麻芳蘭 ,滕 筱 ,李 科 ,李尚平 ,吳 飛

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧 530004;2.廣西民族大學(xué) 電子信息學(xué)院,南寧 530006;3.北部灣大學(xué) 機(jī)械與船舶海洋工程學(xué)院,廣西 欽州 535011 )

0 引言

在過去幾十年里,全球糖的生產(chǎn)和消費(fèi)都在增長。其中,80%的糖是由甘蔗生產(chǎn)的,只有20%的糖是由甜菜等生產(chǎn)的。目前,我國甘蔗種植主要分布在廣西、云南、廣東、海南等地區(qū),廣西和云南作為最大的蔗區(qū),占全國總種植面積的90%以上[1-3]。實(shí)踐表明,將機(jī)械化技術(shù)引進(jìn)到甘蔗種植中,可以有效提高甘蔗產(chǎn)量和種植質(zhì)量[4]。

與人工種植相比,甘蔗機(jī)械化種植過程中易出現(xiàn)漏播、排種不均勻現(xiàn)象[5],直接影響到甘蔗種植的效率。針對(duì)漏種情況,國內(nèi)外學(xué)者做了相應(yīng)的深入研究。如國外研究者利用光電傳感器技術(shù)、激光傳感器技術(shù)等方法來測(cè)試甜菜、玉米等種子在播種過程中粒距的排種均勻性情況。國內(nèi)則主要用高速攝影技術(shù)、光電傳感器技術(shù)等來監(jiān)測(cè)種子的排種狀態(tài)[6-9],也有一些研究人員設(shè)計(jì)了相關(guān)的補(bǔ)種機(jī)構(gòu)[10]。梁秋艷等利用機(jī)械臂式點(diǎn)位控制補(bǔ)種機(jī)構(gòu),并運(yùn)用LabVIEW軟件來提取漏種空穴的坐標(biāo),再采用組合算法的方式來實(shí)現(xiàn)精密補(bǔ)種[11]。葛世強(qiáng)等對(duì)于大籽粒作物出現(xiàn)的漏播問題,運(yùn)用超越離合器的機(jī)械結(jié)構(gòu)來把補(bǔ)種裝置與排種器連接為一體,可以非常好地把補(bǔ)種裝置和排種器快速分離和結(jié)合起來;利用激光傳感器對(duì)作物進(jìn)行漏種監(jiān)測(cè),出現(xiàn)漏種時(shí)用補(bǔ)種控制算法控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行加速補(bǔ)種,同時(shí)設(shè)計(jì)了可視化的交互界來面對(duì)實(shí)際出現(xiàn)的補(bǔ)種情況進(jìn)行檢測(cè)和故障報(bào)警[12-13]。

筆者針對(duì)甘蔗橫向種植機(jī)在實(shí)際作業(yè)出現(xiàn)的漏種問題,研制了一套補(bǔ)種裝置,來實(shí)現(xiàn)種植機(jī)作業(yè)過程中的實(shí)時(shí)補(bǔ)種動(dòng)作,以降低甘蔗種植過程中的漏種率及提高種植質(zhì)量,并對(duì)補(bǔ)種輥耙結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真研究,對(duì)比分析不同機(jī)構(gòu)之間輥耙所受的力、扭矩等因素,從而驗(yàn)證補(bǔ)種裝置的補(bǔ)種性能。

1 補(bǔ)種裝置的組成和工作原理

結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.漏種檢測(cè)裝置 2.蔗種 3.提升機(jī)構(gòu) 4.補(bǔ)種箱 5.支架柱:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ分別為充種區(qū)、儲(chǔ)種區(qū)、供種區(qū)、護(hù)種區(qū)、投種區(qū) 6.儲(chǔ)蔗槽 7.余量不足檢測(cè)裝置 8.儲(chǔ)種空間 9.導(dǎo)流板 10.補(bǔ)種輥耙 11.提升鏈槽

其工作原理為:當(dāng)余量檢測(cè)裝置檢測(cè)到補(bǔ)種儲(chǔ)蔗槽中蔗種不足時(shí),將信號(hào)傳給提升電機(jī),使其轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度補(bǔ)足補(bǔ)種箱內(nèi)蔗種;當(dāng)漏種檢測(cè)裝置檢測(cè)到蔗種排送帶上無蔗種時(shí),將漏種信號(hào)傳到輥耙電機(jī),電機(jī)動(dòng)作一定角度完成排送帶補(bǔ)種,從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)、精確連續(xù)補(bǔ)種的目的,避免出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。

2 仿真模型的建立

依據(jù)前面課題組的研究成果可知:蔗種的泊松比為μ=0.33,蔗種的彈性模量E=1531MPa,剪切模量G=575MPa。設(shè)置蔗種的彈性模量為1531MPa,泊松比為0.33,密度為1.1E-006kg/mm3,通過ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖2所示。齒式補(bǔ)種裝置的模型及實(shí)物如圖3所示,整葉式補(bǔ)種裝置的模型及實(shí)物如圖4所示,窩輥式補(bǔ)種裝置的模型及實(shí)物如圖5所示。

參照ADAMS各種材料碰撞參數(shù)表中亞克力材料、橡膠材料、金屬材料碰撞參數(shù),適當(dāng)增大剛度以減少穿透,增大阻尼以減少反彈,以此獲得合理反映蔗種運(yùn)動(dòng)屬性的仿真模型。宏文件中指定的接觸力參數(shù)值如表1所示。

圖2 甘蔗種柔性模型及實(shí)物圖Fig.2 Sugarcane seed flexibility model and physical drawing

1.補(bǔ)種輥耙 2.補(bǔ)種箱圖3 齒式補(bǔ)種裝置的模型及實(shí)物圖Fig.3 Model and physical drawing of a toothed replanting device

