何　霖，黃　崢，黃世醒，楊丹彤

(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)省部共建教育部重點實驗室，廣州　510642)

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整稈式甘蔗收割機(jī)集堆裝置重力自卸機(jī)構(gòu)設(shè)計與仿真

何霖，黃崢，黃世醒，楊丹彤

(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)省部共建教育部重點實驗室，廣州510642)

摘要：甘蔗集堆是整稈式甘蔗收割的重要環(huán)節(jié)，其集堆的效率及集堆效果影響整稈式甘蔗收割機(jī)的工作速度。為此，提出一種基于重力自卸的甘蔗集堆機(jī)構(gòu)，運用三維軟件Creo對集蔗裝置重力自卸機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并運用Adams對自卸機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，驗證機(jī)構(gòu)設(shè)計的正確性與可行性。

關(guān)鍵詞：整稈式甘蔗收割機(jī)；集堆裝置；重力自卸機(jī)構(gòu)；仿真分析

0引言

甘蔗集堆是整稈式甘蔗收割機(jī)的重要環(huán)節(jié)，主要作用是收集甘蔗并將甘蔗擺放成堆，為進(jìn)一步打捆創(chuàng)造條件，實現(xiàn)收集甘蔗和卸載甘蔗兩個功能[1, 2]。由于甘蔗是長莖稈作物，集堆有方向性，若外力過大時折斷將會造成損失。部分地區(qū)由于甘蔗生產(chǎn)過程中倒伏嚴(yán)重，會導(dǎo)致收獲時甘蔗彎曲非常顯著，給集堆帶來困難。按照集堆原理，集堆可以是按體積、按質(zhì)量或按時間來進(jìn)行操作；按卸載時機(jī)器行走是否暫停，可分成間歇式和連續(xù)式。目前，集堆打捆裝置的性能已經(jīng)成為整稈式甘蔗收割機(jī)的瓶頸問題。在甘蔗收獲環(huán)節(jié)，集堆打捆的工作量約占整個甘蔗收獲過程的10.9%。因此，設(shè)計適用的集堆裝置，對于提高整稈式甘蔗收割機(jī)的工作效率及降低甘蔗收獲的勞動強(qiáng)度都具有較大的意義[1, 3]。

1現(xiàn)有整稈式甘蔗收割機(jī)集堆裝置分析

目前可見的整稈式甘蔗收割機(jī)上的集堆裝置從外觀上看主要有3種，如圖1所示。圖1(a)、(b)為1種，都是通過1塊帶阻擋板的圓弧承接板集堆，集堆到一定程度，通過手動液壓控制，側(cè)向翻轉(zhuǎn)圓弧承接板，實現(xiàn)卸載；圖1(c)則是通過一個外掛的箱體，承接甘蔗，也是集堆到一定程度，通過手動液壓控制，將外掛箱體底板中縫對開，實現(xiàn)卸載；圖1(d)是甘蔗側(cè)立于前收割臺的收集筐中，集堆到一定程度，通過手動液壓控制，側(cè)向開啟收集筐側(cè)門，甘蔗側(cè)向傾倒，實現(xiàn)卸載。

從原理上看，這3種裝置沒有本質(zhì)區(qū)別，都是通過收集甘蔗，人工判斷是否卸載；通過液壓控制液壓缸，控制裝置傾倒或門的開閉，實現(xiàn)卸載。

(a)　浙江三佳整稈式甘蔗收割機(jī)

(b)　河南坤達(dá)整稈式甘蔗收割機(jī)

(c)　廣西漢森整稈式甘蔗收割機(jī)

(d)　廣西農(nóng)機(jī)院整稈式甘蔗收割機(jī)

