小型整杆式甘蔗收割机拨蔗机构仿真试验研究

唐大芳，翁绍捷，林 茂

(海南大学 机电工程学院，海口 570228)



小型整杆式甘蔗收割机拨蔗机构仿真试验研究

唐大芳，翁绍捷，林 茂

(海南大学 机电工程学院，海口 570228)

通过对小型整杆式甘蔗收割机的拨蔗机构建立仿真运动模型，运用ADAMS动力学仿真软件对仿真模型进行试验研究，分析该拨蔗机构的拨蔗完整率。以机器前进速度、旋转轴转速、拨杆数目为因素，拨蔗完整率为试验指标，设立一个三因素三水平的正交试验。分析三因素与拨蔗完整率的关系，同时对仿真结果的数学模型进行优化分析。结果表明：当机器前进速度为0.9m/s、转轴转速为400r/min、 拨杆数目为2时，拨蔗机构的拨蔗完整率可达到的最大值为96.6%。

整杆式甘蔗收割机；拨蔗机构；仿真试验；优化分析

0 引言

甘蔗是我国南方主要的经济作物[1]，其收割方式分人工收割和机械化收割。人工收割耗时耗力，一般包括砍伐、削叶、去尾、扎绑、搬运及装车等程序，劳动强度非常大，劳动效率低；每人每天最多仅能砍伐0.8 t左右，甘蔗收割成本高，在80～100元/t 左右，蔗农砍蔗雇员支出占甘蔗收入的20%左右[2]。机械化收割主要有整杆式和切段式两种[3]，整杆式甘蔗收割机又有大型整杆式甘蔗收割机和小型整杆式甘蔗收割机之分。小型整杆式甘蔗收割机的功率小、体积小、结构简单、使用方便，是我国丘陵地带甘蔗收割机器的首选。

国外对于大型整杆式甘蔗收割机的研究较多，并广泛投入市场。澳大利亚、美国等发达国家早已实现了甘蔗生产的全程机械化，部分环节机械化正在向自动化、智能化方向发展，实现了甘蔗机械化联合收获，生产效率高、成本低[4-6]。小型整杆式甘蔗收割机的研究主要集中在国内：桂林电子科技大学的向家伟等发表了论文《小型甘蔗收获机切割器试验研究》，针对小型整杆式收割机的切割器研究了影响其切割功耗和切割损失的评价指标[7]。广西大学机械工程学院的麻芳兰等针对甘蔗收割时破头率高、容易堵塞等问题，对小型整杆式甘蔗收割机切割系统进行了改进与试验；通过改进和在原样机前加置一个辅助喂入辊，使破头率降低，蔗茎合格率明显提高[8]。国内相关科研院所对整杆式甘蔗收获机械做了大量的理论和实验研究，取得较为丰富的成果，但对甘蔗切断后铺放在田间的相关研究较少。国内的研究主要有中国农业机械化科学研究院周良墉研制的4GZ-1000型整杆式甘蔗割铺机[9]；华南农业大学工程学院研制了4ZZX - 48型侧悬挂式甘蔗收割机[10]，其切断后甘蔗都是通过夹持输送链轮机构直立输送，运动轨迹成“L”型，可在机器割台一侧铺放甘蔗。该铺放机构存在一根一根夹持甘蔗及机器前进速度不能过大等问题，容易产生堵塞；另外，当甘蔗比较弯曲或甘蔗交错时，不利于链式传动装置的夹持；同时存在切断后的甘蔗在输送中阻挡驾驶员的视线不利于机器前进等缺陷。

本文通过对一种整杆式甘蔗收割机的拨蔗机构建立运动学仿真模型，进行仿真试验分析，探讨了机构拨蔗完整率与主要运动构件参数之间的关系。

1 小型整杆式甘蔗收割机拨蔗机构

1.1 拨蔗机构的工作原理

拨蔗机构是整杆式甘蔗收割机中的一个重要部件，用于拨倒被切割后的甘蔗，使甘蔗较为整齐地铺放在田间的垄间，以便于甘蔗的收集和甘蔗收割机顺利前行。

拨蔗机构主要由上拨盘、下拨盘、锥齿轮及旋转轴组成，如图1所示。其中，上下两个直径相同的拨盘通过旋转轴固定连接，拨盘上对称均匀安装有偶数根拨杆，拨杆为一定长度的直杆，上下对应拨杆运动轨迹完全相同。旋转轴转动带动拨盘的运转，由甘蔗收割机的行驶前进及拨蔗盘的旋转，拨杆形成特定的运动轨迹，拨铺甘蔗茎秆，使甘蔗茎秆按照一定规律较为整齐地倒伏在垄间，以满足甘蔗铺放后续工序的功能。

