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整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的 设计与试验研究设计与试验研究 二 一二 一 4 4 年年 四四 月月 硕硕 士士 论论 文文 整整 杆杆 式式 小小 型型 甘甘 蔗蔗 收收 获获 机机 耙耙 叶叶 元元 件件 的的 设设 计计 与与 试试 验验 研研 究究 201201 4 4 硕士学位 论 文 II 分类号 密级 UDC 编号 硕士学位论文硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的 设计与试验研究设计与试验研究 学科专业学科专业 机械制造及其自动化 研究方向研究方向 先进制造技术及智能检测 II I 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的 设计与试验研究 摘要 目前 我国的甘蔗收获机械化程度较低 这严重制约了制糖业的发展 和切断式收获机相比 整杆式甘蔗收获机械因存在可靠性差 效率低等问 题而得不到市场的推广 在整杆式收获机中剥叶元件是核心元件 而剥叶 元件由于寿命低等问题又成为长期制约整杆式甘蔗收获机发展的一个瓶 颈 因此研制出剥叶效果好 耐磨 寿命长 质量轻的剥叶元件具有重要 的意义 本文从研制适用于广西丘陵区域特点的整杆式小型甘蔗收获机样 机出发 以研究剥叶机关键部分耙叶元件为目标 从课题组前期对耙叶研 究的理论出发 结合原有橡胶耙叶元件存在的问题 设计了扭簧钢丝耙叶 元件 并对其影响耙叶效果的因素进行理论分析和动力学仿真分析及试验 验证 最后得到较优参数组合 为第三代整杆式甘蔗收获机样机提供设计 参考 本文主要研究内容有以下几个方面 1 通过分析发现原有橡胶耙叶辊存在的功能不强 不耐磨 成本高 等问题 从而提出扭簧钢丝耙叶元件的设计 分析发现其具有轻便 耐磨 寿命长等特点 通过对其进行校核 发现此耙叶元件能够满足使用要求 2 通过对甘蔗进行受力分析发现影响耙叶效果的因素主要有耙叶元 件的刚度 耙叶元件的转速 耙叶元件与甘蔗的交错作用深度 3 通过 ADAMS 动力学和运动学仿真分析软件 得出耙叶元件与甘蔗 的接触力 通过改变耙叶辊的转速 耙叶元件的直径 耙叶辊与甘蔗的交 II 错作用深度这三个因素进行仿真 对比发现仿真结果跟理论分析一致 4 自主研发试验平台 通过对比试验 双因素试验 正交试验 验 证试验 多根试验 高速摄影试验得出了影响耙叶辊效果的最优参数组合 进一步验证了扭簧钢丝耙叶元件的理论分析的正确性和可行性 关键词 整杆式小型甘蔗收获机关键词 整杆式小型甘蔗收获机 耙叶元件耙叶元件 扭簧扭簧 仿真分析仿真分析 试验研究试验研究 III DESIGN AND EXPERIMENTAL STUDY OF THE RAKING LEAVES COMPONENT OF SMALL SUGAR CANE HARVESTER ABSTRACT The current low level of mechanization of sugarcane harvesting of our country seriously restrict the development of the sugar industry Due to such as the poor reliability and low efficiency of rod type sugarcane harvester comparing to cutting off type harvesting machine the rod type sugarcane harvester on the market can no longer further promote The design of cleaning leaves element is a bottleneck in the rod type sugarcane harvester therefore developed a good effect stripping leaves wearable longer fatigue life and lightweight cleaning leaves element has an important significance This paper from developed the small rod type sugarcane harvester prototype which applied to the Guangxi regional characteristics hills to study the raking leaves component that the key part of the sugarcane leaves cleaner From our previous theoretical studies raking leaves combined with the original rubble raking leaves component problems to design the spring steel raking leaves component Studied the spring steel raking