机械制造及其自动化 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 吕焕培

机械制造及其自动化 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与研究 吕焕培 硕 硕士学位 士 论 文 吕 焕 培 小 型 甘 蔗 收小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机 割 构的设计与研究 机 物 流 系 统 与 新 型 吕焕培 集 蔗 机 构 的 设 计 与 研 究 2010 二?一?年五月 分类号 TH164 密级 内部 UDC 621 硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机 构的设计与研究 吕 焕 培 学科专业 机械制造及其自动化 指导教师 梁 式 教 授 论文答辩日期 2010年6月5日 学位授予日期 2010年6月30日 答辩委员会主席 李尚平 教授 论文评阅人 李作威 高工 蒲明辉 教授 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明:所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名: 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即: 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本: 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务; 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文; 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间: ?即时发布 ?解密后发布 (保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名: 导师签名: 年 月 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 摘 要 研制适于丘陵地区的小型甘蔗收割机有利于提高广西地区甘蔗收获的机械化程度，降低蔗糖生产的劳动成本，增强我区蔗糖生产在国际市场上的竞争力。本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 以广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目、广西壮族自治区科学技术厅科技攻关项目以及国家科技部科技人员服务企业项目为依托，采用虚拟仿真 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与物理模型试验分析相结合的方法对小型甘蔗收割机的物流系统进行了设计分析，并对收割机物流的终端——集蔗机构进行设计，这为小型甘蔗收割的整机设计提供理论依据和数据支持。本课题具体所要研究的内容有以下几个方面: 1 根据物流系统所要实现的功能，对其中的辊轮输送机构进行了结构设计，并对甘蔗喂入物流系统时的初始条件，辊轮输送甘蔗时其齿形、双辊轮间的间隙对甘蔗输送的影响进行了理论分析，同时也研究分析了喂入耙轮与辊轮间的相对位置及辊轮输送机构与剥叶机构间的相对位置对甘蔗输送的影响。 2 在理论分析的基础上，结合虚拟样机技术，建立了物流系统的虚拟仿真模型，仿真分析了辊轮不同的齿形和喂入耙轮的齿形位置的变化对甘蔗输送的影响以及耙轮和辊轮的相对位置对甘蔗输送的影响，最后得到了较优的辊轮齿形、耙轮齿形位置以及耙轮与输送辊轮间的最优组合位置。 3 根据小型甘蔗收割所要实现的集蔗功能，对其的集蔗机构进行了结 I 构设计和三维建模，并对其运动的实现情况进行了仿真分析，同时应用有限元分析软件对集蔗机构的部分结构进行结构静力学分析。 4 通过所研制的甘蔗收割机物流试验平台对仿真分析所的得出的结论和数据进行物理试验验证，从具体的物理试验角度来分析所得结果的合理性，为整机的设计提供具体的数据支持。 关键词: 小型甘蔗收割机物流 仿真分析 集蔗机构 有限元分析 试验 分析 II THE DESIGN AND RESEARCH FOR THE LOGISTICAL SYSTEM AND NEW COLLECTING DEVICE OF THE SMALL SUGARCANE HARVESTER ABSTRACT Developing the small-scale sugarcane harvester which is suitable for the hilly can be helpful to improve the mechanization of harvesting sugarcane in Guangxi region, to lower labor cost and to enhance our region’s competitiveness of sugar production in the international market. The subject is rely on the project of Guangxi Manufacturing Systems and Advanced Manufacturing Technology Laboratory, the project of tackle a critical point in technology and science about Guangxi Science and Technology office and the project of technical staff company about the Ministry of Science and Technology. Use the method which is the combination of virtual simulation with physical model test to analyze the logistics system of the small-scale sugarcane harvester, and design the terminal logistics of harvester —sugar collecting device. It can provide the theory and data for the design of the small-scale sugarcane harvester. Therefore, the specific content of subject research includes the following aspects: 1 According to the function of logistics system to be achieved , make the structural design of roller conveyor, make the theory analysis of the initial conditions of feeding sugar cane into the logistics system, of the effect of the tooth profile and gap between rollers to the cane transportation, of the influence III of position between feeding harrow and roller to the cane transportation and of the effect of the position between roller conveyor and Leaves Cleaner to the cane transportation. 2 Based on theoretical analysis, combined with virtual prototyping technology, establish a virtual simulation model of the logistics system, make the Simulation analysis of the roller tooth profile and the different tooth location of feeding harrow which have an effect on the cane transportation, and also analyze the relative position of the roller and feeding harrow which have an effect on the cane transportation. Finally, get the better roller tooth profile , obtain the better position of the roller and feeding harrow, and also get the the optimal combination of position about feeding harrow and conveyor roller. 3 According to the collecting function of small-scale sugar cane harvester , make the structure design of collecting device and establish the 3D model, and the achievement of their movement was simulated, at the same time ,use the finite element analysis software make the static analysis of structure to the part of collecting device. 4 Through the Sugarcane harvester test platform of logistics, validate the conclusion and data which was obtained by the simulation analysis. Analyze the reasonableness of the results from the perspective of the specific physical tests and provide the specific data for design of the small-scale sugarcane harvester. KEY WORDS: The logistics of small sugarcane harvester; Simulation; Sugar collecting device; The finite element analysis; Test analysis IV 目 录 第一章 绪 论 ........................................................................ 1 1.1 课题来源及主要任务 .......................................................... 1 1.2 课题研究的目的及意义 ........................................................ 1 1.3 国内外甘蔗收获机械研究现状 .................................................. 2 1.4 小型甘蔗收割机发展所面临的问题 .............................................. 4 1.5 本文主要研究的内容 .......................................................... 4 1.6 解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .................................................................... 5 1.7 本章小结 .................................................................... 6 第二章 物流输送机构的结构设计及物流输送理论分析 ..................................... 7 2.1 辊轮输送机构的结构设计 ...................................................... 7 2.1.1 辊轮的结构设计 ........................................................ 8 2.1.2 辊轮输送机构整体结构的设计 ........................................... 11 2.2 甘蔗初始输送条件分析 ....................................................... 12 2.3 双辊轮输送条件分析 ......................................................... 152.4 双辊轮工作间隙的分析计算 ................................................... 17 2.5 辊轮有橡胶齿和无橡胶齿情况下的比较分析 ..................................... 19 2.6 喂入耙轮与辊轮输送机构间的相对位置关系分析 ................................. 19 2.7 辊轮输送机构与剥叶机构间的位置关系分析计算 ................................. 21 2.8 本章小结 ................................................................... 23 第三章 甘蔗收割机物流系统的仿真分析 ................................................ 24 3.1 物流系统仿真理论概述 ....................................................... 24 3.1.1 ADAMS运动学方程的建立 ............................................... 25 3.1.2 ADAMS动力学方程的建立 ............................................... 26 3.2 物流系统仿真模型的建立 ..................................................... 27 3.3 物流系统仿真模型中柔性模块的建立 ........................................... 29 3.4 输送辊轮不同辊齿结构的仿真分析 ............................................. 31 3.4.1 梯形软齿与梯形硬齿的输送速度比较 ..................................... 31 3.4.2 梯形软齿与圆形软齿的仿真比较分析 ..................................... 33 3.4.3 梯形辊齿与无齿光滑圆辊间的仿真比较 ................................... 34 3.5 喂入耙轮与输送辊轮间的相对位置的仿真分析 ................................... 35 3.6 耙轮错齿和不错齿间的仿真比较分析 ........................................... 42 3.7 本章小结 ................................................................... 43 第四章 集蔗机构的结构设计及其参数计算 .............................................. 44 4.1 不同类型集蔗机构的结构特点及其功能的分析 ................................... 44 4.1.1 一侧倾倒式集蔗机构 ................................................... 44 4.1.2 悬挂式集蔗机构 ....................................................... 45 4.1.3 自动斜集双侧倾倒集蔗机构 ............................................. 46 4.1.4 车载式集蔗机构 ....................................................... 47 V 4.1.5 网装式集蔗机构 ....................................................... 47 4.2 一种新型集蔗机构的结构设计 ................................................. 47 4.2.1 新型集蔗机构的功能要求 ............................................... 48 4.2.2 新型集蔗机构的结构设计 ............................................... 48 4.3 集蔗机构结构参数的设计 ..................................................... 49 4.3.1 侧板可开式集蔗机构总体尺寸及最大装载量的计算 ......................... 