甘蔗橫向種植機補種裝置輥耙結構仿真分析

麻芳蘭 ,滕 筱 ,李 科 ,李尚平 ,吳 飛

(1.廣西大學 機械工程學院,南寧 530004;2.廣西民族大學 電子信息學院,南寧 530006;3.北部灣大學 機械與船舶海洋工程學院,廣西 欽州 535011 )

0 引言

在過去幾十年里,全球糖的生產和消費都在增長。其中,80%的糖是由甘蔗生產的,只有20%的糖是由甜菜等生產的。目前,我國甘蔗種植主要分布在廣西、云南、廣東、海南等地區,廣西和云南作為最大的蔗區,占全國總種植面積的90%以上[1-3]。實踐表明,將機械化技術引進到甘蔗種植中,可以有效提高甘蔗產量和種植質量[4]。

與人工種植相比,甘蔗機械化種植過程中易出現漏播、排種不均勻現象[5],直接影響到甘蔗種植的效率。針對漏種情況,國內外學者做了相應的深入研究。如國外研究者利用光電傳感器技術、激光傳感器技術等方法來測試甜菜、玉米等種子在播種過程中粒距的排種均勻性情況。國內則主要用高速攝影技術、光電傳感器技術等來監測種子的排種狀態[6-9],也有一些研究人員設計了相關的補種機構[10]。梁秋艷等利用機械臂式點位控制補種機構,并運用LabVIEW軟件來提取漏種空穴的坐標,再采用組合算法的方式來實現精密補種[11]。葛世強等對于大籽粒作物出現的漏播問題,運用超越離合器的機械結構來把補種裝置與排種器連接為一體,可以非常好地把補種裝置和排種器快速分離和結合起來;利用激光傳感器對作物進行漏種監測,出現漏種時用補種控制算法控制步進電機進行加速補種,同時設計了可視化的交互界來面對實際出現的補種情況進行檢測和故障報警[12-13]。

筆者針對甘蔗橫向種植機在實際作業出現的漏種問題,研制了一套補種裝置,來實現種植機作業過程中的實時補種動作,以降低甘蔗種植過程中的漏種率及提高種植質量,并對補種輥耙結構進行仿真研究,對比分析不同機構之間輥耙所受的力、扭矩等因素,從而驗證補種裝置的補種性能。

1 補種裝置的組成和工作原理

結構示意圖如圖1所示。

1.漏種檢測裝置 2.蔗種 3.提升機構 4.補種箱 5.支架柱:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別為充種區、儲種區、供種區、護種區、投種區 6.儲蔗槽 7.余量不足檢測裝置 8.儲種空間 9.導流板 10.補種輥耙 11.提升鏈槽

其工作原理為:當余量檢測裝置檢測到補種儲蔗槽中蔗種不足時,將信號傳給提升電機,使其轉動一定角度補足補種箱內蔗種;當漏種檢測裝置檢測到蔗種排送帶上無蔗種時,將漏種信號傳到輥耙電機,電機動作一定角度完成排送帶補種,從而實現動態實時、精確連續補種的目的,避免出現漏播現象。

2 仿真模型的建立

依據前面課題組的研究成果可知:蔗種的泊松比為μ=0.33,蔗種的彈性模量E=1531MPa,剪切模量G=575MPa。設置蔗種的彈性模量為1531MPa,泊松比為0.33,密度為1.1E-006kg/mm3,通過ANSYS軟件進行網格劃分,如圖2所示。齒式補種裝置的模型及實物如圖3所示,整葉式補種裝置的模型及實物如圖4所示,窩輥式補種裝置的模型及實物如圖5所示。

參照ADAMS各種材料碰撞參數表中亞克力材料、橡膠材料、金屬材料碰撞參數,適當增大剛度以減少穿透,增大阻尼以減少反彈,以此獲得合理反映蔗種運動屬性的仿真模型。宏文件中指定的接觸力參數值如表1所示。

圖2 甘蔗種柔性模型及實物圖Fig.2 Sugarcane seed flexibility model and physical drawing

1.補種輥耙 2.補種箱圖3 齒式補種裝置的模型及實物圖Fig.3 Model and physical drawing of a toothed replanting device

1.補種輥耙 2.補種箱圖4 整葉式補種裝置的模型及實物圖Fig.4 Model and physical drawing of a whole-leaf seed replenishment device