leaves component for the effect of factors rake leaves theoretical analysis and dynamic simulation analysis and experimental verification and finally get the optimum combination of IV parameters provide design reference for the third generation of the rod sugarcane harvester prototype The main contents of this article are the following aspects 1 The analysis revealed the existence of the original rubber raking leaves roll function is not strong do not wear high cost which made the design of the spring steel raking leaves component analysis found that it has such lightweight wearable and longer fatigue life features and its checked and found this spring steel raking leaves component can meet the requirements 2 Through the force analysis of sugarcane found that the main factors affecting rake leaves are the stiffness and the speed of raking leaves component and the interleaving depth of the raking leaves component and sugarcane 3 By ADAMS dynamics and kinematics simulation software obtained contact force element with raking leaves component And change the speed of the raking leaves roll diameter raking leaves component the interleaving depth of the r raking leaves component and sugarcane of these three factors cane simulation comparative analysis of simulation results showed that it consistent with the theory 4 Independent research and development test platform by comparing the test two factor test orthogonal test validation test a plurality of the test and high speed photography experiment to get the optimal parameter combination which impacted raking leaves roll effect and further verify the correctness and V feasibility of the theory spring steel raking leaves component analysis KEYWORDS small sugar cane harvester raking leaves component torsional spring simulation analysis experimental study VI 目 录 摘要 I ABSTRACT III 第一章 绪论 1 1 1 课题的来源及主要任务 1 1 2 课题研究的目的及意义 1 1 3 甘蔗收获机的国内外研究状况 2 1 3 1 国外甘蔗收获机的研究状况 2 1 3 2 国内甘蔗收获机的研究现状 3 1 4 甘蔗剥叶机构的研究状况 4 1 4 1 国外甘蔗剥叶机构的研究状况 4 1 4 2 国内甘蔗剥叶机构的研究状况 4 1 4 3 课题组对耙叶元件的研究 6 1 5 本文的研究内容与思路 7 1 6 本文研究的解决方法 9 1 7 本章小结 10 第二章 原有耙叶元件存在的问题与改进方案 11 2 1 原有的耙叶元件 11 2 1 1 原有橡胶耙叶辊的结构 11 2 1 2 耙叶元件的工作机理分析 12 2 2 原有物理样机的田间试验研究 13 2 3 存在的主要问题 15 2 3 1 功耗大 15 2 3 2 橡胶耙叶元件本身的问题 15 2 4 解决方案 17 2 5 对现有剥叶机的试验研究 17 2 6 本章小结 20 VII 第三章 耙叶元件的设计 22 3 1 耙叶元件的设计 22 3 1 1 耙叶元件的设计思路 