譚理，紀(jì)愛敏，黃繼承，2，田昆鵬，2

(1. 河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇常州,213000; 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京市,210014)

0 引言

目前,4MD-160工業(yè)大麻收割機(jī)在進(jìn)行輸送過程時常出現(xiàn)工業(yè)大麻莖稈破損和莖稈折斷問題。輸送過程作為整個收獲過程的關(guān)鍵工序,其收獲質(zhì)量要在可接受的水平之上。因此,如何減少輸送過程中莖稈的碰撞損傷現(xiàn)象,對提高收獲質(zhì)量有重要意義。

國內(nèi)對于工業(yè)大麻輸送過程的研究較少,還未形成核心技術(shù),往往需要參考其他高稈作物輸送過程的研究。張宗玲等[1]進(jìn)行了玉米穗莖稈與收割臺的切割夾持輸送裝置的剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)動力學(xué)仿真分析,得到割刀與夾持點(diǎn)水平距離和果穗生長方向?qū)Y(jié)穗點(diǎn)位移的影響規(guī)律;在此之后張宗玲等[2]以夾持輸送鏈夾角、輸入軸鏈輪速度、割刀安裝位置及機(jī)器作業(yè)速度為試驗(yàn)因素,進(jìn)行了4因素3水平正交旋轉(zhuǎn)組合田間試驗(yàn),優(yōu)化后果穗損失率降低了2.4%;耿端陽等[3]設(shè)計了一種間隙夾持輸送裝置,通過正交試驗(yàn)得到了影響夾持輸送質(zhì)量的三個主次因素;黃繼承等[4]利用中心組合試驗(yàn)設(shè)計理論對關(guān)鍵部件作業(yè)參數(shù)試驗(yàn)與優(yōu)化,研究工業(yè)大麻收割機(jī)的切割-輸送部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)對切割效率,輸送率的影響規(guī)律,并得出了最優(yōu)作業(yè)參數(shù);現(xiàn)階段對于高稈作物高質(zhì)量輸送的研究,主要集中在最終的輸送成功率或輸送損傷率是否提高或降低,并未分析輸送過程中導(dǎo)致碰撞損傷的影響因素為何,而且研究中的田間試驗(yàn)受到作物收獲季節(jié)性限制。

因此,本文對輸送過程中工業(yè)大麻莖稈受力情況進(jìn)行分析,確定碰撞損傷現(xiàn)象產(chǎn)生的影響因素。后結(jié)合工業(yè)大麻莖稈物理特性構(gòu)建莖稈-輸送機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ?并進(jìn)行正交試驗(yàn)以及方差分析,獲得影響因素對工業(yè)大麻輸送過程碰撞損傷現(xiàn)象的影響顯著性和影響規(guī)律,以及最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合。

1 水平輸送機(jī)構(gòu)

1.1 工作原理

割臺是工業(yè)大麻收割機(jī)的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)是影響輸送作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵,結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由雙動刀往復(fù)切割器、撥禾扶禾器、下水平輸送鏈、上水平輸送鏈、液壓馬達(dá)、擋板、上壓簧、下壓簧、割刀罩等組成。收獲作業(yè)時,撥禾扶禾器將割臺前方的工業(yè)大麻不斷引導(dǎo)至雙動刀往復(fù)切割器處切斷,切斷后的工業(yè)大麻莖稈被上水平輸送鏈,下水平輸送鏈,上壓簧,下壓簧構(gòu)成的輸送機(jī)構(gòu)強(qiáng)制輸送至割臺的另一側(cè),最終被割臺排出。

圖1 割臺結(jié)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)中水平輸送鏈由長撥齒鏈節(jié)、中撥齒鏈節(jié)、短撥齒鏈節(jié)以及中撥齒鏈節(jié)按順序連接而成,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 水平輸送鏈結(jié)構(gòu)

壓簧為金屬材質(zhì)的細(xì)長彎桿,按功能可分為固定部分、引導(dǎo)部分和壓緊部分,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。壓簧的固定部分被緊固在撥禾扶禾器上,以保證工作時不發(fā)生偏移。引導(dǎo)部分起到將莖稈引導(dǎo)至輸送機(jī)構(gòu)的作用。壓緊部分作業(yè)時將莖稈緊壓在水平輸送鏈上,起到穩(wěn)定輸送的作用。該裝置可以進(jìn)行夾持高度和夾持力度調(diào)整,便于對高低、粗細(xì)不一的莖稈進(jìn)行夾持輸送。

