摘要：拉力式甘蔗剝?nèi)~機剝?nèi)~元件合理的作業(yè)參數(shù)可有效改善剝?nèi)~機構(gòu)剝?nèi)~質(zhì)量，為降低含雜率，建立甘蔗剝?nèi)~過程仿真模型，采用單因素仿真試驗分析剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~角度及剝?nèi)~輥筒中心距（剝?nèi)~元件交錯深度）對蔗葉所受峰值應(yīng)力的影響規(guī)律和蔗葉的剝離斷裂情況，確定參數(shù)范圍；在仿真分析基礎(chǔ)上采用中心組合法進行多因素樣機試驗，探究3個作業(yè)參數(shù)對含雜率的影響規(guī)律并得出最佳作業(yè)參數(shù)：剝?nèi)~角度120°、剝?nèi)~輥筒中心距77.2 mm、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速128 r/min、最小含雜率為2.03%，樣機試驗驗證所得含雜率結(jié)果為2.09%。為改善拉力式甘蔗剝?nèi)~機剝?nèi)~效果、提高作業(yè)適應(yīng)性提供參考。

關(guān)鍵詞：甘蔗；拉力式；剝?nèi)~元件；剝?nèi)~效果

中圖分類號：S233.4

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 070122

05

Research on operation parameters of leaf cleaning element of pulling type

sugarcane leaf-stripping machine

Chen Mingdong， Lu Jingping， Lin Yundong， Feng Wukai， Zhong Yilüe

（College of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning， 530004， China）

Abstract：

The reasonable operating parameters of the leaf stripping element of the tensile sugarcane leaf stripping machine can effectively improve the quality of the leaf stripping mechanism. In order to reduce the impurity rate， a simulation model of sugarcane leaf stripping process was established. The single factor simulation test was used to analyze the influence of the rotation speed of the leaf stripping roller， the leaf stripping angle and the center distance of the leaf stripping roller （the staggered depth of the leaf stripping element） on the peak stress of the sugarcane leaf and the peeling fracture of the sugarcane leaf， and the parameter range was determined. On the basis of simulation analysis， through the prototype test of sugarcane leaf stripping， the central combination method was used to explore the influence of three operating parameters on the impurity rate and the optimal operating parameters were obtained， including leaf stripping angle 120°， leaf stripping roller center distance 77.2 mm， leaf stripping roller speed 128 r/min， minimum impurity rate 2.03%. The impurity rate obtained from the prototype test was 2.09%. The results of this study provide a reference for improving the leaf stripping effect and operation adaptability of the pulling sugarcane leaf stripper.

Keywords：

sugarcane; tension type; leaf cleaning element; leaf stripping effect

0 引言

我國是全球最大的甘蔗種植國之一［1］。在廣西、廣東和云南的甘蔗產(chǎn)量幾乎占全國甘蔗總產(chǎn)量的80％［2］。目前我國甘蔗收獲環(huán)節(jié)機械化程度低［3］，在一些丘陵、山地等地區(qū)仍以人工作業(yè)為主［4］。我國甘蔗收獲以切斷式為主，其次為整稈式收獲［5］。而切斷式含雜率較高，影響糖料品質(zhì)。整稈式收獲通常為離心式剝?nèi)~方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、剝?nèi)~效率較高的優(yōu)點，但是普遍存在剝?nèi)~傷皮、剝?nèi)~元件壽命短、斷尾困難、含雜率達不到糖廠要求等問題。

由于剝?nèi)~機構(gòu)是整稈式甘蔗收獲機的核心部件，因此剝?nèi)~機構(gòu)的作業(yè)效率和質(zhì)量，直接影響甘蔗含雜率。所以為了加速我國甘蔗收獲機械化進程，需要進一步探索適合我國甘蔗收獲的新方法，解決目前存在的剝?nèi)~含雜率高、剝?nèi)~元件壽命短的問題。

