基于ADAMS的甘蔗物流排雜裝置虛擬試驗研究

解福祥, 區穎剛， 劉慶庭， 宋 健

(1. 濰坊學院 機電與車輛工程學院， 山東 濰坊 261061；2. 華南農業大學 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室， 廣州 510642)

0 引 言

甘蔗是我國主要的糖料作物,目前我國甘蔗生產全程機械化水平不高，甘蔗收獲技術是阻礙甘蔗生產全程機械化發展的關鍵環節[1-2]。國內外主要針對甘蔗收獲機的切割[3-4]、喂入[5-7]、剝葉[8]斷尾[9]和排雜[10-12]等關鍵技術進行了研究。

目前大多文獻對于甘蔗和玉米收獲機通過虛擬樣機技術進行仿真分析[13-16]，對于物流排雜裝置各部件扭矩的研究還不多。本文研究甘蔗收獲機內物流問題主要是研究甘蔗在喂入、輸送、剝葉和排雜等工序。針對物流排雜裝置的各部件進行了虛擬試驗研究，分別對每個組成部分進行虛擬單因素試驗，觀察甘蔗在物流排雜裝置中的運動情況，通過虛擬試驗測得各部件的扭矩，并對虛擬試驗結果進行物理試驗驗證，為甘蔗收獲機的整機設計提供依據。

1 物流排雜裝置結構與工作原理

物流排雜裝置虛擬樣機主要由喂入滾筒、上輸送滾筒、下前輸送滾筒、剝葉滾筒、下后輸送滾筒等組成。喂入滾筒由上下滾筒等組成，如圖1所示。上輸送滾筒主要由上前部輸送滾筒、上風機外圈滾筒、上雜質分離滾筒和上后部輸送滾筒等組成。下前輸送滾筒主要由下前部輸送滾筒和下風機外圈滾筒等組成。剝葉滾筒由上下滾筒等組成。下后輸送滾筒由下雜質分離滾筒和下后部輸送滾筒等組成。

1-上喂入滾筒, 2-上前部輸送滾筒, 3-甘蔗葉, 4-上剝葉滾筒, 5-上風機外圈滾筒, 6-雜質與蔗葉, 7-上雜質分離滾筒, 8-甘蔗, 9-上后部輸送滾筒, 10-下后部輸送滾筒, 11-下雜質分離滾筒, 12-下風機外圈滾筒, 13-下剝葉滾筒, 14-下前部輸送滾筒, 15-下喂入滾筒

圖1 物流排雜裝置工作原理圖

甘蔗首先被上下喂入滾筒相互作用喂入到物流通道內，通過上下前部輸送滾筒將甘蔗喂入到剝葉滾筒進行剝葉，然后通過上下風機外圈滾筒繼續向后輸送，同時風機提供足夠風力，直到上下雜質分離滾筒，此時通過雜質分離滾筒的反向旋轉，并與風機共同作用將雜質與甘蔗葉一起排出，最后甘蔗通過上下后部輸送滾筒繼續輸送。

2 虛擬試驗

2.1 建模假設條件

由于在物流排雜過程中，主要研究的是甘蔗的物流運動問題，因此忽略甘蔗本身的受力變形情況。在甘蔗與物流排雜裝置運動學虛擬樣機模型中采用以下幾個假設條件：

(1) 忽略甘蔗自身形變。

(2) 甘蔗模型為通直勻質的等截面圓柱體。

(3) 物流排雜裝置中各部件均作為剛體進行建模，忽略各部件的自身形變。

2.2 試驗材料、設備和方法

利用ADAMS軟件技術研究甘蔗在物流排雜裝置中運動情況。選取甘蔗為虛擬試驗材料，對物流排雜裝置虛擬樣機進行試驗。在虛擬樣機中各關鍵部件模型參數設置如圖2所示。

2.3 虛擬試驗設計

選取喂入滾筒轉速、輸送滾筒轉速、剝葉滾筒轉速、風機外圈滾筒轉速、雜質分離滾筒轉速等5個因素作為試驗因素，因素與水平設計如表1所示，喂入滾筒中心距為340 mm、輸送滾筒中心距為310 mm、剝葉滾筒中心距為280 mm、風機外圈滾筒中心距為300 mm、雜質分離滾筒中心距為280 mm，以各滾筒的扭矩為試驗指標進行虛擬試驗，每次喂入1根甘蔗。