49 4.3.2 装载箱翻转角度的计算 ................................................. 52 4.3.3 侧板可开式斜集集蔗机构各液压缸的行程计算 ............................. 52 4.4 本章小结 ................................................................... 57 第五章 集蔗机构的有限元分析及其动态仿真 ............................................ 58 5.1 集蔗机构的ANSYS结构静力学分析 ............................................. 58 5.1.1 侧板的ANSYS结构静力学分析 ........................................... 58 5.1.2 锁钩的ANSYS结构静力学分析 ........................................... 61 5.2 侧板可开式斜集集蔗机构动态仿真 ............................................. 64 5.2.1 侧办可开式集蔗机构运动干涉及其稳定性分析 ............................. 65 5.2.2 集蔗机构集蔗过程仿真分析 ............................................. 69 5.2.3 侧板可开式斜集集蔗机构甘蔗卸载仿真分析 ............................... 70 5.3 本章小结 ................................................................... 73 第六章 甘蔗输送试验研究 ............................................................ 74 6.1 试验的目的及测试指标 ....................................................... 74 6.2 试验装置的设计 ............................................................. 74 6.3 试验测试装置 ............................................................... 75 6.4 试验测试方案及其结果分析 ................................................... 75 6.4.1 辊轮齿形对甘蔗输送的影响的单因素试验 ................................. 76 6.4.2 辊轮转速对甘蔗输送影响的单因素试验 ................................... 78 6.4.3 甘蔗根数和辊轮转速对甘蔗输送影响的双因素试验 ......................... 80 6.4.4 辊轮转速与甘蔗根数对消耗功率的影响的双因素试验 ....................... 82 6.4.5 耙轮与辊轮相对位置对甘蔗输送的影响的正交试验 ......................... 83 6.5 本章小结 ................................................................... 87 第七章 总结与展望 .................................................................. 89 7.1 本文总结 ................................................................... 89 7.2 展 望 ...................................................................... 90 参考文献 ........................................................................... 91 致 谢 ............................................................................. 95 攻读学位期间发表的学术论文 ......................................................... 96 VI 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 第一章 绪 论 1.1 课题来源及主要任务 本课题来源于广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目“多因素耦合的甘蔗收获机械砍蔗系统、传动物流系统动力学仿真分析与实验研究”(合同编号:桂科能07109008_021_K)、广西壮族自治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)、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”(项目编号:2009GJE10008)和广西研究生教育创新计划项目“甘蔗切割实验平台的设计”(项目编号:T32075)。 本课题主要任务是结合广西实际的甘蔗种植地理环境和甘蔗生长特点，通过理论分析、参数化建模、仿真分析以及具体试验验证的方法和步骤来研究适合于丘陵地区的小型甘蔗收割机的物流系统的部分结构设计及各模块的空间关系的问题，同时考虑到现有甘蔗收割机集蔗机构存在着甘蔗收集蔗效率低，卸载后不方便收集等问题，对适合于小型甘蔗收割机的集蔗机构进行结构设计。在理论分析的基础上通过对物流系统进行参数建模及仿真分析，得出了物流系统中各模块间较为合理的空间位置关系，通过对集蔗机构的创新设计及虚拟仿真分析，得出了一种集蔗效率高，结构紧凑，卸载甘蔗整齐的新型集蔗机构。 1.2 课题研究的目的及意义 甘蔗作为我国重要的经济作物之一，在食品、化工、轻工以及能源等工业领域有着广泛的应用。我国甘蔗主要集中分布在华南和西南地区，甘蔗产业已经成为当地一个重 [1]要的的经济产业，为当地居民增收提供了产业上的支持。广西作为我国重要的蔗糖生产基地之一，2008/2009年糖季，全区甘蔗种植面积达到1500多万亩，全区共有759个乡镇种植甘蔗，蔗农人口达到1018万人，蔗农通过种植甘蔗收入达到168.46亿元， 1 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 全区甘蔗总产量为6130万吨，产糖763.8万吨，生产总量占全国的61.44%。因此提高全区的甘蔗生产机械化水平直接关系到我国的蔗糖业在国际市场上的竞争力。由于广西地处西南，山地多平原少，全区70%甘蔗种植在丘陵地区，这不利于实现甘蔗生产的高 [2,3,4]度机械化。 由于受目前甘蔗生产水平的制约，在甘蔗收获中的劳动力投入、整个用工量和劳动强度都非常大。据相关资料显示，甘蔗收获所占的用工量为整个甘蔗生产(包括整地、种植、管理、收获)总体用工量的60%。相关统计数据显示，单个蔗农一天只能收获甘蔗0.5-0.6吨，因此进行一亩甘蔗收割需要8-10个蔗农，总的用工费为300元，这大大降 [1]低了甘蔗的种植效益。除此之外，还有在种植环境上，全区丘陵众多，大量的甘蔗种植在山地、坡地上，这与国外平原种植甘蔗的种植环境极不相同，加上气候条件，土壤环境的差异使得国外大型的甘蔗收获机械无法使用于我区的甘蔗生产。于此同时，国外甘蔗收获机械多为大型设备，因此在购买价格、使用成本上都很高，所以蔗农很难支付得起。因此，研制适合于丘陵地区的小型甘蔗收割机为提升我区的甘蔗机械化生产水平具有重要的意义。 1.3 国内外甘蔗收获机械研究现状 在国外，甘蔗收获机械已经发展的比较成熟了。目前广泛使用的有两种机型，一种是切段式甘蔗联合收割机，另一种是整秆式甘蔗收割机。切段式甘蔗收获机在进行甘蔗收获中一次所能完成的工序主要有:断尾、扶蔗、砍蔗、喂入、切段、输送、除杂、收集。为了防止切段后的甘蔗变质及含糖量的降低，所收获的甘蔗必须在24小时内送入糖厂进行加工生产。该种切段式大型机型普遍适用于广阔的平原地区，国外像澳大利亚、古巴、巴西等国家都广泛使用该种类型收割机，其中代表机型有澳大利亚托夫特公司生产的TOFT系列、福格森公司所生产的MF-201型、MF-102型、美国CAMECO公司生产 [2,3]的CH3500甘蔗联合收割机(如图1-1所示)等。 国外对整秆式机型的应用比较少，与切段式甘蔗收获机相比，整秆式甘蔗收割机在整体结构上比较小，它一次所能完成的收割工序有:断尾、扶蔗、砍蔗、喂入、输送、剥叶除杂、收集。整秆式甘蔗收割机所收割的甘蔗其存放时间要比切段式要长，由于机型小，在国外多丘陵地区应用的比较广泛。其中代表的机型有托夫特、布罗斯公司所生 [5,6]产的J150型、J250型。 2 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图1-1 CH3500甘蔗联合收割机 Fig. 1-1 Sugarcane Combine Harvester 国内对甘蔗收获机械的研究起步较晚，直到上世纪60年代才开始对甘蔗收获机械的研究。在早期的研究中，主要以仿制国外大型联合收割机为主，但是由于我国甘蔗种植的特殊的地理环境和气候环境，这些大型的仿制机型不能适用于当地的甘蔗收获。随着国内甘蔗收获机械研发水平的提高，研发出了几款性能比较好的机型，例如广西农机研究院研发的4GZQ-260型切段式甘蔗联合收割机，小型切断式甘蔗收割机有广州科利亚公司研发的4GZ-56切断式甘蔗收割机(如图1-2所示)。 图1-2 4GZ-56切断式甘蔗收割机 图1-3 4GZQ-75整秆式甘蔗收割机 Fig. 1-2 Cutting-type sugarcane harvester Fig. 1-3 The whole stalk-type sugar cane harvester 由于特殊的地理环境以及现有的蔗糖生产工艺，使得体型庞大的切断式甘蔗收割机在国内的使用并不理想，因此对小型的整秆式收割机的研发成为了重点，目前所推出的整秆式甘蔗收割机机型有:浙江三佳SJ-1400整秆式甘蔗收割机、河南坤达4GZQ-75整秆式甘蔗收割机(如图1-3所示)以及汉森4ZL-1B整秆式甘蔗收割机等，虽然这些机型与早期研制的收割机相比性能上得到了很大的改进，但是在某些收割指标上，还不能满足实际生产的要求，比如，在降低甘蔗破头率、含杂率、甘蔗收集效果等都不能满足蔗 [7]农的要求，在整体造价上也比较高，因此在市场的竞争力不强。因此研制出适合当地实际地理环境、性能良好成本较低的整秆式甘蔗收割机成为了目前研究的重点。 3 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 1.4 小型甘蔗收割机发展所面临的问题 目前，虽然我国在小型甘蔗收割机研发上取得了一定的成果，但在实际生产应用中也存在着不少问题，这大大影响了小型甘蔗收割机械在甘蔗收割中的推广应用，也不利于我国的蔗糖产业在国际市场上的竞争。所面临的问题主要有以下几个: 一、 小型甘蔗收割机单 机制 综治信访维稳工作机制反恐怖工作机制企业员工晋升机制公司员工晋升机制员工晋升机制图 造成本过高，不利于在蔗农中普及，我国甘蔗种植的其中一个特点就是甘蔗种植分散，小户种植比较多，由于受个人的经济条件的限制无法承受这种高额的成本，这直接影响甘蔗收割机在蔗农中的普及。 二、小型甘蔗收割机在收割时其物流系统的输送效率不高，尤其是小型整秆式甘蔗收割机，由于受甘蔗长度的影响及收割机本身结构的限制，在输送时常出现物流拥堵甚至堵塞的现象。 三、 小型甘蔗收割机的一些收割指标依旧不理想，虽然我国的甘蔗收割机的性能经过多年的研究已经有了很大的提高，但是在一些关键的收割指标上还是不能满足糖厂 [8]和蔗农的要求，比如在破头率、含杂率上都不怎么理想。 四、 目前小型整秆式甘蔗收割机在整体结构上都不怎么紧凑， 机动性能差，这不利于在山地、坡地上进行甘蔗收割。 五、小型整秆式甘蔗收割机在甘蔗收集上并不十分理想，存在着装载量低、卸载不彻底、甘蔗二次收集麻烦等问题。 因此，在小型甘蔗收割机的研发设计中，研制成本合理、性能良好、结构紧凑的丘陵地区小型甘蔗收割机已成为研究的重点。 1.5 本文主要研究的内容 结合目前甘蔗收割机的研究概况并根据丘陵地区小型甘蔗收割机的结构要求和功能要求，本文所要完成的主要任务有以下几点: 1、对物流系统中各个机构的相对位置关系进行理论分析; 2、通过虚拟样机技术对不同位置参数下的物流系统进行虚拟分析; 3、设计研究一种新型的甘蔗收集机构，并对其结构参数进行理论计算; 4、应用虚拟样机技术和有限元技术对所设计的集蔗机构进行分析计算; 4 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 5、进行甘蔗物流试验来验证前面理论计算所得的参数值。 研究内容的具体流程如图1-4所示。 集蔗机构的结构集蔗模块部分物流模块的结构设计喂入参数计算输送模块 构建集蔗机构三维各物流模块间的相对位置计算模型 结构静力学分析构建物流系统的三维模型 反馈反馈 动态分析及干涉检查 甘蔗物流试反馈 验验证 确定方案 图1-4 研究内容流程图 Fig. 1-4 The flowchart of the study 1.6 解决方案 结合前面所给出的论文研究内容，并根据现有的技术手段，提出解决方案如下所示: 1、根据甘蔗收获实践中存在的物流系统传输效率低及易出现堵塞现象等问题，本文 对输送机构的输送辊进行了结构设计和理论分析，并分析了输送辊轮与喂入耙轮 的相对位置关系，得出了两轮间的相对位置与甘蔗运动间的关系。 2、通过应用UG三维建模软件，建立物流系统的结构模型。然后导入ADAMS动态分 析软件，先对不同齿形结构的输送辊轮进行仿真分析，分析其输送效率，选择一 种效率较优的齿形。对不同位置下的耙轮和输送辊轮进行仿真分析，得出一个合 理的位置关系。 3、根据丘陵地区小型甘蔗收割机的生产实际的需要，对其甘蔗收集机构(集蔗机构) 进行设计，通过UG三维建模软件建立三维结构模型，对其结构参数进行计算分 [9]析。 4、应用ADAMS仿真软件，对所设计的集蔗机构进行运动干涉分析，并利用ANSYS有 限元分析软件对集蔗机构的部分结构进行结构静力学分析，得出合理的结果。 5、根据试验分析的需要设计制造物流试验平台，由所要验证参数和结论制定出具体 5 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 的试验方案，具体要进行的物流试验有:辊轮齿形对甘蔗输送影响的单因素试验， 辊轮转速对甘蔗输送影响的单因素试验，辊轮转速和甘蔗根数对甘蔗输送的影响 双因素试验，转速与甘蔗输入根数对输送功率的影响的双因素试验，辊轮和喂入 耙轮的相对位置关系对甘蔗输送的影响的进行正交试验。并通过具体的试验数据 分析来验证理论计算和仿真分析所得出的结论的合理性。具体流程如图1-5所示 [10]。 UG三维零件建模 UG物流输送系统装配UG集蔗机构装配 ANSYS集蔗机构部分结构建模NADAMS物流系统N动态仿真ANSYS结构静力学分析YYNN物流试验验证ADAMS集蔗机构 Y动态仿真 Y 得出结果 图1-5 解决方案流程图 Fig. 1-5 The flow chart of the Solution 1.7 本章小结 本章主要阐述了目前甘蔗收割机械的研究状况和所存在着的问题，并指出了丘陵地区小型甘蔗收割机的研究对提高我区甘蔗生产机械化程度的重要性，同时也阐明了本课题研究的目的和其所具有的重要意义，最后对本文所要研究的内容和具体解决方案进行简单的概述。 6 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 第二章 物流输送机构的结构设计及物流输送理论分析 由上一章可知，小型整秆式甘蔗收割机在收割时，其物流系统常常会出现物流拥堵现象，使得收割效率降低，因此有必要对其中的输送机构进行设计分析，并对物流输送中的几个影响因素进行分析研究。 2.1 辊轮输送机构的结构设计 , eO ncSGm K L Pαhε 图2-1 甘蔗收割机物流整体布置图 Fig. 2-1 The overall layout of sugarcane harvester Logistics 物流输送系统的整体布置如图2-1所示，甘蔗收割机物流系统主要由耙轮机构，输送机构及剥叶机构三部分组成，其主要功能是将被砍后的甘蔗进行喂入、剥叶并输送到集蔗机构中。其中，耙轮机构作用是将甘蔗喂入物流系统中，剥叶机构则用来实现拨去甘蔗茎秆表面蔗叶和输送甘蔗的功能，而输送机构则是在耙轮机构和剥叶机构间起到输送衔接的作用。因此，输送机构功能实现的好坏直接关系到整个物流系统的输送是否通畅高效，输送机构的结构是否紧凑直接关系到整个物流系统的结构是否紧凑。 在实际生产中所使用的输送机构类型比较多样，其中用的比较广泛的有带式输送机构，辊轮输送机构，螺旋输送机构，振动输送机构等。由于辊轮输送机构在结构布置上比较灵活，而且容易实现分段和连接，使得整个物流系统的结构变得紧凑，并综合考虑甘蔗的收割时的实际环境及甘蔗的物理形状，小型整秆式甘蔗收割机的输送机构采用辊 [11,12,13,14] 轮输送机构。在输送时采用单辊轮输送与双辊轮输送相结合的方式进行输送。 辊轮输送机构主要有无驱动式辊轮输送机构(如图2-2所示)和驱动式辊轮输送机 7 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 构(如图2-3所示)两种，无驱动式辊轮机构是指在输送物品时辊轮处于被动状态，物品的输送依靠人力，重力或其他外力的推拉来实现的，它可以水平布置，也可以按一定的角度实现倾斜布置。驱动式辊轮输送是指在输送物品时，辊轮的运动处于主动状态，能准确的控制物品的输送状态，对物品进行平稳可靠的输送。为了保证甘蔗输送时能够顺利通畅的经过整个物流系统，在设计中采用驱动式输送机构来这作为甘蔗收割机的输送 [11,13,14] 机构。 ,输送物品 输送辊轮 , [15] [15]图2-2无驱动式辊轮图2-3驱动式辊轮 Fig. 2-2 Non-driven roller Fig. 2-3 Driven roller 驱动式辊轮输送机构主要有辊轮、机身、传动装置三大部分组成，传动方式的选择上采用链传动，在本文中对驱动式的辊轮输送机构的结构设计主要是对辊轮和机身这两个部分分别进行结构设计。 