張增學(xué)［6］分析了梳刷式剝?nèi)~機的剝?nèi)~機理，指出影響剝?nèi)~效果的主要因素及其參數(shù)。謝盧鑫等［7］通過建立甘蔗剝?nèi)~過程仿真模型，得到了關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)對未剝凈率的影響規(guī)律以及最終的作業(yè)參數(shù)。Alencastre等［8］研究發(fā)現(xiàn)甘蔗機械損傷影響收獲甘蔗的質(zhì)量。

本文從新的剝?nèi)~機理進行分析，通過建立甘蔗剝?nèi)~仿真模型進一步分析蔗葉和剝?nèi)~元件的相互作用過程、二者的應(yīng)力變化情況。在仿真分析的基礎(chǔ)上，進行田間剝?nèi)~試驗，研究剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~角度、輥筒中心距對剝?nèi)~率的影響，并優(yōu)化這三個參數(shù)，為提高拉力式甘蔗剝?nèi)~機構(gòu)作業(yè)適應(yīng)性、改善剝?nèi)~效果提供參考。

1 拉力式甘蔗剝?nèi)~機構(gòu)

拉力式剝?nèi)~機構(gòu)由喂入輥筒、風(fēng)機、剝?nèi)~輥筒、輸出輥筒、動力及控制系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等主要部分組成，如圖1所示。整稈甘蔗被輸入輥筒傳送至剝?nèi)~裝置，蔗葉依靠風(fēng)機產(chǎn)生的風(fēng)力被吹入剝?nèi)~輥筒之間，蔗葉被拉斷并從下方排出，蔗莖由輸出輥筒喂出。本文模仿人工剝?nèi)~的方法，通過對蔗葉施加徑向拉力實現(xiàn)剝?nèi)~，如圖2所示。

在風(fēng)機向下的風(fēng)力作用下，蔗葉被吹入剝?nèi)~輥筒之間，在剝?nèi)~元件的摩擦和夾持作用下，蔗葉在與蔗莖連接處斷裂，完成剝?nèi)~。對于拉力式甘蔗剝?nèi)~方法，為提高剝?nèi)~效果，要使甘蔗進入剝?nèi)~箱后，蔗葉能被吹入剝?nèi)~輥筒對之間且被剝?nèi)~元件夾持??；需要保證蔗葉是從蔗葉根部被拉斷，而不是在蔗葉中部斷裂或被壓碎。

2 剝?nèi)~機構(gòu)仿真模型建立及求解分析

2.1 力學(xué)性能試驗

選擇桂糖-44號甘蔗的蔗葉作為試驗對象。選擇長勢良好，高和蔗莖直徑相似的甘蔗，取生長點以下的完整青葉，將葉中脈和葉片分離，得到10組葉中脈和葉片試驗樣本，如圖3所示。

采用UTM5105X電子萬能材料試驗機對兩種樣本分別進行拉伸試驗，計算出樣本拉伸破壞時的最大抗拉強度，最大變形量和最大彈性模量等參數(shù)。由拉伸試驗結(jié)果可知，甘蔗葉片最大抗拉強度平均值為26.35 MPa，最大彈性模量平均值為882.39 MPa；甘蔗葉中脈最大抗拉強度平均值為37.20 MPa，最大彈性模量平均值為1439.20 MPa。由此得到仿真模型蔗葉的最大抗拉強度和最大彈性模量參數(shù)。

2.2 剝?nèi)~仿真三維模型

由于風(fēng)機的作用是將蔗葉吹入剝?nèi)~輥筒之間，而本文主要考察蔗葉被拉斷時刻的情況，此時風(fēng)機不會對剝?nèi)~效果產(chǎn)生影響。通過對單片蔗葉進行分析研究，可以簡化研究對象、減少工作量。因此本文將剝?nèi)~模型簡化為一組剝?nèi)~輥筒對、一片蔗葉和一根蔗莖。

