宋春華

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510800)

螺旋式扶蔗器力學(xué)分析及試驗(yàn)研究

宋春華

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510800)

為了改善4ZZX–48型整稈式甘蔗收割機(jī)的扶蔗質(zhì)量，設(shè)計(jì)加裝了螺旋式扶蔗器。該扶蔗器由揀拾段和輸送段2段組成，當(dāng)螺旋滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋形葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)形成螺旋線，帶動(dòng)倒伏的甘蔗沿著螺旋線作上升運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳送，扶起甘蔗。對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行的力學(xué)仿真結(jié)果表明，揀拾段甘蔗根部約束力矩最大，甘蔗被從順倒伏到逆倒伏扶起過(guò)程中，螺旋葉片的軸向推力作用顯著，在0.8 s時(shí)，有突變且達(dá)到最大值。甘蔗扶起性能試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)扶蔗器揀拾段轉(zhuǎn)速為90 r/min，安裝角為5°時(shí)，分蔗效果好，扶起時(shí)間最短；至輸送段，螺旋葉片軸向推力轉(zhuǎn)換為提升力，甘蔗約束力矩減弱，無(wú)突變，平穩(wěn)扶起甘蔗，但扶蔗器輸送段轉(zhuǎn)速過(guò)慢，螺旋葉片阻礙甘蔗上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，對(duì)甘蔗的扶起效果最好。

甘蔗收割機(jī)；扶蔗器；螺旋葉片；軸向推力

甘蔗植株高大，縱橫交錯(cuò)，成熟期易受臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)影響發(fā)生倒伏，小型整稈式甘蔗收割機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，功耗小，使用方便，是丘陵地帶甘蔗收割機(jī)械的首選[1–3]。扶蔗是整稈式甘蔗收割機(jī)工作的第一道工序。扶蔗器需扶起不同倒伏狀況的甘蔗，要求對(duì)甘蔗的夾持、切割在時(shí)間與空間上協(xié)調(diào)一致，因此扶蔗機(jī)構(gòu)是整機(jī)研究中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。董振[4]分析甘蔗倒伏的具體情況，提出了一種不等距螺旋扶蔗器的設(shè)計(jì)方法，建立了物理模型，給出了不等距螺旋線的數(shù)學(xué)方程。牟向偉[5]對(duì)扶蔗器撥指運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究，得到扶蔗器扶蔗的臨界條件，建立撥指鏈?zhǔn)椒稣嵫b置不漏扶的數(shù)學(xué)模型。李尚平[6]以切割器螺旋提升機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，螺旋選用摩擦系數(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%，可以改進(jìn)切割器流系統(tǒng)堵塞問(wèn)題。鄧勁蓮等[7]建立倒伏甘蔗的虛擬模型，獲得了甘蔗扶起運(yùn)動(dòng)的軌跡、速度、加速度等重要參數(shù)。高建民[8]認(rèn)為，甘蔗與地面之間的約束近似為一扭簧約束，扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)為0.33 kN·m/(°)，甘蔗在扶起過(guò)程中繞某一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，據(jù)此，建立了甘蔗的三維有限元模型，探討扶起攪龍與甘蔗的作用過(guò)程及其對(duì)收獲過(guò)程的影響。

4ZZX–48型整稈式甘蔗收割機(jī)以澳大利亞產(chǎn)B80–130機(jī)型為基礎(chǔ)，通過(guò)田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該機(jī)適用于直立的甘蔗收割，并不適用中國(guó)南方甘蔗產(chǎn)區(qū)倒伏甘蔗的收割。為了改善 4ZZX–48型整稈式甘蔗收割機(jī)的扶蔗質(zhì)量，筆者為這款甘蔗收割機(jī)設(shè)計(jì)加裝了兩段螺旋式扶蔗器，將扶蔗過(guò)程分為揀拾段和輸送段2個(gè)階段，分析了扶蔗器對(duì)甘蔗作用的力學(xué)關(guān)系，并進(jìn)行了仿真和扶起性能驗(yàn)證試驗(yàn)，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1 兩段螺旋式扶蔗器的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，兩段螺旋式扶蔗器由2段螺旋式的滾筒組合而成，并且2段螺旋滾筒的軸線平行并錯(cuò)開。第1段螺旋為揀拾段，作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨機(jī)車直線前進(jìn)，改變調(diào)速閥流量，獲得不同的旋轉(zhuǎn)速度。第2段螺旋為輸送段，主要是把揀拾起來(lái)的甘蔗輸送到一定高度，以便夾持，切割。揀拾段、輸送段螺旋分別由相同型號(hào)的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓馬達(dá)的油路采用串聯(lián)連接，2段螺旋機(jī)構(gòu)的角度由螺桿螺母調(diào)節(jié)。