2.1.1 辊轮的结构设计 [11] 表2-1不同种类的辊轮的比较 Table 2-1 The Comparison of the different types of roller 名称 承载情况 适用场合 成本 抗外界环境的 腐蚀性 钢辊轮 能承受轻，中，对抗腐蚀性要求不高的场合 较低 抗酸碱等腐蚀 重载 性差 不锈钢能承受轻，中，医药，食品等行业 高 耐酸碱腐蚀性 辊轮 重载 强 铝合金承载能力低于轻载，要求外表美观，或移高于钢耐酸碱腐蚀性 辊轮 钢辊 动方便的场合 辊轮 强 辊轮是辊轮输送机构实现其输送功能的主要部件，它的作用是用来承载和输送物品。根据所选用的材料的不同，可以将输送辊轮分为钢辊轮，不锈钢辊轮，铝合金辊轮，三种辊轮的各自特点如表2-1所示。 通过比较三种辊轮的性能特点并考虑到甘蔗在物流系统中输送的实际情况甘蔗输送机构中的辊轮采用钢辊轮。 8 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 结合甘蔗收割机输送系统在实际输送甘蔗时的输送量，输送速度以及甘蔗本身的结构物理特性(质量，体积，密度等)，分别对输送辊轮的长度，直径，辊轮间距进行计算。 在一般情况下，辊轮的长度计算式如下所示: (2-1) M,B，,B 式 中 ——辊轮的长度; M —— 所输送甘蔗的整体宽度; B ——宽度裕量，可取=50-150mm; ,B,B 又因为 (2-2) B,N,d,, N式 中 ——为在物流系统中同时通过的甘蔗数目; d ——甘蔗的直径; ——甘蔗的弯曲对物流输送系统的影响因素。 , 根据课题组前期研究所统计出的甘蔗种植生长参数，取甘蔗的直径为22mm，为满足甘蔗收割生产率的要求，N可取为1-2根，而可以取为1.3-16不等，所以计算得B为, [15]M352mm。由式(2-1)则可得为500mm。 在甘蔗输送机构中，辊轮间的间距的大小直接影响着甘蔗能否顺利的通过整个物流系统，如果输送辊轮间的间距过大，则在传输过程中甘蔗会在传输过程中出现甘蔗从辊轮间漏下，甚至出现输送堵塞，卡死现象;如果输送辊轮间的间距过小的话，会增加辊轮数目，使得所需的功率增加。 在实际的生产中，辊轮的间距应该满足所传输的物品至少有三个输送辊轮支撑着，因此取 1P,L (2-3) 3 式 中 P ——辊轮的间距; L——物品的长度。 考虑到在输送时的平稳性，可取: 11，，P,~L (2-4) 45 根据课题组相关统计所得出的数据，甘蔗生长高度一般在2-2.4m,为使最短的甘蔗通过传输机构时不发生掉落，阻塞等现象，因此L应取为2m，并考虑到甘蔗被断尾后的 9 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 长度有所减少，所以综合以上设计因素，取输送机构的间距P为170mm。 辊轮的直径的大小与其的承载能力有关，在一般情况下根据式(2-5)来确定辊轮的直径的大小。 (2-5) ,,F,F 式 中 F ——一个辊轮所能承受的力; —— 辊轮所能允许承受的载荷。 ,,F 单个辊轮所应该承受的力F与物品的质量，输送中承载一个物品所需的辊轮数和物品底部的特性有关，并得出计算式如式(2-6)所示: mg (2-6) F,KKn12 式中 m—— 单个物品的质量; ——单列辊轮的有效支撑系数，一般情况下可取为0.7; K1 ——多列辊轮的不均衡承载系数，对于单列而言，一般取; KK,122 n ——支撑单个物品的辊轮数; mg,9.81 g ——重力加速度，取 。 2s 所以由式(2-6)，当单根甘蔗通过传输机构时，每个辊轮所应承受的力F=5.25N。 参考关于定轴动力式辊轮输送技术参数得当辊轮长度为494mm，其直径选为76mm时，单个辊轮所能承受的力为2.3KN，所以远远大于辊轮实际所承受的力，由理论力学可知，在长度一定的情况下，简支梁的直径越大则所能承受的力也越大，抗弯曲的能力 [15]也越强，所以在设计中辊轮其内筒的直径应取为80mm。 若输送辊轮完全用钢材制成，则在实际的传输中往往会因辊轮工作间隙无法进行柔性调整而出现输送拥堵甚至阻塞的现象，并易出现传输打滑现象，这会影响甘蔗整体收割过程的顺利进行。根据课题组前期的研究得出，在设计中给辊轮贴加柔性材料制成辊齿进行输送，这样不仅可以利用柔性材料的弹性实现辊轮工作间隙的柔性可调，还可以增大传输摩擦力。在本设计中采用梯形截面的橡胶棒作为辊齿，其总长为494mm，齿高为11mm，齿顶宽为10mm，具体结构如图2-4所示。根据前面的结构数据，设计出辊 [16]轮的结构如图2-5所示。 10 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图2-4 输送辊轮橡胶结构 Fig. 2-4 The rubber structure of conveyor roller 图2-5 输送辊轮结构图 Fig. 2-5 The chart of conveyor roller 2.1.2 辊轮输送机构整体结构的设计 甘蔗收割机辊轮输送机构主要由辊轮(由单辊轮和双辊轮组成)，辊轮架和辊轮驱动系统组成，在整个物流系统中，输送机构先后与喂入机构及剥叶机构相连接，在甘蔗输送中起着桥梁的作用，所以在输送机构的整体结构的设计上不仅要保证甘蔗输送的通畅，并且其整体结构要紧凑，不影响整机的结构紧凑性。 在辊轮输送机构中有4个单辊轮和2对双辊轮，单辊间的间距由上面计算得为170mm，双棍间的辊轮工作间隙跟所输送的甘蔗直径大小及辊轮的直径大小有关。辊轮 [8]支架两侧的挡板高度不仅与双棍轮的中心距有关，而且还与剥叶机构的入口口径有关，即 H,b (2-7) H,k (2-8) 式中 H—— 辊轮支架挡板高度; b—— 双棍轮间的中心距; k——剥叶机构竖直方向上的入口宽度。 当辊轮支撑架的高度同时满足(2-7)、(2-8)两式的时候，才能保证甘蔗在输送时不发生测漏现象。 11 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 [15]其中辊轮中心距b的计算如式(2-9)所示: b,d，, (2-9) d——为辊轮的直径; ε——双棍轮的工作间距。 k的取值跟剥叶机构与输送机构间的输送夹角δ有关，当δ=0º时，如图2-6所示，k值的计算如下: k=AB=2r×tanθ (2-10) 式 中 r——剥叶机构输送辊工作半径; θ——剥叶机构的最大喂入角。 ,当时(如图2-6)所示，k值的计算如下: ,,0 (2-11) ,,，，k,,,rtan,，rtan,cos, 其中: λ——输送辊轮中心到剥叶机构辊轮间中心距离; δ——剥叶机构与输送机构间的输送夹角。 , ,,,,,,P,,, (A) δ=0º (B) δ,0º 图2-6 剥叶机构的入口口径 Fig. 2-6 The inlet diameter of leaves cleaner 图2-7 辊轮输送机构 Fig. 2-7 The conveyor of Roller 12 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 根据辊轮输送机构的结构要求及前面计算所得出的结构参数及位置参数，通过三维建模软件对输送机构的各个零件进行建模，组装后得到的三维模型如图2-7所示。 2.2 甘蔗初始输送条件分析 被砍后的甘蔗要顺利进入辊轮输送机构，主要是通过耙轮的打击、夹持以及输送辊轮传送作用来实现的，当甘蔗与耙轮接触后，被压倾到一定的角度，并通过耙轮橡胶齿夹持打击作用将甘蔗以一定的输送角度与输送辊轮接触，然后通过辊轮的旋转作用将甘蔗送入输送机构。因此在输送中甘蔗与辊轮接触时的作用关系直接影响着甘蔗能否会被顺利的送入辊轮输送机构，甘蔗与输送辊轮的接触瞬间的受力如图2-8所示。 F G ,Ny Sy,S SxNx a 图2-8 甘蔗开始喂入时受力分析图 Fig.2-8 The force analysis diagram of the cane began to be feeded 力F为喂入耙轮对甘蔗的打击作用，甘蔗在与输送辊轮接触的瞬间受到了辊轮对其的打击作用，打击力为N，同时甘蔗与辊轮橡胶齿之间存在着摩擦作用，其中摩擦力为S，各种作用力在X,Y方向上的分力如图2-8所示，在甘蔗与辊轮接触的瞬间，要使甘蔗能被顺利的输送到辊轮输送机构，则必须要满足如下几个条件: F，S,N (2-12) xxx G，F,N，S (2-13) yyy 即 a,Fcos,，F,cos(90,,),Ncos(，,) (2-14) 2 a,G，Fsin,,sin(，,)，F,sin(90,,) (2-15) 2 其中 F——耙轮对甘蔗的打击力; 13 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 N——输送辊轮对甘蔗的打击力; μ——甘蔗与辊轮橡胶齿间的滑动摩擦系数; a——梯形橡胶齿的顶角; G——甘蔗所受到的重力; θ——甘蔗理论输送角。 aa根据梯形橡胶齿的结构参数可得。所以对式(2-14)、(2-15)sin,0.24,cos,0.9722 进行简化计算得到不等式如下所示: (2-16) (F,0.97)cos,，(F,，0.24N)sin,,0 (2-17) (F,0.97)sin,,(F,，0.24N)sin,,0 对式(2-16)、(2-17)进行三角计算得: , 0,,,,, (2-18) F0.97N,2arcsin,,其中 F(1)N(0.481.94)FN222,，，，,, N 10.97,F (2-19) arcsin,NN 221()(0.481.94)，,，，,,FF 由式(2-18)、(2-19)可知甘蔗进入辊轮输送机构的理论输送角的取值与喂入耙轮对甘蔗的打击力F，辊轮对甘蔗的打击力N以及甘蔗与橡胶齿的摩擦系数的大小有关。定 NK,义 为输送辊轮与喂入耙轮间的力比系数。 F 所以由式(2-18)、(2-19)可得: 当K=0时即耙轮对甘蔗的打击力F远远大于辊轮对甘蔗的打击力时 ,1,,,arcsin (2-20) 221，, 由于两轮对甘蔗的打击力与它们各自的转速有关，当转速增大时，轮对甘蔗的打击力也随之增大，所以由式(2-18)、(2-20)可知当辊轮的转速远远小于耙轮的转速时甘蔗与橡胶齿的摩擦因数对甘蔗理论输送角的影响显著。理论输送角的值并随着摩擦因数的 [17]增加而增加。 14 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 当K=1时，即两轮的打击力大小相等时， ,0.03 , (2-21) ,,arcsin2,，0.24 由式(2-21)可知当输送辊轮的转速与耙轮的转速相接近的时候，甘蔗与辊轮间的摩擦因素对理论输送角的影响显著。 当01时， 则不符合实际输送情况，即在输送中耙轮的转速不能小于辊轮的,2 [18]转速，不然会影响甘蔗的输送顺利进行。 因此在甘蔗初始进入辊轮输送机构时，为使输送机构能够顺利输送甘蔗，输送辊轮与喂入耙轮间的力比系数K必须满足01。有式(2-26)可知牵引系数跟摩擦因素、辊轮打击力N、两轮对甘蔗的法向挤压力P以及辊轮的抓取角γ有关。因此要增大双辊轮的牵引系数Q，则可以通过增大辊轮与甘蔗间的摩擦系数，增加辊轮的转速，以及增大两辊轮间的工作间距来实现。但是双辊轮在输送甘蔗时必须对甘蔗有一定的挤压才能使输送顺利进行，所以P必须大于0，即不能无限制的增大两轮间的工作间距。综上分析得甘蔗在双辊轮中顺利输送条件如下所示: Q1,, (2-27) ,P0,, 2.4 双辊轮工作间隙的分析计算 由前面的分析可知，双辊轮的工作间隙的大小直接影响着甘蔗输送的顺利进行，由式(2-27)可知，当工作间隙增加时辊轮的牵引系数增大，有利于甘蔗的输送，但随着辊轮工作间隙的增大，辊轮对甘蔗的法向压力也随之减小，不利于顺利输送甘蔗，因此有必要对辊轮的工作间隙进行分析计算。 17 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 Ah, Bo Dd 图2-11 双辊轮的工作间隙 Fig. 2-11 Double-roller work space 辊轮的工作间隙指的是辊轮工作直径间的间隙(如图2-11所示)，并根据几何关系 [8]可得: D，h,dd,hcos,,1, , (2-28) DD 1,由三角函数关系式得 cos,21，tan, 1 (2-29) h,d，D(,1)2,1，tan 所以由式(2-29)可知，由于甘蔗的直径是一定的，所以双辊轮的工作间隙与的大小与辊轮的工作直径和辊轮抓取角有关，当工作直径增大时，工作间隙h减小，当抓取角增大时工作间隙也减小。 将式进行变换得式(2-30)如下所示: d,h (2-30) D,11,21，tan, d,h将式(2-26)代入可得式如下所示:D, (2-31) 11,N21，(,，)P 因此在设计中当甘蔗的直径确定时，可以根据辊轮与甘蔗间的摩擦因素，辊轮间的 [17]工作间隙，以及转速，并利用式(2-31)来判断所设计的辊轮直径是否符合要求。 18 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 2.5 辊轮有橡胶齿和无橡胶齿情况下的比较分析 在辊轮的设计中，一般在圆筒上加上橡胶齿，防止在输送过程中对甘蔗表面造成伤害，以及避免在输送过程中出现堵塞及输送打滑现象。下面通过两种辊轮的牵引系数来比较它们的优劣。如图2-12所示是在没有橡胶齿情况下的甘蔗输送。根据前面的分析方法得出甘蔗在没有橡胶齿的辊轮中输送时所要满足的条件如下所示: (2-32) S，T,Pxx 在输送中由于T的值比较小，所以可以忽略不计，则经变换得: (2-33) ,,tan,0 所以得无橡胶齿的双辊轮牵引系数 N,，,P0,Q< (2-34) Q,0tan,tan, ,SxPxTSSy PPy 图2-12 在无橡胶齿情况下甘蔗的输送 Fig.2-12 the transportation of sugarcane with non-rubber gear 由式(2-34)可以发现，当有齿时，输送辊轮对甘蔗有一个打击力，而且橡胶与甘蔗 ,,的摩擦因素比金属与甘蔗的摩擦因素要大，所以有齿的辊轮的牵引系数比无齿的辊0 [17]轮大，更容易实现对甘蔗的输送。 2.6 喂入耙轮与辊轮输送机构间的相对位置关系分析 甘蔗在整个物流系统的输送过程中，首先与喂入耙轮相作用使得甘蔗顺利被耙入辊轮输送机构中，因此耙轮与辊轮输送机构间的相对位置是否合理影响着甘蔗能否顺利进 19 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 行输送。其位置关系如图2-13所示。在输送中，甘蔗初始进入辊轮机构时的输送角度的大小受到了两轮位置关系的限制，因此要使输送顺利进行，甘蔗实际输送角必须要小于等于其理论输送角，即用不等表示为: (2-35) ,,, 其中——实际输送角; , θ——理论输送角。 式(2-35)即为甘蔗输送时所有满足的角度关系式，由图2-13可知实际输送角的大小跟两轮的位置关系有关，在分析中，把两轮的位置关系用耙轮与辊轮的中心在水平方 [8]向上的水平距离S和耙轮与辊轮的中心在竖直方向上的竖直距离L来表示。由图2-13及结构间的几何关系得: S L b,, a 图2-13 实际输送角与两轮位置的关系 Fig. 2-13 The relationship of actual transmission angle and location of the wheel LR,r ,,arctan,arcsin (2-36) 22SL，S 其中 R——耙轮工作半径; r——输送辊轮工作半径。 由式(2-36)可知实际输送角的大小不仅与两轮的半径大小有关系，而且跟耙轮与输送辊轮的间的相对位置关系有关，并且可以发现实际输送角随着两轮的半径差的增大而减小。 20 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 当时，将角分别代入式(2-14)，(2-15)得: ,,,, a, (2-37) Fcos,，F,cos(90,,),Ncos(，,)2 a, (2-38) G，Fsin,,sin(，,)，F,sin(90,,)2 a,令 (2-39) W,Fcos,，F,cos(90,,),Ncos(，,)x2 a,W,sin(，,)，F,sin(90,,),G，Fsin, (2-40) y2 则，分别是甘蔗在初始送入辊轮机构时的水平方向的合力和竖直方向的合力。分WWyx 别对式(2-39)和式(2-40)进行三角变换得: 22W,A，Bsin(,，,) (2-41) x 22W,A，Bcos(,，,) (2-42) y A,F,0.97N其 中 B,F,，0.24NN 10.97,Farcsin,, NN 221()(0.481.94)，,，，,,FF 由式(2-41)，(2-42)可知，当A,B,及β一定时，,WW随着角的增大而增加，随yx ,,着增大而减小，由于角的大小随着L与S的变化而改变，因此当调整耙轮与辊轮的相对位置时，甘蔗在输送时所受到的力也随之改变。所以在设计中耙轮与辊轮间的相对位置可以根据甘蔗在输送时的受力状况来进行设计。 2.7 辊轮输送机构与剥叶机构间的位置关系分析计算 在甘蔗收割机物流系统中，甘蔗经过辊轮输送机构进入剥叶机构进行剥叶，其位置关系如图2-14所示，在位置关系上剥叶机构与辊轮输送机构在甘蔗进给方向上成一定的角度，由几何关系可得: n,esinc (2-43) m,ecosc (2-44) 21 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 c,,，, (2-45) 其中 e——剥叶机构的中心点o到辊轮输送机构末端辊轮的距离; m——剥叶机构相对辊轮输送机构在水平方向的距离; n——剥叶机构相对辊轮输送机构在竖直水平方向的距离; c——甘蔗在剥叶机构中的进给方向与水平方向的夹角; δ——甘蔗在剥叶机构中的进给方向与在输送机构中的进给方向的夹角; α——物流倾角。 , eO n c G m 图2-14 辊轮输送机构与剥叶机构的位置关系 Fig. 2-14 The position relationship of the roller and leaves cleaner 当δ=0时，甘蔗在输送机构中的进给方向与其在剥叶机构中进给方向一致，则 得: n,esin, (2-46) 0 m,ecos, (2-47) 0 当δ>0时，得: (2-48) n,esin(,，,) m,ecos(,，,) (2-49) 比较式(2-46)与(2-48)，(2-47)与(2-49)可得: n,nm,m (2-50) 00 由式(2-50)可知，当角δ增大时，由于剥叶机构与输送机构末端辊轮间距离的水平分量减小，距离的竖直分量增加，使得整个物流系统在结构上变的紧凑，但重心增高， 22 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 如果角度过大则会影响甘蔗顺利进入剥叶机构。