甘蔗茎叶分离装置设计＊

曾令超，曹玉华，钟小华，王卫华，黄炜豪

（1.广东省净菜保鲜包装装备工程研究中心，广东 广州 510450；2.广东白云学院，广东 广州 510450）

0 引言

甘蔗是制糖的原料之一，是我国重要的经济作物。在2019年，我国甘蔗的种植面积已超过150万公顷[1]。但目前甘蔗的收获环节存在劳动强度大、生产效率低，严重制约着我国糖业发展[2]。

目前，国内研制的甘蔗收获机械分为整秆式和切段式，切段式与整秆式相比，具有工作效率高，对甘蔗倒伏不敏感的优点[3]。广东科利亚研制的4GZ-91型甘蔗联合收割机，采用履带式行走机构，翻斗式卸载收集甘蔗，可与运输车相结合实现甘蔗收获机械化[4]，但效率较低。华南农业大学研制的HN4GDL-132 型甘蔗联合收割机，通过浮动控制刀盘实现收割根茬高度统一，减少了行进阻力，提高了生产效率[5]。本文针对切段式收获机械的茎叶分离效果差、含杂率高问题，设计了升运链与气吹式组合式的茎叶分离装置，能对切断后的甘蔗茎与叶进行分离作业。

1 装置整体结构与工作原理

本文设计的甘蔗茎叶分离装置由物料导流箱1、链式输送装置2、鼓风机5、甘蔗茎、叶储存箱3 和4 组成。装置结构如图1所示。

图1 甘蔗茎叶分离装置结构图

物料提前切割成固定长度大小后投放在导流箱顶部，物料从导流箱1 进入装置，经过三块空间排布呈“之”字形导流板，进入到输送链2 底部，物料到输送链的顶部时，受到鼓风机的气流作用，质量较重、迎风面积较小的甘蔗茎部会落入存储箱3，质量较轻、迎风面积较大的甘蔗叶部会落入存储箱4，实现了甘蔗的茎叶分离。

2 甘蔗在鼓风机中的力学分析

在分离装置中，鼓风机对甘蔗茎部的风力越小，对甘蔗叶的风力越大，分离成功率越大。因此鼓风机对甘蔗的风力是影响分离成功率大小的关键。假设鼓风机的气流场是均匀分布的，甘蔗的外形近似为长圆柱形，以竖直方向作为z 轴，风机的风向作为x 轴，建立三维坐标系，对处于气流中的甘蔗茎部受力动力学示意图，如图2所示。

图2 甘蔗在气流中的动力学示意图

为了简化分析，假设甘蔗处于均匀流场，可以认为甘蔗受到单位迎风面积上的风力（风压）p 相同，则其受的风力Fw满足：

式中，Φ代表的是甘蔗的表面方程，θ是甘蔗轴心与x轴所成的角。由三维投影几何关系，上式可以简化成：

式中，S'为甘蔗关于风向的正对面积，即圆柱表面函数Φ沿x轴方向的投影面积，满足：其中，l、d为被切割后甘蔗的长度和直径（cm），根据甘蔗经切断后的实际尺寸，d取2 cm，l取30 cm。

从上式可以看出，甘蔗受到的风力与其表面在沿x轴方向的投影面积成正比。用matplotlib绘制得到曲线图像如图3所示，可知甘蔗所受的风力随甘蔗的轴心与风向所成的角增大而增大，所以甘蔗脱离升运机构后的姿态会对分拣精度产生重要影响。

图3 甘蔗轴心与x 轴所成的角θ 与风力Fw 关系曲线

3 链式升运机构的仿真与分析

为了让离开升运装置的甘蔗长轴与风力方向平行，以保证分拣的准确率，需保证离开升运机构时S'尽可能小，在升运角度固定的情况下，升运链与甘蔗接触时的表面外形是影响分拣精度的主要因素，对此需要对不同的升运链进行比较分析。

