拉力式甘蔗剝?nèi)~機風倒機構(gòu)設計與試驗

摘要：針對拉力式甘蔗剝?nèi)~機過程中蔗葉與蔗莖之間的干涉現(xiàn)象，設計一種蔗葉風倒機構(gòu)，通過減少蔗葉與蔗莖之間相互干涉，以達到降低含雜率和提高斷尾率的目的。以風倒機構(gòu)的轉(zhuǎn)速等為條件，運用ADAMS進行虛擬樣機仿真，模擬甘蔗葉在受到風倒機構(gòu)作用時被推開的過程以及受力情況，驗證風倒機構(gòu)能減少蔗葉與蔗莖之間的干涉現(xiàn)象。在仿真分析的基礎(chǔ)上，對改進后的物理樣機進行試驗，并對改進前后的試驗結(jié)果進行對比分析。試驗結(jié)果表明：改進后的拉力式甘蔗剝?nèi)~機具有更好的剝?nèi)~效果，含雜率降低將近2.0%，斷尾率也提高3.0%左右，且滿足糖廠對原料蔗的進廠要求。

關(guān)鍵詞：拉力式甘蔗剝?nèi)~機；蔗葉風倒；仿真分析；剝?nèi)~試驗

中圖分類號：S233.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0095?05

Design and test of wind reversal mechanism for pulling sugarcane leaf stripper

Lin Yundong， Lu Jingping， Zhang Yongxu， Feng Wukai， Lin Zefeng

（College of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning， 530004， China）

Abstract： Aiming at the interference between cane leaves and cane stems in the process of pulling sugarcane leaf stripper， a cane leaf wind reversal mechanism was designed to achieve the purpose of reducing the rate of impurity and improving the rate of tail breakage by reducing the interference between cane leaves and cane stems. Based on the rotational speed and other conditions of the wind reversing mechanism， the virtual prototype simulation was carried out by using ADAMS to simulate the process and the force situation of sugarcane leaves pushed away by the wind reversal mechanism， and to verify that the wind reversal mechanism could reduce the interference phenomenon between cane leaves and cane stems. On the basis of simulation analysis， the improved physical prototype is tested， and the experimental results before and after the improvement were compared and analyzed. The results show that the improved pulling cane leaf stripper has better leaf stripping effect. The impurity rate is reduced by nearly 2.0%， and the tail breaking rate is improved by about 3.0%. It meets the requirements of sugar mills for raw cane.

Keywords： pulling sugarcane leaf stripper; cane leaf wind collapse; simulation analysis; leaf stripping test

0 引言

甘蔗原產(chǎn)地位于印度或幾內(nèi)亞[1]，是我國最重要的糖料作物[2]。全世界有一百多個國家出產(chǎn)甘蔗，我國年產(chǎn)甘蔗約1×108 t，僅次于巴西和印度，是世界第三大甘蔗種植國[3]。同時也是全球第二大食糖消費國，占我國食糖作物的85%左右[4]。目前我國甘蔗生產(chǎn)綜合機械化水平仍然很低，尤其是甘蔗收獲環(huán)節(jié)，機械化收獲率僅為5%左右，人工作業(yè)仍是主要的模式，占總用工量的60%以上。甘蔗收獲勞動強度大，作業(yè)成本高，生產(chǎn)效率低，是制約甘蔗生產(chǎn)全程機械化的瓶頸[5]。而剝?nèi)~是甘蔗收獲中耗費時間最多的工序，占人工收獲作業(yè)量的65%以上[6]。

機械化整稈式收獲通常采用離心力式剝?nèi)~方法[7]，具有結(jié)構(gòu)簡單、剝?nèi)~效率較高的優(yōu)點[8， 9]，但是普遍存在剝?nèi)~傷皮、剝?nèi)~元件壽命短、含雜率和斷尾率達不到糖廠要求等問題[10]。剝?nèi)~系統(tǒng)是甘蔗收獲機的核心，不同的剝?nèi)~方法不僅直接影響剝?nèi)~效果，而且是決定甘蔗收獲機的結(jié)構(gòu)和體積的關(guān)鍵因素。因此，開發(fā)甘蔗收獲機具有重要意義。

