沈中華，黃 博

(桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

目前，市場(chǎng)上的甘蔗收割機(jī)普遍采用高速對(duì)向旋轉(zhuǎn)的雙刀盤(pán)切割器來(lái)收獲甘蔗[1-2]，切斷后的甘蔗在向后輸送過(guò)程中，在高速旋轉(zhuǎn)刀軸作用下，甘蔗有向物流通道中部聚攏的趨勢(shì)[3]。甘蔗收割機(jī)連續(xù)工作，在某一時(shí)段，當(dāng)向后輸送聚集的甘蔗超過(guò)中部物流通道的容納量時(shí)，甘蔗就會(huì)在物流通道出現(xiàn)居中堵塞現(xiàn)象,需要人工進(jìn)行處理，大幅降低了甘蔗收獲機(jī)的作業(yè)效率[4]。通過(guò)對(duì)開(kāi)發(fā)投入實(shí)際生產(chǎn)的整稈式甘蔗收割機(jī)樣機(jī)輸送輥上柔性元件的磨損檢測(cè)分析，得出中部磨損較兩端磨損大得多，說(shuō)明實(shí)際收獲過(guò)程中，大部分甘蔗從物流通道的中部通過(guò)從而造成中部磨損，容易導(dǎo)致物流通道堵塞。為此，設(shè)計(jì)了一種喂入分流系統(tǒng)，通過(guò)仿真、物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合為分流結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理分析

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的喂入分流系統(tǒng)如圖1所示。

1.齒形喂入輥 2.喂入輥 3.分流下輥 4.分流上輥

喂入分流系統(tǒng)主要由齒型刷喂入輥、橡膠管喂入輥、下分流輥和上分流輥組成，齒形喂入輥安裝有齒形刷，上、下分流輥中的膠管均開(kāi)有凹槽以限制分流程度，并按一定的角度均勻安裝在輸送輥上。第1級(jí)喂入機(jī)構(gòu)中齒型刷、喂入元件、分流元件皆采用高分子橡膠材料；第2級(jí)分流機(jī)構(gòu)中分流輥及分流膠管成一定角度在甘蔗收獲物流通道中心對(duì)稱分布。

1.2 工作原理

切斷后的甘蔗通過(guò)第1級(jí)喂入機(jī)構(gòu)，采用上輥齒型刷與下輥橡膠管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，令喂入機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性而不宜堵塞；對(duì)大量聚集物流通道中部的甘蔗進(jìn)行輔助固定、運(yùn)輸，較大程度地防止甘蔗在收獲過(guò)程中的躥動(dòng)，使中部的甘蔗流平穩(wěn)輸送到分流機(jī)構(gòu)。甘蔗在通過(guò)第2級(jí)分流機(jī)構(gòu)時(shí)，由于受到安裝在上下分流輥上的偏置膠管的側(cè)向作用力，甘蔗在向后運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，也會(huì)向側(cè)面運(yùn)動(dòng)，在喂入分流系統(tǒng)有效作用時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定側(cè)向位移，避免甘蔗在輸送過(guò)程中過(guò)度聚集在物流通道中部從而達(dá)到分流的目的。

2 喂入分流系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 仿真模型的建立

喂入及分流機(jī)構(gòu)的模型在三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E中完成，對(duì)部分機(jī)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化并導(dǎo)入多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中。針對(duì)甘蔗收獲機(jī)在實(shí)際作業(yè)中存在的“居中堵塞現(xiàn)象”，對(duì)原有的喂入結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在喂入機(jī)構(gòu)后續(xù)加入分流機(jī)構(gòu)。喂入分流仿真模型如圖2所示。其中，喂入機(jī)構(gòu)喂入齒形刷高度70mm，喂入下輥均布8條橡膠管；分流機(jī)構(gòu)上下輥均勻安裝8條偏置膠管，上下分流輥的膠管偏置旋向相反。喂入與分流機(jī)構(gòu)中心距500mm，機(jī)構(gòu)有效作用寬度為400mm，喂入膠管與偏置膠管由外徑40mm，內(nèi)徑35mm的橡膠管組成。