3.1 仿真模型的建立

本文设计两种不同的升运链表面，如图4所示。

图4 升运链表面形状示意图

为了提高仿真速度，减小计算规模[6]，仅将链条外形模型简化后导入到EDEM 软件，模型（含颗粒工厂）如图5所示。

图5 EDEM 软件中的仿真模型图

3.2 仿真模型参数的设置

仿真坐标系以升运机构的升运方向（主方向）作为x轴，根据升运链与地面的夹角θ，对重力加速度方向做了坐标系旋转处理如下：

由于甘蔗物料与升运机构之间不存在黏滞、粘结等现象[7]，所以甘蔗物料与升运链之间采用 Hertz-Mindlin模型[8]，为了更好的模拟物料的运动情况，沿x轴方向均匀分布生成颗粒如图6所示，各离散小球的坐标，满足：

图6 甘蔗离散化颗粒模型示意图

甘蔗属于植物的茎，参照针对甘蔗的力学参数分析研究结果[9-11]，设置颗粒、升运链、颗粒与颗粒之间接触模型、颗粒与升运链之间的接触模型参数，如表1、表2所示。

表1 物料与装置力学特性

表2 Hertz-Mindlin 接触模型参数

3.3 仿真参数的设置与仿真结果分析

3.3.1 仿真参数设置

由于进入升运链前，物料经过导流箱后，进入升运链的流量并不会太高，因此设置颗粒格式工厂的颗粒生成参数如表3所示。

为了更好的对两种不同的升运链进行对比分析，产生颗粒的初始旋转矩阵设置为：

表3 颗粒生成参数

3.3.2 仿真结果分析

对上述两种不同外形的升运链进行总时间为3 s 的仿真，结果如图7 和图8 所示。可以看出，两种不同外形的链条都对物料的姿态产生影响。物料在与波浪状外形的链条作用时，较少的物料能够很好地沿着垂直于升运方向（y 方向），如果物料聚集较多时，在物料相互碰撞后，物料最终的姿态将发生较大的偏移。物料在与凹坑外形的链条作用时，无论物料是否聚集，由于凹坑的凸起部分高于甘蔗直径，因此能对两层的物料均产生一定限位作用。

图7 凹坑形升运链仿真结果

图8 波浪形升运链仿真结果

为了比较两种不同链条对物料整体姿态的约束作用，定义物料整体沿z 轴（垂直于链条升运方向）的平均累计转角如下式：

式中，Δt为仿真时间步长，i为时间步序号，ωz(t,j)为第j个颗粒在t时刻的沿z 轴转动角速度，n（t）为t时刻的颗粒总数。

通过EDEM处理后对数据进行计算，得到两种不同链条的颗粒z轴平均累计转角与时间的关系，如图9所示。

图9 不同升运链上颗粒平均累计转角随时间关系图像

从图中可以看出，采用波浪状链条的物料在升运过程中，偏转角随着时间增加而波动增加，而采用凹坑状链条的物料在升运过程中，物料姿态较稳定，总体平均偏转角维持在0～0.01 rad（＜0.6°）之间。因此采用凹坑状链条更有利于物料姿态定型，从而更有利于后续的气吹式茎叶分离。

4 结论

1）根据气流输送式甘蔗茎叶分离装置的总体布局，详细介绍了装置各部分的组成作用，并建立了力学模型分析。结果表明：甘蔗所受的风力随甘蔗的轴心与风向所成的角增大而增大，保持甘蔗姿态与风向平行有利于茎叶分离。

2）针对升运链机构，设计了两种不同外形的升运链，利用离散单元法，对物料在波浪形和凹坑形链条抬升运动过程，进行定性和定量分析。分析结果表明：凹坑形链条对物料定向作用要优于波浪形，在升运过程中，物料整体能保持长轴与风向偏离角度在0.6°以内，有利于后续的气吹式茎叶分离。