圖3 上壓簧結(jié)構(gòu)

1.2 輸送過程力學(xué)分析

以圖1中割刀罩的水平上表面為基準(zhǔn)平面,將輸送過程中莖稈與水平輸送鏈以及壓簧的接觸點(diǎn)水平面根據(jù)與基準(zhǔn)平面間垂直距離由近到遠(yuǎn)依次劃分為Ⅰ面,Ⅱ面,Ⅲ面和Ⅳ面,其垂直距離分別為l1,l2,l3和l4。各個面分布如圖4所示。

圖4 水平面分布

以Ⅰ面,Ⅱ面作為莖稈受力分析平面,其俯視視角下莖稈受力情況如圖5所示。可以看出:莖稈與水平輸送鏈中兩個相鄰鏈節(jié)相接觸,與壓簧的壓緊部分接觸,并且在其接觸點(diǎn)A,B,C處受到正壓力FAn,FBn,FCn和摩擦力fA,fB,fC。

圖5 莖稈在鏈節(jié)間,壓簧上的受力情況

輸送過程中莖稈所受水平外力如圖6所示,為保證莖稈穩(wěn)定輸送,不發(fā)生傾倒,莖稈所受水平合外力及合外力矩需為零。以基準(zhǔn)平面上的接觸點(diǎn)A為取矩點(diǎn),水平外力應(yīng)滿足式(1)。

圖6 莖稈在輸送機(jī)構(gòu)中的受力示意圖

(1)

式中:FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ——莖稈在Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ面內(nèi)受到的水平合力,N;

l1、l2、l3、l4——取矩點(diǎn)A到Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ面上的垂直距離,mm。

根據(jù)式(1)可知,輸送機(jī)構(gòu)對莖稈的作用力F與位置參數(shù)l有關(guān)。

2 動力學(xué)模型

若輸送過程仿真模型中的莖稈為剛體簡化模型,則仿真分析將產(chǎn)生較大誤差。因此本文聯(lián)合應(yīng)用SolidWorks 2016,Ansys 2017及Adams 2020建立莖稈-輸送機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ筒⑦M(jìn)行輸送仿真。

在建立仿真模型前,先做如下假設(shè):(1)水平輸送鏈的運(yùn)動狀態(tài)為勻速直線運(yùn)動;(2)莖稈被夾持后在前進(jìn)方向速度與輸送機(jī)構(gòu)前進(jìn)方向速度相同;(3)莖稈在輸送方向初速度與水平輸送鏈速度相同,并且喂入姿態(tài)為直立狀態(tài)。

2.1 輸送機(jī)構(gòu)模型建立

輸送機(jī)構(gòu)模型的建立和裝配采用SolidWorks。為了減少后續(xù)Adams計算量,建模時對模型進(jìn)行必要簡化。僅保留割臺的上、下水平輸送鏈和上、下壓簧。簡化后的輸送機(jī)構(gòu)模型另存為.x_t格式的文本文件,并在Adams中導(dǎo)入該文件。其輸送機(jī)構(gòu)模型在Adams中如圖7所示。

圖7 簡化后輸送機(jī)構(gòu)模型

2.2 莖稈柔性體模型建立

工業(yè)大麻莖稈可視為正交各向異性材料[5],結(jié)合復(fù)合材料工程常數(shù)關(guān)系式[6]得到莖稈整稈的材料屬性參數(shù),如表1所示。利用SolidWorks和Ansys聯(lián)合建立長度為3 000 mm,底部直徑為21.18 mm,底部內(nèi)徑為10.53 mm的莖稈整稈三維模型。

表1 工業(yè)大麻莖稈整稈材料屬性Tab. 1 Industrial hemp stalk whole stalk material properties

劃分網(wǎng)格后莖稈的有限元模型如圖8所示。利用Ansys中的Export to Adams功能將莖稈模型導(dǎo)出為Adams可識別的MNF文件。

圖8 部分莖稈柔性體模型

將MNF文件導(dǎo)入至Adams后,將莖稈置于待輸送位置。最終得到剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型如圖9所示。