3種裝置的卸載動力屬于被動式，都是靠重力作用。因此，在收割機(jī)行走速度較快時，甘蔗是鋪放于地面，而不是堆在地面的；3種裝置相對而言，圖1(d)鋪放效果會更加明顯，圖1(c)集堆效果會相對好一些。圖1(a)、(b)的優(yōu)點是，在卸載過程中，不會出現(xiàn)由于后續(xù)甘蔗阻擋，造成卸載門閉合不嚴(yán)的問題。3種裝置在實際應(yīng)用中都存在裝置龐大、集堆效果不理想及卸載受阻等問題，影響工作效率[3-4]。

2重力自卸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和原理分析

2.1重力自卸機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上文分析，設(shè)計了一種新的重力自卸機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)無需外界動力介入，當(dāng)裝置收集到的甘蔗質(zhì)量達(dá)到設(shè)計質(zhì)量時，在甘蔗重力和彈簧拉力作用下卸載和恢復(fù)初始狀態(tài)。重力自卸機(jī)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

2.2重力自卸機(jī)構(gòu)原理分析

甘蔗通過整稈式甘蔗收割機(jī)飛出落在集蔗板上，集蔗板自身重力和甘蔗重力將產(chǎn)生一個繞旋轉(zhuǎn)軸的順時針扭矩，拉伸彈簧AE、BD預(yù)緊力產(chǎn)生繞旋轉(zhuǎn)軸逆時針方向的扭矩；卸載前兩扭矩平衡。當(dāng)集蔗板上甘蔗達(dá)到一定數(shù)量，兩根拉伸彈簧產(chǎn)生的扭矩將不能平衡甘蔗和物料板重力產(chǎn)生的扭矩而使集蔗板繞旋轉(zhuǎn)軸順時針旋轉(zhuǎn)；若物料增加到彈簧AE力作用線剛好通過連接軸與彈簧連接板空間交點時，即卸載角度等于臨界角位置處，彈簧AE扭矩將為0，甘蔗由于與集蔗板之間的摩擦仍保持靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)甘蔗繼續(xù)增加，集蔗板繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，彈簧AE對旋轉(zhuǎn)軸的扭矩不再為0，方向為順時針方向與零界點前方向相反，即彈簧AE對旋轉(zhuǎn)軸的力矩變?yōu)轫槙r針方向促使集蔗板加速旋轉(zhuǎn)，同時甘蔗在重力作用下沿集蔗板向下滑動，完成自卸動作。在甘蔗完全卸載結(jié)束后，由于慣性力矩作用集蔗板仍將保持順時針旋轉(zhuǎn)至最低點位置。由于彈簧BD對旋轉(zhuǎn)軸逆時針方向扭矩大于彈簧AE和物料板對旋轉(zhuǎn)軸順時針方向扭矩，物料板因此獲得逆時針加速度，逆時針方向加速運動至初始位置，至此完成一次完整自卸過程。

1.彈簧連接板　2.彈簧安裝盒　3.固定裝置　4.旋轉(zhuǎn)軸　5.集蔗板

3關(guān)鍵部件的設(shè)計

重力自卸機(jī)構(gòu)設(shè)計主要為彈簧盒相關(guān)尺寸設(shè)計，包括位置差角α、彈簧板夾角β、集蔗容量設(shè)計、彈簧選擇[5]及彈簧懸掛位置點的選擇幾個方面。定義重力自卸機(jī)構(gòu)中相關(guān)角度的幾何意義如圖3所示。

1.α位置差角　2.θ′臨界角　3.γ幾何角　4.β彈簧連接板夾角

3.1臨界角θ′的計算

為保證在不滿足卸載的條件下，甘蔗在自身重力和集蔗板靜摩擦力的作用下保持靜止?fàn)顟B(tài)，即甘蔗不會滑落。甘蔗受力如圖4所示，要使甘蔗在集蔗板保持靜止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)滿足

u·Fn-Gn·sinδ≥0

Fn=Gn·cosδ

式中u—甘蔗與集蔗板的摩擦因數(shù)；

Fn—集蔗板對甘蔗模型的支持力。

推理可得：δ≤arctanu即最大臨界角與甘蔗模型質(zhì)量無關(guān)，只與甘蔗和集蔗板之間的摩擦因數(shù)相關(guān)。參考王美美在單芽段甘蔗種植機(jī)排種機(jī)理與種植均勻性研究中靜摩擦因數(shù)的測定，甘蔗與鋼板靜摩擦因數(shù)為u=0.377，帶入公式計算可得δ=17.5°。在設(shè)計集蔗機(jī)構(gòu)時應(yīng)保證臨界角小于δ=17.5°，從而保證甘蔗在收集過程中卸載前不會滑落。