圖2 喂入分流仿真模型

2.2 實(shí)驗(yàn)材料

為使仿真效果更接近實(shí)際狀況，對(duì)甘蔗和橡膠模型進(jìn)行了柔性化處理。為防止仿真過(guò)程中因柔性體的變形過(guò)大而導(dǎo)致仿真實(shí)驗(yàn)失敗，凡是與輥筒接觸的橡膠內(nèi)表面均進(jìn)行了剛化處理，將建立好的柔性元件裝換為MNF格式并導(dǎo)入ADAMS中，分別替換原來(lái)三維軟件設(shè)計(jì)的零件最終建立甘蔗和橡膠元件的柔性體模型。裝配在喂入和分流輥上的橡膠元件密度8.98×10-7kg/mm3，彈性模量取7.85×102N/mm2，泊松比0.47，甘蔗模型植株長(zhǎng)度取2 000mm。為方便仿真計(jì)算視甘蔗為直徑30mm圓柱體，設(shè)置密度1.19×10-6kg/mm3，彈性模量1.53×104N/mm2，泊松比0.33[5-6]。

2.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

參考文獻(xiàn)[7-8]，增大此套喂入分流系統(tǒng)的廣泛適應(yīng)性，適用于當(dāng)前甘蔗收獲機(jī)整體收獲量及收獲效率的技術(shù)要求。為此，選取第1階喂入輥初始轉(zhuǎn)速200r/min，第2階分流輥的初始轉(zhuǎn)速200r/min，偏置橡膠管的初始安裝角度為15°，甘蔗的初始喂入為2 000mm/s，以上數(shù)據(jù)作為仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)參數(shù)。

2.4 仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在保證仿真精度降低計(jì)算機(jī)計(jì)算量的條件下，本次仿真采用連續(xù)仿真[9]的方式，設(shè)置仿真時(shí)間為0.45s，仿真步數(shù)為1 500。其中，設(shè)定X方向?yàn)楦收岬妮斔头较颍琙負(fù)方向?yàn)橹亓Ψ较?，Y方向?yàn)楦收岱至鞣较?。通過(guò)仿真改變單一變量的不同數(shù)值，分析對(duì)比甘蔗標(biāo)記點(diǎn)的Y方向位移值來(lái)確定分流效果的優(yōu)劣。第1階段單因素實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證單根甘蔗無(wú)相互干擾情況下分流位移大小變化的單因素實(shí)驗(yàn)；第2階段討論相關(guān)因素的最佳參數(shù)設(shè)置，在多根甘蔗喂入情況下數(shù)據(jù)是否具有可靠性。

2.4.1 偏置膠管與甘蔗的摩擦因數(shù)變化時(shí)仿真

根據(jù)ADAMS官方推薦，選取偏置膠管與甘蔗的不同摩擦因數(shù)仿真：①偏置膠管采用表面光滑的橡膠管鋼制作，甘蔗與偏置膠管的靜摩擦因數(shù)f0=0.13，動(dòng)摩擦因數(shù)f1=0.09；②偏置膠管采用表面粗糙橡膠管鋼制作，甘蔗與偏置膠管的靜摩擦因數(shù)f0=0.35，動(dòng)摩擦因數(shù)f1=0.25；③偏置膠管采用表面包裹簾線，甘蔗與偏置膠管的靜摩擦因數(shù)f0=0.7，動(dòng)摩擦因數(shù)f1=0.55。

仿真結(jié)果如圖3(a)所示，仿真歷時(shí)0.45s，分流過(guò)程約占0.3s。3組設(shè)置仿真結(jié)果分別為46.8、67.9、54.5mm，靜摩擦因數(shù)f0由0.13依次增大到0.35、0.7；動(dòng)摩擦因數(shù)f1由0.09依次增大到0.25、0.55時(shí)，甘蔗向側(cè)向移動(dòng)的距離分別增大21.1、7.7mm。分析仿真結(jié)果可知：在甘蔗與偏置膠管的靜摩擦因數(shù)f0=0.35，動(dòng)摩擦因數(shù)f1=0.25時(shí)，甘蔗能夠達(dá)到最佳的分流效果。