因此在设计中角δ的值不宜取的过大。整个物流系统结构如图2-15所示: 图2-15物流系统三维模型图 Fig. 2-15 The three-dimensional model of logistics System 2.8 本章小结 本章根据甘蔗在小型甘蔗收割机物流系统中的输送特点，对物流系统中的辊轮输送机构进行了结构设计，通过建立甘蔗在喂入、输送中的理想受力模型，对甘蔗喂入初始条件和辊轮输送条件进行了理论分析，同时比较分析了输送辊轮齿形、耙轮与辊轮间的相对位置关系以及输送机构与剥叶机构间的相对位置关系对甘蔗输送的影响。 23 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 第三章 甘蔗收割机物流系统的仿真分析 本章主要是在第二章对物流系统的各个模块进行理论分析的基础上，通过虚拟样机技术对甘蔗收割机的整个物流系统进行仿真分析研究。主要的研究思路如下:首先根据课题组前期的研究成果，以及前面理论分析中所得出的结构参数和位置参数对物流系统中的各个结构模块进行三维建模，其次是将所建的三维几何模型导入仿真软件中，根据模块的实际工作状况来设置具体的仿真参，数建立物流系统的仿真模型，最后进行计算求解，得出相应的仿真结果(具体过程如图3-1所示)。 根据所模拟的实得出所测参数的数根据所得参数建导入ADAMS中仿真计算际情况对导入机据图表并进行分析比立各模块的结构构进行约束，激较模型励等方面的设置 根据仿真结果修改所测参数 图3-1 物流模块的仿真分析过程设计 Fig. 3-1 The process design about simulation of the logistics module 3.1 物流系统仿真理论概述 本章对甘蔗收割机物流系统的设计方法主要是采用虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology)来对各个模块进行设计分析。应用这种方法进行设计有以下几个优点:1、能够在设计的前期确定关键的结构参数和运动参数;2、能够缩短产品的整个研发周期;3、降低产品的设计制造成本，提高产品的质量。在本章中主要采才用ADAMS仿真软件来进行虚拟设计和分析，它主要用于机械系统的动态仿真，可以对虚拟样机进行静力学、运动学和动力学的分析。通过先进的数值分析技术和强有力的求解器进行分析计算，可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷;仿真的结果显示为动画和曲线图形;另外应用ADAMS软件还可以进行设计研究、试验设计和优化分析。 对于多刚体系统动力学的求解方法主要有牛顿—欧拉法、拉格朗日方程法、图论 24 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 法、凯恩方法、变分方法、旋量方法等，在求解机械系统动力学控制方程时主要通过BDF、Gstiff和Dstiff来求解稀疏耦合的非线性方程。在ADAMS中采用拉格朗日方程法建立系统的动力学方程，并且采用刚体质心的笛卡尔坐标以及反映刚体方位的欧拉角作为广 [19,20,21]义坐标。 3.1.1 ADAMS运动学方程的建立 在系统广义坐标系中刚体运动学约束方程为: KKKK,(q),[,(q),,(q),...,,(q)],0 (3-1) 12nh 因为在进行运动学分析时，机械系统的运动是确定的，因此为使系统的自由度为零，必须施加自由度为的驱动约束: (nc,nh) D (3-2) ,(q,t),0 联立式(3-1)和式(3-2)可得: K，，,(q,t) (3-3) ,(q,t),,0,,D,(q,t),,，， 在ADAMS中，关于运动学的分析主要是系统自由度为零时的位置、速度、加速度和约束反力，所以只要求解系统的约束方程: (3-4) ,(q,t),0 由牛顿—拉夫森迭代方法求得: ,, (3-5) ,q,,(qt)jjn,qj ,q,q,q其中t表示第j次迭代，是(3-5)可用来确定运动刚体在任意时刻的jj，1jn位置。 对式(3-4)分别进行一次、二次求导，可以的式如下所示: ,,,, ，q,, (3-6) ,q,t 22nn,,,,,,,,,,,,,,,,,,，，，，，,,q,,，qq，q,Q (3-7) ,,,,,,kl22,,,q,t,q,q,,q,q,t,,k,,11l,,kl,, tt由式(3-6)可确定刚体在任意时刻的速度，由式(3-7)可确定刚体在任意时刻nn的加速度。 25 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 由式(3-4)通过带乘子的拉格朗日方程可得: TT,,,,,,,,,,d,T,T,,,,,,,,,,,,Q (3-8) ,,,,,,,,,，，,qdt,q,q,,,,,,,,,, [19]式(3-8)即用来确定在任意时刻刚体约束反力的方程。 tn 3.1.2 ADAMS动力学方程的建立 ADAMS中建立的系统动力学方程(微分—代数方程): TT,,,,,d,T,TTT,,,,,,,,,，，,Q,0,，qq,,,,，，dt,q,q,,,,,,, (3-9) (q,t),0, ,，(q,q,t),0,, ,, ，式中为完整约束方程，为非完整约束方程 ,(q,t),0,(q,q,t),0T——系统的动能; ——系统广义坐标列阵; q ——广义力列阵; Q ,——对应于完整约束的拉氏乘子列阵; ,——对应于非完整约束的拉氏乘子列阵。 式(3-9)式的一般的形式: ，,F(q,v,v,,t),0, ,，，G(v,q),v,q,0 (3-10) , ,,(q,t),0, 式中 q——广义坐标列阵; ，v,q——广义速度列阵; ,——约束反力及作用力列阵; F——系统动力学微分方程及用户定义的微分方程; ——描述完整约束的代数方程列阵; , G——描述非完整约束的方程列阵。 26 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 在求解运动学方程时ADAMS采用GSTIFF积分器、DSTIFF积分器和BDF积分器来求解稀疏耦合的非线性微分代数方程，这种方法适于模拟刚性系统，当用来模拟特征值经 [19,21]历突变的系统或高频系统的时候ADAMS采用ABAM积分求解程序。 3.2 物流系统仿真模型的建立 在ADAMS中机械系统的建模主要包括运动构件的创建、定义机械系统的运动副和运动约束以及施加载荷。对于运动构件的创建，在ADAMS中主要有两种方法，第一种是直接利用ADAMS中已有的几何建模工具库直接进行建模，这种建模方式适用于简单模型的建立，而且可以进行参数化建模及优化设计。第二种是首先在CAD建模软件中建立三维几何模型，然后通过数据接口导入ADAMS中生成仿真构件，比如在UG中生成parasolid或IGES文件然后倒入ADAMS中，而在pro/E中通过接口模块MECHANISM/Pro将所建立的三维几何模块导入到ADAMS中，这种方法适用于建立复杂的仿真模型，但是所建立的 [8]模型不能进行参数化设计和分析。 对于甘蔗收割机的物流系统仿真模型的建立，则是根据所仿真的模块的复杂程度，分别应用上面所介绍的两种方法来进行建模。在关于输送辊轮齿形比较的仿真分析中，由于所仿真的结构比较简单，所以采用在ADAMS/view中直接建模的方法来建立几何模型，如图3-2所示。 图3-2输送辊轮结构图 Fig. 3-2 The structure of conveyor roller 在整个输送机构的仿真建模中，由于整个结构模块比较复杂，所以在建模中采用第二种方法进行建模。其主要步骤如下:首先在UG中建立并组装整个输送机构的三维结构模型，然后导出parasolid文件，在ADAMS中生成所要仿真的三维模型，如图3-3为在CAD建模软件UG中所建立的结构模型图，图3-4为导入ADAMS后所建立的仿真模型。 27 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图3-3 在UG中建立的输送机构模型 图3-4导入ADAMS后建立的仿真模型 Fig. 3-3 Establish the roller conveyor In the Fig. 3-4 The Simulation model established in Model UG ADAMS ADAMS中建模，在 施加约束，载荷UG建模 parasolid文件 物流系统建模 (几何建模，施加 约束，施加载荷) 物流系统的运动学分析 输出结果 图3-5 物流系统仿真模型建模流程 Fig. 3-5 The modeling Process of Simulation model of the logistics System 当仿真几何模型建立之后，则需要对模型附上约束和载荷来模拟其在真实环境中的运动情况，在ADAMS/View中有许多中约束，但大体来分，主要有三种:1运动副，例如转动副、移动副等等，2基本约束，如点—面、点—线约束等等;3驱动，例如平移 [19,21]驱动，转动驱动等等。在物流系统仿真分析中，在辊轮和耙轮的运动副的设置上采用的是转动副，而整个物流系统的向前移动则是采用移动副，同时在设置驱动时，耙轮的转速为450r/min，辊轮的转速为150r/min。在完成约束的设置之后，则是对模型施加力的作用，在ADAMS/View中提供了4种类型的力，分别是作用力、柔性连接力、特殊力、和接触力。在物流系统的仿真中主要施加的甘蔗与各个物流模块间的接触力以及整个仿真系统所受的重力。完成约束和载荷的设置后，整个物流系统的仿真模型就建立 28 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 完成，其主要流程如图3-5所示。 3.3 物流系统仿真模型中柔性模块的建立 ADAMS对所有运动构件都以刚体来进行定义，忽略了物体的结构变形对整个机械系统仿真的影响。但是在实际系统运行中，由于动载荷的存在，随之而产生的结构弹性变形对系统的动态特性产生很大的影响，而且在模拟物—物接触的情况时，准确的模拟物体的变形情况有利于提高仿真数据的准确性。在ADAMS中建立柔性体的方法主要有三种，第一种方法是离散梁法，它是将一个构件离散成许多个刚性体，然后用柔性力进行连接，用这种方法所建立的柔性构件可以用来模拟物体的非线性变形，适用于简单结构的柔性仿真;第二种方法是应用ADAMS/AutoFlex模块，利用该模块可以直接在ADAMS/View建立模态中性文件MNF，然后用柔性体来代替原来的刚体，在具体柔性体产生方式上又可分为三种，1、是用拉伸法创建柔性体;2、通过已有的刚性构件的几何外形来生产柔性体;3、是通过导入的有限元模型的网格文件创造柔性体;第三种方法是利用有限元软件将构件离散成一些细小的网格并经过模态计算将文件转换为建立柔性体模态中性文 [22]件，并直接读取到ADAMS中。具体方法如图3-6所示。 在物流系统的仿真中，需要对甘蔗模型以及输送辊轮进行柔性化处理，在实际环境中甘蔗不是一种刚性物体，在受物体接触、碰撞时会发生弯曲变形，因此在仿真中用钢体来进行代替，所得出的结果会有差异，同样输送辊轮的辊齿是用高分子材料做成，弹性变形大，所以要有用柔性体来代替。在柔性体的生成方法上本文采用ADMS/AutoFlex模块建立柔性体。在物流系统的仿真中，所以要用到的柔性体模块分别是输送辊轮的橡胶齿以及甘蔗，由于这两种结构比较简单，所以选用拉伸法来建立柔性体，通过拉伸法 [23,24]建立柔性体，具体方法如下: 首先，要定义拉伸路径，这个主要是通过定义Marker点来实现的; 其次，是定义结构的横截面积，对甘蔗而言其横截面是个圆，可直接通过选择Elliptical选项来确定圆的直径大小，而对输送辊轮的梯形辊齿而言，则需要选择Generic选项来勾画梯形结构(如图3-7所示); 29 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 应用有限元软件AutoFlex模块应用离散梁法生成mnf文件 通过有限元软件来生成由构件的几何外形生成柔性拉伸法MNF文件体 MNF文件 柔性体 图3-6 ADAMS中柔性体创建流程 Fig. 3-6 The process of creating flexible body in ADAMS 图3-7设定截面面积 Fig. 3-7 Setting the cross-sectional area 图3-8定义单元属性及材料属性 Fig. 3-8 The defining of cell properties and material properties 30 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 再次，是根据所创建的不同柔性体，输入各自的单元属性和材料属性(如图3-8所示); [25,26]最后，定义外联点，柔性体是通过外联点与哑物体建立联系的。 所建立的柔性体模型如图3-9至图3-11所示: 图3-9梯形辊齿柔性体模型 图3-10圆形辊齿柔性体模型 Fig. 3-9 The Flexible Body Model of the trapezoid Fig. 3-10 The Flexible Body Model of the circular roll teeth roll teeth 图3-11甘蔗柔性体模型 Fig. 3-11 The flexible body model of sugarcane 3.4 输送辊轮不同辊齿结构的仿真分析 由第二章的理论分析可知，输送机构在传输甘蔗的时，是靠输送辊轮与甘蔗间的摩擦力以及双棍轮对甘蔗的夹持作用而使得甘蔗在整个物流系统中顺利输送，因此输送辊轮辊齿齿形的不同直接影响着物流输送机构对甘蔗的输送效率。在物流输送机构中输送辊轮的齿形一般有硬齿(用金属材料制成)，软齿(用高分子材料制成)以及无齿(即为光圆辊传输)。在甘蔗收割机输送辊轮的设计上本文选择了无齿光滑输送辊、高分子材料制成的梯形辊和圆形辊以及用金属材料制成的梯形硬齿辊四种输送辊进行分析比较，在 [27,28,29,30]相同的转速情况下考察不同类型的输送辊对甘蔗的输送速度大小的影响。 3.4.1 梯形软齿与梯形硬齿的输送速度比较 输送辊轮输送甘蔗向前运动主要是依靠输送辊轮对甘蔗的滑动摩擦力来实现的，因此辊齿与甘蔗间的摩擦力的大小直接影响着辊轮对甘蔗的输送的快慢。根据摩擦粘着 [31]理论，摩擦力的大小可粗略定义为: 31 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 F,A, (3-11) ——为材料间的实际接触面积; A ——为较软材料的剪切强度极限; , 其中 N (3-12) A,, N——材料间的正压力 ——材料接触时的抗议屈服极限 , 由式(3-11)可知当甘蔗与高分子材料制成的辊齿接触时，相互间受到正压力的作用使得辊齿发生弹性变形使得其与甘蔗的实际接触面积增大，所以产生较大的摩擦力，而当甘蔗与硬齿接触时由于相互间的弹性变形小所以产生的摩擦力比与软齿接触时产生的摩擦力要小。所以据此可初步得出梯形软齿对甘蔗的传输速度大于梯形硬齿对甘蔗的输送速度。为进一步验证上面所得出的结论，依次建立梯形软齿模型与硬齿仿真模型如图3-12所示。 图3-12梯形软齿仿真模型 图3-13梯形硬齿仿真模型 Fig. 3-12 The simulation model of the flexible Fig. 3-13 The simulation model of the hard trapezoidal tooth trapezoidal tooth 通过仿真得出各自的输送速度如下所示: 图3-14梯形软齿的输送速度曲线 Fig. 3-14 The speed curve of Conveyor about flexible trapezoidal tooth 32 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图3-15梯形硬齿的输送速度曲线 Fig. 3-15 The speed curve of Conveyor about hard flexible trapezoidal tooth 由图13-14和图13-15可知软齿梯形辊轮能迅速将甘蔗牵引上去，而硬齿则在对甘蔗的初始牵引过程中存在着一定的波动，这说明软齿对甘蔗的牵引性能比硬齿的要好，而且在甘蔗输送工程中可以看出软齿对甘蔗的输送速度比硬齿的要大，两个图形都呈周期性矩形波形，这主要是因为当梯形齿上表面刚开始于甘蔗接触时由于两辊轮间的工作间隙减小使得甘蔗受到的挤压力增大，则相互间的摩擦力也随之增大，所以速度突然增大，当甘蔗处在梯形齿上表面时，由于工作间隙不在变化，所以摩擦力没有发生变化则甘蔗输送速度的变化幅度不大基本呈水直线。综上可知，在输送辊轮的设计中梯形软齿对甘蔗的输送能力比硬齿的要好。 3.4.2 梯形软齿与圆形软齿的仿真比较分析 在输送辊轮的结构设计中，其对甘蔗传输速度的快慢不仅与辊齿的材料有关而还与齿形结构有着一定的关系，下面通过对梯形和圆形两种齿形的输送辊轮进行仿真比较，来分析不同齿形的输送辊对甘蔗传输的影响。圆形齿形输送辊轮的结构如图3-16 [30,32]所示: 图3-16 圆形辊齿仿真模型 Fig. 3-16 The simulation model of circular roller tooth 33 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 则圆形辊齿仿真得出的对甘蔗的输送速度曲线如图3-17所示: 图3-17圆形辊齿的输送速度曲线 Fig. 3-17 The speed curve of Conveyor about hard flexible circular trapezoidal tooth 对比图3-14和图3-17可以发现，圆形辊齿在输送初始阶段对甘蔗的牵引能力不如梯形辊齿，在对甘蔗的输送过程中对甘蔗的输送速度比较低，在输送过程中速度波动比较小，没有像梯形辊齿那样出现突然加速或减速的情况。但从总体上来看，梯形辊齿的输送性能要比圆形辊齿的性能优越。 3.4.3 梯形辊齿与无齿光滑圆辊间的仿真比较 由第二章的理论分析可知，无齿光滑圆辊对甘蔗的牵引系数要比有齿的输送辊小，因此它对甘蔗的输送性能与梯形辊齿的输送性能要差，现在通过对光滑圆辊输送性能进行仿真分析来比较两种辊轮间的优缺点。光滑圆辊的仿真模型如图3-18所示。 