基于虛擬仿真技術的甘蔗收割機喂入裝置研究

盛奮華，陳祖爵

( 1.蘇州信息職業技術學院 通信與信息工程系，江蘇 蘇州　215200；2.江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江　212000)

?

基于虛擬仿真技術的甘蔗收割機喂入裝置研究

盛奮華1，陳祖爵2

( 1.蘇州信息職業技術學院 通信與信息工程系，江蘇 蘇州215200；2.江蘇大學 計算機科學與通信工程學院，江蘇 鎮江212000)

摘要：針對小型甘蔗收割機阻塞嚴重和機械效率低的問題，提出了收割機的優化方案，主要包括對喂入裝置傾斜角度、刀片轉速和收割機行進速度的優化。設計了喂入裝置的參數尺寸，并使用UG6.0建立了優化后虛擬樣機的三維模型，將模型導入到ADMAS軟件中進行了運動學仿真，對3種優化項目進行正交仿真模擬實驗，得到了3種優化項目對收割機收割效果的顯著性影響結果。由顯著性計算結果可以看出：只有一次的喂入率小于90%，最佳整稈率組合為A1B2C2，最低損失率和漏割率組合為A2B1C1和A1B3C3。對漏割率和損失率進行方差分析發現：A和B對漏割率的影響顯著，C和B對損失率的影響顯著，因此需要綜合考慮這些因素，使收割機的收割效果達到最優。

關鍵詞：甘蔗收割機；虛擬樣機；仿真模擬；三維模型；ADMAS軟件

0引言

在甘蔗整個生產環節中，收割環節是勞動強度最大、用工最多的環節，也是甘蔗機械化生產的難點。甘蔗的生產地主要以丘陵地形為主，甘蔗的種植面積較小，決定了在甘蔗自動化收割過程中，不能使用大型的收割機械。因此，在相對長的一段時間內，甘蔗的收割主要以小型收割機為主。在小型收割機收割過程中，普遍存在的問題是堵塞嚴重和效率過低，嚴重阻礙了甘蔗收割機的推廣和使用。為了提高甘蔗收割機的機械效率，筆者分析了各種因素對甘蔗收割機收割效果的影響，使用虛擬樣機仿真模擬的方法，對各種影響因素進行仿真模擬計算，從而為優化甘蔗收割機的設計提供較有價值的理論依據。

1甘蔗收獲機作業過程分析

由于甘蔗種植面積小，目前一般采用小型甘蔗收獲機。小型甘蔗收獲機主要由5部分組成，包括喂入裝置、輸送系統、剝葉系統、輸出系統和行走裝置，其結構示意圖如圖1所示。甘蔗通過喂入裝置進入收割機后容易造成阻塞，一般來說，甘蔗直徑低于30mm時，在高度方向可以同時容納兩根甘蔗，甘蔗過多容易阻塞。收割作業的過程如圖2所示。

1.甘蔗　2.扶分蔗輥　3.壓蔗輥　4.齒輪箱

圖2　甘蔗收割作業示意圖

在設計喂入裝置時，需要考慮甘蔗的受力情況，明確收割機的作業過程。甘蔗在喂入裝置的作用下，通過拉斷后進入錕筒，在普通無膠指輥筒作用下，在通道橫向截面內的受力分析如圖3所示。

圖3　甘蔗收割作業過程受力示意圖

圖3中，甘蔗在a、b和c在3個通道內堆疊，y軸表示豎直方向，x軸表示水平方向。對甘蔗進行受力分析，假設甘蔗c在x方向受力為Fx，y方向受力為Fy，則其受力表達式為

(1)

其中，Ff上c和F上c為錕筒上方x和y方向上對甘蔗的作用力，Fac和fac分別表示甘蔗a對甘蔗c的反作用力及相互摩擦力。

2喂入裝置結構參數計算

為了防止甘蔗收割機喂入裝置發生阻塞，需要保證甘蔗在收割時不發生重疊的情況，因此需要保證甘蔗頭部之間的距離。首先將第1株收割時作為計算時間的點，當工作t時間后，第1株被運送的距離為