圖9 剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型

2.3 添加約束

根據(jù)假設(shè)(1)和假設(shè)(2),輸送鏈節(jié)可視為勻速直線運(yùn)動,因此采用直線副,其方向?yàn)樗角掖怪庇谇斑M(jìn)方向。在輸送過程中莖稈前進(jìn)速度與輸送機(jī)構(gòu)速度一致,輸送過程可視為莖稈在輸送機(jī)構(gòu)中由一側(cè)運(yùn)動至另一側(cè),因此壓簧采用固定副,如表2所示。

表2 運(yùn)動副添加Tab. 2 Sports vice addition table

2.4 添加接觸

添加完約束后,還需要設(shè)定碰撞接觸力的碰撞參數(shù)。在Adams中有兩種計算接觸力的方法:Impact函數(shù)法和恢復(fù)系數(shù)法。而在連續(xù)型接觸條件下使用Impact函數(shù)法效果更好[7]。因此采用Impact函數(shù)法定義輸送機(jī)構(gòu)中各零部件與莖稈之間的碰撞接觸力[8-10]。Impact函數(shù)表達(dá)式[11]如式(2)所示。

(2)

式中:x0——兩個要碰撞物體的初始距離,mm;

x——兩個物體碰撞過程中的實(shí)際距離,mm;

dx/dt——兩物體相對速度,mm/s;

k——剛度系數(shù),N·mm-3/2;

e——碰撞指數(shù);

cmax——阻尼系數(shù),N·s·mm-1;

dmax——切入深度,mm。

式(2)中剛度系數(shù)k通常采用Hertz彈性碰撞模型理論公式計算[12]。

(3)

ρ=ρ1·ρ2/(ρ1+ρ2)

(4)

E*=E1·E2/[E1(1-μ22)+E2(1-μ12)]

(5)

式中:ρ——綜合曲率半徑,mm;

E*——綜合彈性模量,MPa;

ρ1、ρ2——兩物體碰撞處的曲率半徑,mm;

E1、E2——兩物體的彈性模量,MPa;

μ1、μ2——兩物體的泊松比。

碰撞指數(shù)e為材料的非線性程度,其推薦值取2;最大阻尼系數(shù)cmax表征碰撞過程能量的損失,其值一般設(shè)置為剛度系數(shù)的0.1%～1%。切入深度dmax代表最大阻尼時的侵入深度,其值取0.1 mm[11]。最終碰撞參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 Impact模型碰撞參數(shù)設(shè)置Tab. 3 Impact model collision parameter settings

在Impact函數(shù)中,摩擦力由Coulomb模型確定,即摩擦力大小為作用在物體上的正壓力與摩擦系數(shù)的乘積。其摩擦系數(shù)可分為靜摩擦系數(shù)μs和動摩系數(shù)μd,靜摩擦系數(shù)和動摩擦系數(shù)與兩接觸物體的材料屬性以及表面的粗糙程度等因素有關(guān)[7]。本文參考孟慶軍[13]對木材與金屬之間摩擦系數(shù)研究,具體參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 Coulomb模型參數(shù)設(shè)定Tab. 4 Coulomb model parameter settings

3 仿真分析

3.1 試驗(yàn)方法

仿真試驗(yàn)主要研究輸送機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及工作參數(shù)對莖稈碰撞損傷的影響。通過正交試驗(yàn)和方差分析得出各因素對評價指標(biāo)的影響趨勢。最終總結(jié)各因素對評價指標(biāo)的影響規(guī)律。結(jié)合莖稈穩(wěn)定輸送式(1),Impact函數(shù)表達(dá)式(2),將位置參數(shù)中的上水平輸送鏈位置l4,下水平輸送鏈位置l2,上壓簧位置l3和工作參數(shù)中的輸送速度v作為影響因素,分別用A,B,C,D代表。

3.2 評價指標(biāo)

輸送時,莖稈與輸送機(jī)構(gòu)發(fā)生接觸,接觸所產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力σ計算如式(4)所示。

(6)

式中:F——正壓力,N;