则通过仿真得光滑圆辊对甘蔗的输送速度曲线如图3-19所示，分析图3-14和图3-19可知，无齿光滑圆辊在甘蔗输送初始阶段对甘蔗的牵引性能比梯形辊差，但在输送速度的增长情况比较平缓，没有像梯形辊那样速度迅速增大，而且在传输过程中速度波动很小，基本保持不变，没有像有齿辊轮那样出现速度的突然增加和突然减少，但是整个输送平均速度要比有齿辊轮要小得多，所以综上可知，无齿光滑辊轮的输送性能要比有齿输送辊轮的输送性能要差，这也说明在输送机构输送辊轮设计中有必要给辊筒添加辊齿，这样有助于提高辊轮的输送性能。 34 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图3-18光滑圆辊仿真模型 Fig. 3-18 The simulation model of smooth round roller 图3-19光滑圆辊的输送速度曲线 Fig. 3-19 The speed curve of Conveyor about smooth round roller 3.5 喂入耙轮与输送辊轮间的相对位置的仿真分析 根据课题组前期研究可知，影响甘蔗能否顺利通过物流系统的因素有耙轮的结构、输送辊轮的结构、耙轮和辊轮的转速以及物流倾角有关。但由第二章的理论分析可知甘蔗能否顺利进入甘蔗输送机构还与甘蔗进入物流系统时输送角的大小有关，并且由式(2-37)可知，实际输送角的大小不仅与整个物流系统的物流倾角有关，而且也与耙轮与输送辊轮间的相对位置有关。因此喂入耙轮与输送辊轮间相对位置的不同直接影响着甘蔗收割机物流系统对甘蔗输送性能的好坏。下面通过调整耙轮与输送辊轮间的相对位置 [32,33]来仿真分析相对位置对甘蔗输送的影响。 由图3-20可知，耙轮与输送辊轮间的相对位置由耙轮中心相对输送辊轮中心的水平距离S和竖直方向上的距离L来表示，物流系统的物流倾角为25度，在仿真分析中 35 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 通过分别改变S和L的大小来研究甘蔗通过输送机构的情况，并且通过测试甘蔗通过输送机构时的输送速度、耙轮对甘蔗的摩擦力以及法向力来分析所设计的相对位置参数的 [34,35,36]合理性。 在仿真中由于要分析量个变量对整个系统的影响，为了明确每一个变量的数值变化对整个甘蔗输送的影响，在仿真分析时采取了先将一个变量取为合适的值不变，对另一个变量取不同的值来分析其对甘蔗输送的影响，当被分析的变量得出合适的值后，再将这个值取为定值，来改变另一个变量的取值来进行分析，最终得出一对合适参数值，具体仿真分析方案如图3-21所示: S L 25? , 图3-20 耙轮与辊轮间的相对位置 Fig. 3-20 The relative position of harrow wheel and roller 仿真分析仿真分析S为定值设置得出一个合适的设置L为定值 L取不同的值S值S取不同的值 仿真分析得出一个合适的 S,L值 图3-21 两轮位置参数仿真流程 Fig. 3-21 The flow chart of parameters simulation about two wheel 根据课题组前期研究得出的数据，在仿真中，将耙轮的转速设置为450r/min，输送辊轮的转速为150r/min，整个在物流机构向前运动速度为0.4m/s,物流倾角取为25?，要分析的变量L分别取为245mm，265mm，285mm,305mm;S的值分别取为0mm，25mm,50mm,75mm;具体参数参数设置如表3-1所列。 建立仿真模型后，按表3-1中的参数设定要求进行参数设置，设定仿真时间和步长，并根据图3-21所设计的仿真流程进行仿真分析，具体仿真过程如图3-22所示。 36 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 [8,16] 表3-1物流仿真参数设置 Table 3-1 The parameter settings of logistics Simulation 耙轮转速 辊轮转速 物流倾角 行进速度 450r/min 150r/min 25? 0.4m/s 耙轮与输送辊轮相对位置参数S 耙轮与输送辊轮相对位置参数L 0mm 25mm 50mm 75mm 245mm 265mm 285mm 305mm 图3-22 物流系统仿真过程 Fig. 3-22 The simulation of logistics system 仿真后得出的结果如下所示: 1 在L=285mm,S分别取0mm、25mm、50mm、75mm，所对应的实际输送角分别为 64.2?、59.3?、54.6?、50.4?，所得仿真结果如下: 图3-23 S为0mm时的甘蔗通过速度曲线 Fig. 3-23 The speed curve of transported sugar cane when the s is 0mm 37 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图3-24 S=25mm时的甘蔗通过速度曲线 Fig. 3-24 The speed curve of transported sugar cane when the s is 35mm 图3-25 S=50mm时的甘蔗通过速度曲线 Fig. 3-25 The speed curve of transported sugar cane when the s is 50mm 图3-26 S=75mm时的甘蔗通过速度曲线 Fig. 3-26 The speed curve of transported sugar cane when the s is 75mm 通过比较图3-23、图3-24、图3-25、图3-26可以发现在整个输送过程中，甘蔗刚进入物流系统的时候输送速度较大，这主要是因为甘蔗刚进入物流系统时，甘蔗与喂 38 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 入耙轮接触，在高速旋转的耙轮的作用下产生了较大的输送速度，当进入输送机构时，甘蔗与输送辊轮接触，由于辊轮转速比耙轮低所以甘蔗的输送速度也随即减小，由于辊轮是匀速转动的，不大所以甘蔗在输送过程中甘蔗的输送速度波动不大，其中输送速度上下起伏的原因是在双辊轮夹紧甘蔗输送时使得甘蔗的速度突然增大，当松开的时候，使得甘蔗受到的摩擦力减小，所以输送转速减小，这与前面辊轮仿真所得出的结果相一致。比较速度大小可以发现，当S=50mm时，对甘蔗的输送速度最大，因此在这个位置时输送机构的输送性能最好。 2 S=50mm时，L分别取245mm、265mm、285mm、305mm，所对应的实际输送角分别为:48.8?、51.9?、54.6?、57?，所得的仿真结果如下所示: 图3-27 L=245mm时的甘蔗通过速度曲线 Fig. 3-27 The speed curve of transported sugar cane when the L is 245mm 图3-28 L=265mm时的甘蔗通过速度曲线 Fig. 3-28 The speed curve of transported sugar cane when the L is 265mm 39 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图3-29 L=305mm时的甘蔗通过速度曲线 Fig. 3-29 The speed curve of transported sugar cane when the L is 305mm 比较图3-25、图3-27、图3-28、图3-29可以发现，随着L的值逐渐减小也就是当耙轮越来越靠近输送辊轮时，甘蔗的通过速度变大，在当L=305mm时，输送速度最小，在L=245时输送速度最大;这主要是因为当耙轮逐渐靠近输送辊轮的时候，耙轮对甘蔗的作用力也随之增大，使得甘蔗产生较大的输送速度。但是当L的值过小时，使得物流入口变得狭小，当多根甘蔗进行输送时会出现堵塞现象。所以在设计时L的值时不应该太小，下面通过分析在不同的L、S值时的甘蔗受法向力的情况来进一步确定L、S的值。 3 在不同L、S值时的甘蔗受法向力的情况 由图3-30可知当S增大时即当耙轮与辊轮在物流方向上的水平距离增大时，耙轮与甘蔗的接触的初始时间提前，在甘蔗初始喂入时的接触次较多，这主要是因为随着S的值增加使得耙轮耙齿向外移动，使得被砍的甘蔗很快接触的耙齿。随着距离的减小，耙轮与甘蔗的接触密集度逐渐向后移，而且整体的接触时间也增加，但在整体受力的大小上没有多大的变化，这说明改变S的大小会影响甘蔗与耙轮的接触密集度及整体的接触时间，但对甘蔗的受力影响不大。当改变L的大小时，从图3-30可以发现当L逐渐减小时甘蔗的受力逐渐增大，而且接触时间和接触次数也逐渐增多，从图中可以发现当L过小时接触在整个接触时间的中段出现的比较密集，这样说明当L过小时会出现物流堵塞现象。所以改变L的大小会影响甘蔗的受力情况已经其与耙轮的接触次数和接触时间。综上分析，耙轮与输送辊轮间的水平相对位置S应取50mm，竖直相对位置L应取285mm。 40 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 (A)S为0mm,L为285mm时的甘蔗受力曲线 (B)S=25mm,L=285mm时的甘蔗受力曲线 (A)The force curve of sugarcane when the S is 0mm (B)The force curve of sugarcane when the S is and the L is 285mm 25mm and the L is 285mm (C)S=50mm,L=285mm时的甘蔗受力曲线 (D)S=75mm,L=285mm时的甘蔗受力曲线 (C)The force curve of sugarcane when the S is 0mm (D)The force curve of sugarcane when the S is 0mm and the L is 285mm and the L is 285mm (E)S=50mm,L=245mm时的甘蔗受力曲线 (F)S=50mm,L=265mm时的甘蔗受力曲线 (E)The force curve of sugarcane when the S is (F)The force curve of sugarcane when the S is 50mm and the L is 245mm 50mm and the L is 265mm (G)S=50mm,L=305mm时的甘蔗受力曲线 (G)The force curve of sugarcane when the S is 50mm and the L is 305mm 图3-30甘蔗受力曲线 Fig. 3-30 The force curve of sugarcane 41 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 3.6 耙轮错齿和不错齿间的仿真比较分析 课题组在研究耙轮结构时提出错齿结构的耙轮，并对其做了理论仿真分析和实验研究，错齿耙轮在物流输送中表现出了良好的性能，为了进一步证实错齿耙轮结构的合理性，同时也为了分析错齿与不错齿耙轮各自的优缺点，有必要对两种耙轮的物流系统 [38,39]进行仿真分析，两种耙轮结构如图3-31所示，耙轮的直径为350mm，宽为474mm。 (A)错齿结构耙轮 (B)不错齿结构耙轮 (A)The structure of staggered tooth harrow wheel (B)The structure of the aligned tooth harrow wheel 图3-31错齿与不错齿耙轮结构图 Fig. 3-31 The structure of harrow wheel with staggered tooth and aligned tooth [40,41]对两种耙轮结构的物流系统分别进行仿真分析，得出分析结果如下: (A)错齿Z向位移曲线 (B)不错齿Z向位移曲线 (B) Z-displacement curve of the (A)Z-displacement curve of the staggered tooth aligned tooth 图3-32两种耙轮的位移曲线比较 Fig.3-32 The comparison of displacement curves of different harrows 由图3-32、图3-33可以发现无论是错齿耙轮还是不错齿耙轮，在Z向(与甘蔗的物流前进速度相垂直)位移和速度都存在变化，但是错齿耙轮的位移较大，而且在Z向的速度波动也比不错齿耙轮要来的大，这说明错齿耙轮在喂入甘蔗的时候的分蔗能力要比不错齿耙轮好，由图3-34可知在甘蔗的输送速度上，有错齿耙轮的物流系统比有不错齿耙轮的物流系统要大，因此在整个物流系统的设计中应该选择错齿耙轮。 42 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 (A)错齿Z向速度曲线 (B)不错齿Z向速度曲线 (B) Z-speed curve of the aligned tooth (A)Z-speed curve of the staggered tooth 图3-33 两种耙轮的Z向速度曲线比较 Fig.3-33 The comparison of z-speed curves of different harrows (A) 错齿 (B) 不错齿 (A) the staggered tooth (B) the aligned tooth 图3-34 两种耙轮在物流方向的速度曲线比较 Fig. 3-34 The velocity curves logistics direction of two harrow wheels 3.7 本章小结 本章是在第二章理论分析的基础上，通过应用ADAMS动态仿真软件，分析了不同齿形的输送辊轮对甘蔗输送的影响，耙轮与输送辊轮不同位置关系对甘蔗输送的影响，耙轮齿形排布不同对甘蔗输送的影响，并得出了合理的参数值。 43 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 第四章 集蔗机构的结构设计及其参数计算 在进行甘蔗收获时，小型甘蔗收割机所要实现的功能有断尾、砍蔗、喂入输送、剥叶以及最后的收集。由上述这些功能，则可以将广义的物流系统定义为压蔗输送、砍蔗输送、喂入输送、中介传输、剥叶输送以及终端收集这几个部分。因此各个输送模块输送效率的好坏以及终端收集的效率高低直接影响着甘蔗收割机的甘蔗收割效率的高低。为了提高物流系统中各个输送模块的输送效率，在前面几章研究中，本文对输送机构(中介传输)、耙轮与输送机构、剥叶机构的相对关系的分析研究来提高物流系统中几个输送模块的输送效率。为了提高甘蔗收割机终端收集的效率，则有必要对甘蔗收割机的终端收集系统进行结构设计和分析。在甘蔗的收割生产中，甘蔗收割机的终端收集系统又称之为集蔗机构，它所要实现的功能主要有两个:首先是对从剥叶输送系统中出来的甘蔗进行收集，其次是将收集好的甘蔗进行有效合理的卸载，这两个功能能否顺利实现影响着甘蔗收割能否顺利进行。所以对集蔗机构的设计研究也主要从这两个功能的实现程度出发的。 4.1 不同类型集蔗机构的结构特点及其功能的分析 由于甘蔗收割机类型的多样性，与之配套的集蔗机构也随之不同。但总体上来说主要分为两大类，一类是厢载式集蔗机构，这类集蔗机构的特点是集蔗机构直接被安置在甘蔗收割机的尾部，用特制的容器结构来收集和卸载甘蔗，它们主要用于整秆式甘蔗收割机;另一类是车载式集蔗机构，这类集蔗结构的特点是整个集蔗机构与甘蔗收割机分离，安置在一辆装载车上，在收割时车与收割机并行行驶来装载甘蔗，车载式集蔗机构主要应用于切断式甘蔗收割机上。根据集蔗机构的分类，有必要对现有的不同类型的集 [42]蔗机构进行结构和功能的分析介绍。 4.1.1 一侧倾倒式集蔗机构 一侧倾倒式集蔗机构属于厢载式集蔗机构，这种集蔗机构在整体结构上比较简单，造价低廉。在装载厢的设计上一般采用平面板式结构(如图4-1所示)或V行容器结构(如图4-2所示)。其具体的集蔗方式如下:在收集甘蔗时原本叠加在收割机尾部的集蔗机构 44 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 张开，这时甘蔗以一定的速度从剥叶机构抛出落在集蔗机构上进行收集。在进行卸载时根据装载厢的不同其卸载方式也有所不同，对于平板式结构其卸载方式是通过一个侧向输送的输送带将落在其上的甘蔗进行卸载，如图4-1所示的浙江三佳SJ-1400整秆式甘蔗收割机就是采用这种方式进行卸载的。对于V型结构其卸载方式是通过其下的液压缸伸缩实现V型装载厢的左右翻转来进行卸载甘蔗，如图4-2所示的河南坤达4GZQ-75整秆式甘蔗收割机就是采用这种方式进行卸载。该种集蔗机构的不足之处就是其整体长大度过长，这影响了其转弯性能，而且每次收集的甘蔗总量不高，这会大大降低甘蔗二 [43]次收集时的效率。 图4-1浙江三佳SJ-1400整秆式甘蔗收割 Fig. 4-1 Zhejiang Sanjia SJ-1400 whole stalk-type harvest 图4-2 河南坤达4GZQ-75整秆式甘蔗收割机 Fig. 4-2 The Henan Kunda 4GZQ-75 whole stalk-type sugar cane harvester 4.1.2 悬挂式集蔗机构 悬挂式集蔗机构属于厢载式集蔗机构，这种机构在装载厢的设计采用可开可合的桶装结构，并且通过一个悬架将整个装载厢悬挂在甘蔗收割机的尾部。在集蔗过程中桶状装载厢对准剥叶机构的出口，甘蔗从剥叶机构飞出进入集蔗机构中进行集蔗，在卸载的时候，转动悬梁通过转动将装满甘蔗的集蔗厢转至收割机一侧，然后启动液压缸将桶状集蔗厢纵向对半打开，甘蔗被卸载。如图4-3所示的汉森4ZL-1B整秆式甘蔗收割机 45 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 在甘蔗收集中采用了这种收集方式进行集蔗。悬挂式集蔗机构整体的结构比较简单，装载量较大，适合于大型甘蔗收割机，但是由于在集蔗时集蔗厢后悬使甘蔗收割机整体长度加长，使其转弯半径变大。 图4-3汉森4ZL-1B整秆式甘蔗收割机悬挂式集蔗机构 Fig. 4-3 The hanging collecting device of Hansen 4ZL-1B whole stalk sugarcane harvester 4.1.3 自动斜集双侧倾倒集蔗机构 自动斜集双侧倾倒集蔗机构在类型上属于厢载式集蔗机构，这种集蔗机构在结构上的主要特点是其在甘蔗收集时整个装载厢与水平方向成一定的角度，这样使得集蔗机构的整体长度减少，所以其在整体结构上比较紧凑，适合用于小型甘蔗收割机上。