表1 試驗各因素與水平表

2.4 虛擬試驗結果與分析

2.4.1喂入裝置

圖3為喂入滾筒虛擬試驗圖像(以甘蔗被喂入滾筒喂入開始記為t=0.000 s)。甘蔗開始被喂入滾筒喂入(0.000 s)，此時甘蔗發生跳動(0.175 s)，并且在運動過程中產生滑動和滾動。

表2和圖4為喂入滾筒扭矩虛擬試驗結果。虛擬試驗表明，隨著喂入滾筒轉速逐漸增加，喂入滾筒扭矩逐漸增大。當轉速為100 r/min時，效果最佳，此時上滾筒扭矩為5.63 N·m，下滾筒扭矩為2.13 N·m。

表2 喂入滾筒虛擬試驗結果

2.4.2輸送裝置

圖5為輸送滾筒虛擬試驗圖像(以甘蔗被輸送滾筒輸送開始記為t=0.208 s)。甘蔗開始被輸送滾筒輸送(0.208 s)，此時甘蔗在運動過程中發生跳動、滑動和滾動(0.500 s)。表3和圖6為輸送滾筒扭矩虛擬試驗結果。虛擬試驗表明，隨著輸送滾筒轉速逐漸增加，輸送滾筒扭矩逐漸增大。當轉速為100 r/min時，效果最佳，此時上滾筒扭矩為10.26 N·m，下滾筒扭矩為8.53 N·m。

100 r/min

200 r/min

300 r/min

圖4 喂入滾筒扭矩虛擬試驗結果

100 r/min

200 r/min

300 r/min

圖6 輸送滾筒扭矩虛擬試驗結果

2.4.3剝葉裝置

圖7為剝葉滾筒虛擬試驗圖像(以甘蔗被喂入滾筒喂入開始記為t=0.000 s)。甘蔗開始被剝葉滾筒剝葉(0.000 s)，此時甘蔗在運動過程中發生跳動、滑動和滾動(0.410 s)。表4和圖8為剝葉滾筒扭矩虛擬試驗結果。虛擬試驗表明，隨著剝葉滾筒轉速逐漸增加，剝葉滾筒扭矩逐漸增大。當轉速為1 300 r/min時，效果最佳，此時上滾筒扭矩為127.51 N·m，下滾筒扭矩為103.61 N·m。

圖8 剝葉滾筒扭矩虛擬試驗結果

2.4.4風機外圈輸送滾筒

圖9為風機外圈輸送滾筒虛擬試驗圖像(以甘蔗被喂入滾筒喂入開始記為t=0.000 s)。甘蔗開始被輸送到風機外圈輸送滾筒(0.000 s)，此時甘蔗在運動過程中產生跳動、滑動和滾動(0.500 s)。表5和圖10為風機外圈輸送滾筒扭矩虛擬試驗結果。虛擬試驗表明，隨著風機外圈輸送滾筒轉速逐漸增加，風機外圈輸送滾筒扭矩逐漸增大。當轉速為100 r/min時效果最佳，此時上滾筒扭矩為0.59 N·m，下滾筒扭矩為0.39 N·m。

轉速/(r·min-1)上滾筒扭矩/(N·m)下滾筒扭矩/(N·m)1002003000.592.392.450.390.751.05

100 r/min

圖10 風機外圈輸送滾筒扭矩虛擬試驗結果

2.4.5雜質分離滾筒

圖11為雜質分離滾筒虛擬試驗圖像(以甘蔗被雜質分離滾筒分離開始記為t=0.000 s)。甘蔗開始被雜質分離滾筒分離(0.000 s)，此時甘蔗發生跳動(0.800 s)，并且在運動過程中產生滑動和滾動。表6和圖12為雜質分離滾筒扭矩虛擬試驗結果。虛擬試驗表明，隨著雜質分離滾筒轉速逐漸增加，雜質分離滾筒扭矩逐漸增大。當轉速為100 r/min時效果最佳，上滾筒扭矩為10.7 N·m，下滾筒扭矩為6.82 N·m。