22 3 1 2 耙叶元件结构设计 22 3 1 3 耙叶元件的工作机理 24 3 1 4 耙叶元件的性能 25 3 2 耙叶元件的校核分析 26 3 2 1 耙叶元件的寿命预测 26 3 2 2 耙叶元件的刚度的试验 30 3 2 3 耙叶元件的校核 32 3 3 甘蔗的受力分析 35 3 4 影响耙叶效果的因素分析 38 3 4 1 耙叶元件的刚度 38 3 4 2 耙叶辊的转速 38 3 4 3 耙叶辊与甘蔗的交错作用深度 39 3 5 本章小结 39 第四章 耙叶元件的 ADAMS 仿真分析 40 4 1 虚拟仿真分析流程 40 4 2 建立柔性体 40 4 2 1 建立柔性件模型的方法 41 4 2 2 甘蔗柔性模型的建立 41 4 2 3 扭簧耙叶元件的柔性体建模 43 4 3 仿真过程 44 4 3 1 仿真模型的建立 44 4 3 2 仿真过程 45 4 3 3 仿真结果及分析 46 4 4 影响因素仿真分析 48 4 4 1 不同转速的仿真结果对比分析 48 4 4 2 不同交错深度的仿真结果对比分析 49 VIII 4 4 3 不同耙叶元件直径的仿真结果对比分析 50 4 5 本章小结 51 第五章 耙叶元件的试验研究 52 5 1 试验目的 52 5 2 试验指标 52 5 3 试验方案 53 5 4 试验设备 54 5 4 1 试验平台的设计与制作 54 5 4 3 试验设备与材料 58 5 4 2 试验平台参数标定 58 5 5 试验结果与分析 60 5 5 1 对比试验 60 5 5 2 双因素试验 63 5 5 3 正交试验 69 5 5 4 验证试验 74 5 5 5 多根试验 75 5 5 6 高速摄影试验 78 5 6 本章小结 81 第六章 总结与展望 82 6 1 本文总结 82 6 2 本文展望 83 参考文献 84 附录 88 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 1 第一章 绪论 1 1 课题的来源及主要任务 本课题来源于国家科技部科技人员服务企业项目 适于丘陵地区的小型甘蔗联合 收获机产品研发 合同编号 2009GJE10008 广西区科学技术厅科技攻关项目 适 于丘陵地区的小型甘蔗收获机产品开发及其关键技术研究 合同编号 桂科攻 0992002 18 广西制造系统与先进制造技术重点实验室科研项目 小型甘蔗联合收 获机产品研发 合同编号 09 007 05S019 广西制造系统与先进制造技术重点实验 室课题 小型甘蔗种植 收获机械关键技术研究 合同编号 11 031 12S04 本课题的主要任务是从研制适用于广西丘陵区域特点的整杆式小型甘蔗收获样机 出发 在课题组与某公司合作研发的第二代整杆式小型甘蔗收获机物理样机的基础上 1 对其中收获机的剥叶机关键部分的耙叶辊进行理论分析和试验研究 找出其结构 和功能方面的缺陷和不足 然后提出对应的改进措施 并通过分析设计实际有效的方 案 结合理论分析和仿真分析 并自主研发试验台来进行试验研究 验证新设计的耙 叶辊的可行性 并研究影响其耙叶效果的因素 最后得出耙叶辊的最优参数组合 为 第三台整杆式小型甘蔗收获机物理样机的研制提供设计参考 1 2 课题研究的目的及意义 至 2013 年 广西蔗糖总产量连续 7 年占全国总产量的 60 以上 甘蔗种植经营 规模小而分散 受气候影响 甘蔗倒伏交叉严重 所以对于甘蔗收获机械要求比较高 而目前的甘蔗收获机械还不成熟 仍处于试验示范逐步推广阶段 都不能得到市场的 推广 2 据统计 2010 2011 榨季全国机械化收获率约为 0 07 其中广西约为 0 05 制约着我国制糖业的发展 4 随着我国人口劳动力的减弱 人工成本的提高 研发适 应收获我国丘陵地区甘蔗的甘蔗收获机械成为亟待解决的难题 剥叶机一直存在效率低 堵塞 剥叶元件更换麻烦和寿命低等根本性问题 一直 以来剥叶元件的设计是甘蔗收获机械设计的一个瓶颈 也是制约适用于我国南方丘陵 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 2 地带使用的整杆式甘蔗收获机械研制成功的主要因素之一 如何在保证剥叶效率 剥 叶效果的前提下 尽可能地延长剥叶元件的寿命是亟待解决的一个难题 结合甘蔗联 合收获机的市场化推广的需求 目前剥叶元件研究必须从效率和可靠性出发 这样才 能满足市场的需求 推动整杆式甘蔗收获机的推广和应用 本课题着眼于适应丘陵地区的整杆式小型甘蔗收获机的研制 重点是对剥叶机的 关键部分 耙叶元件研究 本文在基于本课题组与某公司合作研制出的第二台甘蔗 收获机样机的基础上 对剥叶机构中关键部件耙叶辊进行深入研究 找出其中存在的 问题 并提出合理的改进方案 提出了扭簧钢丝耙叶元件的结构设计 并自主研发试 验平台 通过试验验证了扭簧钢丝耙叶元件的可行性 为课题组即将研发的第三代甘 蔗收获机物理样机的剥叶机构中关键部分的耙叶辊提供设计参考 对于整杆式甘蔗联 合收获机的研发具有重要意义 1 3 甘蔗收获机的国内外研究状况 1 3 1 国外甘蔗收获机的研究状况 国外甘蔗生产技术化先进的国家 如美国 澳大利亚 巴西等国 主要采用切断 式甘蔗联合收获机收获甘蔗 切断式联合收获机是目前世界比较先进甘蔗收获机械 国际上主要的甘蔗联合收获机品牌 型号 有凯斯的 7000 7700 型 原澳大利亚 AUSTOFT 工业公司产品 约翰迪尔的 3510 型 德国的 CLASS 