图1 拨蔗机构示意图1.上拨指 2.上拨盘 3.锥齿轮 4.旋转轴 5.下拨盘 6.下拨指

1.2 小型整杆式甘蔗收割机工作过程介绍

小型整杆式甘蔗收割机由拖拉机、液压马达、切割装置及拨蔗机构组成，结构如图2所示。拖拉机提供动力，驱动收割机整体向前以一定的速度前行。拖拉机上的驱动液压马达分两组装设，分别驱动切割装置和拨蔗机构；切割刀盘装设偶数片刀切入土切割甘蔗根部，拨蔗机构的上下两个拨盘由液压马达驱动以相同角速度匀速转动；随着收割机的向前移动，甘蔗根部被切断，上下拨盘上的拨杆将直立甘蔗向同一方向拨倒，甘蔗脱离拨杆做平抛运动后，整齐排放在收割机一侧。

图2 小型整杆式甘蔗收割机结构图1.拨蔗机构 2.液压马达 3.拖拉机 4.切割装置

2 试验设计

2.1 仿真模型的建立

本仿真试验用Pro/E软件进行建模，设置整片甘蔗林中的甘蔗等大小等高度，且种植间距相等。甘蔗大小设置为直径d=28mm，高度h=2 000mm,各甘蔗之间间隙s=150mm，甘蔗总数为60根；拨蔗机构的拨杆长度l=150mm,拨盘直径D=300mm,上下拨盘的距离L=500mm。拨蔗机构仿真模型图如图3所示。然后，将拨蔗机构的运动模型及设置好的机构参数导入ADAMS环境。

图3 拨蔗机构仿真模型图

2.2 仿真试验方案及结果

本仿真试验针对直立完好的甘蔗进行模拟，选定与拨蔗完整率密切相关的收割机前进速度v、拨蔗机构转速r、拨杆数n作为实验因素，同时设定3个水平、27个试验点、9个分析因子进行正交试验。拨蔗完整率的界定，当拨杆的运动轨迹划过甘蔗部分面积超过50%，即判断拨杆可以顺利拨铺该甘蔗；若划过甘蔗部分面积在10%～50%范围，即判断不能顺利拨铺该甘蔗。因此，拨蔗完整率=顺利拨铺甘蔗数量/所拨甘蔗总数×100%。因素水平如表1所示，试验方案如表2所示，仿真轨迹图如图4所示。

表1 试验因素与水平表

表2 试验方案及结果

3 仿真结果分析

采用数理统计软件SPSS对试验数据进行处理，得出实验指标拨蔗机构拨蔗完整率与前进速度、转速、拨杆数的数学模型为

y=0.865-0.111x3+0.194x1x3+0.0001x2x3

(1)

其中，y为拨蔗机构的拨蔗完整率的回归值。对回归式进行回归方程方差分析，结果如表3所示。

图4 仿真轨迹图

回归系数b0b3b1b3b2b3方程标准F方程y0．0810．0270．030000．47734．768

对上述回归数学模型和回归系数进行F检验，检验结果表明：回归系数在0.05水平上高度显著，表明回归数学模型拟和较好。

3.1 单因素对拨蔗完整率的分析

分析单因素变化对完整率的影响。由回归式(1)作各单因素与试验指标完整率的关系曲线图，如图5所示。由图5(a)可知：随着前进速度的增大，拨蔗完整率增大；由图5(b)可知：随着拨蔗机构的转速增大，拨蔗完整率增大；由图5(c)可知：随着拨杆数量增大，完整率减小。

由单因素图分析可得出各因素的优化区间为：机器前进速度区间(0.64～0.82)m/s,拨蔗机构转速区间(400～600)r/min,拨杆数区间(0～2)。

图5 各因素与完整率的关系图

3.2 交互因素对拨蔗完整率的分析

图6是由回归数学方程式(1)的试验因素对完整率的交互影响图。

图6 因素交互作用对完整率的影响

1)由图6(a)可知：当前进速度小于0.3m/s、拨杆数量小于等于3 时，可得到较大的完整率。这说明，小的前进速度有利于提高完整率。因此，前进速度较大、拨杆数量较少及前进速度较小、拨杆数量较多时，都不利于完整率的提高。

2) 图6(b)是拨蔗机构转速x2和拨杆数x3交互作用对完整率影响的曲线图。较小的转速和较少的拨杆及较大的转速和较少的拨杆数组合都得到较小的完整率；较多的拨杆数和较小的转速组合能够得到较大的完整率。由图6(b)可知：在拨杆数大于4时，随着转速的增加完整率迅猛下降，所以应避免较多的拨杆数与较大的转速结合。

