甘蔗收获机喂入辊的改进设计
2020-08-16蔡力陈金鑫王海波
蔡力 陈金鑫 王海波
摘要 甘蔗收获机的喂入系统位于物流通道的前方，是甘蔗收获机的重要组成部分，而喂入辊是喂入系统的第一环节，直接影响甘蔗向后输送的通畅性。为了降低甘蔗输送物流堵塞的概率以及提高喂入辊的寿命，本文设计了一款新型耙齿喂入辊。通过试验发现，新型耙齿喂入辊能够有效降低物流堵塞概率。
关键词 甘蔗收获机;喂入辊;仿真分析
中图分类号 S225 文献标识码 A
文章编号 1007-5739（2020）15-0172-01 开放科学（资源服务）标识码（OSID）
甘蔗是我国制糖工业的重要原料[1]，设计出高效的整秆式甘蔗收获机将会大幅提升甘蔗收获效率，利于农业经济发展。整秆式甘蔗收获机的喂入系统不仅影响甘蔗宿根的破头率和切割质量，对甘蔗在收获机中的物流通顺性也有影响[2]。喂入辊又是喂入系统中的重要部件，因而设计一种高性能的喂入辊具有重要意义。针对甘蔗收获机的喂入输送物流系统方面已有一些研究。沈中华等[3]建立了甘蔗输送系统的模型，利用虚拟样机技术进行仿真试验，发现增加一级喂入辊能够有效降低甘蔗在输送系统中的堵塞概率;周 勇等[4]设计了一种斜置式甘蔗切割机喂入装置，通过正交试验找到了高喂入率的性能参数。本文对影响喂入效果的零件进行仿真分析，得到了一种性能优良的新型耙齿喂入辊，通过试验验证了新型耙齿喂入辊的性能效果。
1 结构与工作原理
喂入系统主要由喂入辊和输送辊等2个部分构成，其结构如图1所示。甘蔗收获机在工作时，喂入系统接收来自切割器切割好的甘蔗，喂入辊的耙片通过与甘蔗表面摩擦作用力，提供甘蔗向后输出的动力，并由输送辊夹持迅速送入后续的剥叶断尾机构进行甘蔗的剥叶和去尾工作。
2 现有喂入辊存在的问题以及改进
2.1 喂入辊现有问题分析
课题组通过视频监控系统得到甘蔗收获机在甘蔗喂入输送系统中的整个输送状态（图2）。可以发现，存在输送甘蔗动力不足问题，导致有些甘蔗不能进入耙片当中;同时由于耙片间隙过大出现甘蔗漏入喂入辊形成卡死现象。
一是田间生产的甘蔗直径不一，现有耙齿的设计依据平均直径，并不能良好兼容不同直径的甘蔗;二是原有设计矩形齿为直角，容易导致应力集中、强度不足;三是轻量化设计不足，由于高速旋转产生偏心，在甘蔗的输送中容易压缩甘蔗的物流通道，最终造成甘蔗的物流堵塞。
2.2 喂入辊的改进设计
针对上述问题，利用三维绘图软件设计出了一款新型的耙齿喂入辊，如图3所示。材料弹性模量为0.007 8 GPa，泊松比0.47，材料密度1.25 g/cm3。新型梯形齿喂入辊对于甘蔗的输送具有自适应调心的功能，使甘蔗在物流输送通道中不会左右摆动，就不会由于漏输送甘蔗发生卡死现象（图4）;新型耙齿喂入辊还能够有效兼容不同直径的甘蔗，包裹性更强。为更好地体现工作时受力状态，利用ANSYS有限元分析软件对喂入辊耙片进行受力分析（图4）。在相同的載荷下，梯形齿形的喂入辊耙片更稳定，形变更小;改进前的喂入辊耙片最大工作应力值为37.1 Pa，改进后的梯形喂入辊耙片最大应力值23.4 Pa，且改进前后出现应力最大值处也相同，说明梯形齿形的喂入辊更能适应工作应力更大的场合（图5）。
2.3 喂入辊耙齿应用
设定喂入辊转速分别为165、200、230 r/min，得到甘蔗在物流通道的滞留时间，每个转速进行10次试验，最后取平均值（表1）。结果表明，在喂入辊转速一致的情况下，改进后的喂入辊使甘蔗的滞留时间同比减少18.5%～24.8%，能有效降低甘蔗在物流通道的堵塞概率;随着转速的提高，滞留时间也减少，喂入辊在转速为230 r/min时，较165 r/min滞留时间减少31%。说明适当提高喂入辊转速能有效降低甘蔗滞留时间，降低物流通道堵塞概率。
3 结论
（1）新设计的新型耙齿喂入辊，最大工作应力值较改进前小，可适应更大的工作应力场合。
（2）改进后的喂入辊使甘蔗的滞留时间同比减少18.5%～24.8%，能有效降低甘蔗堵塞概率，为后续物理样机的开发提供了参考依据。
4 参考文献
[1] 张长献，鲁华.广西甘蔗机械化收获现状及建议[J].农业工程，2019，9（4）：5-9.
[2] 李尚平，邓雄，叶才福，等.甘蔗切割器螺旋提升机构输送性能分析与改进[J].农业工程学报，2016，32（5）：21-28.
[3] 沈中华，范博，李尚平.提高整秆式甘蔗收割机喂入速度的仿真试验及改进效果[J].湖南农业大学学报（自然科学版），2017，43（4）：451-455.
[4] 周勇，区颖刚，莫肈福.斜置式甘蔗切割喂入装置设计及试验[J].农业工程学报，2012，28（14）：17-23.