美国的 CAMECO 日本的 HC50 NN 型等 3 这些机型都具有机型庞大 技术先进 功率消耗大 效率高 可靠性好 价格昂贵等特点 对于弯曲或倒伏的甘蔗也能够顺利地进行收获 多数适 合大农场 大规模连片种植 地块平坦的地区使用 4 5 6 近几年凯斯推出了 8000 8800 型 与原有机型相比自动化程度更高 操控性能更 好 可靠性更高 同时 凯斯公司针对中国等国家和丘陵地区的甘蔗生产特点研制出 了小型化的 4000 型 和 7000 型相比 不但整机功率减小 结构上也做了简化 使得 该机体积小 重量减轻 价格降低 7 8 9 从 2009 年开始 美国约翰迪尔公司中国技术团队借助美国成型的大型甘蔗收割机 技术 针对中国市场研发切断式甘蔗收获机 到 2012 年 成功研发了新一代切断式甘 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 3 蔗收割机 该机曾在广西金光农场的蔗田进行现场作业展示 取得不错的成果 2013 年 约翰迪尔公司专门为中国和东南亚甘蔗用户研发的全新二代产品 约翰迪尔二代 甘蔗收割机相比之前推出的第一代机型 在稳定性和生产效率等方而都有改进和提高 该机型在演示会 工作性能颇受好评 10 11 12 此外 日本文明农机株式会生产的 HC50 NN 型属切断式甘蔗联合收获机 其特 点是 机型小 履带行走 网袋装蔗 比较适合小地块 窄行距 丘陵地区使用 但 是装车需要配备专用吊装袋 比较麻烦一些 对于用切断式甘蔗收获机收获的甘蔗 糖分流失严重 造成含糖率下降 糖厂收 购时需另行扣除含杂率 7 目前 1 台成熟甘蔗收割机的价位至少在 160 万元以上 加上其他配套机械 总投入高达 200 万元以上 一般农户是买不起的 这也是切断式 甘蔗收获机械难以推广的原因 13 切断式收获技术要求收获 运输 入厂压蔗各环节 的密切合作 我国目前蔗糖生产体系及地形特点还不能满足切断式收获技术的要求 1 3 2 国内甘蔗收获机的研究现状 我国早期以研发整杆式甘蔗收获机为主 但是研发出来的机型存在功能不强 效 率低 可靠性差等问题得不到市场的推广 近几年一些厂家开始研发切断式收获机 整秆式主要有广西柳州汉森 4ZL 1 HS180 型 如图 1 1 所示 浙江三佳 SJ 1400 型 如图 1 2 所示 河南坤达 4GZQ 75 型 浙江温岭宏顺 SG1300 型 柳州翔越 4ZL 1 型等 14 这些机型存在的主要问题是含杂率高 损失率大 可靠性差 效率低 堵塞 严重 剥叶机是整杆式甘蔗收获机的关键部件 而剥叶元件大多存在不耐磨 寿命短 的缺陷 也制约了整杆式甘蔗收获机械的推广 15 图 1 1 4ZL 1 HS180 型甘蔗收获机 图 1 2 SJ 1400 型甘蔗收获机 Fig 1 1 4ZL 1 HS180 sugar cane harvester Fig 1 2 SJ 1400 sugar cane harvester 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 4 切断式主要有广西农机研究院 4GZQ 260 型 如图 1 3 所示 广东科利亚公司与 华南农大合作的 4GZ 56 型 如图 1 4 所示 等 前者主要是模仿国外大型机器 整 机结构布局和工作方式与国外大型机器一模一样 而后者主要是模仿日本 HC50 NN 型 整机结构和工作方式与 HC50 NN 型大同小异 但是这些模仿的机型在收割的质 量 可靠性 效率等方面都比不上国外的机型 也难以得到推广 图 1 3 4GZQ 260 型甘蔗收获机 图 1 4 4GZ 56 型甘蔗收获机 Fig 1 3 4GZQ 260 sugar cane harvester Fig 1 4 4GZ 56 sugar cane harvester 1 4 甘蔗剥叶机构的研究状况 1 4 1 国外甘蔗剥叶机构的研究状况 国外甘蔗收获机的研究比较先进 目前应用的基本是切断式甘蔗收获机械 切断 式甘蔗收获机械里面基本没有剥叶系统 早期在联合甘蔗收获机械还未发展成熟时期 国外也曾致力于研究剥叶机构 如 美国 澳大利亚 巴西 菲律宾 南非等国都曾致力于剥叶机的研究 除了剥叶元件 的寿命不长之外 其他技术方面已趋于成熟 16 17 18 19 现在日本的甘蔗剥叶机的甘蔗 含杂率基本在 1 以内 其剥叶元件的寿命能够供剥叶机处理掉 55 吨甘蔗 20 其中最 具有代表性的是久保田公司生产的 BMC 250 型甘蔗剥叶机 日本京都大学与鹿儿岛 大学研制的钢丝绳方式半自动甘蔗脱叶机和印度研制的风动 滚筒抓取式半自动甘蔗 剥叶机等 21 22 1 4 2 国内甘蔗剥叶机构的研究状况 国内目前也一直在致力于研究联合式甘蔗收割机 但是无论整杆式还是切断式都 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 5 不成熟 无法向市场推广 早前研究的甘蔗剥叶机也存在着一定的问题 只有一些小 农户使用 国内的剥叶机大多采取离心式剥叶 主要原理都是借助剥叶元件高速旋转的离心力 和摩擦力来打击蔗茎 剥离蔗叶 早期研制的剥叶机重在研究剥叶元件 追求的是剥净 率 总体而言取得一定的成绩 其中代表性的机型有柳州南方燕牌6BZ 5型剥叶机 广 西农机所研制的4ZB 12型等 23 这类剥叶机含杂率低 但都采用橡胶剥叶元件 寿命不 长 效率低 适应性差 因而没有被大量推广和使用 