甘蔗收获机喂入分流系统的设计与试验

沈中华，黄 博

(桂林理工大学 机械与控制工程学院，广西 桂林 541004)

0 引言

目前，市场上的甘蔗收割机普遍采用高速对向旋转的双刀盘切割器来收获甘蔗[1-2]，切断后的甘蔗在向后输送过程中，在高速旋转刀轴作用下，甘蔗有向物流通道中部聚拢的趋势[3]。甘蔗收割机连续工作，在某一时段，当向后输送聚集的甘蔗超过中部物流通道的容纳量时，甘蔗就会在物流通道出现居中堵塞现象,需要人工进行处理，大幅降低了甘蔗收获机的作业效率[4]。通过对开发投入实际生产的整秆式甘蔗收割机样机输送辊上柔性元件的磨损检测分析，得出中部磨损较两端磨损大得多，说明实际收获过程中，大部分甘蔗从物流通道的中部通过从而造成中部磨损，容易导致物流通道堵塞。为此，设计了一种喂入分流系统，通过仿真、物理样机实验相结合为分流结构参数及工作参数设计提供可靠的理论依据。

1 结构设计与原理分析

1.1 总体结构设计

本文设计的喂入分流系统如图1所示。

1.齿形喂入辊 2.喂入辊 3.分流下辊 4.分流上辊

喂入分流系统主要由齿型刷喂入辊、橡胶管喂入辊、下分流辊和上分流辊组成，齿形喂入辊安装有齿形刷，上、下分流辊中的胶管均开有凹槽以限制分流程度，并按一定的角度均匀安装在输送辊上。第1级喂入机构中齿型刷、喂入元件、分流元件皆采用高分子橡胶材料；第2级分流机构中分流辊及分流胶管成一定角度在甘蔗收获物流通道中心对称分布。

1.2 工作原理

切断后的甘蔗通过第1级喂入机构，采用上辊齿型刷与下辊橡胶管的结构设计，令喂入机构具有较强的适应性而不宜堵塞；对大量聚集物流通道中部的甘蔗进行辅助固定、运输，较大程度地防止甘蔗在收获过程中的蹿动，使中部的甘蔗流平稳输送到分流机构。甘蔗在通过第2级分流机构时，由于受到安装在上下分流辊上的偏置胶管的侧向作用力，甘蔗在向后运动的同时，也会向侧面运动，在喂入分流系统有效作用时间内产生一定侧向位移，避免甘蔗在输送过程中过度聚集在物流通道中部从而达到分流的目的。

2 喂入分流系统的仿真实验

2.1 仿真模型的建立

喂入及分流机构的模型在三维设计软件Pro/E中完成，对部分机构进行适当简化并导入多体动力学仿真软件ADAMS中。针对甘蔗收获机在实际作业中存在的“居中堵塞现象”，对原有的喂入结构进行改进，在喂入机构后续加入分流机构。喂入分流仿真模型如图2所示。其中，喂入机构喂入齿形刷高度70mm，喂入下辊均布8条橡胶管；分流机构上下辊均匀安装8条偏置胶管，上下分流辊的胶管偏置旋向相反。喂入与分流机构中心距500mm，机构有效作用宽度为400mm，喂入胶管与偏置胶管由外径40mm，内径35mm的橡胶管组成。

图2 喂入分流仿真模型

2.2 实验材料

为使仿真效果更接近实际状况，对甘蔗和橡胶模型进行了柔性化处理。为防止仿真过程中因柔性体的变形过大而导致仿真实验失败，凡是与辊筒接触的橡胶内表面均进行了刚化处理，将建立好的柔性元件装换为MNF格式并导入ADAMS中，分别替换原来三维软件设计的零件最终建立甘蔗和橡胶元件的柔性体模型。装配在喂入和分流辊上的橡胶元件密度8.98×10-7kg/mm3，弹性模量取7.85×102N/mm2，泊松比0.47，甘蔗模型植株长度取2 000mm。为方便仿真计算视甘蔗为直径30mm圆柱体，设置密度1.19×10-6kg/mm3，弹性模量1.53×104N/mm2，泊松比0.33[5-6]。