2.4.2 分流輥偏置膠管偏置度數(shù)改變時(shí)仿真

選取甘蔗與偏置膠管的靜摩擦因數(shù)f0=0.35，動(dòng)摩擦因數(shù)f1=0.25的基礎(chǔ)上，偏置膠管按15°、30°和45° 3種情況下對(duì)其進(jìn)行柔性化后進(jìn)行仿真，3種情況下的分流位移圖如圖3(b)所示。由圖3(d)可知：偏置膠管按15°、30°、45°安裝時(shí)，標(biāo)記點(diǎn)產(chǎn)生的側(cè)向分流位移分別為67.9、79.5、71.7mm，位移分別增大11.6、3.8mm。分析仿真結(jié)果可知：分流輥上偏置膠管按30°裝配時(shí)能夠達(dá)到最佳的分流效果。

2.4.3 分流轉(zhuǎn)速改變時(shí)仿真

確定分流機(jī)構(gòu)的偏置角度固定為30°，甘蔗與偏置膠管的靜摩擦因數(shù)f0=0.35，動(dòng)摩擦因數(shù)f1=0.25最優(yōu)條件下分流輥轉(zhuǎn)速設(shè)置分別設(shè)置為200、300、400r/min的基礎(chǔ)上再一次仿真。仿真結(jié)果如圖3(c)所示。由圖3(c)可知：甘蔗分流在分流轉(zhuǎn)速為200、300、400r/min的情況下，標(biāo)記點(diǎn)產(chǎn)生側(cè)向位移分別為79.5、92.7、87.8mm，位移改變量為13.2、8.3mm。分析以上仿真結(jié)果可知：甘蔗與偏置膠管的靜摩擦因數(shù)f0=0.35，動(dòng)摩擦因數(shù)f1=0.25，偏置膠管度數(shù)為30°，分流轉(zhuǎn)速在300r/min時(shí)，分流位移達(dá)到整個(gè)單根仿真最大值92.7mm，在仿真模型中物流通道中心距兩側(cè)各為200mm，即分流過(guò)程上限為200mm，此分流位移約占上限的50%，分流效果在整個(gè)仿真實(shí)驗(yàn)中最佳，該組參數(shù)數(shù)據(jù)滿足最初設(shè)計(jì)要求。

2.4.4 多根甘蔗堆疊通過(guò)分流輥時(shí)的仿真

通過(guò)對(duì)單根甘蔗的各個(gè)影響因素仿真實(shí)驗(yàn)，得出甘蔗能夠最優(yōu)分流的參數(shù)數(shù)據(jù)，以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)“居中堵塞”時(shí)的甘蔗多根堆疊通過(guò)分流輥的仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該數(shù)據(jù)在多根甘蔗相互干擾的仿真實(shí)驗(yàn)中的有效性。仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)5根甘蔗堆疊進(jìn)入分流對(duì)輥，對(duì)甘蔗進(jìn)行編號(hào)1～5，采用上部分2根(編號(hào)4,5)，下部分3根(編號(hào)1,2,3)的堆疊方式，建立5根甘蔗模型按設(shè)計(jì)堆疊方式導(dǎo)入Adams中。此時(shí)，設(shè)置甘蔗與偏置膠管的靜摩擦因數(shù)f0=0.35，動(dòng)摩擦因數(shù)f1=0.25，偏置膠管度數(shù)在30°，分流轉(zhuǎn)速為300r/min進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，如圖3(d)所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

分析圖3(d)可知，編號(hào)1～5甘蔗產(chǎn)生的分流位移分別為24.5、87.1、72.7、81.0、79.8mm；編號(hào)1甘蔗為物流通道正中心喂入，由于分流膠管在物流通道中心對(duì)稱分布特點(diǎn)即正中心產(chǎn)生的側(cè)向力合力最小，產(chǎn)生較小的分流位移24.5mm；編號(hào)2～5甘蔗產(chǎn)生平均分流位移為80.15mm，且仿真輸出后甘蔗之間保持31.4～43.6mm的間隔。

由多根甘蔗的仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出：甘蔗堆疊通過(guò)分流機(jī)構(gòu)時(shí)，甘蔗間存在振動(dòng)及相互干擾擠壓等情況，分流機(jī)構(gòu)仍能夠達(dá)到理想的分流效果，甘蔗分流之后且保持的均勻間隔輸出。在多根甘蔗堆疊通過(guò)分流機(jī)構(gòu)時(shí)，部分處于物流通道正中心的甘蔗將正常地從中部輸出，不會(huì)造成分流機(jī)構(gòu)僅能完成分流工序的情況，導(dǎo)致甘蔗全部分流到物流通道兩側(cè)，中部物流通道少蔗或者無(wú)蔗。