S1=vtt

(2)

則第2株的運送距離為

S2=vt(t-S/vm)

(3)

第1株和第2株重疊后的長度為

H1=H-(S1-S2)

(4)

將公式進行整合后可得

(5)

由式(5)可知：當H1>0，兩株甘蔗發生重疊；當H1<0，兩株甘蔗未重疊。其中，H1和多種因素有關，主要包括收割機的前進速度、刀盤的轉速及刀盤的傾角。當重疊量過多時，會有多株甘蔗聚集在喂入口部，阻塞嚴重時會影響收割機的正常工作；特別是在遇到株距較小的作業工況時，收割機更容易發生阻塞。

為了保證收割機的作業效率，收割機速度不能太低，駕駛員也不可能通過頻繁使用換擋來改變甘蔗的喂入量。為了避免收割機出現阻塞，應該重點設計甘蔗輸送系統的輸送速度和刀盤旋轉速度。一般來說，甘蔗導入偏角在25°~65°，因此在設計喂入裝置時需要將裝置設計成斜置式，刀盤中心線與水平方向呈30°角，輸送裝置與水平方向呈45°角，其結構如圖4所示。

1.臺架　2. 輸送裝置　3.切割喂入裝置　4.支撐輪　5.推蔗裝置

在甘蔗收割機設計過程中，刀盤切刀的數目選擇為2~8。因刀片數目過多會造成重割，刀片數目少會造成漏割，本次設計選定刀片數為3個，每個刀片之間的角度為60°。為了避免漏割，取刀片的工作長度尺寸為

(6)

其中，L表示刀具的工作長度；Smax表示進距的最大值；Zn表示刀片的數目，Vm≤1.0m/s ，則刀盤的半徑可以表示為

R=Rp-L

(7)

其中，Rp表示圓盤切割器的長度，可以根據喂入裝置的三維尺寸，建立甘蔗收割機的虛擬樣機。利用虛擬仿真軟件對喂入裝置進行仿真模擬，從而達到優化喂入裝置的目的。

3提高喂入能力的虛擬仿真試驗

為了驗證喂入裝置的傾斜角度、刀片轉速和收割機行進速度對甘蔗收割機總體收割效果的影響，利用UG6.0建立了聯合收獲機喂入裝置的三維模型，并將模型導入ADAMS軟件進行了運動學仿真。仿真總體模型如圖5所示。

1.扶蔗輥　2.甘蔗　3.上壓蔗輥　4.主動喂入輥

甘蔗收割機結構主要包括扶蔗輥、上壓蔗輥和主動喂入輥，將三維模型導入ADMAS軟件，其導入界面如圖6所示。

圖6　模型導入界面圖

ADMAS是專業的虛擬樣機分析軟件，其兼容性較好，可以導入UG、Solidworks、CAD等一系列建模軟件設計的模型，其模型導入后如圖7所示。

圖7　喂入結構三維結果部分導入圖

將三維模型導入到Admas軟件后可以對其進行一系列的設置，包括各種接觸參數、材料設置、阻尼設置和摩擦力等，其設置界面如圖8所示。

圖8　運動學仿真參數定義

甘蔗在收割機總的輸送過程主要是利用甘蔗和其他部件間的摩擦力和接觸來完成的，根據赫茲接觸理論，定義接觸參數，其界面如圖8所示。其中,Stiffness表示材料剛度的設定，Force Exponent表示材料剛度的貢獻指數定義，Damping表示接觸阻尼的定義。定義完成后可以設置甘蔗和喂入裝置之間的碰撞，其三維結構如圖9所示。

圖9　碰撞三維模型

在ADMAS軟件運動學仿真模擬過程中，甘蔗和喂入裝置之間的碰撞需要通過大量的重復命令來完成。為了降低工作量，提高仿真模擬效率，對于甘蔗和收割機之間的碰撞，可以利用ADMAS自帶的命令宏來完成。

