甘蔗收获机切割喂入系统的改进分析与试验研究——硕士论文

硕士 甘蔗收获机切割喂入系统的改进分析与试验研究 甘蔗收获机切割喂入系统的改进分析与试验研究 年 月分类号 密级 UDC 专业硕士学位论文甘蔗收获机切割喂入系统的改进分析与试验研究 学科专业 机械工程 指导教师 教授 论文答辩日期 学位授予日期 答辩委员会主席 论文评阅人 广西大学学位论文原创性和使用授权声明本人声明所呈交的论文，是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得广西大学或其它单位的学位而使用过的材料。与我一同工作的同事对本论文的研究工作所做的贡献均已在论文中作了明确说明。本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属广西大学。本人授权广西大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权保存并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本学位论文属于：保密，在 2019 年解密后适用授权。不保密。 (请在以上相应方框内打“”)论文作者签名： 日期：2016.12.14.指导教师签名： 日期：2016.12.14. 作者联系电话电子邮箱：821904012 甘蔗收获机切割喂入系统的改进分析与试验研究摘 要本文以本课题组自主研发的第二代样机为研究对象，对甘蔗切割喂入系统进行结构改进，以期降低甘蔗堵塞率和宿根破头率。本文研究的主要内容包括如下：1）对甘蔗收获机及切割喂入系统做了简要介绍后，提出摩擦输送力是影响甘蔗堵塞的主要因素，刀盘质量的不平衡是引起切割器振动的主要因素之一。为后续切割喂入系统的研究提供理论指导。2）通过仿真模拟分析与试验研究手段，验证了切割器螺旋提升机构的摩擦系数等因素对甘蔗物流堵塞的影响，并从动力学角度探讨了刀盘减振的原理，同时指出现有喂入系统齿轮箱设计存在缺陷所导致的喂入系统处甘蔗易堵塞的问题，继而提出对切割喂入系统的改进措施。3）对改进后的切割喂入系统进行ADAMS 仿真分析，针对切割器螺旋提升机构的改进分析，仿真结果表明，改进后的切割器螺旋提升机构使甘蔗在螺旋上的滞留时间缩短了39.2%，对甘蔗的最大输送力提高了36%；针对喂入系统的改进分析，仿真结果表明，改进后的喂入辊使甘蔗在螺旋提升机构上的滞留时间较原来缩短了35.9%，对甘蔗的最大径向作用力比齿轮箱降低了86%，甘蔗更易进入物流通道，其输送性能得到明显改善；仿真试验也表明适当提高喂入辊转速有利于降低甘蔗收获机的堵塞率。4）对改进前后的切割器螺旋提升机构做了物理试验分析，结果表明，相比原系统，在刀盘最佳转速700 r/min时甘蔗滞留时间缩短了37.6%，振幅减小了60%，验证了仿真结果的正确性，同时刀盘振幅的大幅降低提高了刀盘的动平衡特性。通过正交试验发现，螺旋头数对刀盘振动有显著性影响，螺旋头数、刀盘转速和甘蔗进给速度对滞留时间有显著性影响；最优参数定为：螺旋头数为3头，刀盘转速为700 r/min，甘蔗进给速度为0.3 m/s. 本文为后期试验平台的搭建和物理样机的开发提供了参考依据。关键词：甘蔗收获机 切割喂入系统 仿真试验 振动 滞留时间 IMPROVED ANALYSIS AND EXPERIMENTAL RESEARCH ON CUTTING FEEDING SYSTEM OF SUGARCANE HARVESTER ABSTRACTIn this paper, the second generation prototype machine developed by our research group is used as the research object to improve the sugarcane cutting and feeding system in order to reduce the sugar cane jamming rate and the root breaking rate. The main contents of this paper are as follows:1. After briefly introducing the sugarcane harvester and cutting and feeding system, the fact that the frictional conveying force is the main factor affecting the jam of sugarcane and the unbalance of cutter quality is the main factor that causes the unbalance of cutter is put forward, which can provide a