參考實物數(shù)據(jù)，確定模型形狀尺寸，如圖4所示。

2.3 剝?nèi)~裝置仿真模型前處理

將模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中，由于剝?nèi)~元件材料為Q235號鋼，其屈服強度遠大于蔗葉，另外蔗莖的作用為連接和輸送蔗葉，因此為減少工作量，將蔗莖和剝?nèi)~輥筒設(shè)為剛體，蔗葉設(shè)為柔性體。將剝?nèi)~元件、蔗莖、蔗葉的物理參數(shù)通過材料截面指派，輸入到對應(yīng)模型。仿真模型材料參數(shù)如表1所示。表1中蔗葉參數(shù)為蔗葉各部位參數(shù)中的最大值，由截面不同，適量增減。

綜合考慮各部位的拉伸強度和剪切強度，設(shè)置蔗葉長度方向的最大拉伸應(yīng)力為32.60 MPa、垂直方向的最大切應(yīng)力為9.58 MPa作為蔗葉的失效條件，利用Fortran子程序設(shè)置當(dāng)網(wǎng)格單元所受應(yīng)力超過失效條件時，自動刪除該單元，模擬蔗葉的斷裂。

本文研究的剝?nèi)~過程屬于分析幾何非線性和蔗葉動態(tài)運動時材料失效的問題，故使用顯示動力學(xué)方法進行求解。在相互作用模塊，創(chuàng)建通用接觸。蔗葉和蔗莖之間添加綁定約束，剝?nèi)~輥筒和蔗莖設(shè)置剛性區(qū)域和參考點進行剛性約束。動摩擦系數(shù)設(shè)為0.52，靜摩擦系數(shù)為0.60。在蔗葉和蔗莖連接處添加綁定約束，設(shè)置蔗莖輸送速度和剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速，約束其他自由度，最后進行運算求解。

2.4 仿真模型結(jié)果分析

在剝?nèi)~仿真過程中發(fā)現(xiàn)，蔗葉與剝?nèi)~元件的接觸位置不斷變化，理論計算得到的轉(zhuǎn)速并不準(zhǔn)確，需要多次調(diào)整蔗莖輸送速度和剝?nèi)~輥筒的轉(zhuǎn)速，才能得到準(zhǔn)確的剝?nèi)~角度。蔗葉剝離過程如圖5所示。當(dāng)t=0.89 s時，蔗葉根部開始斷裂，t=0.91 s時，蔗葉到達剝?nèi)~位置，蔗葉與蔗莖連接處受到的應(yīng)力最大，為58.93 MPa，蔗葉被剝離，當(dāng)t=0.92 s時，蔗葉完全脫落，剝?nèi)~過程結(jié)束。

3 試驗設(shè)計

3.1 單因素仿真試驗分析

為了分析剝?nèi)~角度、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、交錯深度對剝?nèi)~效果以及蔗葉所受最大應(yīng)力的影響規(guī)律，假設(shè)3個因素之間沒有交互作用，以剝?nèi)~過程中蔗葉所受最大應(yīng)力以及剝?nèi)~效果作為考察指標(biāo)，進行單因素試驗。

在考慮剝?nèi)~角度對蔗葉最大應(yīng)力的影響時，設(shè)置剝?nèi)~輥筒中心距為75 mm，剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速為136 r/min，調(diào)節(jié)蔗莖的輸送速度，使剝?nèi)~角度分別為90°、105°、120°、135°、150°；在考慮剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速對蔗葉最大應(yīng)力的影響時，設(shè)置剝?nèi)~輥筒中心距為75 mm，剝?nèi)~角度為120°，調(diào)節(jié)剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速分別為100 r/min、112 r/min、124 r/min、136 r/min、148 r/min；在考慮交錯深度對蔗葉最大應(yīng)力的影響時，設(shè)置剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速為136 r/min，剝?nèi)~角度為120°，輥筒中心距分別為65 mm、70 mm、75 mm、80 mm、85 mm。3個單因素試驗結(jié)果如圖6所示。