只在一些小农户里使用 24 后来发展的联合式收获机上 剥叶机的功能模块较完善 一般配备有喂入 剥叶断 尾 除杂 碎叶 输送等功能辊筒 剥叶辊筒的配置有直线排列 上下交错排列和上下 成对排列三种形式 甘蔗收获机对剥叶元件要求比较高 剥叶元件既要剥掉甘蔗叶又要不伤蔗 还需要 满足一定的耐磨性 说明剥叶元件既要有一定的刚性还需要有一定的柔性 要解决这样 的矛盾必须从材料上 结构上 装夹方式上同时考虑 所以国内对剥叶元件的研究探索 也从未间断 特别对剥叶元件材料的研究 剥叶元件的材料和结构样式也呈现多样化 一般有橡胶剥叶元件 钢丝绳剥叶元件 高分子剥叶元件 钢丝和橡胶的结合剥叶元 件 弹簧钢丝剥叶元件等 橡胶剥叶元件应用于甘蔗收获机械有很长的历史 橡胶元件的优点是摩擦力比较 大 利于甘蔗的输送 弹性大不容易伤蔗 但是橡胶很容易发生疲劳磨损 橡胶材料受 环境影响 易老化 所以在甘蔗收获机械上难以推广 25 钢丝绳剥叶元件一般是由一束细钢丝组成 对于单根的钢丝 柔性小 韧性低 在 对甘蔗高速的打击下容易折断 发生疲劳断裂 而且容易刮伤甘蔗 钢丝绳的寿命一般 在70小时左右 26 高分子剥叶元件材料质轻 有较高的刚度 强度 韧性 不易发生折断 但是高分 子材料主要损耗是元件的磨损 寿命约为80个小时 26 钢丝和橡胶相结合的剥叶元件 比如温岭宏顺研制的剥叶刷在刷片的片体内嵌入了 具有高强度金属丝 增加了刷片的强度 使得刷片的剥叶效果增强 27 浙江三佳研制的 剥叶滚筒的外周面上呈矩阵状分布设置有多个沿滚筒的径向延伸的刷块 刷块的外表面 上具有多簇与刷块的外表面垂直并且间隔分布的钢丝簇 能够全方位的在多个平面上对 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 6 甘蔗外表面的甘蔗叶进行刷离 28 贵州益众兴业研制的剥叶刷由橡胶制成的刷片本体 刷片本体内镶嵌有弯曲成倒U 字形的钢丝 刷片本体内镶嵌有至少一片钢丝网 各钢丝 网上设有安装孔 29 钢丝和橡胶结合的剥叶元件虽然在橡胶的基础上增大了刚性 可是 内置钢丝对甘蔗作用时易发生变形 外层橡胶易磨损 弹簧钢丝剥叶元件存在一定的刚性和柔性 一般对蔗叶有一定的撕开作用 如浙江 三佳研制的碎叶辊 如图1 5所示 经过碎叶轮上的弹簧钢丝多方位地划开甘蔗外层 的甘蔗叶 此钢丝呈矩阵状分布在滚筒的外周面上 有些甘蔗叶就会自动掉落脱离甘蔗 并且碎叶装置后设置的剥叶轮或者剥叶装置等就能方便地将已经划碎的甘蔗叶剥除 保 证甘蔗叶剥除的效果 30 柳州星鸣农机研制的剥叶器总成 如图1 6所示 沿径向固定 有至少两根呈辐射状向外伸出的断梢剥叶元件 断梢剥叶元件为金属 其一端为扭簧结 构 剥叶器总成具有轴向设置的安装轴 所述的断梢剥叶元件是套在安装轴外 断梢剥 叶元件的固定端与剥叶总成固定 其优点是结构简单 使用维护方便 使用持久耐磨 不易伤甘蔗 31 图 1 5 浙江三佳碎叶辊 图 1 6 柳州星鸣剥叶器总成 Fig 1 5 Crushed leaves roller from Zhejiang sanjia Fig 1 6 Peel leaf machine from Liuzhou xingming 1 4 3 课题组对耙叶元件的研究 课题组前期通过实验研究提出了耙叶的理论 甘蔗叶子被扒开的情况下 在适当 的位置施加适当的力矩就可以实现断尾 这奠定了耙叶的理论基础 32 通过这个理论指导 课题前期研究按照 耙叶 剥叶 断尾 的设计理念 提出 了耙叶辊的概念 其主要作用便是对甘蔗蔗叶进行先期处理 以实现撕开尾部蔗叶的 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 7 目的 并设计了如下 如图 1 7 图 1 8 所示 结构 33 图 1 7 穿销式耙叶齿模型图 图 1 8 穿销式耙叶辊模型图 Fig 1 7 Wear pin type rake leaves teeth model Fig 1 8 Wear pin type rake leaves roller model 此耙叶机构被应用于第一代样机上 但由于耙叶元件用普通橡胶制成 前端的凸 起的勾齿硬度不够 未能扒开甘蔗叶子 而且此耙叶结构较软 容易老化 不能满足 使用要求 后来课题组在研发第二代整杆式甘蔗收获机械第二代样机时设计了另一种 结构 如图 1 9 所示 图 1 9 现有耙叶元件三维模型 Fig 1 9 3d model of existing harrow leaf element 此耙叶元件用车胎胶制作 前端凸起部分加厚 小齿形也加厚 比第一代耙叶元 件硬度好 更耐磨 通过试验研究发现 此耙叶功能无法实现设计要求的预期目标 前端厚齿并不能插入蔗叶而撕开 橡胶元件的耐磨性始终没有钢制材料的好 所以还 需对耙叶元件进行设计研究 1 5 本文的研究内容与思路 通过大量的田间试验发现 课题组研发的第二代样机的剥叶机存在堵塞和消耗功 率大的问题 造成堵塞的主要原因有剥叶辊动力不足 剥叶机处理能力有限 消耗功 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 8 率大是因为剥叶机太重 需要的转速又高 动力无法满足要求 从剥叶机能耗现象可 知剥叶机的处理能力是造成堵塞的另一原因 所以急需进一步完善剥叶机的功能 原 有橡胶耙叶元件本身存在不耐磨 寿命短 成本高等缺陷 课题组前期实验结果证明 当甘蔗尾部的叶子被撕裂扒开后 