theoretical guidance for the research of the following cutting feeding system.2. The influence of the friction coefficient.etc of spiral lifting mechanism of the cutter on sugarcane logistics blockage has been verified by simulation analysis and experimental research. The principle of cutter head vibration reduction is discussed from the view of dynamics. At the same time, it is pointed out that the sugarcane jam is easy to be blocked in the feeding system which is produced by the faultiness of the design of the existing gear box of feeding system, and then proposing the improvement measures of cutting and feeding system. For the spiral lifting mechanism of the cutter, the number of helix has been changed from 2 to 3; 4, After improving, it makes the distribution of quality of the spiral more uniform,the dynamic balance more stable, the vibration of the cutter reduced, while the spiral makes more effect on the sugarcane in unit time,the logistics transportation of sugarcane is more unobstructed); for feed system, the gear box has been changed into feeding roller, and the shafts of two cutters were driven by a pair of reversed synchronous rotating hydraulic synchronous motor. The improved feeding system can expand the logistics channel of cutting transmission mechanism. Meanwhile, the negative resistance of the sliding friction produced by the gear box while working on the sugarcane is converted into the driving force of the positive rolling friction produced by the feeding roller while working on the sugarcane. The trapezoidal tooth on feeding roller can not only play the role of clamping and conveying sugarcane, but also envelope sugarcane and increase the contact surface between the sugarcane and feeding roller，which increases the dynamic friction of sugarcane.3. The improved cutting feeding system is analyzed by using the the ADAMS simulation. 