4仿真結果分析

根據前文的分析，甘蔗收割機的收割效率主要受到喂入裝置傾斜角度、刀片旋轉速度和收割機行進速度的影響，因此在仿真模擬是利用這3個條件的變化，對其收割效率進行正交實驗.正交實驗的因素水平如表1所示。

利用不同影響因素之間的組合關系，可以對收割機的收割效率進行正交實驗，通過仿真模擬實驗。得到正交實驗結果如表2所示。

表1　甘蔗收割機正交實驗因素水平表

由表2可以看出:在所有模擬試驗中，只有一次的喂入率<90%，不能使用該組合進行設計。其中，最佳整稈率組合為A1B2C2，最低損失率和漏割率組合為A2B1C1和A1B3C3，對漏割率進行方差分析，得到了如表3所示的計算結果。

表3　漏割率方差分析表

F0.05=18,F0.01=98。

表3表示漏割率的方差分析表。由表3可以看出：A和B對漏割率的影響顯著，C對漏割率的影響不顯著。因此，在提高漏割率的設計時，可以注重對A和B的設計，從而得到最優組合。

表4表示損失率的方差分析表。由表4可以看出：C和B對損失率的影響顯著，A對損失率的影響不顯著，因此在提高損失率的設計時，可以注重對B和C的設計，從而得到最優組合。

表4　損失率方差分析表

F0.05=12，F0.01=58。

5結論

1)為了解決小型收割機普遍存在的機械效率低和容易阻塞的問題，提出了喂入裝置傾斜角度、刀片轉速和收割機行進速度的優化方案，并設計了喂入裝置的主要參數尺寸。

2)使用UG6.0軟件建立了甘蔗收割機喂入裝置的三維模型，并將模型導入到了ADMAS軟件進行了運動學仿真；利用正交實驗法對裝置傾斜角度、刀片轉速和收割機行進速度對收割機收割效果進行了計算，得到了顯著性結果。

3)由顯著性結果可以看出：只有一次的喂入率小于90%，最佳整稈率組合為A1B2C2，最低損失率和漏割率組合為A2B1C1和A1B3C3；A和B組合對漏割率的影響顯著，C和B組合對損失率的影響顯著。

參考文獻：

[1]傅隆正,蒙艷玫,董政,等.整稈式甘蔗聯合收獲機整機物流設計與仿真[J].農機化研究,2012,34 (2):19-23.

[2]楊望,楊堅,劉增漢,等.入土切割對甘蔗切割過程影響的仿真試驗[J].農業工程學報,2011,27(8): 150-156.

[3]陳超君,梁和,何章飛,等.甘蔗機械收獲對蔗蔸質量和宿根蔗生長影響初探[J].廣東農業科學, 2011(23):26-30.

[4]傅隆正,蒙艷玫,董振,等.整稈式甘蔗聯合收割機整機物流設計與仿真[J].農機化研究,2012，34(2): 19-23.

[5]羅菊川,區穎剛,劉慶庭,等.整稈式甘蔗聯合收獲機斷蔗尾機構[J].農業機械學報,2013(4):89-94.

[6]牟向偉,區穎剛,王美美,等.甘蔗葉鞘破壞與剝離方式試驗與分析[J].華南農業大學學報,2013(4): 584-588.

[7]解福祥,區穎剛,劉慶庭,等.甘蔗收割機物流虛擬試驗[J].農業機械學報,2010(S1):90-94.

[8]劉慶庭,莫建霖,區穎剛,等.我國整稈與切段2種甘蔗收獲方式發展歷程與前景分析[J].甘蔗糖業,2013(6):45-55.

[9]劉海清.我國甘蔗產業現狀與發展趨勢[J].中國熱帶農業,2009(1):8-9.

[10]張華,沈勝,羅俊,等.關于我國甘蔗機械化收獲的思考[J].中國農機化,2009(4):15-16,33.

[11]梁闐,陳引芝,王維贊,等.甘蔗機械化收獲現狀及對策[J].現代農業科技,2010(11):85-87.