其集蔗方式如下:在进行甘蔗收集时，整个集蔗机构与水平地面成一定的角度，然后甘蔗以一定的速度飞入集蔗机构中，甘蔗进入装载厢后，由于整个厢是倾斜的，所以甘蔗在重力的作用下从集蔗机构的底部板的上端滑至底部。在卸载甘蔗时，装载厢在两侧液压缸的作用下使其能够实现朝左右两侧翻转实现卸载甘蔗。自动斜集双侧倾倒集蔗机具体结构如图4-4所示。这种集蔗机构在结构上比较简单，整个功能的实现上比较方便，但是由于其装载厢是一个呈U型的装载装置，因此其在卸载时整个装载厢必须绕中心轴翻转 [44]90度以上才能将甘蔗卸载干净，使得液压缸的行程过大，增加制造成本。 图4-4 自动斜集双侧倾倒集蔗机构 Fig. 4-4 The bilateral dumping device of automatic ramp set 46 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 4.1.4 车载式集蔗机构 车载式集蔗机构主要用于切断式甘蔗收割机，它的主要特点是在集蔗机构与甘蔗收割机分离，被安置在转载车上。因此这种集蔗机构适合大型的甘蔗收割机。车载式集蔗机构的集蔗方式如下:在进行甘蔗收集的时候，安装有车载式集蔗机构的装载车与甘蔗收割机并行行驶，切断后的甘蔗从侧面抛到一旁的集蔗机构中完成甘蔗的收集，在卸载时装载有甘蔗的转载车开至运输车旁然后通过集蔗机构中的液压缸将整个装载厢举升至输送车装载车厢上端，然后在集蔗机构侧向液压缸的作用下使得整个集蔗厢侧向翻转实现集蔗，如图4-5所示的凯斯7000切断式甘蔗收割机的集蔗机构就是采用这种方式进行集蔗的。这种集蔗器在装载量上较大，而且省去了甘蔗的二次收集，大大提高了生产效率。但是在整个制造成本较高，而且不适合于丘陵地区的甘蔗收集。 图4-5 凯斯7000切断式甘蔗收割机车载式集蔗机构 Fig. 4-5 The vehicle-mounted collecting device of Case 7000 cutting-type sugarcane harvester 4.1.5 网装式集蔗机构 图4-6广州科里亚4GZ-56小型切断式甘蔗收割机网装式集蔗机构 Fig. 4-6 Guangzhou Coria 4GZ-56 network-mounted collecting device of Small cutting-type sugar cane harvester 网装式集蔗机构也是厢载式集蔗机构的一种，它在装载厢设计采用网制容器进行装载，由于装载量不大，所以主要用于小型切断式甘蔗收割机。这种集蔗机构的集蔗方式如下:在收割前，将网袋张开并置于出蔗口下端，在收割时切断的甘蔗从出蔗口进入网袋中进行集蔗，当甘蔗被装满时，通过四杆机构将装满甘蔗的袋子退出卸载，完成整个 47 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 甘蔗收集卸载过程，如图4-6所示的广州科里亚4GZ-56小型切断式甘蔗收割机集蔗机构就采用这种方式进行集蔗。该集蔗机构在整体结构上比较紧凑，集蔗效率高，由于采用网装，卸载后二次收集效率高，但是其装载量较小，每次换网频繁，这影响了甘蔗收割机的收割效率。 4.2 一种新型集蔗机构的结构设计 作为甘蔗收割机物流系统的终端环节——集蔗机构，其功能能否顺利实现关系到整个物流系统整体实现性能的好坏，因此小型整秆式甘蔗收割机的设计研究中，有必要设计出一种与之相配套的集蔗机构来提高收割机的收割效率，在前面所介绍的几种集蔗器中，能适合用于小型整秆式甘蔗收割机的集蔗机构只有一侧倾倒式甘蔗收割机以及自动斜集双侧倾倒集蔗机构，然而一侧倾倒式集蔗机构虽然在甘蔗卸载的功能实现上比较方便，但其一次装载量不高，自动斜集双侧倾倒集蔗机构虽然在一次装载量上弥补了一侧倾倒式集蔗机构的不足，但由于增高了两侧挡板的高度使得其卸载变得困难。为了满足小型甘蔗收割机生产率的要求应设计出一种既能实现简单卸载又能有较高的一次装载量的集蔗机构。 4.2.1 新型集蔗机构的功能要求 结合小型甘蔗收割机结构紧凑的要求，则与之配套的集蔗机构在整体结构上必须也要小型紧凑。在功能实现上，在收集甘蔗时应该做到不漏集，提高二次收集甘蔗的效率，在卸载甘蔗时要简单方便，在将甘蔗彻底卸载干净的同时能使甘蔗较整齐的堆砌在甘蔗地上，方便甘蔗的二次收集。最后在满足上述功能要求的同时集蔗机构在一次装载量上要满足生产率的要求。 4.2.2 新型集蔗机构的结构设计 根据对集蔗机构小型、紧凑、高效、低耗的功能要求，并结合前面对各种集蔗机构的优缺点的分析，设计出了一种新型集蔗机构——侧板可开式斜集集蔗机构，其结构图如图4-7所示，该集蔗机构主要有三大部分组成:装载厢、承载底架和运动执行装置。装载厢是个开口的长方体结构，两侧挡板可绕两侧的转轴旋转进行开合，为了防止在收集甘蔗时甘蔗从两侧漏出，在两侧顶端设有挡板。承载底架由两个转动架构成，它不仅用来实现承载装载厢的作用，而且能在单个液压缸的作用下使装载厢进行双向翻转。运动执行装置主要是集蔗机构的液压系统，其执行件主要是三个液压缸，其中安置在旁侧 48 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 的液压缸是用来翻转装载厢实现甘蔗卸载，安置在集蔗机构尾部的液压缸则是在集蔗时提升装载厢进行甘蔗收集，而安置在集蔗机构前端的液压缸则是用来在卸载甘蔗时打开两侧的挡板。 图4-7 侧板可开式斜集集蔗机构 Fig. 4-7 The side opened collecting device of ramp set 侧板可开式斜集集蔗机构的集蔗过程如下:在开始集蔗时，尾部液压缸提升整个装载厢，使其绕前端转动铰链转动，直到装载厢与水平呈25度夹角，与甘蔗物流方向成0度角。然后甘蔗从剥叶机构抛出进行集蔗，当集蔗厢装满甘蔗时尾端液压缸收缩，使得装载厢下降到与地面水平，如果集蔗机构要向左侧进行集蔗则前端液压缸向左侧伸展推动锁钩向上转动，左侧挡板打开，然后在集蔗机构右侧的液压缸伸长并推动装载厢绕承载底架向左侧侧翻转实现卸载甘蔗，若是要向右侧卸载甘蔗，则前端液压缸向右侧伸长并推动右侧锁钩向上转动，右侧挡板打开，同时右侧的液压缸收缩拉动集蔗厢向右翻转实现卸载甘蔗。 4.3 集蔗机构结构参数的设计 在侧板可开式集蔗机构的结构参数设计中所要确定的结构参数有装载厢的长度，宽度和高度，集蔗机构的最大装载量，运动执行装置中液压缸的行程的大小。 4.3.1 侧板可开式集蔗机构总体尺寸及最大装载量的计算 考虑到小型甘蔗收割机在整长上的要求(?4500mm)，并结合整个物流系统的长度设计，在集蔗机构的设计中取其整长为1600mm，由于甘蔗收割机的宽度为1250mm，所以集蔗机构的宽度应该小于收割机的整宽，则取其宽度为1100mm，在高度上考虑到整机的重心不应过高，则取其高度为500mm。下面通过甘蔗抛出剥叶机构后自由落体的行程计算来集蔗机构长度的合理性。 49 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 装载箱 SV 甘蔗o hg25? 图4-8 甘蔗相对装载箱的运动关系图 Fig. 4-8 The relative motion between the loading box and sugarcane 如图4-8所示，甘蔗从剥叶机构抛出时，以与水平呈25度的方向运动，根据课题组前期研究可知其在此方向上的运动速度1.47m/s，并设定其沿s方向的位移为s,沿h方向的位移为h，则当甘蔗完全落入箱底的时候h=500mm，根据图中所建立的直角坐标 [42]系得出关系式如下: 12,s,vt,gtsin25 (4-1) 2 12,h,gtcos25 (4-2) 2 求解式(4-1)、(4-2)可得: t,0.33s s,0.26m 因为当甘蔗完全从剥叶机构抛出时甘蔗的重心在s方向上运动的位移为1.25m(取甘蔗的长度为2.5m)，所以甘蔗完全落入装载箱底部时在s方向上所运动的距离为1.51m。所以甘蔗在s方向上的运动位移小于装载箱的长度(l=1600mm),则箱体所取的长度是合理的。 在确定集蔗机构的总体结构尺寸后，下面根据其总体结构尺寸计算其对甘蔗的最大装载量。在甘蔗装载中，甘蔗与甘蔗间总存在着间隙，所以装满甘蔗时容器的横截面积都大于所装甘蔗的横截面积之和，因此将所装甘蔗的截面积之和与容器横面积的比定义为甘蔗占空比，并且甘蔗占空比随着容器的结构不同以及甘蔗的排列方式的不同而不同。 由于侧板可开式集蔗机构的装载箱是个长方体结构，所以当其装载量最大时，其中甘蔗的排布方式如图4-9所示。 50 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 D 图4-9 矩形容器内的甘蔗排列方式 Fig. 4-9 The arrangement of sugar cane in Rectangular containers 由图4-9可得 2 (4-3) S,3D，5D,15D1 D1522S,15，(),D ,, (4-4) 224 1S2 (4-5) p,,,4S1 其中 ——矩形截面积; S1 ——所装甘蔗截面积之和; S2 D——甘蔗直径; p——甘蔗占空比。 由侧板可开式集蔗机构的总体尺寸参数可得该集蔗机构装载箱的横截面积为 5225.5，10mm225,mm，取所装甘蔗直径为30mm，则单根甘蔗的横截面为。 由式(4-5)可得: 1552S,pS,,，5.5，10,1.375,，10mm (4-6) 总甘4 S甘n,,611.1 (4-7) S单 其中 S ——所装甘蔗总面积; 甘 S ——装载箱横截面积; 总 S ——单根甘蔗横截面积; 单 51 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 ——甘蔗根数。 n 由上计算可的侧板可开式集蔗机构所能装载的理论最大个数为611根。根据课题组 3前期研究取甘蔗的密度为1100kg/m,甘蔗长为2500mm，则得单根甘蔗质量为1.95kg，所以可计算得侧板可开式机构机构的一次所能装载的最大装载重量为1.19吨。 4.3.2 装载箱翻转角度的计算 o , 图4-10甘蔗在斜板上的滑动图 Fig. 4-10 The chart of Sugar cane sliding in the inclined plane 如图4-10所示当集蔗机构装载箱向一侧进行翻转到一定的角度时，在装载箱中的甘蔗相对装载箱底板发生相对滑动，对其中一根甘蔗进行受力分析，则要使甘蔗相对底板产生滑移必须要满足的条件如下: (4-8) mgsin,,,mgcos, 简化后得: (4-9) ,,arctan, 其中 m——甘蔗质量; , ——装载箱翻转角度; , ——甘蔗相对底板的摩擦系数。 由于甘蔗与装载箱底板间的摩擦系数为0.25~0.3，所以代入式(4-9)可知要使甘蔗相对装载箱底板产生相对滑动则θ角必须要大于16.7?。因此在设计中为了使甘蔗更加方便的卸载，则θ不能小于17度。 4.3.3 侧板可开式斜集集蔗机构各液压缸的行程计算 图4-11所示的是侧板可开式集蔗机构右侧液压缸伸长和收缩时的行程轨迹示意图，当装载箱向右侧翻转时，右侧液压缸收缩，其铰链点位置从A点运动到A点，则由图1 [45,46]4-11，其收缩行程计算如下: 52 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 A2 C, Ao,A1 B 图4-11 集蔗机构右侧液压缸伸缩轨迹图 Fig. 4-11 The Stretching trajectories of right side hydraulic cylinder in the collecting device 由三角形余弦定理得: 22BA,(AC)，(BC),2AC,BC,cosACB (4-10) 1111 其 中 22BC,(BA)，(AC) (4-11) BA，ACB,arctan,, (4-12) 1AC 则液压缸的收缩行程为: 22L,BA,BA,BA,(AC)，(BC),2AC,BC,cosACB (4-13) 1111 根据集蔗结构与剥叶机构的位置配合要求以及集蔗机构与其底部发动机的位置配合要求取BA=845mm，根据装载箱的重心位置取，则可得: AC,AC,150mm1 55,L,845,7.6，10,2.6，10,cos(79.9,,) (4-14) 同理当装载箱向甘蔗收割机左侧翻转时，液压缸有A点位置伸长到A点位置，则2其伸长时的行程计算如下: 同样由三角形余弦定理得: 22BA,(AO)，(BO),2AO,BO,cosAOB (4-15) 2222 由装载箱重心与液压缸间的位置关系取A点与O点在水平方向上的距离x,875mm ，又由装载箱与转动底架间的位置关系及转动底架与发达机间的位置关AO 53 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 系取B点与O点在竖直方向上的距离。 y,797mmBO 22 (4-16) BO,(x)，(y)AOBO yBO ACBarctan (4-17) ，,,,1xAO 则液压缸的伸长行程为: 22S,BA,BA,(AO)，(BO),2AO,BO,cosAOB,BA (4-18) 2222 即得: 66S,2.2，10,2.1，10cos(53.5，,),845 (4-19) ,所以当时得液压缸的最小收缩行程和最小伸长行程: ,,17 L,44mmS,48.3mmminmin 由图4-11可知，当液压缸的收缩行程L和其伸长行程S满足以下条件时取最大值， 2L，S,BA (4-20) 将式(4-14)和式(4-19)代入式(4-20)则得: 6655,2.2，10,2.1，10cos(53.5，,),7.6，10,2.6，10,cos(79.9,,) (4-21) ,,,38.8通过三角计算得，对其进行取整后取θ的值为38?。将θ的值分别代入式(4-14)和式(4-19)则得液压缸最大收缩行程L,92mm，最大伸长行程max S,656mm。 max 44mm,L,92mm综上可得侧板可开式集蔗机构右侧液压缸的收缩行程范围为:; ,,48.3mm,S,656mm17,,,38其伸长行程为:;装载箱翻转角的取值范围为:。 如图4-12所示的是侧板可开式斜集集蔗机构尾端液压缸伸缩轨迹图，当集蔗机构不集蔗时集蔗箱保持水平，在进行集蔗时尾端液压缸伸长，使得装载箱绕着A点转动，并B点转动到C点，转动角度为25?。则其整个伸长行程计算如下: 由三角形余弦定理得: 22OC,(AC)，(BO),2(AC),(BO)cos，CAB (4-22) 22AO,(AB)，(BC) (4-23) 54 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 BC, (4-24) ，CAB,25，arctanAB 则得尾端液压缸的伸长行程: (4-25) K,OC,OB C 25? AB O 图4-12 集蔗机构尾端液压缸伸缩轨迹图 Fig.4-12 The Stretching trajectories of rear hydraulic cylinder in the collecting device BC,767mm有装载箱与甘蔗收割机底盘的位置关系以及装载箱的结构尺寸可得:，AB,1495mm，则代入式(4-22)、(4-23)、(4-24)、(4-25)可的K=645mm。 图4-13所示的是锁钩和与其相对的锁扣在集蔗机构卸载甘蔗时，分别绕铰链中心点O点和E点的运动轨迹图，两轨迹相交于D点，并且可知当锁钩的顶点P的运动在D点时是锁钩刚好不会接触到锁扣，从而使得侧板打开卸载甘蔗。在此时锁钩所转动的角 [47]，DOP度为其计算过程如下: 由三角形余弦定理得: 222DE，OE,DO，，，，，，，DEO,arccos (4-26) 2，，，，2DE,EO 222PE，OE,PO，，，，，，，PEO,arccos (4-27) 2，，，，2PE,EO 则 得: ，DEP,，DEO,，PEO (4-28) 22DP,(EO)，(PE),2(EO),(PE)cos，DEP (4-29) 求得: 55 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 222，，DO，PO，，,DP，， (4-30) ，DOP,arccos2，，，，2DO,PO E 侧板 锁钩 液压缸OD锁扣 P 图4-13 集蔗机构锁钩运动轨迹图 Fig. 4-13 The Hook motion track of collecting device 又由装载箱和锁钩的结构尺寸以及两者间的相对位置关系可得， DE,257mmOE,268mm，PO,121mm,PE,288mm、DO,129mm。并代入式(4-26)、(4-27)、 ,，DOP,12.8(4-28)、(4-29)、(4-30)可得。 当侧板可开式斜集集蔗机构在进行卸载甘蔗时其顶端的液压缸推动锁钩转动，使其脱离锁扣，侧板打开。液压缸的伸长与锁钩转动的关系如图4-14所示，在液压缸的推动下，锁钩转壁中线oa转动角度θ到达b点，并以o点为原点建立直角坐标系，从图4-14可知锁钩中线从a点运动到b点，其在x方向上的运动位移即为液压缸的伸长距离。则得出关系式如式(4-31)、(4-32)和(4-33)所示: y Ox , ,a b 图4-14液压缸伸长与锁钩转动关系图 Fig. 4-14 The map of the relationships between the hydraulic cylinder and the hook turning 56 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 (4-31) l,x,xoaob (4-32) x,lcos,oaoa (4-33) x,lcos(,，,)obob 式中 l——液压缸的伸长行程; 、——锁钩中线的长度; lloaob 、——、在x坐标轴上的产度; xxlloaoboaob ——锁钩转壁与水平线的夹角; , , ——锁钩转过的角度。 由锁钩的结构尺寸可得==58mm，=30?，则代入式(4-31)、(4-32)、(4-33)ll,obob 可得: , (4-34) l,x,x,50.2,58cos(,，30)oaob 则式(4-34)即为液压缸伸长与锁钩转动关系式。由图4-13可知当锁钩运动到D点时，侧板锁扣刚好能够脱离锁钩，因此D点为锁钩脱离锁扣的临界点，并由式(4-30)可得当锁钩转动到临界点D点时，所转过的角度为12.8?，则将其带入式(4-34)可得出液压缸伸长的最短距离为: lmin ,, (4-35) l,50.2,58cos(12.8，30),7.6mmmin 所以在液压缸的行程设计中为使侧板能过顺利打开，其行程应该大于7.6mm。 