盛奮華，陳祖爵

( 1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信與信息工程系，江蘇 蘇州　215200；2.江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212000)

?

基于虛擬仿真技術(shù)的甘蔗收割機(jī)喂入裝置研究

盛奮華1，陳祖爵2

( 1.蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 通信與信息工程系，江蘇 蘇州215200；2.江蘇大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212000)

摘要：針對小型甘蔗收割機(jī)阻塞嚴(yán)重和機(jī)械效率低的問題，提出了收割機(jī)的優(yōu)化方案，主要包括對喂入裝置傾斜角度、刀片轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行進(jìn)速度的優(yōu)化。設(shè)計(jì)了喂入裝置的參數(shù)尺寸，并使用UG6.0建立了優(yōu)化后虛擬樣機(jī)的三維模型，將模型導(dǎo)入到ADMAS軟件中進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真，對3種優(yōu)化項(xiàng)目進(jìn)行正交仿真模擬實(shí)驗(yàn)，得到了3種優(yōu)化項(xiàng)目對收割機(jī)收割效果的顯著性影響結(jié)果。由顯著性計(jì)算結(jié)果可以看出：只有一次的喂入率小于90%，最佳整稈率組合為A1B2C2，最低損失率和漏割率組合為A2B1C1和A1B3C3。對漏割率和損失率進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)：A和B對漏割率的影響顯著，C和B對損失率的影響顯著，因此需要綜合考慮這些因素，使收割機(jī)的收割效果達(dá)到最優(yōu)。

關(guān)鍵詞：甘蔗收割機(jī)；虛擬樣機(jī)；仿真模擬；三維模型；ADMAS軟件

0引言

在甘蔗整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，收割環(huán)節(jié)是勞動強(qiáng)度最大、用工最多的環(huán)節(jié)，也是甘蔗機(jī)械化生產(chǎn)的難點(diǎn)。甘蔗的生產(chǎn)地主要以丘陵地形為主，甘蔗的種植面積較小，決定了在甘蔗自動化收割過程中，不能使用大型的收割機(jī)械。因此，在相對長的一段時間內(nèi)，甘蔗的收割主要以小型收割機(jī)為主。在小型收割機(jī)收割過程中，普遍存在的問題是堵塞嚴(yán)重和效率過低，嚴(yán)重阻礙了甘蔗收割機(jī)的推廣和使用。為了提高甘蔗收割機(jī)的機(jī)械效率，筆者分析了各種因素對甘蔗收割機(jī)收割效果的影響，使用虛擬樣機(jī)仿真模擬的方法，對各種影響因素進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，從而為優(yōu)化甘蔗收割機(jī)的設(shè)計(jì)提供較有價(jià)值的理論依據(jù)。

1甘蔗收獲機(jī)作業(yè)過程分析

由于甘蔗種植面積小，目前一般采用小型甘蔗收獲機(jī)。小型甘蔗收獲機(jī)主要由5部分組成，包括喂入裝置、輸送系統(tǒng)、剝?nèi)~系統(tǒng)、輸出系統(tǒng)和行走裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。甘蔗通過喂入裝置進(jìn)入收割機(jī)后容易造成阻塞，一般來說，甘蔗直徑低于30mm時，在高度方向可以同時容納兩根甘蔗，甘蔗過多容易阻塞。收割作業(yè)的過程如圖2所示。

1.甘蔗　2.扶分蔗輥　3.壓蔗輥　4.齒輪箱

圖2　甘蔗收割作業(yè)示意圖

在設(shè)計(jì)喂入裝置時，需要考慮甘蔗的受力情況，明確收割機(jī)的作業(yè)過程。甘蔗在喂入裝置的作用下，通過拉斷后進(jìn)入錕筒，在普通無膠指輥筒作用下，在通道橫向截面內(nèi)的受力分析如圖3所示。

圖3　甘蔗收割作業(yè)過程受力示意圖

圖3中，甘蔗在a、b和c在3個通道內(nèi)堆疊，y軸表示豎直方向，x軸表示水平方向。對甘蔗進(jìn)行受力分析，假設(shè)甘蔗c在x方向受力為Fx，y方向受力為Fy，則其受力表達(dá)式為

(1)

其中，F(xiàn)f上c和F上c為錕筒上方x和y方向上對甘蔗的作用力，F(xiàn)ac和fac分別表示甘蔗a對甘蔗c的反作用力及相互摩擦力。

2喂入裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

為了防止甘蔗收割機(jī)喂入裝置發(fā)生阻塞，需要保證甘蔗在收割時不發(fā)生重疊的情況，因此需要保證甘蔗頭部之間的距離。首先將第1株收割時作為計(jì)算時間的點(diǎn)，當(dāng)工作t時間后，第1株被運(yùn)送的距離為