1) The results, regarding to the improving analysis of spiral lifting mechanism of the cutter, have shown that the improved screw feeding system can shorten the residence time of the sugarcane on the spiral in 39.2%, and the maximal conveying capacity of the sugarcane is improved in 36%; 2) As for the feeding system, the results of simulation showed that the improved feeding roller can shorten the residence time of sugarcane on the screw lifting mechanism in 35.9%, and the maximum radial force on the sugarcane is lower than that of the gear box 86%, that is to say, the sugarcane was more easily to skid into the logistics channel, and the conveying speed is faster with backward transport distance farther. The transmission performance is improved significantly, which can effectively suppress the plugging problem of the feeding system and play a disproof role of the test about the measurement result of the motor pressure of the cutter; simulation test also showed that the appropriate increasing of the rotation speed in feeding roller is conducive to reducing the plugging rate of sugarcane harvester.4. Physical tests were performed on the cutting feeding system of daopanluoxuan mechanism before and after the improving, and the results show that, comparing to the original system, the residence time of sugarcane is reduced in 37.6%, and the amplitude is reduced by 60% under the optimal rotational speed of 700 r/min. It is proved that the simulation results are correct and the greatly reducing of the amplitude of cutting disc is an effective and feasible way to improve the dynamic balanced characteristic of the cutter head and the cutting quality, and reduce the breakage rate of the perennial root. The results of the orthogonal test showed that the number of screw heads had significant effect on the vibration of the cutter head, and the number of screw heads, the speed of cutter head and the feed speed of sugarcane had significant influence on the residence time. The optimal parameters are as follows: the number of screw heads is 3, the rotational speed of cutter head is 700r/min and the feed speed of sugarcane is 0.3 m/s. This paper provides the reference for the construction of post-test platform and the development of physical prototype.KEY WORDS: Sugarcane harvester; Cutting conveying