由6（a）可知，在同一中心距、轉(zhuǎn)速確定的情況下，隨著剝?nèi)~角度的增加，蔗葉所受最大應(yīng)力先減小后增大，120°時應(yīng)力最小，說明該角度下，蔗葉最容易被剝離，此結(jié)果與上文蔗葉剝離試驗的結(jié)果一致，剝?nèi)~角度為120°～150°，最大應(yīng)力較小。由圖6（b）可知，在剝?nèi)~角度和剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速確定的情況下，隨著剝?nèi)~輥筒中心距的增加，蔗葉所受最大應(yīng)力不斷減小，當(dāng)中心距為85 mm時，蔗葉與剝?nèi)~元件發(fā)生相對位移，當(dāng)中心距為65 mm時，蔗葉中部發(fā)生斷裂情況，說明中心距為65 mm和85 mm時，最大應(yīng)力過大或過小均影響剝?nèi)~效果，因此中心距確定為70～80 mm。由圖6（c）可知，在同一中心距、剝?nèi)~角度確定的情況下，剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速提高，蔗葉受到的應(yīng)力隨之增大，這說明轉(zhuǎn)速越高，剝?nèi)~元件對蔗葉的拉扯力越大，理論上剝?nèi)~效果越好，但轉(zhuǎn)速提高到148 r/min時，蔗葉中部發(fā)生斷裂，未能使蔗葉從根部被拉斷，剝?nèi)~失敗，這說明不能盲目增大剝?nèi)~輥筒速度，剝?nèi)~輥筒速度過大反而影響剝?nèi)~效果。轉(zhuǎn)速大于136 r/min后，最大應(yīng)力值顯著增大，故選取剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速為112～136 r/min。

單因素仿真結(jié)果表明，合理的剝?nèi)~角度、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速及兩剝?nèi)~輥筒中心距可以將蔗葉在剝?nèi)~過程中所受最大應(yīng)力控制在合理范圍，選取剝?nèi)~角度范圍為120°～150°，中心距確定為70～80 mm，剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速為112～136 r/min。

喂入輥筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速及剝?nèi)~輥筒中心距對甘蔗剝?nèi)~效果均有顯著影響，但3個因素對剝?nèi)~效果的影響并非簡單的線性關(guān)系，所受應(yīng)力的大小不能直接判斷剝?nèi)~效果的好壞，并且因素間可能存在交互作用，因此需要通過多因素樣機試驗做進一步研究。

3.2 多因素樣機試驗研究

拉力式甘蔗剝?nèi)~試驗裝置如圖7所示，主要由輸入輥筒，風(fēng)機，剝?nèi)~輥筒，輸出輥筒組成。試驗分別為輸送輥筒和剝?nèi)~輥筒配備電機用于驅(qū)動和調(diào)速。

試驗對象為柳州市雒容鎮(zhèn)秀水村桂中農(nóng)場的桂糖-42號甘蔗，選取蔗莖直徑大小相近，彎曲程度低，蔗葉完整的甘蔗進行試驗。

甘蔗從根部切斷后送入剝?nèi)~裝置進行剝?nèi)~，試驗時每次喂入3根甘蔗，每組試驗做10次。含雜率Y的計算如式（1）所示。含雜率越低，表示該試驗設(shè)備的剝?nèi)~效果越好。

Y=bB

（1）

式中：

b——

甘蔗剝?nèi)~后殘留在甘蔗上雜質(zhì)質(zhì)量；

B——

機械剝?nèi)~后帶有殘留雜質(zhì)的甘蔗總質(zhì)量。

該試驗在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以剝?nèi)~角度、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、兩剝?nèi)~輥筒中心距作為試驗因素，以含雜率作為評價指標(biāo)。采用Box-Behnken方案進行三因素三水平試驗，因素水平編碼表如表2所示，試驗方案設(shè)計如表3所示。x1、x2、x3為各因素編碼值。