S1=vtt

(2)

則第2株的運(yùn)送距離為

S2=vt(t-S/vm)

(3)

第1株和第2株重疊后的長度為

H1=H-(S1-S2)

(4)

將公式進(jìn)行整合后可得

(5)

由式(5)可知：當(dāng)H1>0，兩株甘蔗發(fā)生重疊；當(dāng)H1<0，兩株甘蔗未重疊。其中，H1和多種因素有關(guān)，主要包括收割機(jī)的前進(jìn)速度、刀盤的轉(zhuǎn)速及刀盤的傾角。當(dāng)重疊量過多時，會有多株甘蔗聚集在喂入口部，阻塞嚴(yán)重時會影響收割機(jī)的正常工作；特別是在遇到株距較小的作業(yè)工況時，收割機(jī)更容易發(fā)生阻塞。

為了保證收割機(jī)的作業(yè)效率，收割機(jī)速度不能太低，駕駛員也不可能通過頻繁使用換擋來改變甘蔗的喂入量。為了避免收割機(jī)出現(xiàn)阻塞，應(yīng)該重點(diǎn)設(shè)計(jì)甘蔗輸送系統(tǒng)的輸送速度和刀盤旋轉(zhuǎn)速度。一般來說，甘蔗導(dǎo)入偏角在25°~65°，因此在設(shè)計(jì)喂入裝置時需要將裝置設(shè)計(jì)成斜置式，刀盤中心線與水平方向呈30°角，輸送裝置與水平方向呈45°角，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.臺架　2. 輸送裝置　3.切割喂入裝置　4.支撐輪　5.推蔗裝置

在甘蔗收割機(jī)設(shè)計(jì)過程中，刀盤切刀的數(shù)目選擇為2~8。因刀片數(shù)目過多會造成重割，刀片數(shù)目少會造成漏割，本次設(shè)計(jì)選定刀片數(shù)為3個，每個刀片之間的角度為60°。為了避免漏割，取刀片的工作長度尺寸為

(6)

其中，L表示刀具的工作長度；Smax表示進(jìn)距的最大值；Zn表示刀片的數(shù)目，Vm≤1.0m/s ，則刀盤的半徑可以表示為

R=Rp-L

(7)

其中，Rp表示圓盤切割器的長度，可以根據(jù)喂入裝置的三維尺寸，建立甘蔗收割機(jī)的虛擬樣機(jī)。利用虛擬仿真軟件對喂入裝置進(jìn)行仿真模擬，從而達(dá)到優(yōu)化喂入裝置的目的。

3提高喂入能力的虛擬仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證喂入裝置的傾斜角度、刀片轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行進(jìn)速度對甘蔗收割機(jī)總體收割效果的影響，利用UG6.0建立了聯(lián)合收獲機(jī)喂入裝置的三維模型，并將模型導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真。仿真總體模型如圖5所示。

1.扶蔗輥　2.甘蔗　3.上壓蔗輥　4.主動喂入輥

甘蔗收割機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括扶蔗輥、上壓蔗輥和主動喂入輥，將三維模型導(dǎo)入ADMAS軟件，其導(dǎo)入界面如圖6所示。

圖6　模型導(dǎo)入界面圖

ADMAS是專業(yè)的虛擬樣機(jī)分析軟件，其兼容性較好，可以導(dǎo)入U(xiǎn)G、Solidworks、CAD等一系列建模軟件設(shè)計(jì)的模型，其模型導(dǎo)入后如圖7所示。

圖7　喂入結(jié)構(gòu)三維結(jié)果部分導(dǎo)入圖

將三維模型導(dǎo)入到Admas軟件后可以對其進(jìn)行一系列的設(shè)置，包括各種接觸參數(shù)、材料設(shè)置、阻尼設(shè)置和摩擦力等，其設(shè)置界面如圖8所示。

圖8　運(yùn)動學(xué)仿真參數(shù)定義

甘蔗在收割機(jī)總的輸送過程主要是利用甘蔗和其他部件間的摩擦力和接觸來完成的，根據(jù)赫茲接觸理論，定義接觸參數(shù)，其界面如圖8所示。其中,Stiffness表示材料剛度的設(shè)定，F(xiàn)orce Exponent表示材料剛度的貢獻(xiàn)指數(shù)定義，Damping表示接觸阻尼的定義。定義完成后可以設(shè)置甘蔗和喂入裝置之間的碰撞，其三維結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　碰撞三維模型