圖4　甘蔗模型受力分析圖

3.2位置差角α和彈簧板夾角β

彈簧連接板主要連接集蔗板和彈簧。當(dāng)集蔗機(jī)構(gòu)中彈簧的連接點位置確定后，幾何角γ和彈簧板夾角β也都確定，位置差角的主要作用是減小臨界角θ′，使集蔗裝置在滿足卸載的條件下，能使集蔗板快速地通過臨界點位置完成卸載過程。則

γ=θ′+α+β

式中γ—幾何角；

θ′—臨界角；

α—位置差角；

β—彈簧板夾角。

機(jī)構(gòu)尺寸確定后，彈簧板夾角β和幾何角γ固定不變，適當(dāng)?shù)脑黾游恢貌罱铅量蓽p小臨界角θ′，位置差角α值也不宜太小。根據(jù)機(jī)械設(shè)計相關(guān)經(jīng)驗彈簧板夾角應(yīng)選擇較大的值，選取彈簧板夾角β=85°，位置差角α=5.74°。根據(jù)彈簧盒設(shè)計，γ=100°計算可得θ′=9.26°小于δ=17.5°，即保證了甘蔗在收集過程中不會滑落。

4集堆裝置機(jī)構(gòu)仿真分析

4.1三維模型的建立

采用三維建模軟件Creo建立集蔗裝置重力自卸機(jī)構(gòu)三維模型，如圖5所示。模型建立完后將其保存為“Parasolid(*.x_t)”類型的文件，將保存的輸出文件導(dǎo)入Adams軟件。

模型導(dǎo)入Adams軟件后進(jìn)行分析相關(guān)設(shè)置，主要包括①分析環(huán)境的模型的屬性、重力方向、計算單位等的設(shè)置。②約束添加。機(jī)構(gòu)和大地之間為固定副，集蔗板旋轉(zhuǎn)軸為轉(zhuǎn)動副。③maker點添加。安裝彈簧的位置點和測量角度。④連接設(shè)置。彈簧和接觸添加，甘蔗模型與集蔗板之間有摩擦的連接。設(shè)置參數(shù)后機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖5　Adams/View集堆裝置模型

4.2集堆裝置運動學(xué)分析

分析完成后，進(jìn)入ADAMS后處理程序Adams/PostPrcessor，加載分析結(jié)果。其輸出角度、角速度、彈簧AE、彈簧BD及甘蔗模型質(zhì)心軌跡的相關(guān)參數(shù)變化規(guī)律如圖6所示。

(a)　角速度隨時間變化曲線

(b)　角度隨時間變化曲線

(c)　甘蔗模型質(zhì)心運動軌跡

(d)　甘蔗質(zhì)心X方向速度變化曲線

由圖6(c)可知:在t=0.32s時，集蔗板到達(dá)臨界點位置，卸載角(臨界角)θ=-9.26°，卸載角速度在臨界點處達(dá)到最大值56rad/s；甘蔗模型在X方向的位移為12.86mm，Y方向的位移為72.74mm；甘蔗模型從初始狀到臨界點位置過程中因與集蔗板之間的靜摩擦而保持靜止，與集蔗板之間無相對運動。

過臨界點位置后，甘蔗模型有相對集蔗板運動趨勢，甘蔗模型沿集蔗板有相對運動直至離開集蔗板。在此過程中，甘蔗模型對旋轉(zhuǎn)軸的力臂增大，彈簧AE對旋轉(zhuǎn)軸的力矩方向由原來的逆時針變?yōu)轫槙r針方向促進(jìn)集蔗板順時針旋轉(zhuǎn)；但彈簧BD力矩變化幅度大于其他力矩變化幅度，集蔗板開始減速至甘蔗模型離開集蔗板。

