甘蔗莖葉分離裝置設計＊

曾令超，曹玉華，鐘小華，王衛華，黃煒豪

（1.廣東省凈菜保鮮包裝裝備工程研究中心，廣東 廣州 510450；2.廣東白云學院，廣東 廣州 510450）

0 引言

甘蔗是制糖的原料之一，是我國重要的經濟作物。在2019年，我國甘蔗的種植面積已超過150萬公頃[1]。但目前甘蔗的收獲環節存在勞動強度大、生產效率低，嚴重制約著我國糖業發展[2]。

目前，國內研制的甘蔗收獲機械分為整稈式和切段式，切段式與整稈式相比，具有工作效率高，對甘蔗倒伏不敏感的優點[3]。廣東科利亞研制的4GZ-91型甘蔗聯合收割機，采用履帶式行走機構，翻斗式卸載收集甘蔗，可與運輸車相結合實現甘蔗收獲機械化[4]，但效率較低。華南農業大學研制的HN4GDL-132 型甘蔗聯合收割機，通過浮動控制刀盤實現收割根茬高度統一，減少了行進阻力，提高了生產效率[5]。本文針對切段式收獲機械的莖葉分離效果差、含雜率高問題，設計了升運鏈與氣吹式組合式的莖葉分離裝置，能對切斷后的甘蔗莖與葉進行分離作業。

1 裝置整體結構與工作原理

本文設計的甘蔗莖葉分離裝置由物料導流箱1、鏈式輸送裝置2、鼓風機5、甘蔗莖、葉儲存箱3 和4 組成。裝置結構如圖1所示。

圖1 甘蔗莖葉分離裝置結構圖

物料提前切割成固定長度大小后投放在導流箱頂部，物料從導流箱1 進入裝置，經過三塊空間排布呈“之”字形導流板，進入到輸送鏈2 底部，物料到輸送鏈的頂部時，受到鼓風機的氣流作用，質量較重、迎風面積較小的甘蔗莖部會落入存儲箱3，質量較輕、迎風面積較大的甘蔗葉部會落入存儲箱4，實現了甘蔗的莖葉分離。

2 甘蔗在鼓風機中的力學分析

在分離裝置中，鼓風機對甘蔗莖部的風力越小，對甘蔗葉的風力越大，分離成功率越大。因此鼓風機對甘蔗的風力是影響分離成功率大小的關鍵。假設鼓風機的氣流場是均勻分布的，甘蔗的外形近似為長圓柱形，以豎直方向作為z 軸，風機的風向作為x 軸，建立三維坐標系，對處于氣流中的甘蔗莖部受力動力學示意圖，如圖2所示。

圖2 甘蔗在氣流中的動力學示意圖

為了簡化分析，假設甘蔗處于均勻流場，可以認為甘蔗受到單位迎風面積上的風力（風壓）p 相同，則其受的風力Fw滿足：

式中，Φ代表的是甘蔗的表面方程，θ是甘蔗軸心與x軸所成的角。由三維投影幾何關系，上式可以簡化成：

式中，S'為甘蔗關于風向的正對面積，即圓柱表面函數Φ沿x軸方向的投影面積，滿足：其中，l、d為被切割后甘蔗的長度和直徑（cm），根據甘蔗經切斷后的實際尺寸，d取2 cm，l取30 cm。

從上式可以看出，甘蔗受到的風力與其表面在沿x軸方向的投影面積成正比。用matplotlib繪制得到曲線圖像如圖3所示，可知甘蔗所受的風力隨甘蔗的軸心與風向所成的角增大而增大，所以甘蔗脫離升運機構后的姿態會對分揀精度產生重要影響。

圖3 甘蔗軸心與x 軸所成的角θ 與風力Fw 關系曲線

3 鏈式升運機構的仿真與分析

為了讓離開升運裝置的甘蔗長軸與風力方向平行，以保證分揀的準確率，需保證離開升運機構時S'盡可能小，在升運角度固定的情況下，升運鏈與甘蔗接觸時的表面外形是影響分揀精度的主要因素，對此需要對不同的升運鏈進行比較分析。