4.4 本章小结 本章根据小型甘蔗收割机集蔗机构的功能要求，在分析整理了已有的甘蔗收割机集蔗机构的基础上，对集蔗机构功能和结构进行了设计，并对其一些重要的结构参数进行了理论计算。 57 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 第五章 集蔗机构的有限元分析及其动态仿真 在上一章，主要是对侧板可开式斜集集蔗机构的功能结构进行了设计，并进行了相关结构参数的计算。在本章中，将结合前面所得出的结构参数和运动参数，建立相关的仿真模型，通过对集蔗机构的部分结构进行结构静力学仿真分析，来分析其结构在受力变形情况下产生的应力情况，并相应的进行结构改进;通过对整个集蔗机构进行动态仿真，来检查侧板可开式斜集集蔗机构在集蔗和卸载甘蔗时有没出现干涉情况，并对上一章理论分析所得出的运动参数进行验证。 5.1 集蔗机构的ANSYS结构静力学分析 在对集蔗机构的结构分析中，本文应用了有限元计算软件ANSYS来对集蔗机构中的一些关键部分进行了结构静力学分析。ANSYS软件是一款目前世界上广为使用的有限元分析软件，在很多工业和科学领域得到了广泛的应用。在进行ANSYS计算分析中，主要有三个步骤，首先是创建有限元模型，在有限元模型的创建中，包括有几何模型的建立，对所要分析的模型设定材料属性，最后对其划分单元网格建立有限元模型;其次是对所建立的有限元模型施加载荷并求解，在载荷的加载中，包括有对模型的约束条件的设定及作用载荷的设置;最后就是查看分析结构，对结果进行分析比对，检验其正确 [48,49] 性。其具体分析步骤如图5-1所示。 5.1.1 侧板的ANSYS结构静力学分析 在侧板可开式斜集集蔗机构的ANSYS分析中，分别对集蔗机构的两侧的挡板和锁钩进行结构静力学分析，查看其在受力状况下的变形情况和应力集中情况，然后在作出 [49]一定的修改，使之满足集蔗机构的功能的需要。 在集蔗机构装满甘蔗的时候，两侧挡板受到甘蔗对其产生的侧压力的作用，如果受 [50]压过大会产生弯曲变形而影响集蔗。因此有必要对其进行结构静力学分析。由集蔗机构的整个集蔗过程可以发现，当集蔗机构翻转到最大翻转角度时侧板所受到的侧压力为最大。其受力示意图如图5-2所示，由上一章可知侧板所能翻转的最大角度为38?，所以在此时侧板收受的力是一个合力，其两个分力分别为重力在垂直于侧板方向上的分力 58 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 和甘蔗与集蔗机构装载箱底板间的摩擦力。 划分网格创建几何模型定义材料 创建有限元模型 设定约束施加载荷 求 解 查看分析结果 图5-1ANSYS分析步骤 Fig. 5-1 The steps of ANSYS analysis F T 38?NP G 图5-2 集蔗机构侧板所受压力示意图 Fig. 5-2 Schematic diagram of the pressure on the side panel of collecting device P,T,F (5-1) ,T,Gsin38 (5-2) , (5-3) F,G,cos38 式中 P ——侧板所受到的压力; G ——甘蔗总重; T ——重力在平行于装载箱底板方向上的分力; N ——重力在垂直于装载箱底板方向上的分力; 59 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 ——甘蔗与装载箱底板间的摩擦系数; , ——甘蔗与底板间的摩擦力。 F 由上一章计算可知，当装载箱装满甘蔗时甘蔗总质量为1.19t，则得出G为11662N，又因为甘蔗与底板间的摩擦系数为0.3，所代入式(5-1)、(5-2)、(5-3)得侧板所受的压力的大小为4882.4N。 根据图5-1所示的ANSYS分析步骤，首先在ANSYS中建立侧板的几何模型，为了建模的方便，对那些不影响分析结果的结构进行简化，因此建立的几何模型如图5-3所示。 图5-3 侧板的几何模型 Fig. 5-3 the geometric model of the side 在单元设置上采用Solid45实体单元。3维结构体的有限元模型建立中都比较广泛的采用该种单元。Solid45单元共有8个节点，并且每个节点都有x,y,z三个方向上的自 [51,52]3由度。在材料属性的设置上参照刚体的材料属性，其密度为7800kg/m，杨氏模量 11为，泊讼比为0.3。然后通过自由划分网格的方式对几何模型进行网格划分，2.06，10Pa 得到侧板的有限元模型如图5-4所示: 图5-4 侧板的有限元模型 Fig. 5-4 The finite element model of the side 60 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 分别在所购和侧板上侧施加约束，然后在侧板面上施加载荷，然后进行求解，得出侧板的变形云图及应力云图分别如图5-5、图5-6所示， 图5-5 侧板的变形云图 Fig. 5-5 The contours of deformation of the side 图5-6 侧板所受应力云图 Fig. 5-6 The contours of stress of the side 从图5-5可知，当侧板受到甘蔗对它的压力时在其尾部所产生的变形位移最大，最大值为0.124mm，但总体上变形不大，不影响集蔗，从图5-6可知，在锁扣与侧板的结合处出现了应力集中，产生的应力为最大。侧板受压所产生的最大应力为146MP，由a于侧板所用的材料为普通碳素钢Q235，其屈服极限为216~235MP，所以其最大应力低a 于屈服极限，则在受压过程中不会发生塑性变形。 5.1.2 锁钩的ANSYS结构静力学分析 在侧板可开式集蔗机构进行甘蔗收集的时候，锁钩的作用是用来扣住侧板使得甘蔗在集蔗时不能从两侧漏出，因此在锁紧时由于甘蔗及侧板的自重作用使得锁钩承受较大的作用，为分析其在受力情况下的变形情况和应力集中情况，则有必要对其进行ANSYS [49]结构静力学分析。由前面对侧板的变形分析可知，侧板在受甘蔗对其压力的作用时产生的变形不大，所以可以将甘蔗对侧板的作用力和锁钩对侧板的作用力等价为是作用在同一竖直平面上的一对力，将侧板则可简化为一个绕着定点转动的单摆，其受力如图5-7 61 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 所示，当集蔗机构装载箱翻转38?时，甘蔗对其产生的压力为最大，此时锁钩所受到的 力也为最大，则其具体受力分析如下所示。 O LK STUF 图5-7 侧板受力示意图 Fig. 5-7 The force Schematic diagram of the side (5-4) (T，U,F)，K,S，L ,T,Gsin38 (5-5) , (5-6) F,G,cos38 , (5-7) U,Gsin381 式中 T——甘蔗在垂直于侧板方向上的分力; F ——甘蔗与底板间的摩擦力; U——侧板重力在垂直于侧板方向上的分力; G——甘蔗的重力; G——侧板的重力; 1 S——锁钩对侧板的作用力; K——T、U的作用点到转动点O的力矩; L——S的作用点到转动点O的力矩。 由前面计算可知G=11662N，根据侧板的结构尺寸得其重力G=231.3N，S=286mm，1L=265mm，代入式(5-4)、(5-5)、(5-6)、(5-7)得S=5613.6N。 62 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图5-8 锁钩几何模型图 Fig. 5-8 The geometric model of the hook 图5-9 锁钩有限元模型图 Fig. 5-9 The finite element model of the hook 根据锁钩的结构参数在ANSYS中建立几何模型，其几何模型如图5-8所示，在有 [53]限元单元的选择中选用solid45作为其单元类型。在材料设置上由于锁钩所承受的拉力较大，为防止其产生塑性变形则采用优质碳素钢中的45钢作为其材料。然后通过自由划分网格建立有限模型如图5-9所示。 根据图5-1，建立锁钩的有限元模型后，先对其施加约束，在锁钩的圆柱结构上施加一个面约束，然后在锁钩钩尖部施加一个载荷，求解得其变形云图和应力云图分别如图5-10、图5-11所示。 图5-10锁钩变形云图 Fig. 5-10 The contours of deformation of the hook 63 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图5-11 锁钩应力云图 Fig. 5-11 The contours of stress of the hook 由图5-10可知在锁钩受到侧板对其的作用力时变形最大的地方在锁钩钩尖部，其位移值达到0.855mm，离锁钩钩尖越远所产生的变形就越小。由图5-11可知在锁钩钩尖转弯处产生的应力最大，最大值为483MP;由于锁钩所用的材料为45钢，该材料的屈a 服极限为353MP，所以锁钩受力时会产生塑性变形。因此需要对锁钩的某些结构参数a 进行调整，在这里将所的厚度从8mm修改为10mm，然后再进行有限元分析，得出其变形云图和应力云图如图5-12所示。 (A)锁钩变形云图 (B)锁钩应力云图 (A)The contours of deformation of the hook (B)The contours of stress of the hook 图5-12 改进后的锁钩的云图 Fig.5-12 The contours of stress of the hook improved 由图5-12可知，当锁钩的厚度变大时其在钩尖部的变形减小，其位移值为0.664mm，所产生的最大应力为328MP，则小于材料的屈服极限，所以不会产生塑性a 变形。所以所设置的锁钩厚度是合理的。 5.2 侧板可开式斜集集蔗机构动态仿真 侧板可开式斜集集蔗机构在完成整个甘蔗收集过程中，所要实现的整个运动过程如下:整个装载箱抬升与地面成一定的角度，然后集蔗，装载箱下降并与地面水平，侧 64 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 板打开，装载箱侧翻，卸载甘蔗，其具体过程如图5-13所示。在装载箱进行运动时，其重心位移也会随之发生变化，因此有必要对其重心的运动情况进行动态仿真来分析其运动变化时是否稳定，同时也要通过对集蔗机构的动态仿真来检查其在运动时是否存在运动干涉情况。 装载甘蔗提升装载箱降低装载箱 翻转装载箱打开侧板锁扣卸载甘蔗 图5-13 集蔗机构集蔗流程图 Fig. 5-13 The flowchart of collecting sugarcane of collecting device 5.2.1 侧板可开式集蔗机构运动干涉及其稳定性分析 由图5-13可知在集蔗机构进行集蔗时总共要实现三种运动，为避免在机构总体设计中出现运动干涉情况以及分析集蔗机构在运动中重心的稳定性，因此要对集蔗机构进行ADAMS动态仿真。 集蔗机构装载箱在尾端液压缸的作用下绕前端转动链向上转动，并与水平成一定的角度进行集蔗，现在通过ADAMS动态仿真软件来分析装载箱上升时重心的位移、速度、 [54,55]加速度变化情况，来分析其运动时的稳定性。集蔗机构尾端液压缸举升装载箱的过程如图5-14所示，分析得到的其重心位移、速度、加速度变化情况如图5-15所示。 图5-14装载厢提升过程图 Fig. 5-14 The upgrade procession of the loading box 在整个提升过程中没有出现运动干涉情况，图5-15所示的分别是装载箱在提升过程中X、Y、Z方向上的位移、速度、加速度变化曲线。从图中可以看出，在提升时， 65 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 装载箱重心逐渐向上(Y正方向)及向前(Z负方向)运动，在向上方向的位移较大。从速度曲线和加速度曲线可以看出整个提升过程中在向前的方向上的速度逐渐增大，做加速运动，在向上的方向上作减速运动。这主要是因为在尾端液压缸提升装载箱是，随着装载箱与地面的夹角增大使得液压缸的提升力在水平和竖直方向上的分力发生了变化从而 [56,57]使得其运动情况发生改变。由于在X方向上(装载箱侧向)的位移、速度、加速度都为零，则说明装载箱在提升过程中没有发生侧向抖动，提升平稳。由加速度曲线可以看出，在初始提升时，在X、Y、Z三个方向上的加速度发生有一次突然的波动，这是因为尾端液压缸在刚开始提升装载箱时，对其突然加速的缘故。 在侧端液压缸进行收缩时，装载箱向右侧翻转，实现侧板可开式斜集集蔗机构向右侧卸载甘蔗。其卸载甘蔗过程如图5-16所示，并相应得出的其重心位移、速度、加速度曲线如图5-17所示。 (A)位移曲线 (B)速度曲线 (A) The displacement curve (B)The velocity curve (C)加速度曲线 (C)The acceleration curve 图5-15 装载箱提升位移、速度、加速度曲线 Fig. 5-15The curves of displacement, velocity and acceleration of upgrading box 66 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图5-16 装载箱右侧翻转过程图 Fig. 5-16 The process of loading boxes on the right flip (A)位移曲线 (B)速度曲线 (A) The displacement curve (B)The velocity curve (C)加速度曲线 (C)The acceleration curve 图5-17装载箱右侧翻转时位移、速度、加速度曲线 Fig. 5-17 The curves of displacement, velocity and acceleration of loading box on the right flip 装载箱在进行右侧翻转时没有出现运动干涉情况，从其位移曲线图可以看出，在实现右侧翻转时装载箱重心在X正方向上(右侧方向)的位移较大，在Y正方向上(向上方向)的位移较小，在Z负方向(向前)的位移为零。从速度、加速度曲线可以知道，在整个翻转过程中装载箱在X正方向上近似做匀加速运动，在Y正方向上近似做匀减速运动，这是因为随着翻转角度增大，液压缸的提升力在X正方向和Y正方向上的分力发生了变化从而使得其运动情况发生改变但在刚开始阶段出现速度、加速度出现一些波动，这 67 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 主要是因为在翻转的初始阶段，液压缸突然拉动装载箱向右侧翻转使得装载箱发生了震动。但总体上来看整个翻转运动比较平稳，不会影响甘蔗卸载的顺利进行。 在侧液压缸伸长时，装载箱向左侧翻转。实现集蔗机构向左侧卸载甘蔗。整个卸载过程如图5-18所示，并得出其重心运动时的位移、速度、加速度曲线如图5-19所示。 图5-18 装载箱左侧翻转过程图 Fig. 5-18 The process of loading boxes on the left flip (A)位移曲线 (B)速度曲线 (A) The displacement curve (B)The velocity curve (C)加速度曲线 (C)The acceleration curve 图5-19装载箱左侧翻转时位移、速度、加速度曲线 Fig. 5-19 The curves of displacement, velocity and acceleration of loading box on the left flip 68 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 从图5-18、图5-19可知，装载箱向左侧翻转时除了在运动方向上与左侧相反外，在位移、速度、加速度的数值变化上基本相同。整个翻转运动没有出现干涉现象，装载 [58]箱重心位移、速度、加速度变化稳定。同样在运动初期出现现了较小的波动，总体上来看整个翻转运动比较平稳，不会影响甘蔗卸载的顺利进行。 5.2.2 集蔗机构集蔗过程仿真分析 在进行集蔗时，甘蔗从剥叶机构出口处抛出，相对装载箱底作抛物运动，直至箱底完成整个集蔗过程。为力防止甘蔗被抛出集蔗箱外而出现漏集现象，所以在上一章理论计算时对装载箱的长度和宽度进行了参数计算，现在则通过上一章给定的这些结构参 [59]数和运动参数对装载箱集蔗的过程进行仿真，来分析甘蔗从剥叶机构出来时的运动情况，并检查在给定初速度的情况下是否会抛出装载箱。 甘蔗从剥叶机构抛出后的运动情况如图5-20所示，甘蔗刚开始离开剥叶机构时以一定的初速度做平抛运动，当与装载箱底部相接触时，与底板发生弹性碰撞，然后沿底板斜面向下滑动，直至与前端面相碰，完成集蔗，并且在整个过程中甘蔗没有被抛出装载箱，则所设计的装载箱的结构长度是合理的。 图5-20装载箱收集甘蔗流程图 Fig. 5-20 The collecting sugar cane flow chart of loading box 甘蔗从剥叶机构抛出到装载箱最底部这过程中的位移、速度变化情况如图5-21、图5-22所示。 图中反应的甘蔗在X(水平方向)、Y(竖直方向)的位移、速度的变化情况验证了甘蔗抛出后所经历的三个阶段，即当甘蔗刚开始抛出的时候在X方向上作匀速运动，在Y [60]方向上作匀减速运动。当接触到地板时，在X、Y方向上的速度都迅速减小到0，当 69 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 甘蔗与底板接触时与底板产生相对滑移所以在X、Y方向上的速度逐渐增大，当接触到装载箱顶端时速度都减小为零，甘蔗保持静止，集蔗完成。并且从甘蔗的速度曲线可知甘蔗从抛出至落到底板的时间为0.335s，则与理论计算出来的时间基本保持一致。从位移去又可看出，甘蔗在Z方向(装载箱侧向)的位移为零，这说明甘蔗在抛出落到底板后 [61]没有发现侧向滑移。因此总体上来说整个集蔗过程中甘蔗运动比较稳定，集蔗机构的结构参数的设计满足集蔗的要求。 