圖1 兩段螺旋式扶蔗器的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sugarcane lifter with two screws

2 螺旋扶蔗器的力學(xué)分析

2.1 甘蔗彎曲受力模型

為明確甘蔗彎曲受力狀況，建立了甘蔗彎曲受力變形簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。視甘蔗為受集中載荷作用下的懸臂梁，OAB為甘蔗，O點(diǎn)為甘蔗根部，A點(diǎn)為扶蔗點(diǎn)，C點(diǎn)為甘蔗重心位置，MZ為甘蔗根部在垂直方向約束力矩，Ln為扶蔗點(diǎn)位置，Lg為甘蔗質(zhì)心的位置。不考慮甘蔗莖稈之間的相互牽連，提升甘蔗主要受到螺旋扶蔗器水平推力FXJ、垂直提升力FZJ及土壤的約束力矩的共同作用。

圖2 甘蔗彎曲受力模型Fig.2 Bending stress model of sugarcane

2.2 扶蔗器對(duì)甘蔗的力學(xué)方程

2.2.1 螺旋軸向作用力

扶蔗機(jī)構(gòu)采用螺旋牙形，當(dāng)螺旋滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺旋形葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)形成螺旋線，帶動(dòng)倒伏的甘蔗沿著螺旋線作上升運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳送。葉片軸向作用力為Fp。

式中：Mn為螺旋扶蔗轉(zhuǎn)矩；r1為揀拾段扶蔗器半徑；n為扶蔗器轉(zhuǎn)速；P為扶蔗器功率。

2.2.2 扶蔗器對(duì)甘蔗的提升合力和水平合力

對(duì)甘蔗與扶蔗器組成的系統(tǒng)，建立螺旋力學(xué)模型，如圖3所示。以垂直于滾筒面的方向?yàn)閆軸，垂直于葉片方向?yàn)閄軸，建立笛卡爾坐標(biāo)系XOZ。

圖3 扶蔗器力學(xué)模型Fig.3 Mechanical model of sugarcane lifter

甘蔗被扶升過(guò)程中，繞地面生長(zhǎng)點(diǎn)為基點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，扶蔗器對(duì)甘蔗作用力為提升合力FZ和水平合力FX。

式中：fN為滑動(dòng)摩擦力；μ為滾筒的摩擦系數(shù)；δn為揀拾段安裝角。

扶蔗器隨機(jī)車直線前進(jìn)，作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，主要作用是把雜亂的甘蔗分開，揀拾倒伏的甘蔗，扶蔗器對(duì)甘蔗水平合力為FX。

甘蔗在從順倒伏到逆倒伏扶起過(guò)程中，螺旋葉片的作用明顯，且滿足 FX＞0，因此螺旋扶蔗器滿足力學(xué)條件：

3 扶蔗器力學(xué)仿真試驗(yàn)

根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，選取扶蔗器轉(zhuǎn)速100～150 r/min，機(jī)車前進(jìn)速度0.21～0.50 m/s，揀拾段安裝角為 0～15°，輸送段安裝角為 50～90°，模擬扶蔗器的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在Pro/E中創(chuàng)建扶蔗器的樣機(jī)模型，如圖 4所示。把模型導(dǎo)入 Adams–view2013，在仿真過(guò)程中創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)、約束力矩，建立固定副、平移副、旋轉(zhuǎn)副、球副以及約束力矩等約束。