system; Simulation test; Vibration; Residence time目 录摘 要IABSTRACTIII符号说明IXX第一章 绪论11.1课题的来源及主要任务11.2课题研究的目的及意义11.3国内外的研究现状及趋势21.3.1国外甘蔗收获机的研究现状21.3.2国内甘蔗收获机的研究现状31.4甘蔗收获机切割喂入系统研究现状41.4.1国外切割喂入系统的研究现状41.4.2国内切割喂入系统的研究现状41.5本文的研究内容41.6本文的研究思路及方法51.7本章小结6第二章 甘蔗切割输送机理的理论分析72.1 整秆式甘蔗收获机的结构及工作原理72.2 甘蔗切割喂入系统堵塞分析82.2.1切割器螺旋提升机构结构及原理92.2.2切割器螺旋提升机构的堵塞机理分析92.2.3喂入系统结构与工作原理102.3 甘蔗切割喂入系统振动分析112.3.1切割器空载时力学性能分析122.3.2不平衡与切割器的力学性质132.3.3切割器振动的基本特性172.3.4切割器自身振动的其他影响因素212.4 本章小结22第三章 甘蔗切割喂入系统存在的问题及改进分析233.1切割喂入系统存在的问题233.1.1切割器螺旋提升机构物流仿真分析233.1.2切割器螺旋提升机构物流试验分析243.1.3现有喂入系统结构存在的问题253.1.4喂入系统物流仿真分析263.1.5喂入系统物流试验分析273.2切割器螺旋提升机构的改进283.2.1切割器螺旋提升机构针对物流的改进分析283.2.2切割器螺旋提升机构针对振动的改进分析293.2.3切割器螺旋提升机构的改进303.3喂入系统的改进303.4本章总结32第四章 甘蔗切割喂入系统的仿真334.1建模软件SolidWorks及仿真软件Adams介绍334.2虚拟样机模型的建立334.2.1ADAMS仿真流程334.2.2甘蔗柔性体模型的建立344.2.3甘蔗切割喂入系统仿真模型的建立364.3螺旋提升机构改进前后物流仿真试验384.3.1仿真目的384.3.2试验设计与安排384.3.3仿真试验结果与分析384.4喂入系统改进前后仿真试验414.4.1仿真目的414.4.2试验设计与安排414.4.3仿真试验结果与分析424.5本章小结44第五章 甘蔗切割喂入系统的试验455.1高速摄影技术455.2 激光位移传感器475.3 甘蔗收割机试验平台上的试验研究485.3.1试验目的485.3.2试验指标485.3.3试验设备和材料485.3.4试验方法与内容495.3.5试验结果与分析505.4 切割喂入系统各因素的试验研究525.4.1甘蔗进给速度的单因素试验525.4.2螺旋头数与刀盘转速的单因素试验535.4.3正交试验545.5 本章总结56第六章 总结与展望576.1总结576.2展望58参考文献60附录65致谢66攻读学位期间的学术成果67符号说明符号意义单位或量纲Ff螺旋对甘蔗产生的摩擦力Nt螺旋对甘蔗产生作用力的时间sm0甘蔗质量kgv1甘蔗在螺旋提升机构的初速度m/sv2甘蔗在t时刻的初速度m/sF离心力NM切割器质量kge偏心距m切割器旋转的角速度rad/s轴和轴绕x轴的倾斜角度r切割器做振摆运动的回转半径mm1偏心质量kgh偏心质量m1沿刀轴轴线方向上离质心距离m点处的总挠度m点处的总转角度Fe弹性力Nk刀轴的刚度系数N/mIX广西大学专业学位硕士论文 甘蔗收获机切割喂入系统的改进分析与试验研究第一章 绪论1.1课题的来源及主要任务本课题来源于国家自然科学基金项目“复杂激励作用下甘蔗收获机切割系统振动性能”（项目批准号：51465006）；广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室项目“驱动动力源激励对甘蔗收获机切割系统振动性能的研究”（合同编号：GXLH2014KF-04）。1.2课题研究的目的及意义目前，广西作为中国甘蔗最大的生产基地，无论是在种植面积上，还是在生产总量上都稳居全国之首1。据统计，广西地区甘蔗常年种植面积已达100万hm2以上、总产量约7500万吨，占全国的60%以上2-5。但放眼全球，我国甘蔗生产成本相对较高，市场竞争力低下，蔗糖产业受到严厉冲击，究其缘由，主要是甘蔗机械化生产水平的制约。目前广西综合机械化水平达50%以上，但甘蔗耕、种、收机械化水平非常不平衡，其中机耕率超过90%，机收率仅约1%，而甘蔗收获是甘蔗整个生产过程（整地、种、管、收）中劳力投入最多、劳动强度最高、用功量最大的环节，约占总用工量的60%以上6-8。据业内人士指出，劳动强度大、成本高、机械化程度低是制约广西蔗糖产业发展的瓶颈。从甘蔗实际收获情况来看，1 台收获机可以替代80 个劳动力，人工收割成本为140 元/t，而机器收割可将成本降至80 元/t，同时一定程度上缓解了劳动力紧缺的问题9。如此可观的效益，按理说广西早应开始推广普及，而不是现在仍以人工收割为主的局面，分析原因主要体现在以下几个方面10-13： （1）地理环境及社会因素。