剥叶滚筒之间垂直距离的调整对甘蔗剥叶机的影响

唐献全

(广州航海学院，广东 广州 510725)

0 引 言

柳州市星鸣农机科技公司生产6BZ-4型甘蔗剥叶机，该型剥叶机采用弹簧钢丝作为剥叶元件，剥叶元件安装在三个剥叶滚筒上，三个剥叶滚筒排列成倒三角形。整杆式独立剥叶机按照剥叶装置分为滚筒剥叶机、风力剥叶机、小型整杆刀片式剥叶机等；按照剥叶元件的材质分为钢丝绳剥叶元件、胶指剥叶元件、尼龙剥叶元件等。多年来整杆式独立剥叶机研究甚多，不同类型的剥叶机都有各自的优点和不足。星鸣农机科技公司生产的采用弹簧钢丝作为剥叶元件的剥叶机，这种剥叶机剥叶方式比较独特，使用效果好，含杂率低，得到广泛应用，受到蔗农们认可。本文研究三个剥叶滚筒之间垂直距离调整对剥叶的影响，认识这个因素对剥叶所起的作用，为该型剥叶机的改进提供一些借鉴意义。

1 剥叶滚筒之间垂直距离的调整与设计

6BZ-4型甘蔗剥叶机三个剥叶滚筒的位置是固定不变的，不能够调整。根据该型甘蔗剥叶机剥叶方式，设计剥叶机试验样机[1-2]。样机设计时要考虑剥叶滚筒之间垂直距离参数的调整。

调整时剥叶滚筒之间垂直距离每次调整20 mm，共调整四次。考虑到剥叶滚筒之间垂直最大距离为364 mm，剥叶滚筒之间垂直距离变动范围在284～364 mm区间。参数调整范围如图1所示。

图1 垂直距离调整范围

在设计中，上面两个剥叶滚筒可以在竖直方向调整，随着剥叶滚筒竖直方向距离的调整喂入平台和喂出机构随着调整，使得甘蔗处于上下剥叶滚筒的中间位置，竖直调节孔如图2所示，整机机构安装图如图3所示。

2 剥叶滚筒之间垂直距离对剥叶影响的仿真分析

2.1 输入条件

在ADAMS仿真软件中建立仿真分析模型[3-5]。初始输入条件，甘蔗直径为30 mm，甘蔗喂入速度为1 000 mm/s，滚筒转速为800 r/min，滚筒输入扭矩为3 460 N·mm，碰撞接触参数参照尼龙与钢的参数。剥叶元件伸出端与甘蔗中心垂面水平距离l为5 mm。剥叶滚筒之间水平距离210 mm。

图2 竖直调节孔 图3 整机安装实物图

2.2 剥叶滚筒之间垂直距离为162 mm时接触点的切向力分析

在ADAMS模型中,把滚筒之间垂直距离调整为162 mm，如图4所示。仿真运行时间End Time设置为0.9 s，步数Steps设置为3600，仿真类型设置为动力学仿真，其余采用缺省设置。运行后进入后处理程序，剥叶元件的伸出端MARKER点在X方向上的位移与X和Y方向接触力绘制在同一图中，三个接触点状况如图5(a)、(b)、(c)所示。

图4 输入条件和三个接触点

从图5(a)中看到剥叶元件与甘蔗共接触了11次，后几次的接触相对平稳一些。处理时，取后三次接触来进行计算, 如图6所示。根据峰值点X和Y方向力及甘蔗接触特点得三次接触每个峰值点的切向力，结果在表1中。由上述三次接触切向力的计算结果可以计算出切向力的平均值。

则Contact1接触点切向力平均值为361.8 N。

从图5(b)中看到剥叶元件与甘蔗共接触了5次。处理时，取后三次接触来进行计算。通过计算Contact2接触点切向力为424.9 N，计算同Contact1接触点。

从图5(c)中看到剥叶元件与甘蔗共接触了8次。处理时，取后三次接触来进行计算。通过计算Contact3接触点切向力为142.5 N，计算同Contact1接触点。

图5 X、Y方向的接触力和MARKER点得位移

2.3 剥叶滚筒之间垂直距离为172 mm时接触点的切向力分析

把剥叶滚筒之间的垂直距离调整为172 mm，其他输入条件与前面同，仿真设置与前面相同。仿真运行后进入后处理程序。同上述算法相同，contact1接触点切向力为272.7 N；Contact2接触点切向力为217.7 N；Contact3接触点切向力平均值为279.5 N，如图6所示。