2.3 实验参数

参考文献[7-8]，增大此套喂入分流系统的广泛适应性，适用于当前甘蔗收获机整体收获量及收获效率的技术要求。为此，选取第1阶喂入辊初始转速200r/min，第2阶分流辊的初始转速200r/min，偏置橡胶管的初始安装角度为15°，甘蔗的初始喂入为2 000mm/s，以上数据作为仿真实验的基础参数。

2.4 仿真实验设计

在保证仿真精度降低计算机计算量的条件下，本次仿真采用连续仿真[9]的方式，设置仿真时间为0.45s，仿真步数为1 500。其中，设定X方向为甘蔗的输送方向，Z负方向为重力方向，Y方向为甘蔗分流方向。通过仿真改变单一变量的不同数值，分析对比甘蔗标记点的Y方向位移值来确定分流效果的优劣。第1阶段单因素实验，验证单根甘蔗无相互干扰情况下分流位移大小变化的单因素实验；第2阶段讨论相关因素的最佳参数设置，在多根甘蔗喂入情况下数据是否具有可靠性。

2.4.1 偏置胶管与甘蔗的摩擦因数变化时仿真

根据ADAMS官方推荐，选取偏置胶管与甘蔗的不同摩擦因数仿真：①偏置胶管采用表面光滑的橡胶管钢制作，甘蔗与偏置胶管的静摩擦因数f0=0.13，动摩擦因数f1=0.09；②偏置胶管采用表面粗糙橡胶管钢制作，甘蔗与偏置胶管的静摩擦因数f0=0.35，动摩擦因数f1=0.25；③偏置胶管采用表面包裹帘线，甘蔗与偏置胶管的静摩擦因数f0=0.7，动摩擦因数f1=0.55。

仿真结果如图3(a)所示，仿真历时0.45s，分流过程约占0.3s。3组设置仿真结果分别为46.8、67.9、54.5mm，静摩擦因数f0由0.13依次增大到0.35、0.7；动摩擦因数f1由0.09依次增大到0.25、0.55时，甘蔗向侧向移动的距离分别增大21.1、7.7mm。分析仿真结果可知：在甘蔗与偏置胶管的静摩擦因数f0=0.35，动摩擦因数f1=0.25时，甘蔗能够达到最佳的分流效果。

2.4.2 分流辊偏置胶管偏置度数改变时仿真

选取甘蔗与偏置胶管的静摩擦因数f0=0.35，动摩擦因数f1=0.25的基础上，偏置胶管按15°、30°和45° 3种情况下对其进行柔性化后进行仿真，3种情况下的分流位移图如图3(b)所示。由图3(d)可知：偏置胶管按15°、30°、45°安装时，标记点产生的侧向分流位移分别为67.9、79.5、71.7mm，位移分别增大11.6、3.8mm。分析仿真结果可知：分流辊上偏置胶管按30°装配时能够达到最佳的分流效果。

2.4.3 分流转速改变时仿真

确定分流机构的偏置角度固定为30°，甘蔗与偏置胶管的静摩擦因数f0=0.35，动摩擦因数f1=0.25最优条件下分流辊转速设置分别设置为200、300、400r/min的基础上再一次仿真。仿真结果如图3(c)所示。由图3(c)可知：甘蔗分流在分流转速为200、300、400r/min的情况下，标记点产生侧向位移分别为79.5、92.7、87.8mm，位移改变量为13.2、8.3mm。分析以上仿真结果可知：甘蔗与偏置胶管的静摩擦因数f0=0.35，动摩擦因数f1=0.25，偏置胶管度数为30°，分流转速在300r/min时，分流位移达到整个单根仿真最大值92.7mm，在仿真模型中物流通道中心距两侧各为200mm，即分流过程上限为200mm，此分流位移约占上限的50%，分流效果在整个仿真实验中最佳，该组参数数据满足最初设计要求。

2.4.4 多根甘蔗堆叠通过分流辊时的仿真

通过对单根甘蔗的各个影响因素仿真实验，得出甘蔗能够最优分流的参数数据，以此数据为基础设计“居中堵塞”时的甘蔗多根堆叠通过分流辊的仿真实验，验证该数据在多根甘蔗相互干扰的仿真实验中的有效性。仿真实验设计5根甘蔗堆叠进入分流对辊，对甘蔗进行编号1～5，采用上部分2根(编号4,5)，下部分3根(编号1,2,3)的堆叠方式，建立5根甘蔗模型按设计堆叠方式导入Adams中。此时，设置甘蔗与偏置胶管的静摩擦因数f0=0.35，动摩擦因数f1=0.25，偏置胶管度数在30°，分流转速为300r/min进行仿真实验，如图3(d)所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

