摘要：拉力式甘蔗剝?nèi)~機(jī)剝?nèi)~元件合理的作業(yè)參數(shù)可有效改善剝?nèi)~機(jī)構(gòu)剝?nèi)~質(zhì)量，為降低含雜率，建立甘蔗剝?nèi)~過(guò)程仿真模型，采用單因素仿真試驗(yàn)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(cuò)深度）對(duì)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(jìn)行多因素樣機(jī)試驗(yàn)，探究3個(gè)作業(yè)參數(shù)對(duì)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(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證所得含雜率結(jié)果為2.09%。為改善拉力式甘蔗剝?nèi)~機(jī)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(hào)：S233.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(guó)是全球最大的甘蔗種植國(guó)之一［1］。在廣西、廣東和云南的甘蔗產(chǎn)量幾乎占全國(guó)甘蔗總產(chǎn)量的80％［2］。目前我國(guó)甘蔗收獲環(huán)節(jié)機(jī)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(guó)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(jiǎn)單、剝?nèi)~效率較高的優(yōu)點(diǎn)，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(dá)不到糖廠要求等問(wèn)題。

由于剝?nèi)~機(jī)構(gòu)是整稈式甘蔗收獲機(jī)的核心部件，因此剝?nèi)~機(jī)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(guó)甘蔗收獲機(jī)械化進(jìn)程，需要進(jìn)一步探索適合我國(guó)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(wèn)題。

張?jiān)鰧W(xué)［6］分析了梳刷式剝?nèi)~機(jī)的剝?nèi)~機(jī)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(guò)建立甘蔗剝?nèi)~過(guò)程仿真模型，得到了關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)對(duì)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(jī)械損傷影響收獲甘蔗的質(zhì)量。

本文從新的剝?nèi)~機(jī)理進(jìn)行分析，通過(guò)建立甘蔗剝?nèi)~仿真模型進(jìn)一步分析蔗葉和剝?nèi)~元件的相互作用過(guò)程、二者的應(yīng)力變化情況。在仿真分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行田間剝?nèi)~試驗(yàn)，研究剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~角度、輥筒中心距對(duì)剝?nèi)~率的影響，并優(yōu)化這三個(gè)參數(shù)，為提高拉力式甘蔗剝?nèi)~機(jī)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(jī)構(gòu)

拉力式剝?nèi)~機(jī)構(gòu)由喂入輥筒、風(fēng)機(jī)、剝?nèi)~輥筒、輸出輥筒、動(dòng)力及控制系統(tǒng)、傳動(dòng)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(jī)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(guò)對(duì)蔗葉施加徑向拉力實(shí)現(xiàn)剝?nèi)~，如圖2所示。

在風(fēng)機(jī)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(duì)于拉力式甘蔗剝?nèi)~方法，為提高剝?nèi)~效果，要使甘蔗進(jìn)入剝?nèi)~箱后，蔗葉能被吹入剝?nèi)~輥筒對(duì)之間且被剝?nèi)~元件夾持?。恍枰ＷC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(jī)構(gòu)仿真模型建立及求解分析

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

選擇桂糖-44號(hào)甘蔗的蔗葉作為試驗(yàn)對(duì)象。選擇長(zhǎng)勢(shì)良好，高和蔗莖直徑相似的甘蔗，取生長(zhǎng)點(diǎn)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(yàn)樣本，如圖3所示。

采用UTM5105X電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)兩種樣本分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，計(jì)算出樣本拉伸破壞時(shí)的最大抗拉強(qiáng)度，最大變形量和最大彈性模量等參數(shù)。由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可知，甘蔗葉片最大抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(shí)刻的情況，此時(shí)風(fēng)機(jī)不會(huì)對(duì)剝?nèi)~效果產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)單片蔗葉進(jìn)行分析研究，可以簡(jiǎn)化研究對(duì)象、減少工作量。因此本文將剝?nèi)~模型簡(jiǎn)化為一組剝?nèi)~輥筒對(duì)、一片蔗葉和一根蔗莖。

參考實(shí)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(hào)鋼，其屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)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(guò)材料截面指派，輸入到對(duì)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(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，設(shè)置蔗葉長(zhǎng)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(guò)失效條件時(shí)，自動(dòng)刪除該單元，模擬蔗葉的斷裂。

