甘蔗收割剝葉一體機的設計與仿真

李武朝,林 茂,楊 飛

(海南大學 a.機電工程學院;b.環境與植物保護學院,海口 570228)

0 引言

甘蔗作為水果可以食用,作為植物纖維可以制作各種紙張類產品。目前,對于甘蔗的研究越來越多,近年來一直致力于低成本和可持續地利用生物量和農殘等原料作為活性炭的替代原料生產。

國外的甘蔗收割機研究始于 19 世紀 80 年代,經歷過甘蔗模型的提出,兩年后制造出第1臺甘蔗收割機,且蒸汽機也被應用到農業收割上;接著,出現了安裝有兩片鋸齒轉盤的由輪驅動的收割機;之后,出現了全桿式收獲機[1-2],具有合理去梢除葉等功能。鑒于甘蔗收割的復雜性等特點,基于CATIA V5R21 版本的3D作圖軟件,設計了一種可移動收割平臺,具有操作方便、收割效率高和可有效收集廢料等特點。

在病害流行之前,適時、快速、有效地將甘蔗迅速收割、剝葉,成為了最為關鍵的一步。甘蔗收割是甘蔗生產過程中勞動強度最大、勞動量最多的一個部分,收割機械化水平的提高對于甘蔗生產具有重要意義[4]。目前,國外一些生產甘蔗的大國為了提高勞動生產率,都在積極發展收獲機械化,如澳大利亞、美國早已實現了甘蔗收獲機械化,古巴、巴西等國家的甘蔗收獲機械化水平也相當高。

針對目前研究存在的一些問題,設計了一種高效的甘蔗收割剝葉一體裝置,闡明了工作原理;對關鍵零部件進行仿真實驗分析,驗證了其結構的合理性[5-6];指出了影響甘蔗剝葉率的相關因素,并進行數據分析,確定了最優工況參數。該裝置可有效提高甘蔗收獲效率,具有一定的推廣示范意義[4]。

1 整機可移動化設計

甘蔗收割機需具有便捷移動的特點,以便于整機能夠更好、更快捷地收割,因此甘蔗田地的特性是設計時首要的考慮因素。甘蔗采用莖栽種,在種植甘蔗時應有一定的間距,使得甘蔗的通風性良好。針對該情況,采用傳統的履帶式傳動方式,可以通過增大受力面積來減小整機和收獲產品對田地的巨大壓強。這是因為過大的壓強將使得田間的土地更加致密,嚴重影響到甘蔗的根部通風情況,進而影響第2年甘蔗的長勢和收成。

履帶式車輛需要考慮接觸模型,即車輪和履帶板的接觸、履帶銷和驅動輪的接觸、履帶板和地面的接觸。車輪和履帶板的接觸模型可以由支重輪、導向輪和拖帶輪與履帶板的作用通過接觸力來進行模擬,具體結構如圖1所示。

1.驅動輪 2.支重輪 3.拖帶輪 4.履帶板 5.導向輪 6.履帶銷圖1 履帶傳動結構圖Fig.1 Track drive structure。

模型中,法向力與車輪截面穿透履帶板的面積S成正比,面積S與車輪半徑R和穿透深度δ相關,具體幾何關系如圖2所示。

圖2 幾何穿透模型Fig.2 Geometric penetration model。

行駛速度計算公式為

(1)

其中,ne為發動機轉速;rd為驅動輪動力半徑;i∑為驅動輪輪滑轉率(履帶式的滑轉率一般為0.07);V為行駛速度。由此得到履帶行進速度的大致范圍為1.8～5.4km/h。

2 整機的剝葉結構設計

針對目前甘蔗葉清除仍采用人工剪刀裁割的現狀,結合甘蔗的具體形態,設計出了一種雙側剪裁甘蔗葉的機構,主要由安裝架 轉動軸和清除桿構成,如圖3所示。為提高甘蔗葉的清除率,采用前后放置的兩組剝葉機構共同作業,其位置關系如圖4所示。

1.清除桿 2.轉動軸 3.安裝架圖3 剝葉機構結構圖Fig.3 Stripping mechanism structure diagram。

圖4 剝葉機構位置關系圖Fig.4 Stripping mechanism position diagram。

根據旋轉桿的轉動慣量來計算兩桿之間的間距。當回轉軸過桿的質心垂直于桿時,轉動慣量的公式為

(2)