3.1 仿真模型的建立

本文設計兩種不同的升運鏈表面，如圖4所示。

圖4 升運鏈表面形狀示意圖

為了提高仿真速度，減小計算規模[6]，僅將鏈條外形模型簡化后導入到EDEM 軟件，模型（含顆粒工廠）如圖5所示。

圖5 EDEM 軟件中的仿真模型圖

3.2 仿真模型參數的設置

仿真坐標系以升運機構的升運方向（主方向）作為x軸，根據升運鏈與地面的夾角θ，對重力加速度方向做了坐標系旋轉處理如下：

由于甘蔗物料與升運機構之間不存在黏滯、粘結等現象[7]，所以甘蔗物料與升運鏈之間采用 Hertz-Mindlin模型[8]，為了更好的模擬物料的運動情況，沿x軸方向均勻分布生成顆粒如圖6所示，各離散小球的坐標，滿足：

圖6 甘蔗離散化顆粒模型示意圖

甘蔗屬于植物的莖，參照針對甘蔗的力學參數分析研究結果[9-11]，設置顆粒、升運鏈、顆粒與顆粒之間接觸模型、顆粒與升運鏈之間的接觸模型參數，如表1、表2所示。

表1 物料與裝置力學特性

表2 Hertz-Mindlin 接觸模型參數

3.3 仿真參數的設置與仿真結果分析

3.3.1 仿真參數設置

由于進入升運鏈前，物料經過導流箱后，進入升運鏈的流量并不會太高，因此設置顆粒格式工廠的顆粒生成參數如表3所示。

為了更好的對兩種不同的升運鏈進行對比分析，產生顆粒的初始旋轉矩陣設置為：

表3 顆粒生成參數

3.3.2 仿真結果分析

對上述兩種不同外形的升運鏈進行總時間為3 s 的仿真，結果如圖7 和圖8 所示。可以看出，兩種不同外形的鏈條都對物料的姿態產生影響。物料在與波浪狀外形的鏈條作用時，較少的物料能夠很好地沿著垂直于升運方向（y 方向），如果物料聚集較多時，在物料相互碰撞后，物料最終的姿態將發生較大的偏移。物料在與凹坑外形的鏈條作用時，無論物料是否聚集，由于凹坑的凸起部分高于甘蔗直徑，因此能對兩層的物料均產生一定限位作用。

圖7 凹坑形升運鏈仿真結果

圖8 波浪形升運鏈仿真結果

為了比較兩種不同鏈條對物料整體姿態的約束作用，定義物料整體沿z 軸（垂直于鏈條升運方向）的平均累計轉角如下式：

式中，Δt為仿真時間步長，i為時間步序號，ωz(t,j)為第j個顆粒在t時刻的沿z 軸轉動角速度，n（t）為t時刻的顆粒總數。

通過EDEM處理后對數據進行計算，得到兩種不同鏈條的顆粒z軸平均累計轉角與時間的關系，如圖9所示。

圖9 不同升運鏈上顆粒平均累計轉角隨時間關系圖像

從圖中可以看出，采用波浪狀鏈條的物料在升運過程中，偏轉角隨著時間增加而波動增加，而采用凹坑狀鏈條的物料在升運過程中，物料姿態較穩定，總體平均偏轉角維持在0～0.01 rad（＜0.6°）之間。因此采用凹坑狀鏈條更有利于物料姿態定型，從而更有利于后續的氣吹式莖葉分離。

4 結論

1）根據氣流輸送式甘蔗莖葉分離裝置的總體布局，詳細介紹了裝置各部分的組成作用，并建立了力學模型分析。結果表明：甘蔗所受的風力隨甘蔗的軸心與風向所成的角增大而增大，保持甘蔗姿態與風向平行有利于莖葉分離。

2）針對升運鏈機構，設計了兩種不同外形的升運鏈，利用離散單元法，對物料在波浪形和凹坑形鏈條抬升運動過程，進行定性和定量分析。分析結果表明：凹坑形鏈條對物料定向作用要優于波浪形，在升運過程中，物料整體能保持長軸與風向偏離角度在0.6°以內，有利于后續的氣吹式莖葉分離。