解福祥, 區(qū)穎剛， 劉慶庭， 宋 健

(1. 濰坊學(xué)院 機(jī)電與車輛工程學(xué)院， 山東 濰坊 261061；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510642)

0 引 言

甘蔗是我國(guó)主要的糖料作物,目前我國(guó)甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化水平不高，甘蔗收獲技術(shù)是阻礙甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-2]。國(guó)內(nèi)外主要針對(duì)甘蔗收獲機(jī)的切割[3-4]、喂入[5-7]、剝?nèi)~[8]斷尾[9]和排雜[10-12]等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

目前大多文獻(xiàn)對(duì)于甘蔗和玉米收獲機(jī)通過虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行仿真分析[13-16]，對(duì)于物流排雜裝置各部件扭矩的研究還不多。本文研究甘蔗收獲機(jī)內(nèi)物流問題主要是研究甘蔗在喂入、輸送、剝?nèi)~和排雜等工序。針對(duì)物流排雜裝置的各部件進(jìn)行了虛擬試驗(yàn)研究，分別對(duì)每個(gè)組成部分進(jìn)行虛擬單因素試驗(yàn)，觀察甘蔗在物流排雜裝置中的運(yùn)動(dòng)情況，通過虛擬試驗(yàn)測(cè)得各部件的扭矩，并對(duì)虛擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行物理試驗(yàn)驗(yàn)證，為甘蔗收獲機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 物流排雜裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

物流排雜裝置虛擬樣機(jī)主要由喂入滾筒、上輸送滾筒、下前輸送滾筒、剝?nèi)~滾筒、下后輸送滾筒等組成。喂入滾筒由上下滾筒等組成，如圖1所示。上輸送滾筒主要由上前部輸送滾筒、上風(fēng)機(jī)外圈滾筒、上雜質(zhì)分離滾筒和上后部輸送滾筒等組成。下前輸送滾筒主要由下前部輸送滾筒和下風(fēng)機(jī)外圈滾筒等組成。剝?nèi)~滾筒由上下滾筒等組成。下后輸送滾筒由下雜質(zhì)分離滾筒和下后部輸送滾筒等組成。

1-上喂入滾筒, 2-上前部輸送滾筒, 3-甘蔗葉, 4-上剝?nèi)~滾筒, 5-上風(fēng)機(jī)外圈滾筒, 6-雜質(zhì)與蔗葉, 7-上雜質(zhì)分離滾筒, 8-甘蔗, 9-上后部輸送滾筒, 10-下后部輸送滾筒, 11-下雜質(zhì)分離滾筒, 12-下風(fēng)機(jī)外圈滾筒, 13-下剝?nèi)~滾筒, 14-下前部輸送滾筒, 15-下喂入滾筒

圖1 物流排雜裝置工作原理圖

甘蔗首先被上下喂入滾筒相互作用喂入到物流通道內(nèi)，通過上下前部輸送滾筒將甘蔗喂入到剝?nèi)~滾筒進(jìn)行剝?nèi)~，然后通過上下風(fēng)機(jī)外圈滾筒繼續(xù)向后輸送，同時(shí)風(fēng)機(jī)提供足夠風(fēng)力，直到上下雜質(zhì)分離滾筒，此時(shí)通過雜質(zhì)分離滾筒的反向旋轉(zhuǎn)，并與風(fēng)機(jī)共同作用將雜質(zhì)與甘蔗葉一起排出，最后甘蔗通過上下后部輸送滾筒繼續(xù)輸送。

2 虛擬試驗(yàn)

2.1 建模假設(shè)條件

由于在物流排雜過程中，主要研究的是甘蔗的物流運(yùn)動(dòng)問題，因此忽略甘蔗本身的受力變形情況。在甘蔗與物流排雜裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)虛擬樣機(jī)模型中采用以下幾個(gè)假設(shè)條件：

(1) 忽略甘蔗自身形變。

(2) 甘蔗模型為通直勻質(zhì)的等截面圓柱體。

(3) 物流排雜裝置中各部件均作為剛體進(jìn)行建模，忽略各部件的自身形變。

2.2 試驗(yàn)材料、設(shè)備和方法

利用ADAMS軟件技術(shù)研究甘蔗在物流排雜裝置中運(yùn)動(dòng)情況。選取甘蔗為虛擬試驗(yàn)材料，對(duì)物流排雜裝置虛擬樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在虛擬樣機(jī)中各關(guān)鍵部件模型參數(shù)設(shè)置如圖2所示。

2.3 虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取喂入滾筒轉(zhuǎn)速、輸送滾筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)外圈滾筒轉(zhuǎn)速、雜質(zhì)分離滾筒轉(zhuǎn)速等5個(gè)因素作為試驗(yàn)因素，因素與水平設(shè)計(jì)如表1所示，喂入滾筒中心距為340 mm、輸送滾筒中心距為310 mm、剝?nèi)~滾筒中心距為280 mm、風(fēng)機(jī)外圈滾筒中心距為300 mm、雜質(zhì)分離滾筒中心距為280 mm，以各滾筒的扭矩為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，每次喂入1根甘蔗。