其中,m為桿的質量;L為桿的長度。

在桿的頂點并垂直于桿時,有

(3)

采用可變夾角來控制甘蔗的剝葉率與甘蔗的破壞率之間的協調關系。其中,兩個打葉機構之間的間隔可調,上下間距可調,左右兩個機構的兩個固定架的間距可調,且將前后兩個裝置的右側柱子設計為可調部分,左側均設計為不可調部分。

3 甘蔗葉收集裝置的設計

為了防止剝落后的甘蔗葉掉落到移動機構中,影響移動機構的正常運行,也為減少甘蔗葉對整體機構的影響,設計了用于收集和處理甘蔗葉子的裝置,主要由擋板和傳送帶組成,如圖5所示。其主要工作原理是:剝葉裝置將所剝下的葉子帶到傳送帶上,由傳送帶將葉子及時有效地收集和處理掉;擋板的主要作用為防止剝落的甘蔗葉落入其他裝置中,對整機作業產生影響。

1.擋板 2.傳送帶圖5 收集裝置整體圖Fig.5 Collecting device overall。

整體收割剝葉的動力裝置來源于發動機。工作時,葉片落于傳送帶上,需要考慮落葉的質量結合摩擦力得到傳送帶的運轉速度,防止落葉在傳送帶堆積。設落葉傳送帶上的加速度為a,由以下公式可以求出加速度,即

mg×sinθ+Ff=ma

(4)

mg×cosθ=FN

(5)

Ff=υFN

(6)

其中,Ff為落葉在傳送帶上的摩擦力;m為選取的落葉質量;g為重力加速度;υ為摩擦因數,θ為傳輸帶的傾斜角度。

4 橫向移動環節的設計

4.1 橫向傳遞裝置

對甘蔗的橫向傳遞部分及根部的切割部分進行設計。已知甘蔗的收割是甘蔗產品處理中極其重要的一部分,也是工作量極大的環節,為了減少返工的程度,盡量在采摘的同時將葉子、根部一同切割,以便于減少人工部分的后續工作,使得機械化程度大大提升。現有的設備中具有多種橫向推力的裝置,且一般通過步進電機的齒輪傳動機構或氣泵拉伸:齒輪傳動機構雖然運行較為穩定,但是所需的結構較為復雜,占地空間大,容易發生事故,且推動力略有不足;氣泵拉伸型裝置結構簡單,推動力強勁,但穩定性不足,容易發生軌道偏移的問題。在裝置的設計過程中,發現甘蔗的橫向傳遞部分沒有一個很好的受力點,加之甘蔗的根部是作為食用需要去除的一部分,所以把根部切除的同時以根部為施力點,將甘蔗橫向傳遞。具體設計如圖6所示。

1.切割刀 2.螺釘孔圖6 橫向傳遞裝置結構圖Fig.6 Lateral transfer device structure。

4.2 甘蔗葉傳輸裝置

為避免甘蔗葉經由收集裝置處理后直接排放在田地中與處理好的甘蔗混雜在一起不易被清理,設計了甘蔗葉子的縱向傳遞裝置,將甘蔗葉經由傳動帶進行縱向傳遞,從而達到成品與葉子分開的目的。縱向傳遞裝置如圖7所示。

