沈中華，范博，李尚平

(1.桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西民族大學(xué)信息工程學(xué)院，廣西 南寧 530008)

提高整稈式甘蔗收割機(jī)喂入速度的仿真試驗(yàn)及改進(jìn)效果

沈中華1，范博1，李尚平2

(1.桂林理工大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西民族大學(xué)信息工程學(xué)院，廣西 南寧 530008)

為改善與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)的整稈式甘蔗收割機(jī)樣機(jī)的作業(yè)效果，在三維設(shè)計(jì)軟件UG中建立了甘蔗收割機(jī)切割及輸送系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)模型，并導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中，分別在切割系統(tǒng)前方增加一級(jí)主動(dòng)喂入輥，在螺旋提升機(jī)構(gòu)外表面上包裹表面粗糙的橡膠，以及在隨刀軸旋轉(zhuǎn)的套筒上安裝橡膠撥塊等狀態(tài)下，對(duì)甘蔗通過(guò)切割系統(tǒng)的速度進(jìn)行了虛擬仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，改進(jìn)后，可提高切斷后甘蔗向后的輸送速度，降低甘蔗在輸送過(guò)程中出現(xiàn)堵塞的概率。田間試驗(yàn)表明，改進(jìn)后樣機(jī)收獲的甘蔗頭部完好率由 28.76%提高到 54.51%，含雜率由4.20%降低至2.67%， 生產(chǎn)效率由5.66 t/h提高至7.61 t/h。

整稈式甘蔗收割機(jī)；切割系統(tǒng)；輸送系統(tǒng)；虛擬仿真；田間試驗(yàn)

中國(guó)的整稈式甘蔗收割機(jī)研究始于20世紀(jì)50年代末。由于甘蔗生長(zhǎng)狀態(tài)的復(fù)雜性和種植農(nóng)藝的原因，使得整稈式甘蔗收割機(jī)收割作業(yè)破頭率高，堵塞嚴(yán)重，適應(yīng)性較差，可靠性較低[1–2]。

筆者針對(duì)與廣西欽州某企業(yè)合作開(kāi)發(fā)的小型整稈式甘蔗收割機(jī)在試驗(yàn)初期出現(xiàn)的甘蔗頭部粉碎嚴(yán)重、甘蔗喂入能力差、經(jīng)常堵塞和含雜率高、生產(chǎn)效率低(測(cè)算后生產(chǎn)效率僅2.7 t/h，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)指標(biāo)5 t/h)等問(wèn)題，利用三維設(shè)計(jì)軟件UG和多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件 ADAMS，對(duì)切割及喂入系統(tǒng)的輸送速度進(jìn)行了虛擬設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，并進(jìn)行了田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 小型整稈式甘蔗收割機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，小型整稈式甘蔗收割機(jī)由扶分蔗系統(tǒng)、切頂器、壓蔗輥、切割提升系統(tǒng)、喂入系統(tǒng)、剝?nèi)~系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)及行走系統(tǒng)組成。

圖1 小型整稈式甘蔗收割機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of small whole stalk sugarcane harvester

甘蔗收割機(jī)工作時(shí)，位于收割機(jī)前部左右兩側(cè)的扶分蔗系統(tǒng)，將倒伏或交叉生長(zhǎng)的甘蔗扶正，切頂器將甘蔗頂部切除，壓蔗輥將甘蔗壓傾至一定角度時(shí)，由雙圓盤(pán)切割器切斷甘蔗根部，在壓蔗輥和雙刀盤(pán)切割器的共同作用下，甘蔗由原來(lái)的直立狀態(tài)改變?yōu)樗綘顟B(tài)，切斷后的甘蔗倒伏在切割器刀盤(pán)上，在甘蔗收割機(jī)的前進(jìn)和高速旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的共同作用下，甘蔗被依次輸送進(jìn)入喂入系統(tǒng)和剝?nèi)~系統(tǒng)，最后經(jīng)輸出系統(tǒng)輸出。切割系統(tǒng)位于甘蔗收割機(jī)最前端，切斷后的甘蔗能否順利、迅速通過(guò)切割和喂入系統(tǒng)，直接關(guān)系到甘蔗的收獲質(zhì)量以及生產(chǎn)效率的高低。