根據(jù)甘蔗剝?nèi)~方法及其理論展開研究，指出拉力式甘蔗剝?nèi)~新方法。并根據(jù)目前拉力式甘蔗剝?nèi)~機在工作中存在蔗葉與蔗莖之間相互干涉影響剝?nèi)~效果的問題，設計一種風倒機構(gòu)。通過建立三維模型進行運動學仿真分析，并將此機構(gòu)應用于自主研發(fā)的拉力式甘蔗剝?nèi)~機中進行物理試驗。通過試驗驗證其可行性，為拉力式甘蔗剝?nèi)~機的改進及優(yōu)化提供參考。

1 拉力式甘蔗剝?nèi)~機構(gòu)與蔗葉風倒問題分析

1.1 拉力式甘蔗剝?nèi)~機構(gòu)

拉力式甘蔗剝?nèi)~機構(gòu)包括了輸入輥筒、擠壓輥筒、風機、剝?nèi)~輥筒以及輸出輥筒等構(gòu)件，如圖1所示。其工作的主要原理是收割后的甘蔗為整稈式以及未剝?nèi)~狀態(tài)，由甘蔗尾部從設備左邊的喂入口經(jīng)輸入輥筒傳送進入設備，擠壓輥筒對甘蔗起到一個橫向疏散的作用，接著甘蔗進入剝?nèi)~輥筒與風機之間，風機產(chǎn)生的風力以及剝?nèi)~輥筒之間的吸力使得蔗葉被吹入兩對剝?nèi)~輥筒之中，剝?nèi)~輥筒相對旋轉(zhuǎn)將蔗葉夾持往下拉扯，蔗葉從剝?nèi)~輥筒下方排出，甘蔗尾葉在這個過程中同樣被剝?nèi)~輥筒夾持拉斷，托桿對甘蔗莖稈起支撐作用，防止蔗莖落入剝?nèi)~輥筒中。目前拉力式甘蔗剝?nèi)~設備剝?nèi)~試驗的結(jié)果體現(xiàn)了其具有良好的性能，即使是較為難剝?nèi)~的甘蔗品種也能取得不錯的剝?nèi)~效果。

1.2 蔗葉風倒問題分析

從甘蔗的生長形態(tài)可知，蔗葉沿著甘蔗莖稈向上生長，同時向四周散亂分布。剝?nèi)~時，蔗莖處在水平狀態(tài)，如果沒有外力作用下，大部分的蔗葉很難進入到下方的剝?nèi)~輥筒之間，會導致其不能被剝離。根據(jù)拉力式剝?nèi)~設備的工作原理，甘蔗葉的抓取及剝?nèi)~工序依靠剝?nèi)~裝置以及上方的風機共同作業(yè)完成。為便于描述，將蔗葉受風機產(chǎn)生的風力作用進入剝?nèi)~機構(gòu)稱為蔗葉風倒。

然而，目前拉力式甘蔗剝?nèi)~機中存在蔗葉與蔗莖之間相互干涉影響剝?nèi)~效果的問題，即多根甘蔗同時喂入剝?nèi)~設備進行剝?nèi)~時，相鄰兩根或多根甘蔗的蔗葉會搭在另一根甘蔗的莖稈或蔗葉上。原有的風機結(jié)構(gòu)如圖2所示，其在甘蔗剝?nèi)~過程中并不會與蔗葉和蔗莖產(chǎn)生接觸，無法將相互干涉的蔗葉分離開，導致這些蔗葉很難被風倒，致使增大風力效果也不理想，剝?nèi)~效果明顯比單根甘蔗喂入要差，這是影響甘蔗剝?nèi)~的重要因素。因此，為研究消除干涉現(xiàn)象對剝?nèi)~效果的影響，設計一個風倒機構(gòu)，并通過仿真分析與樣機試驗說明其可行性。

2 風倒機構(gòu)改進設計

2.1 風倒機構(gòu)功能和要求的分析

針對上述存在的問題，設計一個風倒機構(gòu)，其作用是減少蔗葉與蔗莖的干涉問題，能更好地將甘蔗葉吹入剝?nèi)~輥筒之間。根據(jù)拉力式剝?nèi)~設備實際的工況需求，所設計的風倒機構(gòu)總體要滿足以下條件。