表1 試驗(yàn)各因素與水平表

2.4 虛擬試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.4.1喂入裝置

圖3為喂入滾筒虛擬試驗(yàn)圖像(以甘蔗被喂入滾筒喂入開始記為t=0.000 s)。甘蔗開始被喂入滾筒喂入(0.000 s)，此時(shí)甘蔗發(fā)生跳動(dòng)(0.175 s)，并且在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生滑動(dòng)和滾動(dòng)。

表2和圖4為喂入滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果。虛擬試驗(yàn)表明，隨著喂入滾筒轉(zhuǎn)速逐漸增加，喂入滾筒扭矩逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，效果最佳，此時(shí)上滾筒扭矩為5.63 N·m，下滾筒扭矩為2.13 N·m。

表2 喂入滾筒虛擬試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2輸送裝置

圖5為輸送滾筒虛擬試驗(yàn)圖像(以甘蔗被輸送滾筒輸送開始記為t=0.208 s)。甘蔗開始被輸送滾筒輸送(0.208 s)，此時(shí)甘蔗在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生跳動(dòng)、滑動(dòng)和滾動(dòng)(0.500 s)。表3和圖6為輸送滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果。虛擬試驗(yàn)表明，隨著輸送滾筒轉(zhuǎn)速逐漸增加，輸送滾筒扭矩逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，效果最佳，此時(shí)上滾筒扭矩為10.26 N·m，下滾筒扭矩為8.53 N·m。

100 r/min

200 r/min

300 r/min

圖4 喂入滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果

100 r/min

200 r/min

300 r/min

圖6 輸送滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果

2.4.3剝?nèi)~裝置

圖7為剝?nèi)~滾筒虛擬試驗(yàn)圖像(以甘蔗被喂入滾筒喂入開始記為t=0.000 s)。甘蔗開始被剝?nèi)~滾筒剝?nèi)~(0.000 s)，此時(shí)甘蔗在運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生跳動(dòng)、滑動(dòng)和滾動(dòng)(0.410 s)。表4和圖8為剝?nèi)~滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果。虛擬試驗(yàn)表明，隨著剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速逐漸增加，剝?nèi)~滾筒扭矩逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)，效果最佳，此時(shí)上滾筒扭矩為127.51 N·m，下滾筒扭矩為103.61 N·m。

圖8 剝?nèi)~滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果

2.4.4風(fēng)機(jī)外圈輸送滾筒

圖9為風(fēng)機(jī)外圈輸送滾筒虛擬試驗(yàn)圖像(以甘蔗被喂入滾筒喂入開始記為t=0.000 s)。甘蔗開始被輸送到風(fēng)機(jī)外圈輸送滾筒(0.000 s)，此時(shí)甘蔗在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生跳動(dòng)、滑動(dòng)和滾動(dòng)(0.500 s)。表5和圖10為風(fēng)機(jī)外圈輸送滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果。虛擬試驗(yàn)表明，隨著風(fēng)機(jī)外圈輸送滾筒轉(zhuǎn)速逐漸增加，風(fēng)機(jī)外圈輸送滾筒扭矩逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)效果最佳，此時(shí)上滾筒扭矩為0.59 N·m，下滾筒扭矩為0.39 N·m。

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)上滾筒扭矩/(N·m)下滾筒扭矩/(N·m)1002003000.592.392.450.390.751.05

100 r/min

圖10 風(fēng)機(jī)外圈輸送滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果

2.4.5雜質(zhì)分離滾筒

圖11為雜質(zhì)分離滾筒虛擬試驗(yàn)圖像(以甘蔗被雜質(zhì)分離滾筒分離開始記為t=0.000 s)。甘蔗開始被雜質(zhì)分離滾筒分離(0.000 s)，此時(shí)甘蔗發(fā)生跳動(dòng)(0.800 s)，并且在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生滑動(dòng)和滾動(dòng)。表6和圖12為雜質(zhì)分離滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果。虛擬試驗(yàn)表明，隨著雜質(zhì)分離滾筒轉(zhuǎn)速逐漸增加，雜質(zhì)分離滾筒扭矩逐漸增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)效果最佳，上滾筒扭矩為10.7 N·m，下滾筒扭矩為6.82 N·m。