根據(jù)表3的數(shù)據(jù)樣本，通過Design-Expert11.0軟件得到評價指標(biāo)含雜率與自變量的二次多項式回歸模型。

Y=

42.22+0.32x1+0.96x2-3.24x3-

0.002x1x2+0.03x1x3-0.04x2x3-

0.001x12-0.002x22+0.02x32

由回歸模型的方差分析結(jié)果（表4）可知，回歸模型的P值小于0.01，表明回歸模型極顯著；模型失擬項的P值gt;0.05，說明模型失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。由3個自變量的P值可判斷剝?nèi)~角度對含雜率有極顯著影響，剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速對剝?nèi)~率有顯著影響。試驗因素對含雜率影響從大到小依次為剝?nèi)~角度、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輥筒中心距。

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，利用Design-Expert11.0軟件繪制各因素交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面圖。剝?nèi)~角度與剝?nèi)~輥筒中心距對含雜率的響應(yīng)曲面如圖8（a）所示，剝?nèi)~角度由120°增加為150°的過程中，含雜率隨著中心距增加，出現(xiàn)先減小后增大的趨勢；中心距由70 mm增加到80 mm的過程中，含雜率隨著剝?nèi)~角度的增大而增大。剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速與剝?nèi)~角度對含雜率的響應(yīng)曲面如圖8（b）所示，剝?nèi)~角度由120°增加為150°的過程中，含雜率隨著剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速增加，出現(xiàn)先減小后增大的趨勢；剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速由112 r/min增加到136 r/min的過程中，含雜率隨著剝?nèi)~角度的增大而增大。剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速與剝?nèi)~輥筒中心距對含雜率的響應(yīng)曲面如圖8（c）所示，剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速由112 r/min增加到136 r/min的過程中，含雜率隨著剝?nèi)~輥筒中心距的增加，出現(xiàn)先減小后增大的趨勢；中心距由70 mm增加到80 mm的過程中，含雜率隨著剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速的增大，出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。

運用Design-Expert11.0軟件中的Optimization功能，以含雜率最小作為條件，求解回歸模型得到的最優(yōu)參數(shù)為剝?nèi)~角度120°、剝?nèi)~輥筒中心距77.2 mm、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速128 r/min、最小含雜率為2.03%。

3.3 試驗驗證

以剝?nèi)~角度120°、剝?nèi)~輥筒中心距77.2 mm、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速128 r/min作為試驗因素，以含雜率作為評價指標(biāo)。經(jīng)樣機試驗驗證，最優(yōu)參數(shù)條件下所得含雜率結(jié)果為2.09%，與回歸模型分析結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

1） 利用萬能試驗機得到葉片以及葉中脈的力學(xué)特性參數(shù)。建立剝?nèi)~仿真模型，得到剝?nèi)~角度為120°時蔗葉所受應(yīng)力曲線與所受拉力曲線、最大應(yīng)力為58.93 MPa、蔗葉所受最大拉力為46.5 N等。通過單因素仿真試驗，以剝?nèi)~過程最大應(yīng)力與蔗葉是否從根部斷裂為前提，對剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輥筒中心距、剝?nèi)~角度3個因素進行初步優(yōu)選，確定參數(shù)范圍。

2） 針對優(yōu)選值附近區(qū)域多因素樣機試驗，運用試驗設(shè)計軟件Design-Expert設(shè)計試驗，得出含雜率與剝?nèi)~角度、剝?nèi)~輥筒速度、剝?nèi)~輥筒中心距的二次多項式回歸模型。以最低含雜率作為指標(biāo)參數(shù)，最后得出最優(yōu)組合參數(shù)為剝?nèi)~角度120°、剝?nèi)~輥筒中心距77.2 mm、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速128 r/min、最小含雜率為2.03%，樣機試驗所得含雜率結(jié)果為2.09%。

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