3 物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)中得出的最優(yōu)機(jī)構(gòu)工作參數(shù)、材料特性參數(shù)的真實(shí)有效性，同時(shí)也彌補(bǔ)了仿真實(shí)驗(yàn)無(wú)法涉及到在實(shí)際工作環(huán)境下物理樣機(jī)分流效果的缺陷，與仿真實(shí)驗(yàn)相互參照，更為直觀地觀察分流輥的工作性能，并且記錄分析各項(xiàng)有關(guān)實(shí)際工作數(shù)據(jù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)甘蔗直徑約為25～35mm，平均節(jié)數(shù)16.2節(jié)，總長(zhǎng)度約為1 900～2 000mm。自制甘蔗喂入分流試驗(yàn)臺(tái)，長(zhǎng)2 400mm皮帶輸送機(jī)，分流對(duì)輥之間中心距290～330mm可以調(diào)節(jié)，皮帶輸送機(jī)與分流對(duì)輥分別由2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)控制樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中所需的喂入、分流轉(zhuǎn)速。

3.3 物理樣機(jī)結(jié)果

物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)探究不同喂入根數(shù)情況下，分流機(jī)構(gòu)對(duì)甘蔗分流作用效果，對(duì)單根到多根甘蔗的喂入進(jìn)行試驗(yàn)，并觀察記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)中多根甘蔗仿真數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)選取5根甘蔗喂入的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)中多根甘蔗仿真結(jié)論。甘蔗分流前的狀態(tài)和通過(guò)分流喂入系統(tǒng)時(shí)的狀態(tài)，如圖4所示。

(a) 分流前5根無(wú)序堆疊甘蔗

(b) 分流后5根均勻輸出甘蔗

為了更直觀地觀察分流輥的工作實(shí)況，物理樣機(jī)將第1階喂入輥機(jī)構(gòu)使用皮帶輸送機(jī)代替。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)要求第1階喂入輥機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速為200r/min，模擬此喂入轉(zhuǎn)速[10]特將輸送帶傳送速度設(shè)置為2.4m/s，調(diào)節(jié)分流喂入機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為300r/min，分流輥上偏置膠管的偏置角度為30°，膠管采用表面粗糙橡膠管制作。在此工作參數(shù)下，分析5根并行堆疊的甘蔗進(jìn)入分流喂入機(jī)構(gòu)前后狀態(tài)。通過(guò)圖4可以明顯觀察到：5根甘蔗特意模擬甘蔗收獲時(shí)雜亂、無(wú)序堆疊情況，同時(shí)居中進(jìn)入實(shí)驗(yàn)臺(tái)后，由于分流機(jī)構(gòu)的作用，5根甘蔗能夠進(jìn)行快速分流，且基本保持有序均勻間隔地輸出，達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果。

4 結(jié)論

1)通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)中得出：此喂入分流系統(tǒng)在分流機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為300r/min、 分流輥上偏置膠管的偏置角度為30°，甘蔗與偏置膠管的靜摩擦因數(shù)f0=0.35、動(dòng)摩擦因數(shù)f1=0.25(膠管采用表面粗糙橡膠管鋼)的參數(shù)條件下，分流喂入系統(tǒng)可以達(dá)到理想的分流效果，從理論上分析解決了“居中堵塞”問(wèn)題。

2)物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得出：加入分流機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)，甘蔗流在分流對(duì)輥的偏置膠管的作用下產(chǎn)生側(cè)向力，向物流通道兩側(cè)分流，能夠達(dá)到預(yù)期分流不堵塞、合理均勻使用物流通道的效果。物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際收獲機(jī)作業(yè)環(huán)境，在仿真得出的最優(yōu)參數(shù)設(shè)定下，對(duì)甘蔗的單根、兩根乃至多根喂入的情況進(jìn)行多次單獨(dú)分流效果實(shí)驗(yàn)，反復(fù)驗(yàn)證了在外因素干擾較多的實(shí)際作業(yè)環(huán)境中仿真實(shí)驗(yàn)的各項(xiàng)結(jié)果有效性與可靠性。

3)物理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性，虛擬仿真試驗(yàn)可以為物理樣機(jī)的研制提供設(shè)計(jì)依據(jù)，二者相結(jié)合可以高效率地解決實(shí)際問(wèn)題。