只需要一个较小的 力就能实现断尾 而对第二代样机试验发现 耙叶辊对甘蔗尾部撕裂扒开作用并不明 显 说明此耙叶辊在结构上存在着缺陷 如果耙叶辊对蔗尾起作用 则剥叶辊就不需 要那么大的力 也不需要那么大的功耗 所以必须首先改善耙叶的功能结构 为了降 低成本 节能减排 需要对剥叶机进行轻量化设计 为了后续产品的批量化生产 耙 叶元件必须能够耐磨 寿命长 制造成本低 便于生产安装 综合上述 基于前期课题组小型甘蔗收获机第二代物理样机的试验研究 本文所 要完成的任务主要有以下几点 1 针对原有样机中耙叶辊存在的问题 分析其原因 并提出解决方案 2 根据解决方案对耙叶元件进行新的设计 并结合理论分析和仿真分析 分析影 响耙叶效果的因素 3 自主研发试验平台 对新耙叶辊进行试验研究 验证耙叶辊的可行性 并找出 耙叶辊的较优参数组合 为第三代物理样机的研发提供设计参考 具体思路流程如图 1 10 所示 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 9 图 1 10 本文研究思路流程 Fig 1 10 The process of this paper studies 1 6 本文研究的解决方法 针对上述研究内容 结合现有的资源与设备 总结前人的研究方法 提出以下解 决方法 1 通过试验的方法 针对原有剥叶机中耙叶辊存在的主要问题分析原因 并提出 解决问题的方案 2 使用 SolidWorks 三维建模软件对耙叶辊进行结构设计 并通过理论分析影响 耙叶效果的因素 3 通过应用 Solidworks 三维设计软件建立耙叶辊的整体模型 并导入 Adams 中 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 10 进行仿真分析 分析耙叶元件对甘蔗的作用力效果 研究耙叶辊不同因素与接触力的 变换规律 4 自主研发用于耙叶试验的试验平台 验证所设计耙叶机构在剥叶机构中的耙叶 效果 并得出相关优化的设计参数 具体的试验过程为 通过对比试验验证新设计的 耙叶机构的剥叶断尾效果 结合理论分析和仿真分析结论选取影响耙叶辊效果的因素 水平进行双因素试验 研究各个因素对剥叶断尾影响的规律及显著性情况 合理选取 因素水平应用于耙叶辊的正交试验研究 通过正交试验分析结果进行相应的对照验证 试验 确定最优因素水平组合 通过多根甘蔗并行试验进一步验证前期试验得出的最 优参数 并验证该剥叶断尾结构应用于实际工作的可行性 为后续课题组第三代物流 样机提供设计参考 1 7 本章小结 本章主要阐述了本课题的研究内容 目的及意义 简要描述了目前甘蔗收获机的 研究状况和发展方向及甘蔗剥叶机构的研究状况 并对本文的研究内容与研究的解决 方法做了简单介绍 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 11 第二章 原有耙叶元件存在的问题与改进方案 耙叶元件是整杆式甘蔗收获机剥叶机构中的关键部件 要使得剥叶机构的剥叶断 尾效果理想 必须使得耙叶机构设计合理 为了使新设计有依可寻 必须了解课题组 第二代耙叶元件存在的问题 从问题出发 研究解决问题的方案 2 1 原有的耙叶元件 2 1 1 原有橡胶耙叶辊的结构 课题组与某公司合作研发了第二代整杆式小型甘蔗收获机样机 它主要由五大功 能模块组成 扶分蔗机构 砍蔗系统 剥叶机 动力与传动系统 其中剥叶机是整杆 式甘蔗收获机中的一大核心工作部件 其作用就是对经刀盘砍断后输送进来的甘蔗实 现剥叶断尾 图 2 1 所示是第二代样机的剥叶机的结构图 该剥叶机主要由 1 喂入辊 2 输入 辊 3 4 5 形成的倒品字形剥叶装置 两对输出辊 7 8 和防下窜辊 6 组成 1 喂入辊 2 输入辊 3 耙叶辊 4 上剥叶辊 5 下剥叶辊 6 防下窜辊 7 第一对输出辊 8 第二对输出辊 图 2 1 剥叶机的结构图 Fig 2 1 The chart of the leaf peeling machine 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 12 在剥叶机中起到剥叶断尾作用的是由 3 4 5 形成的倒品字形剥叶装置 在整个 剥叶装置中耙叶辊位于最前端 也是最先对甘蔗叶起作用的辊 在整个剥叶系统中起 到比较重要的作用 原有橡胶耙叶辊的结构如图 2 2 所示 在旋转的辊筒外圆周上布置相应的橡胶功 能元件 橡胶耙叶齿的设计上采用了钩齿状橡胶楔形齿 在实际工作时 主要依靠顶 端的凸起部分率先钩入缠绕的蔗叶缝隙中 依靠耙叶辊的高速旋转以及耙叶齿两侧面 与甘蔗蔗叶的摩擦作用来对包裹的蔗叶进行撕扯 达到梳开蔗叶的目的 33 图 2 2 原有橡胶耙叶辊 Fig 2 2 The original rubber raking leaves roller 2 1 2 耙叶元件的工作机理分析 通过课题组前期进行的蔗尾打击试验可看出 甘蔗尾梢部是甘蔗中最为脆弱的部 分 俗称 鸡蛋黄 用较小的打击力便可以将其折断 但同时这里也是蔗叶包裹最 为紧密的地方 34 在外部有蔗叶严密保护的作用下 尽管其弹性模量较小 抗变形能 力较差 但要轻松的实现断尾也不是特别容易 甚至于即使蔗梢内部 鸡蛋黄 位置 已经被打断 但由于在外部蔗叶的保护之下 折断的蔗梢无法与蔗体完全分离 无法 达到真正断尾的目的 课题组前期通过试验验证得出甘蔗尾部蔗叶在撕开但不完全剥 