各部件虛擬試驗(yàn)表明，由于甘蔗在物流排雜裝置中，發(fā)生跳動(dòng)，并且在移動(dòng)過程中產(chǎn)生滑動(dòng)和滾動(dòng)，隨著喂入、輸送、剝?nèi)~、風(fēng)機(jī)外圈輸送滾筒轉(zhuǎn)速增加，甘蔗在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)速度并不是逐漸增大。雜質(zhì)分離滾筒轉(zhuǎn)速增加，甘蔗在前進(jìn)方向的速度逐漸減小。隨著喂入、輸送、剝?nèi)~、風(fēng)機(jī)外圈輸送、雜質(zhì)分離滾筒轉(zhuǎn)速增加，甘蔗與各對(duì)滾筒的作用力逐漸增大，各對(duì)滾筒的扭矩亦逐漸增大。各對(duì)滾筒的扭矩分別為：5.63N·m，2.13 N·m；10.26 N·m，8.53 N·m； 127.51 N·m，103.61 N·m； 0.6 N·m，0.39 N·m； 10.7N·m，6.82 N·m。

表6 雜質(zhì)分離滾筒虛擬試驗(yàn)結(jié)果

圖12 雜質(zhì)分離滾筒扭矩虛擬試驗(yàn)結(jié)果

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

在物流排雜裝置虛擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測(cè)試各部件的扭矩，驗(yàn)證虛擬試驗(yàn)結(jié)果。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備、材料和方法

試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械加工訓(xùn)練中心進(jìn)行。物流排雜裝置試驗(yàn)臺(tái)由48 kW拖拉機(jī)提供動(dòng)力。其他設(shè)備有光電式轉(zhuǎn)速測(cè)試儀、數(shù)碼相機(jī)、JN338智能數(shù)字式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器(量程200 N·m，準(zhǔn)確度0.5級(jí))、筆記本電腦等。試驗(yàn)材料采用湛江農(nóng)墾廣墾農(nóng)機(jī)服務(wù)公司試驗(yàn)基地種植的甘蔗，品種為“新臺(tái)糖16”，試驗(yàn)選用的甘蔗要求無病蟲害。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取喂入滾筒轉(zhuǎn)速、上輸送滾筒轉(zhuǎn)速、下前輸送滾筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速和下后輸送滾筒轉(zhuǎn)速等5個(gè)因素作為試驗(yàn)因素，剝?nèi)~滾筒選取900 r/min、1 100 r/min和1 300 r/min 3個(gè)水平，其余滾筒選取100 r/min、200 r/min和300 r/min 3個(gè)水平，以各部件的扭矩為試驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)1根甘蔗喂入進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)重復(fù)10次，取平均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各部件扭矩試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。當(dāng)1根甘蔗喂入，轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，喂入滾筒扭矩為9 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為2；上輸送滾筒扭矩為9 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為1；下前輸送滾筒扭矩為13 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為4；下后輸送滾筒扭矩為6 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為1；轉(zhuǎn)速為200 r/min時(shí)，喂入滾筒扭矩為10 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為3；上輸送滾筒扭矩為16 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為1；下前輸送滾筒扭矩為13 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為0；下后輸送滾筒扭矩為6 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為1；轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，喂入滾筒扭矩為9 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為2；上輸送滾筒扭矩為15 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為2；下前輸送滾筒扭矩為16 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為1；下后輸送滾筒扭矩為9 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為4；1根甘蔗喂入，剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速為900 r/min時(shí)，扭矩為15 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為2；轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，扭矩為13 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為2；轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)，扭矩為14 N·m，標(biāo)準(zhǔn)差為2。

圖13 各部件轉(zhuǎn)速/(r·min-1)扭矩試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語

(1) 設(shè)計(jì)了一種物流排雜裝置虛擬樣機(jī)，主要由喂入滾筒、上輸送滾筒、下前輸送滾筒、剝?nèi)~滾筒、下后輸送滾筒等組成。

(2) 虛擬試驗(yàn)表明，甘蔗在物流排雜裝置中，發(fā)生跳動(dòng)，并且在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生滑動(dòng)和滾動(dòng)。隨著喂入、輸送、剝?nèi)~、風(fēng)機(jī)外圈輸送、雜質(zhì)分離滾筒轉(zhuǎn)速增加，滾筒的扭矩逐漸增大。在最佳參數(shù)組合下，各對(duì)滾筒的扭矩分別為：5.63 N·m，2.13 N·m；10.26 N·m，8.53 N·m； 127.51 N·m，103.61 N·m； 0.6 N·m，0.39 N·m； 10.7 N·m，6.82 N·m。

(3) 驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在正交試驗(yàn)最佳參數(shù)組合下，剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速為1 300 r/min時(shí)，扭矩為14.43 N·m。其余滾筒轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，喂入滾筒扭矩為9.33 N·m，上輸送滾筒扭矩為9.71 N·m；下前輸送滾筒扭矩為13.00 N·m；下后輸送滾筒扭矩為5.82 N·m。在各部件中，剝?nèi)~滾筒所受的扭矩最大，與虛擬試驗(yàn)結(jié)果一致。