本文研究的剝?nèi)~過(guò)程屬于分析幾何非線性和蔗葉動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)材料失效的問(wèn)題，故使用顯示動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行剛性約束。動(dòng)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(jìn)行運(yùn)算求解。

2.4 仿真模型結(jié)果分析

在剝?nèi)~仿真過(guò)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(jì)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(guò)程如圖5所示。當(dāng)t=0.89 s時(shí)，蔗葉根部開始斷裂，t=0.91 s時(shí)，蔗葉到達(dá)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(shí)，蔗葉完全脫落，剝?nèi)~過(guò)程結(jié)束。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 單因素仿真試驗(yàn)分析

為了分析剝?nèi)~角度、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、交錯(cuò)深度對(duì)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(gè)因素之間沒有交互作用，以剝?nèi)~過(guò)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(jìn)行單因素試驗(yàn)。

在考慮剝?nèi)~角度對(duì)蔗葉最大應(yīng)力的影響時(shí)，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(duì)蔗葉最大應(yīng)力的影響時(shí)，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(cuò)深度對(duì)蔗葉最大應(yīng)力的影響時(shí)，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(gè)單因素試驗(yàn)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(shí)應(yīng)力最小，說(shuō)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(yàn)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(shí)，蔗葉與剝?nèi)~元件發(fā)生相對(duì)位移，當(dāng)中心距為65 mm時(shí)，蔗葉中部發(fā)生斷裂情況，說(shuō)明中心距為65 mm和85 mm時(shí)，最大應(yīng)力過(guò)大或過(guò)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(shuō)明轉(zhuǎn)速越高，剝?nèi)~元件對(duì)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(shí)，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(shuō)明不能盲目增大剝?nèi)~輥筒速度，剝?nèi)~輥筒速度過(guò)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(guò)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(duì)甘蔗剝?nèi)~效果均有顯著影響，但3個(gè)因素對(duì)剝?nèi)~效果的影響并非簡(jiǎn)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(guò)多因素樣機(jī)試驗(yàn)做進(jìn)一步研究。

3.2 多因素樣機(jī)試驗(yàn)研究

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

試驗(yàn)對(duì)象為柳州市雒容鎮(zhèn)秀水村桂中農(nóng)場(chǎng)的桂糖-42號(hào)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(jìn)行試驗(yàn)。

甘蔗從根部切斷后送入剝?nèi)~裝置進(jìn)行剝?nèi)~，試驗(yàn)時(shí)每次喂入3根甘蔗，每組試驗(yàn)做10次。含雜率Y的計(jì)算如式（1）所示。含雜率越低，表示該試驗(yàn)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(jī)械剝?nèi)~后帶有殘留雜質(zhì)的甘蔗總質(zhì)量。

該試驗(yàn)在單因素試驗(yàn)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(yàn)因素，以含雜率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用Box-Behnken方案進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn)，因素水平編碼表如表2所示，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)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(guò)Design-Expert11.0軟件得到評(píng)價(jià)指標(biāo)含雜率與自變量的二次多項(xiàng)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(xiàng)的P值gt;0.05，說(shuō)明模型失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。由3個(gè)自變量的P值可判斷剝?nèi)~角度對(duì)含雜率有極顯著影響，剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速對(duì)剝?nèi)~率有顯著影響。試驗(yàn)因素對(duì)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(duì)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(guò)程中，含雜率隨著中心距增加，出現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；中心距由70 mm增加到80 mm的過(guò)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(duì)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(guò)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(shì)；剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速由112 r/min增加到136 r/min的過(guò)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(duì)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(guò)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(shì)；中心距由70 mm增加到80 mm的過(guò)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(shì)。

運(yùn)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(yàn)驗(yàn)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(yàn)因素，以含雜率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)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(shí)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(guò)單因素仿真試驗(yàn)，以剝?nèi)~過(guò)程最大應(yīng)力與蔗葉是否從根部斷裂為前提，對(duì)剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輥筒中心距、剝?nèi)~角度3個(gè)因素進(jìn)行初步優(yōu)選，確定參數(shù)范圍。

2） 針對(duì)優(yōu)選值附近區(qū)域多因素樣機(jī)試驗(yàn)，運(yùn)用試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design-Expert設(shè)計(jì)試驗(yàn)，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(xiàng)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(jī)試驗(yàn)所得含雜率結(jié)果為2.09%。

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