基于仿真技术的甘蔗收割机喂入装置分析

赵亚锋 纪道松 杨晓峰

摘要：甘蔗收获机械的喂入装置在使用中很容易堵塞，从而影响收获的效率。通过设计一种新式的喂入装置解决了这个问题，并使用仿真技术对其展开仿真分析，对它的某些信息和通过性进行模拟仿真和研究分析，从而对其可行性展开验证。

关键词：仿真技术;甘蔗收割机;喂入装置

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.01.093

甘蔗的产地大部分是丘陵地区，种植面积一般很小，这使得在甘蔗自动化收割的过程中，无法使用大型的收割机械。所以，目前甘蔗的收割大部分还是通过小型收割机进行作业，在小型收割机收割的过程中，出现得最多的问题就是效率太低和堵塞严重，这大大妨碍了甘蔗收割机的使用和推广。为了增强甘蔗收割机的效率，本文分析了多种因素对甘蔗收割的影响，使用模拟仿真的方式，对各个影响因素展开了模拟仿真计算。

1喂入装置的设计

甘蔗联合收割机由断尾、传输、喂入、砍蔗等部分构成，喂入装置作为连接以上模块的纽带，有着重要的作用。本文喂入构件是由单独的耙轮和三个柔软的耙齿组成，三个耙齿位耙筒外部，呈梯形结构，且耙轮的内部是中空的，这种组成能够使其对甘蔗的破坏程度降到最小，并能使整个流程更加顺利的进行。耙齿使用的弹性材料硬度较大，其里面镶嵌着弹簧，以确保有一定的弹性与刚性，并拥有较好的耐磨性，从而提升其使用寿命。使用时，砍断的甘蔗会通过两柔性耙齿，被喂入输送机构。

2喂入装置的仿真分析

使用Pro/E进行三维建模，组成喂入构件的每一个部分的模型，在它的装配模式下展开装配。使用软件ADAMS的接口MECH/Pro与Pro/E，把组装成功的喂入构件模型加入到ADAMS内，并 加以相对的约束条件，进行仿真设计。

在加入约束条件时，耙齿和甘蔗之间contact约束的数值十分重要。通过多次的仿真实验，根据耙齿和甘蔗自身的特点，同时按照使用说明书中的信息，选用尼龙对尼龙的数据。

因为甘蔗本身拥有一定的柔软性，因此为了在仿真时较好的模拟甘蔗，把甘蔗模型分成两部分，每部分之中加入Bushing约束，其信息依照对甘蔗进行的测量结果来认定。

耙齿运用一些硬度较强的弹性材料构成，在仿真时，为了表现出耙齿的柔软性，在滚筒和耙齿相连出进行Bushing连接，其扭转刚度数值K表现的是耙齿的柔软程度，对于甘蔗的喂入能力影响较大，因此十分重要。

2.1仿真分析第一步

甘蔗机械的预估收获速度达到了至少4小时/吨，依照甘蔗的种植情形，如果用平均5小时1吨的速度展开计算，那么甘蔗的密度为1100kg/m，平均长度是3000mm，平均直径是30mm。计算显示，如果一小时需要通过的甘蔗有2200根，一次最多两个同时通过，则一小时输送部件的线速度达到了

V=3213m/h=892.5mm/s

若将耙轮输送甘蔗的夹持点在半径是200mm的圆内，同时耙齿与甘蔗之间无滑动，那么耙的角速度达到了：

ω=V/R=4.481 rad/s

换算成转速达到了：

n =ω/2π=0.71 r/s

耙齿和甘蔗之间的摩擦数值与尼龙对尼龙的摩擦值相同，它的值为：μs=0.13，μd=0.09。先去滚筒与耙齿间的Bushing相连的X方向的扭转刚度数值K=3000N·mm/deg。以以上的数值为基础，对喂入时的状况进行仿真。再根据仿真结果画出的曲线得到甘蔗的输出速度达到了V2=697.3mm/s，相比于之前预估的运输速度V=892.5mm/s要低得多，因此能够推算出仿真时耙齿与甘蔗中间存在滑动。

2.2增加转速和修改刚度值仿真分析

要得到设计时的传输能力，需要更改Bushing相连的刚度K值和辊轮转动的速度。初始一步需要改变辊轮的转动速度，使其增加10%，得出n=0.71×110%=0.78 r/s;第二步，进行仿真，画出相应的曲线。根据仿真的曲线算出甘蔗的V2=755.5mm/s，比之前上升了8.3%;第三步，更改耙齿相连Bushing的刚度数值K。同时增加或减少K值10%，得到K=3300N·mm/deg和K=2700N·mm/deg，之后再进行仿真;最后算出其速度依次达到V2=670.7mm/s和V2=770mm/s，

相比于原值分别下降或者增多了3.8%和10.4%。

2.3結论

根据前面的仿真结果可以得出，增强Bushing的刚度数值K无法提升甘蔗的运输速度，而提升耙轮的转动速度或者下调K值都能够提升甘蔗的运输速度。只是相比于提升耙轮的转动速度，在更改都达到10%的情况下，降低刚度K后甘蔗物流的速度上升更加明显。因此我们能够推断出，使用的弹性材料的硬度要稍小，运输的效果才会更佳。因此能够通过减弱Bushing相连的刚度数值K，从而得到一个较好的K值，能够达到设计的物流运输速度需求。

3结语

综上所述，本文通过分析喂入装置的功能，实现对喂入装置的设计，并使用模拟仿真的技术对装置展开了仿真研究，验证了该设计的可行性。同时在多种实验下，分析了不同因素对喂入能力的作用及影响，并得出该喂入装置组成简单，容易实现的结论，从而能够有效解决甘蔗堵塞的问题。

参考文献

[1]司磊，胡东方.基于虚拟样机的甘蔗收割机喂入装置研究[J].中国农机化学报，2013，34（05）：123-126.

[2]盛奋华，陈祖爵.基于虚拟仿真技术的甘蔗收割机喂入装置研究[J].农机化研究，2016，38（09）：59-63.