2 切割和喂入系統(tǒng)模型的建立和仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 仿真模型的建立

切割及輸送系統(tǒng)的建模在三維設(shè)計(jì)軟件UG6.0中完成，適當(dāng)簡(jiǎn)化后導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中。針對(duì)前期收割試驗(yàn)過(guò)程中易出現(xiàn)堵塞和蔗莖頭部損傷的情況，壓蔗輥的外表面由原鋸齒形設(shè)計(jì)改為兩側(cè)對(duì)稱的螺旋結(jié)構(gòu)，壓蔗角度由原來(lái)的45°增大到60°[3]，每個(gè)刀盤(pán)上對(duì)稱安裝1對(duì)螺旋提升機(jī)構(gòu)，圈數(shù)為0.5，高度為250 mm。在切割系統(tǒng)前方增加了一級(jí)主動(dòng)喂入輥，主動(dòng)喂入輥的壓蔗角大于 60°。為減少計(jì)算時(shí)間，安裝在同一輥筒上的橡膠均用整體橡膠代替，建立的仿真模型如圖 2所示。為了盡可能準(zhǔn)確地模擬甘蔗被切斷后的運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)各個(gè)組件之間添加了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)約束。甘蔗與地面之間的連接則通過(guò)軸套力(Bushing)來(lái)實(shí)現(xiàn)。各部件的運(yùn)動(dòng)方向如圖中箭頭所示。由于甘蔗在向后運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)與所接觸的部件發(fā)生接觸而產(chǎn)生碰撞力，所以還需對(duì)甘蔗與壓蔗輥、甘蔗和刀盤(pán)、甘蔗和輸送輥、甘蔗和土壤以及甘蔗和側(cè)板施加接觸碰撞力。

圖2 切割及喂入系統(tǒng)虛擬樣機(jī)Fig.2 3D model of the cutting and conveyance system of small sugarcane harvester

2.2 試驗(yàn)材料

以粵糖159甘蔗品種為材料，利用成熟期甘蔗生長(zhǎng)數(shù)據(jù)[4]的平均值，建立甘蔗模型。甘蔗植株高度取2 000 mm，為方便建模，視甘蔗為直徑30 mm圓柱體，密度 1.1×10–6kg/mm3，彈性模量 1.531×104N/mm2，泊松比0.33。安裝在刀軸上和輸送輥上的橡膠密度 9×10–7kg/mm3，彈性模量取 7.84×102N/mm2，泊松比 0.47[5]。

為使仿真效果更接近實(shí)際狀況，對(duì)供試甘蔗和橡膠進(jìn)行了柔性化處理。在 ANSYS11.0中將甘蔗和橡膠分別用3維20節(jié)點(diǎn)固體結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格劃分(solid 186)[6]，網(wǎng)格劃分方式為自由劃分；為避免仿真過(guò)程中因柔性體的變形過(guò)大而導(dǎo)致仿真失敗，與輥筒接觸的橡膠內(nèi)表面均進(jìn)行了剛化處理，最后導(dǎo)出ADAMS支持的模態(tài)中性文件(mnf文件)，并將該文件導(dǎo)入ADAMS中，分別替換原來(lái)的零件，即建立甘蔗和橡膠的柔性體模型。

2.3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用腳本仿真(simulation script)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，為避免甘蔗在仿真過(guò)程出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，采用分段[7]和變步長(zhǎng)的方法[8]進(jìn)行仿真。仿真時(shí)間為2 s，第1段仿真時(shí)間為0到0.8 s，仿真步數(shù)為8 000步；第2段仿真時(shí)間為0.8 s到2 s，仿真步數(shù)為30 000步；軸套力失效時(shí)間為1 s，即甘蔗在收割機(jī)前進(jìn)1 s后被切斷向后輸送。甘蔗向后輸送的平均速度為甘蔗頭部向后輸送的平均速度與甘蔗收割機(jī)前進(jìn)速度之和。