由圖6(d)可知：甘蔗模型質(zhì)心X方向速度曲線在t=0.98s時出現(xiàn)拐點；0.98s后由于甘蔗模型不受到外力作用物體運動為斜拋運動，所以X方向速度保持不變，卸載角θ=33.1°， 角速度13.6rad/s， 集蔗板并未到達(dá)最低點位置；此時甘蔗模型的質(zhì)心X方向位移為810mm，Y方向位移為410mm。由于甘蔗模型在脫離集蔗板時集蔗板具有運動慣性，甘蔗模型脫離集蔗板后集蔗板仍將保持當(dāng)前運動趨勢。當(dāng)t=1.05s時到達(dá)最低點位置，此時卸載角θ=33.48°、角速度為0rad/s。

到達(dá)最低點后，旋轉(zhuǎn)軸受彈簧BD逆時針方向力矩、彈簧AE順時針力矩及集蔗板順時針方向力矩。由于彈簧BD產(chǎn)生的力矩，遠(yuǎn)大于彈簧AE和集蔗板產(chǎn)生的力矩所以集蔗板會迅速通過臨界點到達(dá)平衡位置。如圖6(c)所示：集蔗板在t=1.05～1.25s時，卸載角快速從最大值回到零位置，由于彈簧連接板上設(shè)置有卡位裝置，限制集蔗板回位后狀態(tài)為水平位置，所以由圖6(a)可知：t=1.25s位置處有轉(zhuǎn)折點，仿真可知碰撞后集蔗板角速度瞬速回復(fù)到初始狀態(tài)。

5結(jié)論

1)按照所設(shè)計的集堆裝置能滿足甘蔗的集堆需要，在重力自卸的前提下，可以實現(xiàn)快速自卸，不需要兩層結(jié)構(gòu)，自卸時間為1.25s，卸載角度為33.48°。

2)經(jīng)理論分析，重力自卸結(jié)構(gòu)要很好實現(xiàn)需要滿足：卸載臨界角θ′小于甘蔗與集蔗板摩擦角δ。

3)經(jīng)過Adams運動學(xué)仿真可以驗證集蔗機(jī)構(gòu)具有重力自卸和恢復(fù)初始狀態(tài)的功能，重力自卸機(jī)構(gòu)滿足自卸的設(shè)計要求。

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[2]李政，李尚平，周建陽.小型甘蔗收獲機(jī)集蔗機(jī)構(gòu)的設(shè)計與仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(12):87-95.

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0032-EA

The Gravity Dump Mechanism Design and Simulation for the Whole Stalk Sugarcane Harvester

He Lin, Huang Zheng, Huang Shixing, Yang Dantong

(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)

Abstract：The collecting of sugarcane have a significant mean for whole stalk sugarcane harvesting.Efficiency and effectiveness of collecting affect the entire collection of the whole stalk sugarcane harvester working speed.In this paper, a gravity dump mechanism was presented.Three-dimensional model created by Creo and kinematic simulation analysis completed by Adams,this two steps is to verify the correctness and feasibility of the mechanism design.

Key words：whole stalk sugarcane harvesting; sugarcane collection; gravity dump mechanism;simulation analysis

文章編號：1003-188X(2016)05-0032-04

中圖分類號：S225.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：何霖(1988-)，男，湖南寧鄉(xiāng)人,碩士研究生，(E-mail )rain0803@yeah.net。通訊作者：楊丹彤(1970-)，男，廣州人,副教授,碩士生導(dǎo)師, (E-mail ) yangdt@scau.edu.cn。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201003009)；“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃項目(2011BAD20B05)；國家國際科技合作項目(2011DFB70350)；國家甘蔗產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS-20-4-1)

收稿日期：2015-04-07