圖7 縱向傳遞裝置Fig.7 Longitudinal transfer device。

5 甘蔗收割剝葉一體機的成型

對上述各個部分進行整合,選用合適的約束,在CATIA軟件里拼裝,再進行整體完成圖的渲染,最終得到了令人滿意的結果。

5.1 工作機構整合

整體設計完成之后,將上述的機構進行拼裝、組合。在CATIA軟件界面的裝配工具欄中選擇裝配設計,裝配的約束有5類,分別是相合約束、接觸約束、偏移約束、角度約束和固定約束。其中,相合約束主要是使帶有圓柱體或孔形狀的軸線重合,如圓柱與圓柱的軸線相合、孔與孔的軸線相合、圓柱與孔的軸線相合,或者是兩個點相合,這種約束用得較少。接觸約束最常用到的場合是兩個平面之間和圓柱或球形與平面之間,兩個平面執行接觸約束命令后會背靠背地貼合在一起,圓柱或球形與平面用接觸約束后,平面會與圓柱體的圓面或球體相切。偏移約束是使兩個零部件上的點、線或面保持一定距離,從而限制部件的相對位置關系,最常用的場合是用于兩平面之間;執行該約束后,原本相交的兩平面變為平行平面,并可設定這兩個平行平面之間的距離。角度約束通常用于設置兩個平面之間的偏轉角度。固定約束的作用是將零部件固定在圖形窗口的當前位置,當向裝配環境中引入第1個部件時,常常對該部件實施這種約束,這樣,其它零部件的相對位置都將以第1個零部件為參照基準。整機主要結構拼裝完成圖如圖8所示。

圖8 整機主要結構拼裝圖Fig.8 Main structure assembly diagram。

5.2 整機機身加裝

加裝了起保護作用的機身,并對駕駛室、擋泥板、保護欄桿、排料口等部分進行了添加,其外形如圖9所示。最后,對整機最終結構圖進行渲染,如圖10所示。

圖9 整機外形圖Fig.9 Overall outline drawing。

圖10 整機渲染圖Fig.10 Machine rendering。

6 基于ANSYS輸出齒輪瞬態動力學仿真

瞬態動力學的非線性控制方程為

(7)

得到了輸出齒輪模型之后,采用Catia進行三維建模,再將模型導入到Ansys中進行條件約束。齒輪采用的材料為結構鋼,彈性模量為172Gpa,泊松比為0.27。最終得到了相應的變形圖,如圖11所示,應力圖如圖12所示。

圖11 齒輪變形Ansys分析圖Fig.11 Gear Deformation Ansys Analysis Diagram。

圖12 輸出齒輪應力ansys分析圖Fig.12 Output gear stress ANSYS analysis chart。

由圖11可知:變形最大處發生在齒輪的嚙合部位,其值為14.01mm,符合實際。圖12中,齒輪所受的最大應力(17.89MPa)遠小于所選材料的極限值(300MPa),故輸出齒輪是安全的,且位于兩個齒輪接觸的齒根圓處。實際情況中,此處易發生齒輪斷裂,是齒輪主要的失效形式之一。由此可知,應力分布結果與齒輪實際嚙合情況一致。

7 仿真結果及數據分析

將影響剝葉率的3個因素進行分析,包括橫向傳遞角度、剝葉裝置旋轉角速度及裝置的前進速度。

首先設立3個裝置的基準:橫向傳遞角度設置為與水平夾角0°±15°,剝葉裝置的旋轉角速度為(120±60)r/min,裝置的前進速度為(1±0.5)m/s,當1個變量變化時,另外兩個變量取基準值。仿真結果如表1所示。

表1 仿真實驗數據結果Table 1 Simulation data table。

最后,使用Design Expert 11軟件分析各個參數之間的變化趨勢,得到最優解,從而確立最佳工況參數。結果表明:最佳剝葉率所在的工況為角度2.197 21°、角速度114.978r/min、前進速度0.7232 7m/s,此時最佳剝葉率為92.233 6%,如圖13所示。

圖13 數據分析Fig.13 Data analysis。

8 實驗數據

為驗證仿真數據的可靠性,設定實驗條件,橫向傳遞角度設置為與水平夾角0°±15°,剝葉裝置的旋轉角速度為(120±60)r/min,裝置的前進速度為(1±0.5)m/s,與仿真實驗相對照得出數據。實驗數據如表2所示。

表2 實際實驗數據Table 2 Actual experimental data results。

9 結論

1)以甘蔗收割剝葉一體機中的橫向傳遞角度、剝葉裝置旋轉角速度及裝置的前進速度為因素,以剝葉率作為響應值,確定裝置的最優工況參數為角度2.19721°、轉速114.978r/min、前進速度0.7232 7m/s,此時最大清除率92.233 6%。

2)進行了實驗與仿真對比,通過對比得出仿真實驗和真實實驗的誤差在2%左右(<5%),其仿真條件的設定是合理、可靠的。

3)裝置具有操作方便、收割效率高和有效收集廢料等優點。對甘蔗收割機進行優化設計,并對相關零部件進行分析和改進,結果滿足要求。