在ADMAS軟件運(yùn)動學(xué)仿真模擬過程中，甘蔗和喂入裝置之間的碰撞需要通過大量的重復(fù)命令來完成。為了降低工作量，提高仿真模擬效率，對于甘蔗和收割機(jī)之間的碰撞，可以利用ADMAS自帶的命令宏來完成。

4仿真結(jié)果分析

根據(jù)前文的分析，甘蔗收割機(jī)的收割效率主要受到喂入裝置傾斜角度、刀片旋轉(zhuǎn)速度和收割機(jī)行進(jìn)速度的影響，因此在仿真模擬是利用這3個條件的變化，對其收割效率進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn).正交實(shí)驗(yàn)的因素水平如表1所示。

利用不同影響因素之間的組合關(guān)系，可以對收割機(jī)的收割效率進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)。得到正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1　甘蔗收割機(jī)正交實(shí)驗(yàn)因素水平表

由表2可以看出:在所有模擬試驗(yàn)中，只有一次的喂入率<90%，不能使用該組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，最佳整稈率組合為A1B2C2，最低損失率和漏割率組合為A2B1C1和A1B3C3，對漏割率進(jìn)行方差分析，得到了如表3所示的計(jì)算結(jié)果。

表3　漏割率方差分析表

F0.05=18,F0.01=98。

表3表示漏割率的方差分析表。由表3可以看出：A和B對漏割率的影響顯著，C對漏割率的影響不顯著。因此，在提高漏割率的設(shè)計(jì)時，可以注重對A和B的設(shè)計(jì)，從而得到最優(yōu)組合。

表4表示損失率的方差分析表。由表4可以看出：C和B對損失率的影響顯著，A對損失率的影響不顯著，因此在提高損失率的設(shè)計(jì)時，可以注重對B和C的設(shè)計(jì)，從而得到最優(yōu)組合。

表4　損失率方差分析表

F0.05=12，F(xiàn)0.01=58。

5結(jié)論

1)為了解決小型收割機(jī)普遍存在的機(jī)械效率低和容易阻塞的問題，提出了喂入裝置傾斜角度、刀片轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行進(jìn)速度的優(yōu)化方案，并設(shè)計(jì)了喂入裝置的主要參數(shù)尺寸。

2)使用UG6.0軟件建立了甘蔗收割機(jī)喂入裝置的三維模型，并將模型導(dǎo)入到了ADMAS軟件進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真；利用正交實(shí)驗(yàn)法對裝置傾斜角度、刀片轉(zhuǎn)速和收割機(jī)行進(jìn)速度對收割機(jī)收割效果進(jìn)行了計(jì)算，得到了顯著性結(jié)果。

3)由顯著性結(jié)果可以看出：只有一次的喂入率小于90%，最佳整稈率組合為A1B2C2，最低損失率和漏割率組合為A2B1C1和A1B3C3；A和B組合對漏割率的影響顯著，C和B組合對損失率的影響顯著。

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Research on Feeding Device of Sugarcane Harvester Based on Virtual Simulation Technology

Sheng Fenhua1, Chen Zujue2

(1.Department of Communication and Information Engineering,Suzhou College of Information Technology,Suzhou 215200, China; 2.School of Computer Science and Telecommunication Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212000, China)

Abstract：Aiming at the problem that the obstruction of the small sugarcane harvester and the mechanical efficiency is low, the optimization scheme of the harvester is put forward. The parameters dimensions of feeding device are designed, and the 3D model of the virtual prototype is established by using UG6.0.The model is imported into ADMAS software,and the simulation experiment is carried out. The results of three kinds of optimization projects are obtained. The results showed that only one feed rate was less than 90%,the best overall rate was A21B2C2, and the lowest loss rate and the rate of leakage cut were A2B1C1 and A1B3C3. The variance analysis of the drain rate and loss rate showed that the effect of B and A on the drain rate was significant, and the effect of B and C on the loss rate was significant. Therefore,the effect of the harvester was optimized in the design process of the harvester.

Key words：sugarcane harvester; virtual prototype; simulation; 3D model; ADMAS software

中圖分類號：S225.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0059-05

作者簡介：盛奮華(1978-)，女，江蘇吳江人，講師，(E-mail) shengfenhua1978@sina.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61203072)；江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐項(xiàng)目(BE2010347)

收稿日期：2015-08-13