiáng)度要求。

3 基于正交試驗的參數(shù)優(yōu)化

3.1 試驗設(shè)計

在切割甘蔗的過程中,有許多因素影響著切割效率,主要包括切割刀具動刀片的平均切割速度、收獲作業(yè)速度、切割刀具夾角、刀刃傾角、甘蔗直徑等。切割功率是指切割器上的刀片切割甘蔗時所消耗的功率。破頭率與切割功率呈線性正比關(guān)系,切割功率越大,則破頭率越大[7]。在切割系統(tǒng)設(shè)計中,等效應(yīng)力即反映了所需的切割功率,故可將其作為評判甘蔗切割效率的重要指標(biāo),同時也可反映甘蔗破頭率和損失率等情況。當(dāng)仿真過程中的最大等效應(yīng)力達(dá)到試驗條件下的最小值時,所設(shè)計的切割器所需功率最低,既能滿足切割工作需要,又能實現(xiàn)最低的破頭率,可認(rèn)為各項工作參數(shù)達(dá)到最優(yōu)組合。

為了得到最優(yōu)的甘蔗收割機(jī)工作參數(shù),將切割系統(tǒng)中的最大等效應(yīng)力作為性能檢驗指標(biāo),利用前文構(gòu)建的仿真模型,開展3因素3水平的正交試驗[8],以切割系統(tǒng)中的等效應(yīng)力作為試驗響應(yīng)值,進(jìn)行仿真優(yōu)化。選定的3因素分別為刀具往復(fù)速度(即刀具平均切割速度,v2)、工作速度(即收獲作業(yè)速度,v1)、刀具夾角(即切割刀具的夾角,θ),這3個因素對應(yīng)于1、2、3水平的設(shè)定值分別為0.6、0.7、0.8 m·s-1,0.6、0.8、1.0 m·s-1,30°、35°、40°。

3.2 試驗結(jié)果與分析

按照擬定的正交試驗方案(表2)進(jìn)行試驗,其中,第4列被設(shè)為空列,用以估計系統(tǒng)誤差[9]。

表2 正交試驗的設(shè)計方案與結(jié)果Table 2 Orthogonal experiment design and results

方差分析結(jié)果顯示,選定的3個因素對等效應(yīng)力均具有顯著(P<0.05)影響。綜合分析,各因素對等效應(yīng)力的影響程度從小到大依次為刀具往復(fù)速度<工作速度<刀具夾角。

正交試驗中的單因素響應(yīng)分析能反映各因素對響應(yīng)值的影響趨勢[10-11]。隨著這3個因素設(shè)定值的增大,其響應(yīng)值(即等效應(yīng)力)均呈先減小后增大的變化趨勢(圖7)。綜合極差分析和響應(yīng)值變化曲線,得出本研究中正交試驗的最優(yōu)參數(shù)組合為:v1=0.6 m·s-1,v2=0.6 m·s-1,θ=35°。

圖7 工作速度、刀具往復(fù)速度、刀具夾角對等效應(yīng)力的影響Fig.7 Influence of working speed, tool reciprocating speed and tool angle on equivalent stress

4 手扶式甘蔗收獲機(jī)樣機(jī)研制與田間效果試驗

4.1 樣機(jī)研制

以前文得出的最優(yōu)工作參數(shù)組合為理論依據(jù),完成各個零件的設(shè)計加工和整機(jī)裝配。整機(jī)工作流程包括:1)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)器前進(jìn);2)扶禾器和喂入機(jī)構(gòu)將甘蔗撥入定向輸送通道;3)往復(fù)式刀具切斷甘蔗莖稈;4)定向輸送機(jī)構(gòu)作用于甘蔗,使其倒伏于田壟一側(cè)。

具體地,手扶式甘蔗收割機(jī)由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、定向輸送系統(tǒng)、收集系統(tǒng)等組成(圖8)。其動力源置于懸架后側(cè),通過雙十字型萬向節(jié)聯(lián)軸器將動力傳遞至懸架,并通過減速器將輸出軸轉(zhuǎn)速調(diào)整至合適的水平。經(jīng)減速器調(diào)速后,動力分成兩路:一路通過鏈傳動傳輸至懸架左側(cè)主軸上,帶動撥禾器上3組撥指鏈條工作,其中位于頂部的鏈輪選擇雙排鏈,在帶動撥齒鏈條工作的同時,也將動力傳輸?shù)綋芎唐魑谷肷蠐茌喩?完成撥禾與扶禾功能;另一路動力通過水平型曲柄連桿式機(jī)構(gòu)實現(xiàn)刀具的往復(fù)運(yùn)動。發(fā)動機(jī)經(jīng)過減速器增大力矩,將動力傳遞給曲柄,曲柄轉(zhuǎn)動帶動連桿運(yùn)動,使得滑塊和與其固連的動刀片作往復(fù)運(yùn)動。