3) 图6(c)是机器前进速度x1和拨蔗机构转速x2交互作用对完整率影响的曲线图。由图6(c)可知：较小的前进速度和较小的转速组合及较大的前进速度和较小的转速组合都可得较大的完整率；然而，随着转速的不断增加，完整率迅速下降。

3.3 试验因素的优化

本实验主要是分析机器的前进速度、拨蔗机构转速、拨杆数对拨蔗完整率的影响情况。通过SPSS软件建立的回归数学模型，再经过回归方差来进行定性和定量分析。通过定性分析，由方程(1)与单因素对拨蔗完整率影响的分析可知：拨蔗机构拨蔗完整率与机器前进速度、拨杆数的影响均为显著，与转速的影响不显著。

把回归方程的回归值进行优化来进行定量分析，然后比较各自回归值的大小，就能清楚地了解3个因素对拨蔗完整率的影响差异。采用MatLab数学软件对回归方程进行综合优化，在确定好各因素的优化区间值后，再对优化目标进行优化。各因素的优化区间值为各自的上下水平值区域，拨蔗完整率取值区间在80%～96.6%。对方程在三因素优化组合下，x1=0.9m/s、x2=400r/min、x3=2时，可得到拨蔗完整率较大值y=96.6%。

4 结论

1)三因素对拨蔗完整率的影响如下：当前进速度较大、旋转轴转速较小、拨杆数较小时，拨蔗完整率较大。

2)当较大的前进速度与较小的旋转轴转速组合时，有较大的拨蔗完整率。

3)综合三因素优化结果，拨蔗完整率达到最大值95%时，机器前进速x1=0.9m/s，旋转轴转速x2=400r/min，拨杆数x3=2，表明拨蔗装置拨蔗完整程度达到理想效果。

[1] 廖娜,刘赟东.甘蔗收获机扶蔗装置研究现状[C]//2012中国农业机械学会国际学术年会 ·杭州：中国农业机械学会,2012:48-52.

[2] 肖凌.2种甘蔗收割机在甘蔗收获中的应用[J].甘蔗糖业，2012 (6):56-60.

[3] 刘志华，林茂.甘蔗收割机剥叶元件的优化研究[J].机械设计与制造，2015(2)：253-256.

[4] 梁兆新．甘蔗生产机械化发展状况探讨[J].中国农机化，2003(2):14-18．

[5] 游建华，方锋学．广西甘蔗生产机械化现状及发展对策[J]．中国糖料， 2008(4):69-72．

[6] 梁怡,李慧超.国外甘蔗联合收割机在广西应用的经济效益分析[J].大众科技， 2011(12):147-149.

[7] 向家伟, 杨连发, 李尚平.小型甘蔗收获机切割器试验研究[J].农业工程学报，2007,23(11)：158-163.

[8] 麻芳兰，韦荣发，范志达，等.小型整秆式甘蔗收割机切割系统的改进与试验[J].农业工程学报，2014,30(15)：18-24.

[9] 查良墉. 4GZ-1000型整杆式甘蔗割铺机[J].南方农机，2007(4):37.

[10] 陈连飞，区颖刚，李志红，等.整杆式甘蔗收割机柔性夹持输送装置[J].农机化研究，2009,31(1)：71-75.

The Simulation Experimental Research on Dial the Sugarcane Institutions of Small Whole-stalk Sugarcane Harvester

Tang Dafang， Weng Shaojie, Lin Mao

(Hainan University, College of Mechanical and Electronic Engineering, Haikou 570228, China)

This article through to establishing the motion model simulation about the Dial the sugarcane institutions of small whole-stalk sugarcane harvester,using the simulation software ADAMS to experimental study on the simulation model, analyzing the integrity rate of the sugarcane. With the machine speed, rotation speed, dial the number as factors, dial the sugarcane complete rate as test indexes, set up a orthogonal experiment with3 factors 3 levels.Analysis of the relationship between the three factors and dial the sugarcane integrity rate,Simultaneously optimal analysisthe result of the simulation of mathematical model . Results show that when the machine speed 0.9 m/s, the rotation speed of 400 r/min,dial the pole number for 2,dial sugarcane institutions of the sugarcane complete rate can reach a maximum of 96.6%.

whole-stalk sugarcane harvester; dial the sugarcane institutions; simulation test; optimization analysis

2016-01-20

海南省自然科学基金项目(20153051)

唐大芳(1987-)，女，重庆人，硕士研究生,(E-mail)dafang1027@163.com。

翁绍捷(1961-)，男，广东潮州人，教授，硕士生导师，(E-mail)wsj818@sohu.com。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)02-0148-05