下的情况下对于断尾效果最为有利 32 因此在课题组上述前期研究的基础上提出了耙叶辊的概念 其作用是对甘蔗蔗叶 进行先期处理 以实现撕开尾部蔗叶的目的 经过处理的蔗尾进入两个剥叶辊处 被 剥叶元件的端面充分的打击 从而使得尾部被打掉 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 13 2 2 原有物理样机的田间试验研究 课题组的第二代整杆式甘蔗收获机物理样机完成于 2011 年 5 月 之后在一些结构 上进行改进 但是剥叶断尾机构的总体结构没有改变 在 2012 年 12 月初 甘蔗的压 榨季节 在钦州陆屋镇进行了田间试验 试验结果如表 2 1 所示 表 2 1 原有物理样机田间试验结果 Tab 2 1 The field test results of the original physical prototype 试验条件 试验时间 试验序 号 甘蔗根 数 断尾根 数 去除杂 叶后甘 蔗重 kg 杂叶重 kg 含杂 率 断尾 率 输送辊 200r min 剥叶辊 800 850r min 耙叶辊 700r min 2012 12 08 1 95 87 83 2 252 2 71 91 58 2 97 77 89 4 5 022 5 32 79 38 2012 12 09 1 82 71 80 2 234 2 72 86 6 2 115 94 130 3 758 2 81 81 74 3 123 103 133 5 298 3 83 83 74 2012 12 10 1 109 80 118 6 572 5 276 73 39 2 90 74 87 2 3 2 576 82 22 3 75 44 70 5 6 604 8 565 58 67 2012 12 11 1 49 47 62 0 57 0 91 95 9 2 128 119 138 2 774 1 197 92 97 3 83 70 95 1 074 1 1 84 3 其中 2012 12 09 号第 3 组试验效果图如图 2 3 所示 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 14 图 2 3 2012 12 09 号第 3 组试验效果图 Fig 2 3 The third group test rendering on December 9 2012 通过试验发现 样机的含杂率平均未能低于 2 说明剥叶机剥叶断尾效果还不 是特别理想 剥叶机的结构还有待进一步改进 经过观察发现部分未断尾的甘蔗尾部 的叶子并没有被耙开 说明耙叶辊的功能还有待完善 另外通过田间试验发现 收割机存在堵塞现象 如 2012 12 10 第三组试验 堵塞 的剥叶效果图如图 2 4 所示 图 2 4 堵塞的剥叶效果 图 2 5 剥叶机卡死 Fig 2 4 The effect of stripping leaves with jam Fig 2 5 The stripping leaves machine stucking 甘蔗收获机发生堵塞时 剥叶机构被卡死 如图 2 5 所示 堵塞造成会使得含 杂率偏高 断尾率偏低 造成堵塞的原因有很多种 比如甘蔗的生长状况非常复杂 疏密不一致 倒伏严 重等都可能造成堵塞 当过多的甘蔗进入通道时 会对各个辊造成很大的阻力矩 所 以各个辊需要很大的扭矩 消耗的功率也大 当剥叶机和输送辊部分的功率和扭矩不 够时 很容易造成堵塞 物理通道不畅也容易造成堵塞 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 15 2 3 存在的主要问题 2 3 1 功耗大 根据课题组前期的研究 将现有第二代样机的实测模拟田间试验数据 35 整合如图 2 6 所示 整机功率分布图 剥叶断尾机构 57 90 输送机构 6 10 砍蔗机构 29 00 行走机构 7 00 图 2 6 整机功率分布图 Fig 2 6 The power distribution of the whole machine 从研究中看出剥 耙叶机构消耗的功率占整机功率的 57 9 而第二台样机的发动 机的功率为 91kw 从目前样机造成的堵塞可以看出现有的剥叶机功率还是不能满足使 用要求 若单纯地靠加大剥叶机的功率 就会造成过大的能耗 现在样机上采用的发 动机几乎不能满足要求 造成成本过大 剥叶辊 耙叶辊比较重 消耗的功率较大 特别在甘蔗多根通过的情况下 剥叶机很容易卡死 堵塞又容易造成剥叶效果差 效 率低 可靠性差 难以满足需求 制约了整杆式收割机的发展 从课题组前期的研究指出 只要耙叶辊能够对甘蔗叶进行先期的撕扯 露出 鸡 蛋黄 部分 只要一个较轻的力就能够对甘蔗实现断尾 由此可以推断耙叶辊如果对 蔗叶不能进行撕扯作用 剥叶辊必然需要比较大的打击力才能实现断尾 也就需要比 较高的转速 一旦功率不足或者剥叶辊的转速无法达到 800r min 以上 就没办法实现 较好的断尾 所以消耗功率过大从侧面可以反映耙叶辊的作用不够明显 2 3 2 橡胶耙叶元件本身的问题 耙叶元件是整杆式甘蔗收获机的核心工作部件 受到打击较多 还有蔗汁 泥土 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 16 雨水的腐蚀作用 需要定期的更换维护保养 因此要求耙叶元件在满足功能的情况下 必须具有耐磨耐腐蚀 制作简单 成本低 