參照文獻(xiàn)[9]，選取壓蔗輥、輸送輥轉(zhuǎn)速為200 r/min，扶蔗輥轉(zhuǎn)速為120 r/min，甘蔗收割機(jī)前進(jìn)速度400 mm/s，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速750 r/min[10]。橡膠與甘蔗的接觸參數(shù)參照文獻(xiàn)[11]選取。

2.3.1 刀軸上螺旋與甘蔗的摩擦系數(shù)變化時(shí)仿真

根據(jù)ADAMS官方推薦，分別根據(jù)刀軸上螺旋與甘蔗的摩擦系數(shù)不同進(jìn)行仿真：1)刀軸上螺旋提升機(jī)構(gòu)采用 45#圓鋼制作，甘蔗與螺旋機(jī)構(gòu)的靜摩擦系數(shù)f0=0.13，動(dòng)摩擦系數(shù)f1=0.09；2)刀軸上螺旋提升機(jī)構(gòu)采用螺紋鋼制作，刀軸上螺旋與甘蔗的靜摩擦系數(shù)f0=0.35，動(dòng)摩擦系數(shù)f1=0.25；3)刀軸上螺旋提升機(jī)構(gòu)采用螺紋鋼制作，并包裹表面粗糙的橡膠，刀軸上螺旋與甘蔗的靜摩擦系數(shù) f0=0.5，動(dòng)摩擦系數(shù)f1=0.35。

圖3–a是甘蔗頭部向后運(yùn)動(dòng)的位移曲線，當(dāng)f0=0.13，f1=0.09時(shí)，甘蔗在1 s向后運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)位移為476 mm，此時(shí)收割機(jī)向前移動(dòng)了400 mm，則甘蔗與收割機(jī)的相對(duì)位移為876 mm，甘蔗相對(duì)收割機(jī)向后運(yùn)動(dòng)的平均速度為876 mm/s(曲線1)；當(dāng)f0=0.35，f1=0.25時(shí)，甘蔗在1 s向后運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)位移為1 088 mm，甘蔗與收割機(jī)的相對(duì)位移為1 488 mm，甘蔗相對(duì)收割機(jī)向后運(yùn)動(dòng)的平均速度為1 488 mm/s(曲線2)；當(dāng)f0=0.5，f1=0.35時(shí)，甘蔗在1 s向后運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)位移為1 312 mm，甘蔗與收割機(jī)的相對(duì)位移為1 712 mm，甘蔗相對(duì)收割機(jī)向后運(yùn)動(dòng)的平均速度為1 712 mm/s(曲線3)。甘蔗在單位時(shí)間向后移動(dòng)的距離隨著甘蔗與螺旋的摩擦系數(shù)增大而增加，當(dāng)甘蔗與螺旋的靜摩擦系數(shù)由 0.13增大到0.50時(shí)，甘蔗向后輸送的平均速度增加了95%。在3次仿真過(guò)程中，甘蔗頭部在觸碰到安裝在刀軸上的螺旋后，都會(huì)迅速提升和向后輸送，碰到螺旋后還會(huì)被迅速?gòu)楅_(kāi)，此時(shí)甘蔗僅靠慣性和收割機(jī)的前進(jìn)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)向后輸送。甘蔗在向后輸送過(guò)程中，需遭受螺旋的多次打擊后才能完成向后輸送。

圖3 不同條件下單位時(shí)間甘蔗向后運(yùn)動(dòng)的距離Fig.3 Moving distance per second of conveying sugarcane under difference condition

2.3.2 刀軸上安裝橡膠撥塊時(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真

選取甘蔗與螺旋的靜摩擦系數(shù)f0=0.50，動(dòng)摩擦系數(shù)f1=0.35，分別在刀軸的軸向方向?qū)ΨQ安裝2片和4片橡膠進(jìn)行再次仿真。