图6 contact1三次接触X、Y方向的接触力和MARKER点得位移

2.4 剥叶滚筒之间垂直距离为182 mm时接触点的切向力分析

把剥叶滚筒之间的垂直距离调整为182 mm，其他输入条件与前面同，仿真设置与前面相同。仿真运行后进入后处理程序。同上述算法相同，contact1接触点切向力为168.1 N；Contact2接触点切向力为356.9 N；Contact3接触点切向力平均值为195.4 N。

2.5 剥叶滚筒之间垂直距离调整对剥叶的影响

(1) 剥叶滚筒之间垂直距离增加对接触点切向力的影响

如表1所列，剥叶滚筒之间垂直距离分别为162 mm、172 mm和182 mm时，三个接触点的切向力列在表2中。从表2中可以看出剥叶滚筒之间垂直距离从162 mm增加到172 mm时,contact1和contact2的接触点切向力减小，contact3的接触点切向力增加，但从总体上看接触点切向力还是减小的。

剥叶滚筒之间垂直距离从172 mm增加到182 mm时,contact1和contact3的接触点切向力减小，contact2的接触点切向力增加，但从总体上看接触点切向力还是减小的。

表1 峰值点切向力计算结果

表2 三个接触点的切向力

(2) 剥叶滚筒之间垂直距离调整对剥叶的影响

由于随着剥叶滚筒之间垂直距离的增加接触点切向力减小，对甘蔗的打击力减小，不利于剥叶。随着垂直距离的减小接触点切向力增加，对甘蔗的打击力增加，利于剥叶。

3 剥叶滚筒之间垂直距离调整对剥叶影响的试验与分析

3.1 试验材料

试验材料使用湛江雷州半岛幸福农场基地生产的甘蔗，甘蔗的品种为新台糖22号。甘蔗生长状态为根部粗一些，稍部细一些，根部直径在18～33 mm之间，高度在1 800～2 600 mm之间。由于甘蔗在自然状态下生长，受台风的影响，甘蔗都有弯曲现象。采用人工方式收割甘蔗。

3.2 试验指标

甘蔗剥叶机剥叶的好坏可以通过剥叶后含杂率来体现，剥叶效果好，含杂率就低；相反，剥叶效果差，含杂率就高。通过甘蔗剥叶后含杂率的检测来体现剥叶效果是适当的，因此把含杂率作为试验指标。

3.3 含杂率回归模型分析

把试验的结果整理、统计和计算得到二次回归方程[6-8]。回归方程为：

y=0.02240-1.94416×10-4x+6.90789×10-7x2

为了更清晰反映剥叶滚筒垂直距离和含杂率的关系，把回归方程通过曲线形式表现出来，剥叶滚筒转速与含杂率的回归方程曲线，如图7所示。

图7 垂直距离与含杂率的关系

剥叶滚筒之间垂直距离增加含杂率增加，垂直距离减小含杂率降低。在仿真分析中，剥叶滚筒之间垂直距离增加接触点的切向应力减小，对剥叶不利；剥叶滚筒之间垂直距离减小接触点的切向应力增加，对剥叶有利。试验结果与仿真分析的结论是吻合的。

4 结 论

在一定范围内剥叶滚筒之间垂直距离越大，接触点的切向力越小，对剥叶不利；反之，对剥叶有利。通过甘蔗剥叶试验后回归模型分析，剥叶滚筒之间垂直距离的增加，含杂率增加。说明剥叶滚筒之间水平距离越大剥叶的效果越差，这个结果印证了仿真分析的结论。通过分析认识剥叶滚筒之间垂直距离这个因素对剥叶所起的作用，为该型剥叶机的改进提供一些借鉴意义。

参考文献：

[1] 成大先.机械设计手册[M].第2卷.第五版.北京：化学工业出版社，2008.

[2] 成大先.机械设计手册[M].第3卷.第五版.北京：化学工业出版社，2008.

[3] 陈德民.精通ADAMS 2005/2007虚拟样机技术[M].北京：化学工业出版社，2010.

[4] 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2006.

[5] 石博强，申炎华，宁晓斌,等.ADAMS基础与工程范例教程[M].北京：中国铁道出版社，2007.

[6] 丁希泉.农业应用回归设计[M].长春：吉林科学技术出版社，1986.

[7] 李云雁，胡传荣.实验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社，2008.

[8] 茆诗松，丁 元，周纪芗,等.回归分析及其实验设计[M].上海：华东师范大学出版社，1981.