1,推蔗盤;2,行走輪;3,變速箱;4,動力源5,配重架;6,轉(zhuǎn)向扶手;7,撥禾器撥指鏈條;8,懸架;9,撥禾器喂入上撥輪;10,撥禾器傳動主軸;11,扶禾架;12,減速器;13,往復(fù)式刀具;14,動力輸入軸;15,扶禾器。1, Push tray; 2, Walking wheel;3, Gearbox; 4, Drive power ; 5, Counterweight frame; 6, Steering handrail; 7, Dial finger chain; 8, Suspension; 9, Upper wheel of feeding mechanism; 10,Reel drive spindle; 11, Stacking frame; 12, Reducer; 13, Reciprocating tool; 14, Power input shaft; 15, Grain holding machine.圖8 整機(jī)裝配示意圖Fig.8 Schematic diagram of assembly

4.2 田間試驗

4.2.1 試驗條件與材料

為了驗證本研究設(shè)計的微型甘蔗收獲機(jī)的作業(yè)性能,在義烏市義亭鎮(zhèn)青肅村甘蔗種植區(qū)開展田間試驗,其田間工況如圖9所示。試驗材料為粵糖54-474甘蔗,整株長度(包括蔗尾)為2 500～3 200 mm,種植密度為8～10根·m-1。

圖9 田間試驗工況Fig.9 Field test conditions

4.2.2 試驗方案

設(shè)定甘蔗收割作業(yè)樣機(jī)的功率為6.5 kW,選用Ⅱ檔速度收割甘蔗,控制機(jī)器工作速度為0.6 m·s-1,收割方式為土上切割。收割4組甘蔗,每組3 m,總長12 m,甘蔗總根數(shù)101根。

數(shù)出每組甘蔗的總數(shù)N,破頭的甘蔗數(shù)N1和按規(guī)定方向倒伏的甘蔗數(shù)量N2,測量每組的留茬高度和有效榨糖長度,計算每組的破頭率(N1/N)、定向鋪放率(N2/N)、平均留茬高度L1、平均有效榨糖長度L和甘蔗損失率(L1/L)。

4.2.3 試驗結(jié)果與分析

經(jīng)測定,4組試驗的破頭率均在10%以下(分別為8.0%、4.0%、8.0%、7.6%),平均破頭率為6.9%。檢查與分析發(fā)現(xiàn),甘蔗切口很少發(fā)生破損與扭斷現(xiàn)象,切割效果良好,可滿足收割甘蔗的技術(shù)要求。4組試驗甘蔗的平均定向鋪放率為91%,且收割機(jī)在作業(yè)過程中未出現(xiàn)定向輸送通道堵塞的情況,基本符合甘蔗收割要求[12]。4組試驗的甘蔗損失率均在2%以下(分別為1.1%、1.8%、1.3%、1.4%),總平均損失率為1.4%,亦符合相應(yīng)的技術(shù)要求[12]。

5 結(jié)論

本研究以甘蔗皮和甘蔗芯為試驗,進(jìn)行力學(xué)性能測試。經(jīng)測定,甘蔗皮的彈性模量E=5 660

MPa,切線模量Et=3 935 MPa,屈服極限σs=125 MPa;甘蔗芯的彈性模量E=9.66 MPa,切線模量Et=4.46 MPa,屈服極限σs=1.28 MPa。利用Workbench軟件,根據(jù)測得的力學(xué)特性參數(shù),簡化甘蔗皮、甘蔗芯和刀具模型,進(jìn)行甘蔗切割過程的動力學(xué)仿真。基于構(gòu)建的模型,針對工作速度、刀具往復(fù)速度、刀具夾角對刀具所受最大等效應(yīng)力的影響,設(shè)計3因素3水平正交試驗,得到最優(yōu)的工作參數(shù)組合:收獲作業(yè)速度0.6 m·s-1,刀具平均切割速度0.6 m·s-1,切割刀具夾角35°。以得出的最優(yōu)工作參數(shù)組合為理論依據(jù),研制手扶式甘蔗收割機(jī),開展田間試驗,破頭率、定向鋪放率、損失率分別為6.9%、91%、1.4%,符合甘蔗收割的農(nóng)藝要求。