刀軸安裝2片橡膠后，甘蔗在1 s向后運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)位移為1 328 mm，甘蔗與收割機(jī)的相對(duì)位移為1 728 mm，即甘蔗向后輸送的平均速度為1 728 mm/s，僅比刀軸上無(wú)橡膠(曲線1)的平均速度1 712 mm/s略有提高；刀軸安裝4片橡膠時(shí)，甘蔗在1 s向后運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)位移為1 425 mm，甘蔗與收割機(jī)的相對(duì)位移為1 825 mm，即甘蔗向后輸送的平均速度為1 825 mm/s，比刀軸上無(wú)橡膠時(shí)平均速度1 712 mm/s提高了6.5%。

2.3.3 增加主動(dòng)喂入輥時(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真

當(dāng)甘蔗與螺旋的靜摩擦系數(shù) f0由 0.13提高到0.50，動(dòng)摩擦系數(shù)f1由0.09提高到0.35，且刀軸上對(duì)稱安裝4片橡膠撥板時(shí)，單根甘蔗向后的輸送速度由最初的876 mm/s增加到1 825 mm/s。甘蔗收割機(jī)田間收獲時(shí)，多根甘蔗會(huì)同時(shí)進(jìn)入切割系統(tǒng)，蔗葉相互纏繞，甘蔗與甘蔗之間交錯(cuò)重疊，彎曲的甘蔗也會(huì)影響其他的甘蔗向后輸送，在螺旋提升機(jī)構(gòu)上方和齒輪箱之間的甘蔗由于沒(méi)有后續(xù)動(dòng)力輸入，甘蔗向后輸送的平均速度會(huì)更低。考慮甘蔗收割機(jī)的工作特點(diǎn)，有必要進(jìn)一步提高甘蔗向后的輸送速度。

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在切割器前方增加一級(jí)主動(dòng)喂入輥進(jìn)行仿真。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，主動(dòng)喂入輥的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為與壓蔗輥轉(zhuǎn)速相同。

圖3–c是增加主動(dòng)喂入輥時(shí)供試甘蔗被切斷后在1 s內(nèi)向后移動(dòng)的距離。從仿真結(jié)果來(lái)看，甘蔗在1 s內(nèi)向后位移為1 603 mm，與甘蔗收割機(jī)的相對(duì)位移則為2 003 mm，即甘蔗與收割機(jī)的相對(duì)平均速度為2 003 mm/s。

在仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)樣機(jī)的切割及輸送系統(tǒng)進(jìn)行了一系列改進(jìn)。第1次改進(jìn)是將壓蔗輥的外形由鋸齒狀改為兩側(cè)對(duì)稱的螺旋狀，并將壓蔗角度由原來(lái)的45°增加到60°，螺旋提升機(jī)構(gòu)的螺旋則改用優(yōu)質(zhì)螺紋鋼制作，并用表面粗糙的橡膠包覆在螺旋的外表面，在刀軸上的套筒上對(duì)稱安裝了4片橡膠撥板。第2次改進(jìn)則在第1次的基礎(chǔ)上增加了一級(jí)主動(dòng)喂入輥，主動(dòng)喂入輥的壓蔗角大于 60°。改進(jìn)后的樣機(jī)如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的甘蔗收割機(jī)切割系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig. 4 Modified cutting system

3 田間試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)果和模擬試驗(yàn)的正確性，對(duì)技改前后的甘蔗收割機(jī)進(jìn)行了田間對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)在廣西欽州陸屋某農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。甘蔗品種為粵糖159，長(zhǎng)勢(shì)良好，栽培平均密度為4～5株/m2，平均株高為2 200 mm，甘蔗平均直徑28 mm，大部分為直立生長(zhǎng)。參照J(rèn)B/T6275—2007《甘蔗收割機(jī)械試驗(yàn)方法》[12]，對(duì)樣機(jī)改進(jìn)前后的含雜率、宿根破頭率、斷尾率和生產(chǎn)效率進(jìn)行測(cè)試。每次收割距離為10 m，切割方式均為入土切[13]，各進(jìn)行4次試驗(yàn)，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。改進(jìn)前機(jī)型于2014年11月至12月進(jìn)行試驗(yàn)，改進(jìn)后機(jī)型于2015年11至12月進(jìn)行試驗(yàn)。