1.補種輥耙 2.補種箱圖5 窩輥式補種裝置的模型及實物圖Fig.5 Model and physical drawing of a nest roller replanting device

表1 接觸力參數表

3 仿真結果分析

對ADAMS中的補種裝置模型進行旋轉約束、碰撞、重力等的添加,然后對結構進行運動仿真,最后對補種輥耙的力和力矩進行結果分析[14-16],如圖6～圖17所示。

3.1 齒式補種裝置仿真分析(順時針運動)

由圖6、圖7可知:齒形補種裝置在補種時,力保持在30N左右,力矩保持在20N·m左右。

圖6 力-時間變化曲線Fig.6 Force-time variation curve

圖7 力矩-時間變化曲線Fig.7 Torque-time variation curve

3.2 齒式補種裝置仿真分析 (逆時針運動)

由圖8、圖9可知:力在30N左右,力矩在12N·m左右。圖7中0.2、1.75、3、4、5、6、7、8s附近均有出現力矩突然加劇的情況,這個與實際情況一致。在補種輥耙轉動瞬間,需要將蔗種從補種箱導入輥槽中,輥耙所需提供的力矩很大,使整個補種箱內的蔗種發生整體運動,故這一瞬間力矩較大。

圖8 力-時間變化圖Fig.8 Force-time variation curve

圖9 力矩-時間變化圖Fig.9 Torque-time variation curve

3.3 整葉式補種裝置仿真分析(順時針運動)

由圖10、圖11可知:變化曲線比較一致,在開始瞬間輥耙的力和力矩加大(帶動部分蔗種轉動),在1s后輥耙正常工作;順時針動作時,由于出現一個輥槽中夾持兩根蔗種以及“堵蔗”現象所導致的力和力矩的加大,變化曲線類似正弦曲線,該情況與前面的理論分析一致。

圖10 力-時間變化曲線Fig.10 Force-time variation curve

圖11 力矩-時間變化曲線Fig.11 Torque-time variation curve

3.4 整葉式補種裝置仿真分析(逆時針運動)

由圖12、圖13可以看出:在剛開始瞬間,輥耙所受力和力矩急劇加大,可以理解為輥耙需要將蔗種整體帶動所需力和力矩,故變化較大;在3s和8s瞬間,力矩和力突然加大,這是由于在蔗種到達輥耙上方時種箱的前擋板、蔗種和補種輥耙之間形成“堵蔗”現象所導致,故力在75N左右,力矩在10N·m左右。

3.5 窩輪式補種裝置仿真分析(順時針運動)

由圖14、圖15可知:所述情況與實際情況一致,每轉動一個角度對應轉動一個輥槽,輥耙的力和力矩都呈劇烈上升趨勢。變化曲線呈正弦變化,力保持在14N左右,力矩保持在5N·m左右。

圖12 力-時間變化曲線Fig.12 Force-time variation curve

圖13 力矩-時間變化曲線Fig.13 Torque-time variation curve

圖14 力-時間變化曲線Fig.14 Force-time variation curve

圖15 力矩-時間變化曲線Fig.15 Torque-time variation curve

3.6 窩輪式補種裝置仿真分析(逆時針運動)

由圖16、圖17可知:力和力矩在開始瞬間需要比較大,之后力和力矩都比較小,且力保持在10N左右,力矩保持在2N·m左右。相比前面的方案而言,輥耙所受力得到了較好的改善。

圖16 力-時間變化曲線Fig.16 Force-time variation curve

圖17 力矩-時間變化曲線Fig.17 Torque-time variation curve

4 結論

1)通過將蔗種進行柔性化處理,以達到與實際情況一致的目的。利用ADAMS軟件對補種裝置的輥耙進行運動學分析,根據補種輥耙的力和力矩隨時間的變化情況驗證裝置的補種性能,為后面進行輕量化、優化結構提供理論參考。

2)由理論和仿真分析得知:補種輥耙在逆時針轉動的情況下,力和力矩都相對較小,逆時針轉動方式更優于順時針轉動方式。3種結構中,窩輪式補種裝置力和力矩都比另外兩個裝置小,窩輪式補種裝置進行逆時針運動時力約為10N、力矩約為2N·m,其結構更優,補種性能更好。