[12]陳世凡.甘蔗分段收獲集中剝葉處理模式初探[J].廣西農業機械化,2009(6):20-23.

[13]肖宏儒,王明友,宋衛東,等.整稈式甘蔗聯合收獲機降低含雜率的技術改進與試驗[J].農業工程學報,2011,27(11):42-45.

[14]向家偉,楊連發,李尚平.小型甘蔗收獲機根部切割器結構設計[J].農業機械學報,2008,39(4):56-59.

[15]王汝貴,姜永圣,楊堅.甘蔗切割器工作參數優化綜合[J].廣西大學學報:自然科學版,2008,33 (2):138-140.

[16]李志紅,區穎剛.整稈式甘蔗收獲機甘蔗鋪放運動學分析[J].農業工程學報,2008,24(11): 103-108.

[17]李明,黃暉,鄧干然,等.甘蔗收獲機械的研究現狀與進展分析[J].農業機械,2008(1):54-64.

[18]解福祥,區穎剛,劉慶庭,等.甘蔗收獲機物流虛擬試驗[J].農業機械學報,2010,41(9):90-94.

[19]唐忠,李耀明,徐立章,等.單莖稈切割試驗臺的設計與試驗[J].農機化研究,2009,31(12):141- 143.

[20]李玉道,杜現軍,宋占華,等.棉花秸稈剪切力學性能試驗[J].農業工程學報,2011,27(2):124- 128.

[21]介戰,羅四倍,周學建.基于LabVIEW 的聯合收割機水稻喂入量遙測試驗[J].農業工程學報, 2009, 25(S2):87-91.

[22]張道林,刁培松,董鋒,等.撥禾指式不對行玉米收獲裝置的試驗[J].農業工程學報,2010,26(5): 103-106.

[23]杜現軍,李玉道,顏世濤,等.棉稈力學性能試驗[J]. 農業機械學報,2011,42(4):87-91.

[24]宋占華,肖靜,張世福,等.曲柄連桿式棉稈切割試驗臺設計與試驗[J].農業機械學報,2011,42(11): 162-167.

[25]王鋒德,燕曉輝,董世平,等.我國棉花秸稈收獲裝備及收儲運技術路線分析[J].農機化研究,2009, 31(12):217-220.

[26]李耀明,秦同娣,陳進,等.玉米莖稈往復切割力學特性試驗與分析[J].農業工程學報,2011,27(1): 160-164.

[27]趙湛,李耀明,徐立章,等.超級稻單莖稈切割力學性能試驗[J].農業機械學報,2010,41(10):72-75.

Research on Feeding Device of Sugarcane Harvester Based on Virtual Simulation Technology

Sheng Fenhua1, Chen Zujue2

(1.Department of Communication and Information Engineering,Suzhou College of Information Technology,Suzhou 215200, China; 2.School of Computer Science and Telecommunication Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

Abstract：Aiming at the problem that the obstruction of the small sugarcane harvester and the mechanical efficiency is low, the optimization scheme of the harvester is put forward. The parameters dimensions of feeding device are designed, and the 3D model of the virtual prototype is established by using UG6.0.The model is imported into ADMAS software,and the simulation experiment is carried out. The results of three kinds of optimization projects are obtained. The results showed that only one feed rate was less than 90%,the best overall rate was A21B2C2, and the lowest loss rate and the rate of leakage cut were A2B1C1 and A1B3C3. The variance analysis of the drain rate and loss rate showed that the effect of B and A on the drain rate was significant, and the effect of B and C on the loss rate was significant. Therefore,the effect of the harvester was optimized in the design process of the harvester.

Key words：sugarcane harvester; virtual prototype; simulation; 3D model; ADMAS software

中圖分類號：S225.5+3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0059-05

作者簡介：盛奮華(1978-)，女，江蘇吳江人，講師，(E-mail) shengfenhua1978@sina.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(61203072)；江蘇省農業科技支撐項目(BE2010347)

收稿日期：2015-08-13