广西蔗区以丘陵地貌为主，地势高低不平，农田基本建设条件差，蔗地经营分散，而且种植行距不一（机收行距要求1.2 m，蔗农种植行距0.91.0 m），同时60%以上的蔗地不适合全程机械化作业。 （2）影响甘蔗收获机械化的农艺因素。不同地区存在不同的自然条件，甘蔗种植习惯存在一定差异，在引进收获机械时不能准确考虑当地甘蔗的实际生产情况，同时蔗农认为“农艺+农机”的种植技术比不过传统的种植模式，导致全程机械化生产链脱节。 （3）收获机械性能。现今，国产收获机械还处于研发试验阶段，机具稳定性不高；进口机器虽实用可靠，但机型庞大，很难适应本土地形，而且价格昂贵，投资回收周期长（一般需4年以上）。 本课题立足于国内甘蔗收获机械化程度不高的问题，研发出具有自主知识产权的、适于广西丘陵地区的小型整秆式甘蔗收获机，以解决甘蔗收割时破头率高、切割质量差、甘蔗输送性能不稳定等问题，为甘蔗收获机切割喂入系统的研究提供参考。本文主要任务是找出甘蔗切割喂入系统各个参数对甘蔗破头率及甘蔗输送机理的影响，并探讨结构及性能参数改进的措施，以期降低甘蔗收获的破头率、提升甘蔗输送性能，为后续的试验研究及物理样机的改进设计提供参考。1.3国内外的研究现状及趋势1.3.1国外甘蔗收获机的研究现状国外甘蔗收获机械领域较先进的当属美国、澳大利亚、巴西等国。应用比较广泛的机型主要有两种：整秆式和切段式甘蔗收获机械14-16。由于国外很多地区的蔗区分布集中，蔗地平整等优越的自然条件，因此很适合采用切段式甘蔗收获机收割17-18，且易实现收获全程机械化，继而大型切段式甘蔗联合收获机在这些地区得到广泛应用并成为主流，大大提高了收割效率并节省了很多成本。目前在国际上应用比较广泛的机型有美国的Johndeerde 3520，澳大利亚CASE的AUSTOFT系列（如A4000、A7000、A8000），这类机型体型庞大、自动化程度高、收获效率高（生产效率为1738 t/h）、含杂率低（含杂率在814%之间）、可靠性好，对弯曲和倒伏严重的甘蔗也能较顺利完成收获19-20。针对中国等丘陵地区甘蔗的种植情况，CASE公司研制了相对A7000、A8000较小型的A4000收获机，整机功率降低、体积变小、重量减轻、价格降低21-22。如图1-1所示，列举了两个代表机型。文献23介绍了CASE4000收割时各项参数的统计，相比CASE7000，其破头率较高且甘蔗传送时更易堵塞。2015年1月本课题组在柳州思源农场对凯斯系列收获机现场收割进行破头率的统计分析，结果显示，CASE7000总破头率高达32.19%，凯斯8000总破头率也达到了28.8%，因此高破头率依旧是国外机型必须解决的一大难题。(a) CASE8800型收获机(a) CASE8800 sugar cane harvester(b) JOHN DEERE 3520型收获机(b) JOHN DEERE 3520 sugar cane harvester图1-1 部分国外切段式甘蔗收获机Fig. 1-1 Some sugarcane harvesters produced in foreign country1.3.2国内甘蔗收获机的研究现状我国甘蔗收获机械24的研制始于上世纪50年代，在学习国外（如日本、澳大利亚）先进甘蔗收获机械及样机的基础上进行自主研发，但是到目前为止，成熟稳定的机型几乎没有，仍旧处于试验、示范阶段。我们目前研制的收获机主要分两种：整秆式和切段式。国内的切段式甘蔗联合收获机大多是仿制国外的，该类机械代表有：广西农机院的自走式4GZ-Z140型（生产效率25 t/h）和4GZ-260型（生产效率30 t/h）；广州科利亚农业机械有限公司生产的4GZ-56型履带式联合收割机（生产效率0.235hm2/h）25。整秆式联合收获机的代表机型有：河南坤达4GZQ-75（生产效率15 t/h）:汉森HS180型（生产效率8 t/h）26；柳州翔越甘蔗收割机4Zl-1(生产效率10 t/h)。部分机型实物如图1-2所示。(a) 4GZ-140切段式甘蔗收割机(a) 4GZ-140 Sugarcane(b) 4GZ-56切段式甘蔗收割机(b) 4GZ-56 Sugarcane(c) 柳州翔越4Zl-1甘蔗收割机(c) 4Zl-1 Sugarcane harvester图1-2 部分国内甘蔗收获机Fig. 1-2 Some sugarcane harvesters made in China 上述介绍的国产机型的主要特点是小型化、轻量化，相比国外机型，更符合我国甘蔗种植情况，但收割效率较低，可靠性不强，且易出现堵塞。1.4甘蔗收获机切割喂入系统研究现状1.4.1国外切割喂入系统的研究现状甘蔗收获机切割喂入系统不仅影响甘蔗宿根的破头率和砍蔗质量，而且对甘蔗物流通畅性也产生显著性影响。针对该系统，国外学者做大量研究。