各部件虛擬試驗表明，由于甘蔗在物流排雜裝置中，發生跳動，并且在移動過程中產生滑動和滾動，隨著喂入、輸送、剝葉、風機外圈輸送滾筒轉速增加，甘蔗在運動過程中的運動速度并不是逐漸增大。雜質分離滾筒轉速增加，甘蔗在前進方向的速度逐漸減小。隨著喂入、輸送、剝葉、風機外圈輸送、雜質分離滾筒轉速增加，甘蔗與各對滾筒的作用力逐漸增大，各對滾筒的扭矩亦逐漸增大。各對滾筒的扭矩分別為：5.63N·m，2.13 N·m；10.26 N·m，8.53 N·m； 127.51 N·m，103.61 N·m； 0.6 N·m，0.39 N·m； 10.7N·m，6.82 N·m。

表6 雜質分離滾筒虛擬試驗結果

圖12 雜質分離滾筒扭矩虛擬試驗結果

3 驗證試驗

在物流排雜裝置虛擬試驗的基礎上，進一步測試各部件的扭矩，驗證虛擬試驗結果。

3.1 試驗設備、材料和方法

試驗在華南農業大學工程學院機械加工訓練中心進行。物流排雜裝置試驗臺由48 kW拖拉機提供動力。其他設備有光電式轉速測試儀、數碼相機、JN338智能數字式轉矩轉速傳感器(量程200 N·m，準確度0.5級)、筆記本電腦等。試驗材料采用湛江農墾廣墾農機服務公司試驗基地種植的甘蔗，品種為“新臺糖16”，試驗選用的甘蔗要求無病蟲害。

3.2 試驗設計

選取喂入滾筒轉速、上輸送滾筒轉速、下前輸送滾筒轉速、剝葉滾筒轉速和下后輸送滾筒轉速等5個因素作為試驗因素，剝葉滾筒選取900 r/min、1 100 r/min和1 300 r/min 3個水平，其余滾筒選取100 r/min、200 r/min和300 r/min 3個水平，以各部件的扭矩為試驗指標，對1根甘蔗喂入進行試驗。試驗重復10次，取平均值。

3.3 試驗結果與分析

各部件扭矩試驗結果如圖13所示。當1根甘蔗喂入，轉速為100 r/min時，喂入滾筒扭矩為9 N·m，標準差為2；上輸送滾筒扭矩為9 N·m，標準差為1；下前輸送滾筒扭矩為13 N·m，標準差為4；下后輸送滾筒扭矩為6 N·m，標準差為1；轉速為200 r/min時，喂入滾筒扭矩為10 N·m，標準差為3；上輸送滾筒扭矩為16 N·m，標準差為1；下前輸送滾筒扭矩為13 N·m，標準差為0；下后輸送滾筒扭矩為6 N·m，標準差為1；轉速為300 r/min時，喂入滾筒扭矩為9 N·m，標準差為2；上輸送滾筒扭矩為15 N·m，標準差為2；下前輸送滾筒扭矩為16 N·m，標準差為1；下后輸送滾筒扭矩為9 N·m，標準差為4；1根甘蔗喂入，剝葉滾筒轉速為900 r/min時，扭矩為15 N·m，標準差為2；轉速為1 100 r/min時，扭矩為13 N·m，標準差為2；轉速為1 300 r/min時，扭矩為14 N·m，標準差為2。

圖13 各部件轉速/(r·min-1)扭矩試驗結果

4 結 語

(1) 設計了一種物流排雜裝置虛擬樣機，主要由喂入滾筒、上輸送滾筒、下前輸送滾筒、剝葉滾筒、下后輸送滾筒等組成。

(2) 虛擬試驗表明，甘蔗在物流排雜裝置中，發生跳動，并且在運動過程中產生滑動和滾動。隨著喂入、輸送、剝葉、風機外圈輸送、雜質分離滾筒轉速增加，滾筒的扭矩逐漸增大。在最佳參數組合下，各對滾筒的扭矩分別為：5.63 N·m，2.13 N·m；10.26 N·m，8.53 N·m； 127.51 N·m，103.61 N·m； 0.6 N·m，0.39 N·m； 10.7 N·m，6.82 N·m。

(3) 驗證試驗表明，在正交試驗最佳參數組合下，剝葉滾筒轉速為1 300 r/min時，扭矩為14.43 N·m。其余滾筒轉速為100 r/min時，喂入滾筒扭矩為9.33 N·m，上輸送滾筒扭矩為9.71 N·m；下前輸送滾筒扭矩為13.00 N·m；下后輸送滾筒扭矩為5.82 N·m。在各部件中，剝葉滾筒所受的扭矩最大，與虛擬試驗結果一致。