1） 甘蔗經(jīng)輸入輥筒作用進入剝?nèi)~設備，對于相互之間干涉的甘蔗莖稈以及蔗葉，風倒機構(gòu)要具備一定的作用力將搭在相鄰甘蔗上的蔗葉推開，這是風倒機構(gòu)的主要功能。同時為了使拉力式剝?nèi)~設備工作正常，風倒機構(gòu)在實現(xiàn)其功能前提下，要保證甘蔗在剝?nèi)~設備中的物流狀態(tài)正常，即不能造成甘蔗在剝?nèi)~設備內(nèi)堵塞，保證甘蔗從輸入、剝?nèi)~到輸出能夠順利完成。因此，將風倒機構(gòu)的功能部件設計為耙齒狀結(jié)構(gòu)。

2） 風倒機構(gòu)作用對象主要是甘蔗葉，在它工作的過程中與蔗葉接觸的頻率較高，同時需要確保它對甘蔗的作用力不能過大，從而保證甘蔗不會受到損傷。在功能部件的選擇上，首先應考慮的是剛度較小的材料，在作用的過程中具備一定的可變形空間，還需要有較好的使用壽命。因此，風倒機構(gòu)與蔗葉接觸的葉片選用較柔軟的橡膠類材料。

2.2 建立風倒機構(gòu)模型

基于以上設計思路，結(jié)合甘蔗直徑約為20～30 mm的實際尺寸，同時考慮拉力式剝?nèi)~設備實際的運作狀態(tài)，利用SOLIDWORKS軟件完成風倒機構(gòu)的模型設計，如圖3所示。橡膠葉片圓周分布于輥筒，使用內(nèi)六角螺釘固定，這樣在磨損或者斷裂時可便于更換。將原有的風機葉片末端設計成耙齒狀，其中耙齒的有效長度為50 mm，寬度為30 mm，耙齒的間距為120 mm。該設計是為了保障風倒機構(gòu)對相互干涉的莖稈和蔗葉有足夠的作用密度，同時確保甘蔗有良好的通過性。

2.3 甘蔗受力分析

為了進一步闡述風倒機構(gòu)的工作機理，對其在正常工作中與甘蔗進行受力分析討論。甘蔗主要受到的作用力是風倒機構(gòu)的葉片對蔗葉的打擊力F，葉片相對于甘蔗運動時產(chǎn)生的摩擦力[Ff]，如圖4所示。

在葉片與甘蔗葉接觸作用的前后，風倒機構(gòu)的轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，由此可以得到

[F=Ma=M（r2-L）ε=M（r2-L）ω2-ω3Δt] （1）

式中： F——葉片對蔗葉的打擊力，N；

M——葉片的質(zhì)量，kg；

a——葉片的加速度，m/s2；

?——風倒輥筒的角加速度，rad/s2；

[r2]——風倒機構(gòu)輥筒的半徑，m；

L——葉片的長度，m;

[ω2]——葉片打擊蔗葉前風倒輥筒角速度，rad/s；

[ω3]——葉片打擊蔗葉后風倒輥筒角速度，rad/s；

[?t]——角速度發(fā)生變化經(jīng)歷時間，s。

摩擦力[Ff]可由式（2）進行分析。

[Ff=FN?f] （2）

[FN=G+Nsinθ] （3）

[sinθ=1-L-Δh2L2] （4）

[G=Mg] （5）

式中： [Ff]——葉片相對甘蔗運動時產(chǎn)生的摩擦力，N;

[FN]——蔗葉對葉片的支持力，N;

[f]——葉片相對甘蔗的摩擦系數(shù);

G——葉片所受重力，N;

N——葉片外端點承受反作用力 ，N;

θ——葉片剛接觸蔗葉時夾角;

?h——葉片與甘蔗的交錯深度，mm;

g——重力加速度，m/s2。

由于風倒機構(gòu)葉片與蔗葉接觸作用，發(fā)生一定的形變，由工程力學理論[11]可知，大變形懸臂梁端點承受集中載荷時，垂直撓度方程

[δVL=1-4ELF變形E（k）-E（k，?）] （6）

由此得到葉片外端點承受的反作用力

[N=F變形=4EIL-δVE（k）-E（k，?）2] （7）

[K=1+sinθ2] （8）

[?=sin-11K2] （9）

[E（k）=0π21-K2sin2tdt] （10）

[E（K，?）=0?1-K2sin2tdt] （11）

式中： [δV]——葉片沿作用力方向上的撓度；

F變形——葉片外端點承受的垂直作用力，N；

E——葉片彈性模量，N/mm2；

I——葉片的慣性矩。

由以上各式可計算得到摩擦力

[Ff =Mg+4EIL-δVE（k）-E（k，?）2×1-（L-Δh）2L2f] （12）

由以上各式得到在風倒機構(gòu)在運行過程中，甘蔗受到風倒機構(gòu)葉片作用力的大小主要與葉片的質(zhì)量、葉片長度以及葉片與甘蔗的交錯深度等因素有關(guān)。