Kroes 等27-28和Hurney 等29-31对甘蔗宿根的破坏形式进行了一系列研究，建立了茎秆撕裂模型，指出压蔗辊和切割器时造成蔗茎破损的主要原因；Ripoli等32、Razavi 等33研制了一种甘蔗切割器，通过摆动装置研究了切割刀片和种植因素对甘蔗茎秆切割质量的影响；Davis 等34-36对甘蔗收获机的喂入系统做了深入研究，通过改变收获机的刀盘、压蔗辊、扶蔗辊、喂入辊等的结构位置参数来加快甘蔗的输送速度，并切割器前方以增加辅助喂入辊的方式来提高甘蔗的输送能力；Norris 等37观察到甘蔗在输送过程中喂入系统各部件与甘蔗的作用关系后，指出现有甘蔗收获机的喂入系统存在巨大问题。1.4.2国内切割喂入系统的研究现状在国内，刘庆庭、区颖刚、魏道高等相关专家38-42对切割速度、切割方式、切割力、轴裂纹、刀盘距蔗地地面高度等因素对甘蔗切割性能进行了大量试验；麻芳兰、史伟等43-44为减少甘蔗的破头率和提高工作效率对切割系统进行了改进和振动测试；傅隆正等45、解福祥等46-47设计了甘蔗收割机物流通道的主要参数，并运用仿真软件ADAMS对整机及关键部件进行了动力学仿真，研制了甘蔗收获机内物流排杂试验台以探讨甘蔗物流排杂机理；周勇等48、李立新等49为了提高甘蔗收割机的作业质量，将甘蔗切割器喂入装置设计为斜置式，采用正交试验等方式对整机布局设计进行优化，使得甘蔗破头率大大降低，喂入能力也有很大提高。上述研究成果对甘蔗收获机的发展起了很大的推动作用，但是甘蔗收割时破头率仍然较高，收割损失较大，切割系统前端的堵塞问题依旧较明显，需要对切割喂入系统进行进一步的分析研究和改进。1.5本文的研究内容 1）喂入系统结构改进与仿真 甘蔗经过切割器螺旋提升机构时，螺旋的向上提升与齿轮箱的位置限制会对甘蔗产生滞留的影响，易使甘蔗在喂入系统前端处堵塞，因此需要对喂入系统进行进一步的分析研究和改进。针对该问题，以自主研究的甘蔗收割机为研究对象，通过理论分析、虚拟仿真和试验研究，分析喂入系统齿轮箱对甘蔗物流输送机理的影响，继而对喂入系统提出改进思路，最后通过仿真分析和试验研究的方法，研究喂入系统齿轮箱改进前后对甘蔗物流堵塞的影响。2）切割器螺旋提升结构的改进试验现阶段很多研究成果对甘蔗收获机的发展起了很大的推动作用，降低了甘蔗破头率和甘蔗收割损失，但是切割系统前端的堵塞问题依旧较明显。针对这一问题，以本课题组搭建的甘蔗收割机试验平台为研究对象，通过理论分析甘蔗切割器螺旋提升机构对甘蔗物流输送机理和切割质量的影响，并对其进行改进，再通过虚拟仿真和试验探讨各性能参数（切割器刀盘转速、甘蔗进给速度、螺旋头数）的影响程度；通过单因素试验和正交试验找出螺旋头数、刀盘转速、进给速度等因素对甘蔗物流输送、刀盘振动的影响及显著性效果，并找出各因素的最优组合，以期为后续试验平台的搭建和样机的研制提供理论依据。1.6本文的研究思路及方法本文的研究思路如下图1-3所示。针对本课题组自主研发的第二代样机切割喂入系统的堵塞和高破头率问题，通过理论、仿真和试验的方法得到切割喂入系统的切割器螺旋提升机构对甘蔗产生的摩擦力以及喂入系统齿轮箱结构是产生甘蔗堵塞的主要因素；刀盘质量的不平衡是引起切割器振动的主要因素之一，最终反应在对甘蔗切割的破头率过高的主要影响因素上。针对切割喂入系统的堵塞和振动问题提出改进方案，对于切割器螺旋提升机构，改进后通过ADAMS仿真和试验对堵塞和振动问题进行分析，并通过正交试验找出最优组合；对于喂入系统，改进后借助ADAMS进行运动学仿真对堵塞问题分析，最终得出最优匹配结构和参数。图1-3 研究思路Fig. 1-3 Research ideas1.7本章小结本章主要介绍了课题研究的目的和意义，对国内外甘蔗收获机械水平做了相关阐述，同时说明了国内外相关专家对甘蔗收获机切割喂入系统所做的研究工作。基于前人研究的不足，提炼出亟待解决的问题，继而引出本文的研究内容。第二章 甘蔗切割输送机理的理论分析目前普遍使用的甘蔗收获机类型主要是切段式和整秆式两种，绪论部分介绍了切段式机型是现在的主流机型，但对广西地区的环境条件不大适用，由于整秆式机型收获的甘蔗储存时间较长，且收获方式更符合糖厂的加工工艺，因此深受糖厂和蔗农的喜爱。本课题组就是在这样的背景下自主研制了适合广西丘陵地区的两代小型整秆式甘蔗联合收获机，本文以第二代样机试制和试验的效果来探讨收获机的结构改进，改进方向是使甘蔗输送特性增强，降低甘蔗切割破头率。2.1 整秆式甘蔗收获机的结构及工作原理如图2-1所示为本课题组自主研制的第2代整秆式甘蔗收获机结构简图50，样机实照如图2-2所示，主要性能参数为：最大瞬时负载功率为31.0 kW；收割行走速度为0.4 m/s；生产率为46 t/h；爬坡15；破头率7%10%；含杂率2%. 其主要结构包括：切顶器、扶蔗系统、压蔗辊、切割喂入系统（主要包括切割器、喂入辊、夹持辊）、剥叶系统等。1.切顶器 2.扶蔗系统 3.压蔗辊 4.切割器 5.喂入辊 6.夹持辊 7.剥叶系统 8.输送系统图2-1 小型甘蔗收割机结构简图Fig. 