圖4 扶蔗器虛擬樣機(jī)模型Fig.4 Virtual prototype model of sugarcane lifter

甘蔗長(zhǎng)度取3 m，質(zhì)量為2.5 kg，據(jù)文獻(xiàn)[9–10]，彈性模量為1 173 N/mm2，泊松比為0.33，抗剪切模量為300 N/mm2，密度為0.000 438。甘蔗的倒伏仰角為10°，側(cè)向角為45～135°順倒伏，扶蔗器輸送段與地面夾角為60°，轉(zhuǎn)速為60～150 r/min，機(jī)車前進(jìn)速度為0.21 m/s，滾筒直徑為150 mm，螺距為160 mm，滾筒長(zhǎng)度為1 800 mm。扶蔗點(diǎn)距離為300 mm，甘蔗根部水平約束力矩為35.3 N·m，垂直約束力矩為52.3 N·m。輸入設(shè)計(jì)載荷，進(jìn)行甘蔗力學(xué)仿真試驗(yàn)分析，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 扶蔗器對(duì)甘蔗的水平合力Fig.5 Horizontal combining ability of lifter to sugarcane

甘蔗與扶蔗器揀拾段開始接觸時(shí)，由于甘蔗受約束力矩作用，甘蔗受力比較大，F(xiàn)X在0.2 s有突變。扶蔗器水平推力在0.8 s時(shí)達(dá)到最大值。至2.2 s時(shí)，F(xiàn)X在輸送段和揀拾段交接處有變化，F(xiàn)X在揀拾段為正方向，即 FX≥0。在輸送段中，葉片軸向推力方向發(fā)生變化，F(xiàn)X基本為負(fù)方向，即FX≤0，力的大小沒(méi)有明顯突變，甘蔗沒(méi)有出現(xiàn)跌落，完成順倒伏的扶起過(guò)程。

圖6 扶蔗器對(duì)甘蔗的提升合力Fig.6 Enhance force of lifer on sugarcane

FZ在0.2 s有突變，扶蔗器提升力在0.8 s時(shí)達(dá)到最大值，至2.2 s時(shí)，F(xiàn)Z在輸送段和揀拾段交接處沒(méi)有變化，F(xiàn)Z在揀拾段為正方向，即 FZ≥0。在輸送段中，力的大小沒(méi)有明顯突變，且FZ≥0，甘蔗根部約束力矩影響不大，甘蔗沒(méi)有出現(xiàn)跌落現(xiàn)象。

4 螺旋扶蔗器扶起性能試驗(yàn)

試驗(yàn)機(jī)車由南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制開發(fā)。甘蔗品種為粵糖128號(hào)，取自廣東省湛江地區(qū)甘蔗基地。

扶蔗器揀拾段通過(guò)螺桿和螺母調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0～15°，扶蔗器轉(zhuǎn)速為90 r/min，機(jī)車前進(jìn)速度為0.21 m/s。每組安裝角分別對(duì)5種倒伏狀態(tài)的甘蔗重復(fù)做5次試驗(yàn)，取平均值。結(jié)果(表1)表明，扶蔗器揀拾段的安裝角為5°和10°時(shí)，對(duì)甘蔗扶起時(shí)間的影響基本一致。甘蔗側(cè)向倒伏角為90°、120°、135°逆倒伏狀況，扶起時(shí)間約為6 s，順倒伏為45°、60°狀況下，扶起時(shí)間約8 s。扶蔗器揀拾段的安裝角為5°時(shí)，跌落次數(shù)最少，扶起時(shí)間最短，扶起效果最好。用Excel軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，扶蔗器揀拾段的安裝角n與扶起時(shí)間 T呈二次曲線關(guān)系，T=0.276 4–2.169 2δn+9.992 4，R2=0.851 8。

表1 不同揀拾段安裝角下扶蔗器對(duì)甘蔗的扶起時(shí)間Table 1 The d ifferent p icking p eriod of in stallation angle o f sugarcane lifter for sugarcane lifting time

兩段螺旋式甘蔗扶蔗器對(duì)倒伏角為 45～165°的甘蔗，扶起效果明顯。扶蔗器揀拾段安裝角小于5°，難以扶起甘蔗，安裝角大于 15°時(shí)，甘蔗跌落現(xiàn)象明顯，當(dāng)扶蔗器揀拾段轉(zhuǎn)速為90 r/min，安裝角為5°時(shí)，轉(zhuǎn)速較慢，根部常常被拔起，甘蔗根部受力大，分蔗效果好，從順倒伏到逆倒伏扶起過(guò)程，螺旋葉片軸向推力作用顯著，在0.8 s時(shí)力有突變且達(dá)到最大值。扶蔗器輸送段轉(zhuǎn)速過(guò)慢，葉片阻礙甘蔗上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速為120 r/min，螺旋葉片軸向推力轉(zhuǎn)換為提升力，甘蔗約束力矩減弱，所需提升力小，無(wú)突變，平穩(wěn)扶起甘蔗，與力學(xué)分析和仿真試驗(yàn)結(jié)果一致。