1.補(bǔ)種輥耙 2.補(bǔ)種箱圖4 整葉式補(bǔ)種裝置的模型及實(shí)物圖Fig.4 Model and physical drawing of a whole-leaf seed replenishment device

1.補(bǔ)種輥耙 2.補(bǔ)種箱圖5 窩輥式補(bǔ)種裝置的模型及實(shí)物圖Fig.5 Model and physical drawing of a nest roller replanting device

表1 接觸力參數(shù)表

3 仿真結(jié)果分析

對(duì)ADAMS中的補(bǔ)種裝置模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)約束、碰撞、重力等的添加,然后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,最后對(duì)補(bǔ)種輥耙的力和力矩進(jìn)行結(jié)果分析[14-16],如圖6～圖17所示。

3.1 齒式補(bǔ)種裝置仿真分析(順時(shí)針運(yùn)動(dòng))

由圖6、圖7可知:齒形補(bǔ)種裝置在補(bǔ)種時(shí),力保持在30N左右,力矩保持在20N·m左右。

圖6 力-時(shí)間變化曲線Fig.6 Force-time variation curve

圖7 力矩-時(shí)間變化曲線Fig.7 Torque-time variation curve

3.2 齒式補(bǔ)種裝置仿真分析 (逆時(shí)針運(yùn)動(dòng))

由圖8、圖9可知:力在30N左右,力矩在12N·m左右。圖7中0.2、1.75、3、4、5、6、7、8s附近均有出現(xiàn)力矩突然加劇的情況,這個(gè)與實(shí)際情況一致。在補(bǔ)種輥耙轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間,需要將蔗種從補(bǔ)種箱導(dǎo)入輥槽中,輥耙所需提供的力矩很大,使整個(gè)補(bǔ)種箱內(nèi)的蔗種發(fā)生整體運(yùn)動(dòng),故這一瞬間力矩較大。

圖8 力-時(shí)間變化圖Fig.8 Force-time variation curve

圖9 力矩-時(shí)間變化圖Fig.9 Torque-time variation curve

3.3 整葉式補(bǔ)種裝置仿真分析(順時(shí)針運(yùn)動(dòng))

由圖10、圖11可知:變化曲線比較一致,在開始瞬間輥耙的力和力矩加大(帶動(dòng)部分蔗種轉(zhuǎn)動(dòng)),在1s后輥耙正常工作;順時(shí)針動(dòng)作時(shí),由于出現(xiàn)一個(gè)輥槽中夾持兩根蔗種以及“堵蔗”現(xiàn)象所導(dǎo)致的力和力矩的加大,變化曲線類似正弦曲線,該情況與前面的理論分析一致。

圖10 力-時(shí)間變化曲線Fig.10 Force-time variation curve

圖11 力矩-時(shí)間變化曲線Fig.11 Torque-time variation curve

3.4 整葉式補(bǔ)種裝置仿真分析(逆時(shí)針運(yùn)動(dòng))

由圖12、圖13可以看出:在剛開始瞬間,輥耙所受力和力矩急劇加大,可以理解為輥耙需要將蔗種整體帶動(dòng)所需力和力矩,故變化較大;在3s和8s瞬間,力矩和力突然加大,這是由于在蔗種到達(dá)輥耙上方時(shí)種箱的前擋板、蔗種和補(bǔ)種輥耙之間形成“堵蔗”現(xiàn)象所導(dǎo)致,故力在75N左右,力矩在10N·m左右。

3.5 窩輪式補(bǔ)種裝置仿真分析(順時(shí)針運(yùn)動(dòng))

由圖14、圖15可知:所述情況與實(shí)際情況一致,每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)輥槽,輥耙的力和力矩都呈劇烈上升趨勢(shì)。變化曲線呈正弦變化,力保持在14N左右,力矩保持在5N·m左右。

圖12 力-時(shí)間變化曲線Fig.12 Force-time variation curve

圖13 力矩-時(shí)間變化曲線Fig.13 Torque-time variation curve

圖14 力-時(shí)間變化曲線Fig.14 Force-time variation curve

圖15 力矩-時(shí)間變化曲線Fig.15 Torque-time variation curve

3.6 窩輪式補(bǔ)種裝置仿真分析(逆時(shí)針運(yùn)動(dòng))

由圖16、圖17可知:力和力矩在開始瞬間需要比較大,之后力和力矩都比較小,且力保持在10N左右,力矩保持在2N·m左右。相比前面的方案而言,輥耙所受力得到了較好的改善。

圖16 力-時(shí)間變化曲線Fig.16 Force-time variation curve

圖17 力矩-時(shí)間變化曲線Fig.17 Torque-time variation curve

4 結(jié)論

1)通過將蔗種進(jìn)行柔性化處理,以達(dá)到與實(shí)際情況一致的目的。利用ADAMS軟件對(duì)補(bǔ)種裝置的輥耙進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,根據(jù)補(bǔ)種輥耙的力和力矩隨時(shí)間的變化情況驗(yàn)證裝置的補(bǔ)種性能,為后面進(jìn)行輕量化、優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供理論參考。

2)由理論和仿真分析得知:補(bǔ)種輥耙在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下,力和力矩都相對(duì)較小,逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方式更優(yōu)于順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)方式。3種結(jié)構(gòu)中,窩輪式補(bǔ)種裝置力和力矩都比另外兩個(gè)裝置小,窩輪式補(bǔ)種裝置進(jìn)行逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)力約為10N、力矩約為2N·m,其結(jié)構(gòu)更優(yōu),補(bǔ)種性能更好。