2-1 Mini-scale sugarcane harvester图2-2 整杆式收获机Fig. 2-2 Whole stalk harvester甘蔗收获机工作流程大致可概括为图2-3所示，收获机以一定速度前进，若前面甘蔗倒伏，扶蔗系统会将甘蔗扶起并聚拢使其成直立状态，这样便于切顶器对甘蔗进行去顶，随着机器不断前进，压蔗辊将甘蔗压制一定角度，便于切割器切割甘蔗，被切断的甘蔗通过辊的夹持传送给剥叶系统，剥叶系统将甘蔗剥叶除杂后交由各种传送辊使得甘蔗向后输出。图2-3 甘蔗收获流程图Fig. 2-3 Sugarcane harvesting process2.2 甘蔗切割喂入系统堵塞分析通过对收获机结构的认识，加上样机在试验中出现的问题，大致确定甘蔗主要在切割喂入系统和剥叶系统处易造成堵塞问题，影响收获机收获效率。本课题组其他成员已对剥叶系统进行了优化并取得较好效果51-53，甘蔗在剥叶系统处输送更加通畅，而在切割喂入系统处的堵塞就显得格外显著，是必须要解决的问题。2.2.1切割器螺旋提升机构结构及原理切割器螺旋提升机构是切割喂入系统的主要部件，其结构如图2-4所示，包括：套筒1、刀轴2、螺旋提升机构3、切割器刀盘4、减轮箱5 等。切割器采用的是双刀盘的切割器结构，两刀盘上分别安装一对螺旋提升机构，以便于甘蔗的提升与输送。 切割器的工作原理是，在甘蔗收割机前进的过程中，双刀盘切割器切断甘蔗，随后甘蔗随螺旋提升机构提升与向后输送，螺旋提升机构有一定的摩擦力，给予甘蔗施加一个向后的输送力，收割机的向前行驶也增加了甘蔗向后的输送力。 螺旋提升机构的主要功能有2 个：1）输送功能，将甘蔗向后输送；2）提升功能，将甘蔗提升至后续的物流通道的入口；3）储蓄与分流功能，将甘蔗纵向提升，分层储蓄，逐层送入后续物流通道，因此螺旋提升机构在甘蔗物流的前端输送中具有重要的作用，须对其输送的机理及功能进行分析54。1.套筒 2.刀轴 3.螺旋提升机构 4.切割器刀盘 5.减轮箱图2-4 切割器二维简图Fig. 2-4 Cutter two-dimensional diagram2.2.2切割器螺旋提升机构的堵塞机理分析 1）螺旋提升机构输送机理的分析螺旋提升机构的摩擦系数对甘蔗输送性能有重要的影响。由动量定理有 （2-1）式中 ，F f螺旋提升机构对甘蔗的摩擦力，单位N；t 甘蔗所受摩擦力持续时间，单位s；m0 甘蔗质量，单位kg；v1 甘蔗在螺旋提升机构的初速度，单位m/s；v2 甘蔗在t 时刻的速度，单位m/s.由式（2-1）可知，当甘蔗所受摩擦力Ff 越大、摩擦力作用持续时间t 越长，则甘蔗通过切割器所受到的动量越大，甘蔗的向后输送速度就越大，越有利于提高甘蔗的输送性能，有效地抑制堵塞。现有的螺旋提升机构由截面为圆柱型的钢筋焊接而成，在传输过程中，螺旋提升机构对甘蔗产生向后的摩擦力；同时通过甘蔗收割机自身的前进速度产生向后运动的惯性力，为甘蔗向后输送提供了输送动力。当前进速度一定时，若螺旋提升机构的摩擦输送力不足，则容易导致甘蔗在切割器的滞留时间增长，从而加大了甘蔗在切割器前端的堵塞率。 2）切割器刀盘转速影响的分析切割器刀盘转速不仅影响砍蔗质量，而且还影响甘蔗输送的通畅性。在一定范围内，刀盘转速变大时，螺旋提升机构随刀盘加速旋转，甘蔗在螺旋提升机构上的向上提升速度和向后输送速度也变大，使甘蔗在螺旋提升机构上的平均滞留时间减少，从而使堵塞率降低。但当刀盘转速超过一定限度后，加速旋转的螺旋提升机构对甘蔗产生的瞬间冲击力也增大，甘蔗可能会跳动起来，此时甘蔗停留在螺旋提升机构处的平均滞留时间反而延长，反而易导致甘蔗的堵塞率增加。2.2.3喂入系统结构与工作原理喂入系统是切割喂入系统的子系统，其主要结构如图2-5所示，包括：切割器、液压提升缸、喂入辊上辊、喂入辊下辊、输送辊上辊、输送辊下辊、输送辊安装板、提升架等。其中切割器采用双刀盘的切割器结构，由一个液压马达提供动力，通过齿轮箱驱动两刀盘同步转动。喂入系统的工作原理是：收获机工作时，切割器的双刀盘切断甘蔗，在螺旋提升机构的作用下，切断的甘蔗被迅速向上提升和向后输送，接着甘蔗被喂入辊和输送辊夹持输送到后续的剥叶系统。1.液压马达 2.齿轮箱 3.螺旋提升机构 4.切割器 5.液压提升缸 6.喂入辊上辊 7.喂入辊下辊 8.输送辊上辊 9.输送辊下辊 10.输送辊安装板 11.提升架图2-5 喂入系统结构简图Fig. 2-5 Structure diagram of feeding system2.3 甘蔗切割喂入系统振动分析甘蔗切割喂入系统是直接对甘蔗产生作用的部件，其性能的优劣直接决定甘蔗收获质量、收获效率和甘蔗被切割后的宿根破头率，若破头率过高，会提高甘蔗的种植成本，影响甘蔗来年的发芽率和生长质量，从而影响到甘蔗所带来的经济效益。因此，切割器是甘蔗收获机的重点设计部件，其设计的关键在于切割性能好、制造成本低、使用寿命长以及易于维修保养等。