分析图3(d)可知，编号1～5甘蔗产生的分流位移分别为24.5、87.1、72.7、81.0、79.8mm；编号1甘蔗为物流通道正中心喂入，由于分流胶管在物流通道中心对称分布特点即正中心产生的侧向力合力最小，产生较小的分流位移24.5mm；编号2～5甘蔗产生平均分流位移为80.15mm，且仿真输出后甘蔗之间保持31.4～43.6mm的间隔。

由多根甘蔗的仿真实验数据分析得出：甘蔗堆叠通过分流机构时，甘蔗间存在振动及相互干扰挤压等情况，分流机构仍能够达到理想的分流效果，甘蔗分流之后且保持的均匀间隔输出。在多根甘蔗堆叠通过分流机构时，部分处于物流通道正中心的甘蔗将正常地从中部输出，不会造成分流机构仅能完成分流工序的情况，导致甘蔗全部分流到物流通道两侧，中部物流通道少蔗或者无蔗。

3 物理样机实验

3.1 实验目的

验证仿真实验中得出的最优机构工作参数、材料特性参数的真实有效性，同时也弥补了仿真实验无法涉及到在实际工作环境下物理样机分流效果的缺陷，与仿真实验相互参照，更为直观地观察分流辊的工作性能，并且记录分析各项有关实际工作数据。

3.2 实验材料与设备

实验甘蔗直径约为25～35mm，平均节数16.2节，总长度约为1 900～2 000mm。自制甘蔗喂入分流试验台，长2 400mm皮带输送机，分流对辊之间中心距290～330mm可以调节，皮带输送机与分流对辊分别由2个电机驱动，通过变频器调节控制样机实验中所需的喂入、分流转速。

3.3 物理样机结果

物理样机实验探究不同喂入根数情况下，分流机构对甘蔗分流作用效果，对单根到多根甘蔗的喂入进行试验，并观察记录实验数据。为验证仿真实验中多根甘蔗仿真数据，实验选取5根甘蔗喂入的样机实验结果来验证仿真实验中多根甘蔗仿真结论。甘蔗分流前的状态和通过分流喂入系统时的状态，如图4所示。

(a) 分流前5根无序堆叠甘蔗

(b) 分流后5根均匀输出甘蔗

为了更直观地观察分流辊的工作实况，物理样机将第1阶喂入辊机构使用皮带输送机代替。样机实验要求第1阶喂入辊机构的转速为200r/min，模拟此喂入转速[10]特将输送带传送速度设置为2.4m/s，调节分流喂入机构转速为300r/min，分流辊上偏置胶管的偏置角度为30°，胶管采用表面粗糙橡胶管制作。在此工作参数下，分析5根并行堆叠的甘蔗进入分流喂入机构前后状态。通过图4可以明显观察到：5根甘蔗特意模拟甘蔗收获时杂乱、无序堆叠情况，同时居中进入实验台后，由于分流机构的作用，5根甘蔗能够进行快速分流，且基本保持有序均匀间隔地输出，达到理想的实验效果。

4 结论

1)通过仿真实验中得出：此喂入分流系统在分流机构转速为300r/min、 分流辊上偏置胶管的偏置角度为30°，甘蔗与偏置胶管的静摩擦因数f0=0.35、动摩擦因数f1=0.25(胶管采用表面粗糙橡胶管钢)的参数条件下，分流喂入系统可以达到理想的分流效果，从理论上分析解决了“居中堵塞”问题。

2)物理样机实验得出：加入分流机构的系统，甘蔗流在分流对辊的偏置胶管的作用下产生侧向力，向物流通道两侧分流，能够达到预期分流不堵塞、合理均匀使用物流通道的效果。物理样机实验模拟实际收获机作业环境，在仿真得出的最优参数设定下，对甘蔗的单根、两根乃至多根喂入的情况进行多次单独分流效果实验，反复验证了在外因素干扰较多的实际作业环境中仿真实验的各项结果有效性与可靠性。

3)物理样机试验验证了仿真结果的正确性，虚拟仿真试验可以为物理样机的研制提供设计依据，二者相结合可以高效率地解决实际问题。