材料易得等特点才能满足市场批量化生产 要求 而现有的橡胶材料显然不能满足这个需求 主要有以下几点 1 功能不强 橡胶耙叶齿设计的初衷是靠顶端凸起的勾齿插入缠绕的蔗叶缝隙中 依靠元件侧 面的摩擦力撕扯紧密包裹的蔗叶 达到对蔗叶进行先期的梳理目的 而橡胶耙叶齿顶 端凸起部分较厚 难以插进蔗叶中 另外耙叶齿下端小齿也很厚 对蔗叶的作用也较 弱 2 制造成本高 课题组的原有的橡胶耙叶元件是借助桂林某研究所加工制造的 材料用的是车胎 胶 开模注塑 工序复杂 成本较高 3 不耐磨 虽然车胎胶比一般的橡胶耐磨 抗老化 可是作用在甘蔗上容易发生磨损疲劳 耙叶元件作业的环境比较复杂 会受到蔗汁 泥土 雨水等腐蚀 容易老化 通过观 察发现原有橡胶耙叶元件在凸起齿端存在磨损现象 如图 2 7 所示 图 2 7 原有橡胶耙叶元件疲劳磨损 Fig 2 7 The fatigue wear from the original rubber raking leaves component 4 寿命低 剥叶过程中剥叶元件受周期性动载荷作用 在大变形的工况下工作 极易发生疲 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 17 劳磨损 而剥叶过程又具有较大复杂性和随机性 因此极易造成橡胶耙叶元件的疲劳 磨损 对橡胶制品而言 疲劳寿命一般为 106次 36 对于转速为 700r min 的耙叶辊 每小时打击甘蔗 42000 下 一天工作 8 个小时 一天打击 3 36x105次 根据普通橡胶 制品的寿命预测橡胶耙叶元件只能工作 3 天 若一个月工作 25 天 甘蔗的榨季一般从 11 月到来年的 3 月共 5 个月 也就是 125 天 因此采用普通橡胶制作的耙叶辊的寿命 难以满足一个榨季的工作需求 对于未来产量化生产来说 耙叶元件使用橡胶的可能 性不大 必须另辟蹊径 2 4 解决方案 1 完善耙叶功能 如前所述当甘蔗尾部的叶子被撕裂扒开后 只需要一个较小的力就能实现断尾 如果耙叶辊对蔗尾起作用 则剥叶辊就不需要太大的打击力 则可以对剥叶辊进行轻 量化 而对第二代样机试验发现 耙叶辊并没有对甘蔗尾部蔗叶起到撕裂扒开作用 说明此耙叶辊的结构存在一定的缺陷 经观察橡胶耙叶元件的前端勾齿较厚 也比较 短 不易于插入蔗尾 所以后续研制可行机构时可以把耙叶元件做成细长齿的形状 此外 橡胶耙叶元件存在不耐磨 寿命低等问题 这也是橡胶材料的缺陷 所以耙叶 元件可以尝试采用别的耐磨的寿命长的材料 目前国内使用的剥叶元件材料呈现多样 化 而弹簧钢丝材料的使用取得一定的进展 2 轻量化设计 样机中剥叶辊比较重 经测试发现剥叶辊消耗的功率较大 特别在空载情况下消 耗的功率也很大 为了降低成本 节能减排 需要对剥叶机进行轻量化设计 2 5 对现有剥叶机的试验研究 柳州星鸣剥叶机采用的是弹簧钢丝剥叶元件 分析弹簧钢丝的剥叶特点 为后续 耙叶元件提供设计参考 1 试验目的 本试验的主要目的是对柳州星鸣剥叶机进行试验研究 通过试验结果分析剥叶机 的特点 为后续课题研究设计新型耙叶元件提供设计参考 2 试验指标 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 18 主要指标 含杂率 断尾率 折断率 辅助指标 伤皮率 伤皮率等于有伤皮的甘蔗数除以总的甘蔗数 3 试验装置与材料 柳州星鸣剥叶机 如图 2 8 所示 5 67kw 的发动机 卡西欧相机一台 钦州陆 屋镇的甘蔗 粤糖 159 图 2 8 柳州星鸣剥叶机 Fig 2 8 The stripping leaves machine of Liuzhou Xingming 4 试验方案 由于星鸣剥叶机由发动机带动 通过调节发动机的油门来调整剥叶辊的转速为 800r min 分别做单次喂入 1 根 2 根 3 根甘蔗的试验 统计试验结果分析星鸣剥叶 机的剥叶效果和剥叶特点 在剥叶过程中进行高速摄影分析 了解弹簧剥叶的机理 5 试验结果如表 2 2 所示 表 2 2 星鸣剥叶机试验结果 Tab 2 2 The result of the test of the stripping leaves machine of Liuzhou Xingming 单次喂入 甘蔗根数 试验 甘蔗 根数 断尾 根数 打断 甘蔗 的根 数 杂叶 重量 kg 去掉 杂叶 后总 的甘 蔗重 量 kg 伤皮 甘蔗 根数 含杂 率 断尾 率 折断 率 伤皮 率 1 10 8 0 0 51 8 0 1 6 4 80 0 10 2 10 9 0 0 61 7 85 2 7 8 90 0 20 3 6 2 0 0 65 3 6 2 18 1 33 0 33 单根喂入的甘蔗的剥叶断尾效果 如图 2 9 图 2 10 所示 硕士学位论文 整杆式小型甘蔗收获机耙叶元件的设计与试验研究 19 图 2 9 单根喂入甘蔗剥叶效果图 图 2 10 单根喂入甘蔗断尾效果图 Fig 2 9 The test rendering of stripping leaves wih one sugarcane Fig 2 10 The test rendering of broking the tail of sugarcane wih one 从实验结果看 甘蔗有些有伤蔗情况 如图 2 11 所示 图 2 11 伤蔗图 Fig 2 11 The injured sugarcane figure 结论 从试验结果来看 一根 两根甘蔗喂入