3 風倒機構(gòu)的虛擬仿真

3.1 甘蔗模型與風倒機構(gòu)模型柔性化

甘蔗以及風倒機構(gòu)的葉片均是在運行中產(chǎn)生變形的柔性材料，在仿真中分析其相互作用的接觸力，如果在ADAMS中將它們定義為剛體進行運動仿真，將會產(chǎn)生較大的誤差。為了使仿真得到更符合實際情況的結(jié)果，采用Flex法[12， 13]對甘蔗模型以及風倒機構(gòu)模型進行了柔性化處理。

3.1.1 甘蔗模型的柔性化

實地調(diào)查表明，絕大部分甘蔗的高度在2.0～2.8 m之間，蔗莖的直徑變化范圍為17～34 mm。使用SOLIDWORKS軟件建立甘蔗莖稈模型的直徑為25 mm，長度為2.4 m。將其導入Ansys進行材料參數(shù)設置和網(wǎng)格劃分。甘蔗的物理參數(shù)使用試驗測量得到的數(shù)據(jù)：蔗莖密度為1 000 kg/m3，彈性模量為1 300 MPa，泊松比為0.31；蔗葉密度為920 kg/m3，彈性模量為1 439.2 MPa，泊松比為0.31。經(jīng)過網(wǎng)格劃分，得到Ansys中的甘蔗模型，最后將其導入到ADAMS中完成對甘蔗模型進行柔性化處理。

3.1.2 風倒機構(gòu)葉片的柔性化

參照上述甘蔗模型柔性化處理的過程，對風倒機構(gòu)葉片材料參數(shù)設定分別是：密度1 100 kg/m3，彈性模量為7.8 MPa，泊松比0.47。最后導入到ADAMS中完成對風倒機構(gòu)葉片柔性化的處理。

3.2 風倒機構(gòu)的仿真分析

3.2.1 仿真模型建立

本次仿真的目的是分析風倒機構(gòu)在運行中撥開蔗葉的過程，針對葉片與甘蔗的接觸作用進行仿真分析。根據(jù)先前的內(nèi)容中已經(jīng)對甘蔗模型和風倒機構(gòu)進行了柔性化處理，甘蔗單次喂入量為2根時能達到本次仿真的目的，對仿真模型在滿足需求的前提下進行適當簡化，最終得到ADAMS中的仿真模型如圖5所示。

3.2.2 仿真結(jié)果分析

根據(jù)目前甘蔗拉力式剝?nèi)~設備的運行參數(shù)，仿真中設定輸入輥筒的轉(zhuǎn)速為150 r/min、風倒機構(gòu)的轉(zhuǎn)速為800 r/min，運行仿真時設置仿真時間為1 s，仿真步數(shù)為200步。在該段時間中，風倒機構(gòu)葉片與甘蔗葉發(fā)生了多次接觸，接觸過程如圖6所示。當[t=]0 s時，兩根甘蔗的蔗葉與蔗莖之間接觸較為密集，且互相存在干涉，不利于蔗葉風倒；[t=0.02] s時，撥桿與蔗葉首次產(chǎn)生接觸，與風倒機構(gòu)接觸的蔗葉被推開；當[t=0.33] s時，蔗葉被風倒機構(gòu)葉片推開的幅度最為明顯，蔗葉與蔗莖彼此之間較為散開，有利于進行蔗葉風倒。由此可見，與原有的風機結(jié)構(gòu)相比，風倒機構(gòu)通過與蔗葉和蔗莖接觸，能夠減少蔗葉與蔗莖的干涉問題，使蔗葉更容易進行風倒，從而使拉力式甘蔗剝?nèi)~機具有更好的剝?nèi)~效果。

從仿真的結(jié)果可知，風倒機構(gòu)葉片與甘蔗葉發(fā)生多次接觸，接觸力曲線如圖7所示。當[t=0.33] s時，甘蔗葉受到的作用力最大為5.88 N。說明此條件下風倒機構(gòu)將相互干涉的蔗葉推開的作用力不大，不會對甘蔗造成損傷。