本课题组前期研究发现，切割器刀盘振动对甘蔗切割质量和宿根破头率的影响可以用拟合曲线函数（x为刀盘振动幅值，y为切割质量，A、B均为常数）表示，即刀盘振动增加，切割质量相应增大，说明振动越大，切割质量越差55。因此，要降低甘蔗宿根破头率，必须从振动这一方向入手。影响切割喂入系统振动的因素主要包括：蔗地不平整度、动力部件的振动、传动部件的振动和执行部件的振动。其中，蔗地的不平整虽然引起切割喂入系统振动的频率较小，但是引起的振动幅度较大；动力部件主要指发动机；传动部件主要由甘蔗收获机的扶蔗、断尾、砍蔗、输送、剥叶、集蔗和行走系统等七大模块组成，各个模块在工作过程中由于受到冲击载荷以及自身的动不平衡而产生振动，同时，这些模块又与甘蔗直接接触，会受到甘蔗带来的冲击力而引起振动，这些振动最后均由车架承受，这势必会影响到切割喂入系统；执行部件主要指甘蔗切割喂入系统，切割喂入系统的切割器在制造装配过程中难以避免产生质量偏心，由于刀片需入土切割甘蔗，刀盘就必须倾斜一个角度，这就会带来切割器重力方向偏离旋转轴线，从而使切割器本身产生动不平衡。上述介绍的几种振动因素最终都会影响到切割喂入系统的动不平衡，从而使得刀片切割条件恶化，甘蔗切割质量受到影响，尤其是刀片与其它振动因素联合作用时，甘蔗切割条件将更加恶劣。本文主要是从切割喂入系统自身的动不平衡出发，探讨切割喂入系统的改进措施。2.3.1切割器空载时力学性能分析切割器是切割喂入系统的重要部件，收获机工作时，切割器高速旋转（约750 r/min），可将切割器看作旋转机械，实际旋转机械在工作中会产生径向振动（指沿刀盘直径方向的振动，包括水平振动和垂直振动）和轴向振动（指沿刀轴轴线方向的振动），并且轴向振动往往都伴随着较大的径向振动，当轴向振动大时，如果径向振动也大，最好的处理方法就是首先减小径向振动。工程实际表明，径向振动减小10%后，轴向振动减小的百分比可能更高56。当切割器匀速旋转时，切割器所受惯性力只有离心力F，同时这个离心力对刀盘旋转中心产生力矩T。离心力和力矩大小为： （2-2） （2-3）式中，F刀盘产生的惯性力，单位N；切割器质量，单位kg；切割器质心与旋转轴线的偏移量（即偏心距），单位m；刀盘旋转角速度，单位rad/s；x，y，z轴方向上的单位矢量（其中，为刀盘径向方向，为刀轴轴线方向）；刀盘产生的力矩，单位N/m；，为刀盘对z-x轴的惯性积，其中dm为切割器微小质量；，为刀盘对y-z轴的惯性积，这是度量切割器的主惯性轴相对旋转轴线的倾斜程度的量。F和T随刀盘旋转其方向做周期性改变，因此刀盘会受到动载荷作用，这是产生机械振动的根源。若要使这些有害惯性力F和惯性力矩T变为零，切割器质量分布需满足下列条件：（1）偏心距e=0，即切割器质心在旋转轴上。此时，无论角速度为任何值，惯性力F始终为零，此种状态称为切割器的静平衡状态。但这种状态下一般会残留有惯性力矩M，刀盘会受到绕与旋转刀轴相垂直的轴转动的力偶作用。（2），即切割器对与z轴（即刀轴轴线方向）相关的惯性积均为零。此时，切割器的一根主惯性轴应与旋转轴相重合。由于已经包含了偏心距e=0的条件，其结果也就是通过切割器质心的主惯性轴（自由轴或中心主惯性轴）与旋转刀轴相重合，此种状态称为切割器的动平衡状态。如果切割器能满足这一条件，那么刀轴不受任何力和力偶作用，也不存在动载荷作用，也就不会出现振动现象。当然，上述分析只是在理想状态下分析得到的结果，实际上切割器刀轴旋转过程中会产生变形，刀盘安装精度不够等等都会产生偏心质量，从而产生振动。但是，我们可以从这个方向出发，尽可能减小刀盘偏心距和切割器对刀轴的惯性积。2.3.2不平衡与切割器的力学性质由于和是度量切割器主惯性轴相对于旋转轴线倾斜程度的量，因此有必要将其作为惯性积的函数来求出这个倾斜角度。图2-6(a)为切割器简化后的质量分布图，O-xyz是以切割器质心为原点且固定在切割器上的直角坐标系，假定切割器的质量相对于y-z平面在x轴的正半轴和负半轴呈对称分布。图2-6(b)为主惯性轴与旋转轴线的关系图，z轴为切割器的旋转轴，为切割器的三条主惯性轴。(a) 切割器简化后的质量分布图(b) 主惯性轴与旋转轴线的关系图图2-6 切割器简化模型Fig. 2-6 Cutter simplified model对来说，切割器任意一点（x，y，z）的微小质量dm对z轴的惯性积为xydm，则在（-x，y，z）点处必存在一微小质量dm使得-xydm与上面的xydm相互抵消，即对于整个切割器，则有（2-4）同理：（2-5）假设不为零，则主惯性轴绕x轴倾斜，而x轴与轴重合，设轴和轴绕x轴倾斜角为。由于，因此主惯性轴不绕y轴和z轴倾斜。故切割器只绕x轴倾斜。设切割器任意一点在O-xyz坐标系中的坐标为（x，y，z）,这一点在坐标系中对应的坐标为（，），则有：（2-6）因此，（2-7）式中，切割器对轴和轴的惯性积。令（即绕z轴的惯性矩），（即绕y轴的惯性矩），（即对y轴和z轴的惯性积），带入上式，得到：（2-8） 由于轴、轴都是主惯性轴，要使切割器达到动平衡状态，对于轴、轴的惯性积必须必须满足，故（2-9） 所