5 結(jié)論

甘蔗收獲過(guò)程中，在揀拾段，甘蔗根部約束力矩最大，螺旋葉片的軸向推力作用顯著，在 0.8 s時(shí)力有突變且達(dá)到最大值，能實(shí)現(xiàn)順倒伏 45～135°扶起過(guò)程。

在輸送段，螺旋葉片對(duì)甘蔗向上提升輸送，螺旋葉片軸向推力轉(zhuǎn)換為提升力，甘蔗約束力矩減弱，所需提升力小，無(wú)突變，平穩(wěn)扶起甘蔗。

當(dāng)扶蔗器揀拾段轉(zhuǎn)速為90 r/min，安裝角為5°時(shí)，分蔗效果好，扶起時(shí)間最短，扶蔗器輸送段轉(zhuǎn)速過(guò)慢，葉片阻礙甘蔗上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速為120 r/min，對(duì)甘蔗的扶起效果最好。

[1] 胡金冰，王俊，胡瑩．虛擬樣機(jī)仿真的甘蔗扶蔗器參數(shù)優(yōu)化[J]．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，40(1)：111–118．

[2] 李俚，夏鵬，周曉蓉．整稈式甘蔗收獲機(jī)械收獲效果試驗(yàn)研究與分析[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2014(3)：174–179．

[3] 唐大芳，翁紹捷，林茂．小型整稈式甘蔗收割機(jī)撥蔗機(jī)構(gòu)仿真試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2017(2)：148–152．

[4] 董振，蒙艷玫，李永敏．不等螺距螺旋扶蔗器的設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2010(12)：80–84．

[5] 牟向偉，區(qū)穎剛，張楊．撥指鏈?zhǔn)椒稣崞髟囼?yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(8)：49–53．

[6] 李尚平，鄧雄，葉才福，等．甘蔗切割器螺旋提升機(jī)構(gòu)輸送性能分析與改進(jìn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(5)：21–28．

[7] 鄧勁蓮，李尚平，楊家強(qiáng)．倒伏甘蔗扶起過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真分析[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2003(2)：26–28．

[8] 高建民，區(qū)穎剛．甘蔗扶蔗器的理論研究及虛擬樣機(jī)仿真[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20(3)：1–5．

[9] 劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂(lè)，等．甘蔗收割機(jī)單圓盤根切器虛擬樣機(jī)研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(8)：78–81．

[10] 宋春華，區(qū)穎剛，劉慶庭．螺旋機(jī)構(gòu)與甘蔗的摩擦對(duì)甘蔗扶起效果的影響[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，38(3)：330–332．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Mechanical analysis and experimental study for spiral sugarcane lifter

SONG Chunhua
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong Communication Polytechnic, Guangzhou 510800, China)

In order to improve the sugarcane quality for the whole stalk of 4ZZX–48 type sugarcane harvester, a spiral sugarcane lifter was designed and installed. It was composed of a picking up unit and a conveying unit. When the spiral drum rotated, the spiral blade rotated to form a spiral line, driving the lodging sugarcane along the spiral line to upward movement. The mechanical simulation results showed that the maximum restraint moment was from the root of sugar cane and the axial thrust of screw blade was increased and reached the maximum at 0.8 s during the picking period of sugarcane. The performance test results indicated that when the sugarcane lifter picked up speed is 90 r/min, the installation angle is 5 degrees, the performance is best for cane dividing with the shortest time of lifting up. During the conveying unit, spiral blade axial thrust into the lifting force to decrease the restriction moment of sugarcane without mutation and lift up smoothly. If conveying speed is too slow, spiral blade could hinder sugarcane rising. When the conveying speed is 120 r/min, the best performance of lifting was obtained for sugarcane.

sugarcane harvester; sugarcane lifter; spiral blade; axial thrust force

S225.5+3

A

1007-1032(2017)04-0460-04

2017–04–26

2017–06–25

國(guó)家“星火計(jì)劃”項(xiàng)目(2015GA780025)；廣東省科技計(jì)劃公益研究項(xiàng)目(2015A020209010)

宋春華(1967—)，男，遼寧錦州人，博士，副教授，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造研究，calvin330@126.com