4 試驗設計

4.1 試驗目的

影響甘蔗剝?nèi)~含雜率和斷尾率的主要因素有甘蔗單次喂入量、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、交錯深度和剝?nèi)~元件裝夾角度等[14， 15]。為驗證理論分析和仿真得到的結(jié)果，根據(jù)改進后的拉力式甘蔗剝?nèi)~機，設計了甘蔗單次喂入量試驗，通過對比改進前后的剝?nèi)~效果，分析驗證其含雜率和斷尾率等性能指標，進一步驗證改進設計的正確性。

4.2 試驗設備及材料

主要的設備為改進后的拉力式甘蔗剝?nèi)~設備。根據(jù)目前甘蔗拉力式剝?nèi)~設備的運行參數(shù)，輸入輥筒的轉(zhuǎn)速為150 r/min、風倒機構(gòu)的轉(zhuǎn)速為800 r/min，設備其他部件的運行條件根據(jù)設備平時的工況調(diào)整至最佳水平。試驗材料為蔗梢和蔗葉完整的桂糖42號甘蔗，蔗徑平均在20～25 mm之間。

4.3 單因素試驗方案

以甘蔗單次喂入剝?nèi)~設備的數(shù)量為單因素進行剝?nèi)~試驗，分別以1、2、3、4以及5根甘蔗同時喂入，共五組試驗，每組甘蔗數(shù)量為150根，記錄每組試驗的剝?nèi)~效果。

4.4 試驗指標

根據(jù)我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 2903—2016《甘蔗收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[16]的要求，整稈式甘蔗收獲機的作業(yè)性能指標中含雜率要求小于或等于4%。

根據(jù)我國機械行業(yè)標準JB/T 6275—2007《甘蔗收獲機械試驗方法》[17]，含雜率[Y1]和斷尾率[Y2]的計算如式（13）、式（14）所示。

含雜率

[Y1=m1M1] （13）

式中： [m1]——每組甘蔗剝?nèi)~后殘留在甘蔗上雜質(zhì)質(zhì)量；

[M1]——機械剝?nèi)~后帶有殘留雜質(zhì)的甘蔗總體質(zhì)量，kg。

斷尾率

[Y2=n2N2] （14）

式中： [n1]——成功斷尾的甘蔗根數(shù)；

[N2]——每組甘蔗的總根數(shù)。

4.5 改進前后結(jié)果對比分析

通過對甘蔗單次喂入量單因素試驗的結(jié)果分析，對比拉力式甘蔗剝?nèi)~機在改進前后的含雜率和斷尾率數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著甘蔗喂入量的增加，甘蔗剝?nèi)~含雜率逐漸升高，斷尾率逐漸降低，即剝?nèi)~效果隨著甘蔗喂入量的增加而逐漸下降，但均滿足我國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY/T 2903—2016《甘蔗收獲機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》的要求。當單次喂入5根甘蔗時，改進后含雜率為1.79%，斷尾率為92.31%。改進后比改進前的含雜率降低了1.88%，斷尾率提高了2.87%。綜合對比結(jié)果分析可知，改進風倒機構(gòu)后的拉力式甘蔗剝?nèi)~機含雜率明顯降低了將近2.0 %，斷尾率也提高了3.0%左右。說明改進后的拉力式甘蔗剝?nèi)~機具有更好剝?nèi)~效果，驗證了改進風倒機構(gòu)設計的可行性，同時也滿足糖廠對原料蔗的進廠要求。

5 結(jié)論

1） 通過ADAMS運動學仿真得到甘蔗在剝?nèi)~過程中被風倒機構(gòu)葉片推開的過程以及所受作用力的大小。當輸入輥筒的轉(zhuǎn)速為150 r/min、風倒機構(gòu)轉(zhuǎn)速為 800 r/min，甘蔗葉受到的作用力為5.88 N，說明此條件下風倒機構(gòu)對甘蔗葉的作用力并不大，不會對甘蔗造成損傷。

2） 通過試驗結(jié)果對比分析，改進后的拉力式甘蔗剝?nèi)~機具有更好的剝?nèi)~效果，整體含雜率降低將近2.0%，斷尾率也提高3.0%左右，且滿足糖廠的進廠要求。

3） 綜合對比分析，改進后的拉力式甘蔗剝?nèi)~機能減少剝?nèi)~過程中存在的蔗葉與蔗莖干涉問題，使風機能更好地將蔗葉吹入剝?nèi)~輥筒之間，具有良好的剝?nèi)~效果。

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