A——正壓力作用面的面積,mm2。

莖稈的徑向截面可視為薄壁環(huán)形截面,該截面上因接觸而產(chǎn)生的切應(yīng)力τmax計算如式(5)所示。

(5)

式中:FS——橫截面上的剪力,N;

A——環(huán)形截面的面積,mm2。

輸送過程中的碰撞損傷最常見的表現(xiàn)形式為破損和折斷,根據(jù)式(6)與式(7)可知此類現(xiàn)象的產(chǎn)生與輸送機(jī)構(gòu)對莖稈的作用力有關(guān),即與碰撞接觸力有關(guān)。因此,將輸送過程中莖稈與輸送機(jī)構(gòu)間最大碰撞接觸力指標(biāo)來間接評價輸送質(zhì)量。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計

工業(yè)大麻莖稈輸送過程復(fù)雜,試驗(yàn)因素與評價指標(biāo)之間呈非線性關(guān)系。為探究因素的主效應(yīng),以及因素間的交互效應(yīng)對最大碰撞接觸力的影響規(guī)律,根據(jù)輸送機(jī)構(gòu)實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸送速度工作范圍,對A,B,C,D因素定義合理的水平,并選取L8(27)正交表安排試驗(yàn)[14-15],試驗(yàn)中各因素及水平設(shè)計如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素水平編碼表Tab. 5 Test factor level coding table

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)方案及結(jié)果如表6所示。可以看出:當(dāng)A因素取695 mm,B因素取270 mm,C因素取380 mm,D因素取0.9 m/s時,最大碰撞接觸力最小,為123 N。

表6 試驗(yàn)設(shè)計方案及其結(jié)果Tab. 6 Experimental design and results

將上表數(shù)據(jù)導(dǎo)入到SPSS中進(jìn)行方差分析,進(jìn)一步探究各因素對試驗(yàn)評價指標(biāo)的影響規(guī)律。其試驗(yàn)評價指標(biāo)的方差分析結(jié)果如表7所示。

表7 方差分析Tab. 7 Analysis of varianc

由表7中P值可以看出,下水平輸送鏈位置B對最大碰撞接觸力有著極顯著影響,同時上水平輸送鏈位置A,上壓簧位置C,輸送速度D,交互項(xiàng)AB和BC對最大碰撞接觸力有顯著影響。因此得出各因素對最大碰撞接觸力影響次序?yàn)?B>C>D>A>AB>BC。

進(jìn)一步分析可知,A,C因素對最大接觸碰撞力的影響與B有關(guān)。同理,B對最大接觸碰撞力的影響與A,B有關(guān)。從結(jié)果顯示的數(shù)據(jù)可知,B對最大接觸碰撞力的影響無論是主效應(yīng)還是交互效應(yīng)都是顯著的。

4 結(jié)論

本文針對4MD-160型工業(yè)大麻收割機(jī)作業(yè)時產(chǎn)生碰撞損傷這一問題,提出了一種利用仿真技術(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)以減小輸送過程中莖稈所受最大碰撞接觸力的參數(shù)優(yōu)化方法。首先應(yīng)用SolidWorks和Ansys建立莖稈-輸送機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真模型。其次采用4因素2水平的正交試驗(yàn)方法,以最大碰撞接觸力為評價指標(biāo),對輸送過程進(jìn)行仿真試驗(yàn)尋求最優(yōu)參數(shù)組合。最后利用SPSS軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,得到各因素主效應(yīng)及因素間交互效應(yīng)對最大碰撞接觸力的影響規(guī)律。

1) 下水平輸送鏈位置對最大碰撞接觸力的影響是最明顯的(P<0.01),而上水平輸送鏈位置,上壓簧位置,輸送速度對最大碰撞接觸力的影響較明顯(0.01

2) 下水平輸送鏈位置與上水平輸送鏈位置因素之間,下水平輸送鏈位置與上壓簧因素之間存在交互作用,且交互作用對最大接觸碰撞力影響較明顯(0.01

3) 在Adams虛擬正交試驗(yàn)中,最大碰撞接觸力最小時的結(jié)構(gòu)及其工作參數(shù)為上水平輸送鏈位置為695 mm,下水平輸送鏈位置為270 mm,上壓簧位置為380 mm,輸送速度為0.9 m/s。該組合下最大接觸碰撞力為123 N。