在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速為 770 r/min，輸送輥、壓蔗輥的轉(zhuǎn)速200 r/min，雙刀盤(pán)切割器轉(zhuǎn)速750 r/min，扶分蔗輥轉(zhuǎn)速120 r/min。

圖5是樣機(jī)改進(jìn)前后收獲的部分甘蔗圖片，可以看出，樣機(jī)改進(jìn)后收獲的甘蔗，根部質(zhì)量有了明顯提高。

圖5 改進(jìn)前后收獲的部分甘蔗Fig.5 Sugarcane for the har vester be fore i mprovement w ith after improvement

改進(jìn)前后的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，改進(jìn)后的機(jī)型，增加了主動(dòng)喂入輥，在刀軸上增加橡膠撥塊，提升機(jī)構(gòu)采用優(yōu)質(zhì)螺紋鋼制作，并在螺旋外面包裹表面粗糙的橡膠，提高了甘蔗和螺旋機(jī)構(gòu)的表面摩擦系數(shù)，大幅度提高了甘蔗向后的輸送速度，使得甘蔗的運(yùn)行更加通暢，甘蔗間重疊量減小，增加了剝?nèi)~刷打擊甘蔗的機(jī)會(huì)，甘蔗斷尾率大幅度提高，含雜率大幅度降低，改進(jìn)后樣機(jī)收獲的甘蔗含雜率為2.67%，比改進(jìn)前的含雜率下降了36.43%，蔗莖頭部完好率由改進(jìn)前28.76%提高到54.51%，生產(chǎn)率由改進(jìn)前的平均5.66 t/h提高到7.61 t/h。

表1 甘蔗收割機(jī)改進(jìn)前后田間試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Comparison of experimental results before improvement with after improvement

[1] OU Yinggang，MALCOLM Wegener，YANG Dantong，et al．Mechanization technology：the key to sugarcane production in China[J]．Int Agric & Biol Eng，2013，6(1)：1–27．

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Experiment and simulation in improvement of the feeding velocity for the whole stalk sugarcane harvester

SHEN Zhonghua1, FAN Bo1, LI Shangping2
(1.College of Mechanical and Control Engineering, Guilin University of Technology, Guilin, Guangxi 541004,China; 2.College of Information Science and Engineering, Guangxi University for Nationalities, Nanning 530008, China)

In order to improve the performance of the whole stalk sugarcane harvester, a 3D model of cutting and feeding system was built to simulate the working process by ADAMS software. In the front of the cutting system, an active feeding roller was added and a rubber with rough surface was used in the screw elevator, to improve the feeding efficiency. The virtual test results showed that the transporting speed of the sugarcane after cutting was improved and the blocking rate was decreased for the optimized structure. Field test resulted indicated that the rate of no damage of the base of sugar cane stalks enhanced from 28.76% to 54.51%, trash content decreased from 4.20% to 2.67%, production efficiency raised from 5.66 t/h to 7.61 t/h.

whole stalk sugarcane harvester; cutting system; feeding system; virtual simulation; field test

S225.5+3

A

1007-1032(2017)04-0451-05

2016–08–23

2016–12–30

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465006)；桂林理工大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)目(SS201608)；桂林理工大學(xué)博士科研起動(dòng)基金項(xiàng)目

沈中華(1970—)，男，廣西興安人，博士，主要從事甘蔗收割機(jī)械研究，shenzh2627369@aliyun.com；*通信作者，李尚平，教授，主要從事甘蔗收割機(jī)械研究， spli501@vip.sina.com