图5-21 甘蔗在X、Y、Z方向的位移曲线 Fig. 5-21 The displacement curve of Sugar cane in the X, Y, Z direction (A)甘蔗在X方向上的速度曲线 (B)甘蔗在Y方向上的速度曲线 (A) The speed curve of Sugar cane in the X (B) The speed curve of Sugar cane in the Y direction direction 图5-22 甘蔗的速度曲线 Fig. 5-22 The speed curve of Sugar cane 5.2.3 侧板可开式斜集集蔗机构甘蔗卸载仿真分析 侧板可开式斜集集蔗机构是通过侧向翻转装载箱来卸载甘蔗的，因为装载箱的侧面挡板可以开启所以装载箱只要翻转较小的角度就能将甘蔗卸载。在上一章中为使装载 [60]箱能够正常卸载甘蔗，对液压缸的行程范围进行了理论计算，当装载箱向其左侧翻转 48.3mm,S,656mm时，液压缸的伸长行程范围为，当装载箱向右侧翻转时，液压缸的 44mm,L,92mm收缩行程范围为。在本章中对集蔗机构的卸载甘蔗的过程进行仿真分析，来分析集蔗机构能否顺利卸载甘蔗，能否在理论计算的行程范围内将甘蔗顺利卸载。 集蔗机构向左侧卸载甘蔗时，侧端液压缸伸长，推动装载箱向左侧翻转。其整个 70 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 卸载过程如图5-23所示。 图5-23 集蔗机构向左端卸载甘蔗过程图 Fig. 5-23 The process about dumping the sugar cane on the left side of the collecting device 由图5-23可知甘蔗从左侧卸载下甘蔗时，甘蔗整体的卸载比较整齐，这有利于提高甘蔗二次收集的效率。通过仿真得出液压缸伸长行程与甘蔗运动状态间的关系如图5-24所示。 (A)位移曲线 (B)速度曲线 (A) The displacement curve (B)The velocity curve (C)加速度曲线 (C)The acceleration curve 图5-24 左侧翻转时液压缸行程与甘蔗运动状态关系图 Fig. 5-24 The relationships between hydraulic cylinder and sugarcane when turning the left 从图5-24可知在刚开始卸载时由于液压缸突然给装载箱施加力的作用使其翻转，使得甘蔗整体产生一定的震动，然后随着液压缸伸长行程的增加甘蔗在重力的作用下开始下滑。从其运动的位移、速度、加速度曲线可知当液压缸行程在39-45mm范围内时 [62,63]甘蔗开始侧向滑动，这与理论计算的数据基本相一致。当甘蔗完全离开装载箱时甘蔗作自由落体运动，从其运动曲线可看出甘蔗在整体下落时比较整齐。而且从图5-24 71 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 也可看出，甘蔗开始完全离开装载箱是液压缸的行程在170mm~175mm的范围内，则其最大行程也在理论计算行程范围内。因此整个卸载过程符合设计要求。 图5-25 集蔗机构向右端卸载甘蔗过程图 Fig. 5-25 The process about dumping the sugar cane on the right side of the collecting device (A)位移曲线 (B)速度曲线 (A) The displacement curve (B)The velocity curve (C)加速度曲线 图5-26 右侧翻转时液压缸行程与甘蔗运动状态关系图 Fig. 5-26 The relationships between hydraulic cylinder and sugarcane when turning the right 如图5-25所示为集蔗机构向右侧翻转时卸载甘蔗的过程，与向左侧卸载甘蔗不同的是液压通过收缩来卸载甘蔗，通过仿真可知其整体的卸载效果良好，没有出现杂乱卸载的现象。液压要收缩行程与甘蔗的运动状态间的关系如图5-26所示。 由于装载箱向右侧翻转时，液压缸是收缩的，所以如图5-26所示，随着液压缸的收缩行程的增大，甘蔗的侧向滑移速度逐渐增大，直至甘蔗彻底卸载完毕。同右侧翻转一样，在刚开始翻转时由于液压缸瞬间给装载箱一定的拉力，使得甘蔗受到冲击而产生震[64]动。因此在滑移开始前加速度曲线存在一定的上下波动。从甘蔗的位移、速度、加速 72 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 度曲线变化情况可知液压缸行程在35mm-45mm时将甘蔗彻底卸载干净，甘蔗开始滑移时的液压缸行程为25mm，略比理论计算值小，这主要与甘蔗刚开始受到的冲击有关。总体分析来看，整个卸载过程符合设计要求。 5.3 本章小结 本章应用ANSYS有限元分析软件对集蔗机构的侧板和锁钩进行了结构静力学分析，应用ADAMS动态仿真软件对集蔗机构进行了运动干涉分析，并对其甘蔗收集、卸载的功能进行了动态仿真。 73 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 第六章 甘蔗输送试验研究 在前几章的研究中，本文通过理论分析和仿真分析的方法对物流系统中输送耙轮与辊轮间的相对位置、辊轮的齿形和耙轮耙齿位置变化对甘蔗输送的影响进行了研究分析。并且得出了较合理的设计参数。为了进一步验证分析所得出数据的合理性和可行性，有必要进行甘蔗收割机物流试验分析来研究物流输送中两轮的相对位置变化，转速变化，辊轮齿形变化等对甘蔗输送的影响。 6.1 试验的目的及测试指标 本试验主要是通过改变物流系统中部分机构的位置参数和运动参数来分析在不同的参数情况下物流系统对甘蔗的输送情况的好坏。在本次试验研究中其主要的测试指标是甘蔗通过耙轮时的通过速度，甘蔗通过整个物流系统的通过率，甘蔗输送中耙轮及输送系统所消耗的功率。 6.2 试验装置的设计 根据本次试验研究的目的，在整个物流试验平台的设计上，其高度必须与前面的砍蔗装置相配合，使得甘蔗被砍断后能够顺利进入物流输送机构。根据砍蔗装置刀盘提升的行程范围，取其高度为1365mm，其宽度为980mm。在耙轮位置的设计上其空间位置能够实现在水平和竖直方向上的变动，从而来研究耙轮的位置变化对甘蔗输送的影响，耙轮水平变动范围为0-140mm，在竖直方向上的变动范围0-120mm。为了分析输送辊轮对甘蔗输送的影响，在本试验装置的设计中，结合前人所设计制造的传送带输送的物流输送机构的基础上，在输送带的前端加上一个输送辊轮，来模拟辊轮输送。根据上述要求，应用UG三维建模软件，对试验装置进行零件建模和组装，其整体结构如图6-1所示。 由所设计的甘蔗收割机物流试验架的三维模型制作试验所需的物流试验架的物理模型，物流试验架的物理模型如图6-2所示。整个物流系统由带辊混合传输机构和耙轮喂入机构两部分组成。整个结构主要用角钢焊接而成，根据设计要求，耙轮喂入机构能 74 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 够在空间位置上进行变动。整个物流传输系统通过链传动来实现传输带和辊轮的转动，其动力来源是依靠两个电机来实现的。并通过数字变频器调节电机转速来实现甘蔗输送过程中输送辊轮及耙轮的转速变换。 图6-1 甘蔗收割机物流试验架三维模型 Fig. 6-1 The three-dimensional model of the logistics test bench of Sugarcane harvester 图6-2 甘蔗收割机物流试验架物理模型 Fig. 6-2 The physical model of the logistics test bench of Sugarcane harvester 6.3 试验测试装置 根据所确立的试验方案及试验中所要测试的试验数据(功率，转速，时间等)，在试验中所要选用的测试仪器如图6-3所示 6.4 试验测试方案及其结果分析 由前面的试验目的可知，本次试验主要是分析研究小型甘蔗收割机输送辊轮的运动参数及齿形变化对甘蔗输送的影响和当喂入耙轮与输送辊轮处于不同的相对位置时对甘蔗输送的影响。为此本文结合前几章对物流系统的理论计算和仿真分析所得出来结 75 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 果，安排了5组试验测试，分别是:辊轮齿形对甘蔗输送的影响的单因素分析，辊轮转速对甘蔗输送的影响的单因素分析，甘蔗数目和辊轮转速对甘蔗输送的影响的双因素分析，甘蔗数目和辊轮转速对输送所消耗功率的影响的双因素分析以及喂入耙轮与输送辊 [8]轮间的相对位置(包括水平距离S及竖直距离L)对甘蔗输送影响的正交分析。在时试验数据的分析处理上，本文应用方差分析来检验所试验的影响因素对所研究的指标影响是否显著，为以后小型甘蔗收割机的设计研究提供数据支持。 A功率测试仪 B 变频调速装置 A the power meter B Frequency Converter C 转速表 D 秒 表 C the tachometer D the stopwatch 图6-3 试验测试所用的仪器 Fig. 6-3 The apparatus used in the test 6.4.1 辊轮齿形对甘蔗输送的影响的单因素试验 由第三章的仿真分析可知，输送辊轮的齿形对甘蔗输送是有一定的影响的，并且得出梯形软齿的输送能力最为优越，而光滑圆筒的输送能力最差。为了进一步验证输送辊轮的齿形对甘蔗输送的影响，有必要对其进行单因素试验来分析齿形对甘蔗输送影响的显著性。 参照第三章仿真分析中所选定的输送辊轮齿形，本文选定三种辊齿齿形来进行试验，所选定的齿形分别为梯形软齿，条形硬齿，光滑圆筒，所选辊筒的具体结构如图6-4所示。 76 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 A 条形硬齿 B光滑圆筒 A The hard bar tooth B The smooth cylinder C 梯形软齿 C the soft ladder teeth 图6-4 辊轮的齿形 Fig. 6-4 The tooth of roller 在试验中每种齿形的输送辊轮进行20次甘蔗输送，分别测试甘蔗的通过率(表示顺利进入物流系统的甘蔗数占总体甘蔗数的比率)，并在通过甘蔗中任选5组，测试甘蔗通过输送辊轮时的速率(表示整根甘蔗通过辊轮时的速度快慢)。试验所测得数据表如表6-1所示: 表6-1 辊轮齿形单因素试验数据表 Table 6-1 The single factor test data table of roller tooth 通过速率 辊轮齿形 通过率 1 2 3 4 5 6 7 8 梯形软齿 1.58 1.87 2.04 1.52 1.76 1.78 1.82 1.47 0.9 条形硬齿 1.68 1.76 1.34 1.36 1.36 1.83 1.33 1.38 0.85 光滑圆筒 0.95 1.72 0.81 1.49 1.29 1.81 1.3 1.22 0.6 由表6-1可知，随着辊轮齿形的变换，甘蔗的通过率及通过速率也随之发生变化，而且从数据的大小上可以看出，无论是在通过率上，还是在通过速率上，梯形软齿对甘蔗输送的效率最好，而光滑圆辊对甘蔗的输送效率最差，这主要是因为光滑圆筒在传输甘蔗时容易打滑使得甘蔗输送效率大大降低。根据试验所得到的数据得出各种齿形下的甘蔗通过速率折线图如图6-5所示，从图6-5可知，光滑圆筒的速率波动较大，这与其在传输甘蔗时易打滑有关，梯形软齿与条形硬齿在传输速率上大小比较接近，但从总体上看梯形软齿的传输速率大于条形硬齿的传输速率，条形硬齿的传输速率大于光滑圆筒 77 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 的传输速率。这说明辊轮齿形对甘蔗的输送有一定的影响。 为进一步验证辊轮齿形对甘蔗输送的影响，下面对所得试验数据进行单因素方差分 [65,66]析，来分析辊轮齿形的变化对甘蔗输送的影响是否显著。通过计算得方差分析表如表6-2所示。有表可知辊轮齿形的统计量为F=8.612，查表得在给定检验显著水平α=0.05的的情况下临界值F(2,21)=3.47,所以统计量F值大于其相对应的临界值，则0.05 说明辊轮齿形对甘蔗输送影响显著。并结合试验得出甘蔗通过率及甘蔗的通过速率可知用梯形软齿做辊齿的辊轮其输送效果最好，这与仿真得出的分析结果相一致。 2.2 2 1.8 梯形软齿 条形硬齿 1.6 光滑圆筒 1.4 1.2 通过速率v(m/s)1 0.8 0.6 1 2 3 4 5 6 7 8 试验序列 图6-5 三种辊齿的传输速率变化图 Fig. 6-5 The chart of different transmission rate of the rollers 表6-2辊轮齿形的单因素方差分析表 Table 6-2 The single factor variance table of the roller tooth 方差来源 平方和S 自由度v 均方V 统计量F值 显著性 辊轮齿形 0.945 2 0.473 8.612 显著 误差e 1.153 21 0.055 总、和 2.098 23 6.4.2 辊轮转速对甘蔗输送影响的单因素试验 从前面的分析可知，辊轮的结构因素(齿形)的变化会对甘蔗的输送产生一定的影响，接下来本文要对输送辊轮的运动参数进行试验分析，检验辊轮运动因素的变化是否会对甘蔗输送产生影响。 在这里辊轮的运动参数的分析指的是对辊轮转速的分析，试验中通过选取辊轮不同的转速水平，来测试辊轮速度对甘蔗输送的影响。在试验中为了准确的控制辊轮的转 78 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 速，首先要通过变频调速装置和转速表进行转速标定，所得结果如表6-3所示，然后保持耙轮转速一定，对辊轮的每种转速水平进行20组甘蔗输送试验，统计甘蔗的通过率，并随机取其中的8组计算甘蔗通过速率。 表6-3 辊轮转速标定 Table 6-3 The calibration of Roller speed 辊轮转速 100r/min 150r/min 200r/min 250r/min 所需频率 21Hz 24Hz 28.2Hz 35.1Hz 通过试验得出在不同辊轮转速情况下的甘蔗通过辊轮时的速度，及甘蔗的通过率如表6-4所示，由该表可知，随着辊轮转速的增加，甘蔗输送的通过率也随之上升，当辊轮转速在100r/min至150r/min变化时，转速对甘蔗通过率影响不大，但当达到200r/min或250r/min时转速对甘蔗通过率的影响增大。应用试验所得数据绘制成甘蔗通过速率的折线图，如图6-6所示，由图可知，随着辊轮转速的不同，其对甘蔗的输送速率大小呈现一定的变化，虽然曲线有些数据点出现相交，但着从总体上看，随着转速的增加甘蔗的输送率也随之提高。 表6-4 辊轮转速单因素数据表 Table 6-4 The single factor test data table of the speed of roller 通过速率 辊轮转速 1 2 3 4 5 6 7 8 通过率 100r/min 1.22 1.14 0.96 1.24 1.18 1.23 1.32 1.29 0.8 150r/min 1.62 1.54 1.35 1.44 1.40 1.52 1.54 1.34 0.8 200r/min 1.74 1.95 1.69 1.91 1.46 1.65 1.91 1.89 0.9 250r/min 2.18 1.87 1.99 1.95 1.87 2.13 2.29 1.94 0.95 从数据表和数据曲线图可直观的得出输送辊轮的转速对甘蔗通过速率有一定的影响，为了进一步分析其影响的显著性，有必要对输送辊轮转速进行单因素方差分析，通过计算得出辊轮转速的单因素方差分析表如表6-5所示，由表可知，辊轮转速的统计量F值为47.066，查表得在给定检验显著水平α=0.05的情况下临界值F(3,24)=3.47，0.05则统计量F值大于其相对应的临界值，所以在检验显著水平α=0.05的条件下，辊轮转 [65,66]速对甘蔗输送影响显著。 79 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 2.40 2.20 2.00 1.80100r/min1.60150r/min1.40200r/min1.20甘蔗通过速率 ()v m/s2250r/min1.00 0.80 12345678 试验序列 图6-6 不同辊轮转速下的速率变化图 Fig. 6-6 The changed velocity of different roller speed 表6-5 辊轮转速单因素方差分析表 Table 6-5 The single factor variance table of the roller speed 方差来源 平方和S 自由度v 均方V 统计量F值 显著性 辊轮转速 2.824 3 0.941 47.05 显著 误差e 0.480 24 0.020 总 和 3.304 27 6.4.3 甘蔗根数和辊轮转速对甘蔗输送影响的双因素试验 在前面的分析中，本文得出了输送辊轮的转速对甘蔗输送有显著影响，这为今后在小型甘蔗收割机的设计提供了数据支持，但是在实际的甘蔗收割中，同时进入收割机物流系统的甘蔗数目不只一根，而是多根甘蔗同时进入物流系统，因此对于小型甘蔗收割机而言，由于整体结构较紧凑，所以其物流通道与大型收割机相比较为狭窄，当多根甘蔗同时送入的时候，有可能会产生物流拥堵现象，影响甘蔗输送的效率，因而有必要分析一下在不同转速的情况下，甘蔗数目对输送辊轮甘蔗输送的影响，为小型甘蔗收割机的物流系统的设计提供数据支持。 在该试验分析中，影响因素有两个，分别是辊轮转速和甘蔗的输送数目，对于影响因素辊轮转速，本试验对其取四个水平，其转速大小分别为100r/min、150r/min、200r/min、250r/min。对于另一个影响因素甘蔗数目，本试验取其5个水平，即所要输送的甘蔗数目为1到5根不等。为了试验测试的方便，在试验中所输送的甘蔗取为等长度的甘蔗(其长度为2300mm)，将甘蔗整根通过辊轮的时间作为测试指标，在试验测试中， 80 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 每一组因素组合侧三次，然后取时间的平均值进行比较。通过试验得出试验数据如表6-6所示，由该表可知，随着辊轮辊轮转速的增大，无论甘蔗数目是多少，辊轮对其的输送时间都逐渐减少，在同一转速下，当甘蔗数目增加时，辊轮对其的输送时间逐渐增加。 -7所示。 并由数据表得出甘蔗数目和辊轮转速对甘蔗输送时间的影响曲线图，如图6 表6-6 甘蔗数目及辊轮转的双因素试验表 Table 6-6 The two-factor test table of the number of the sugarcane and the speed of roller 通过时间t(s) 辊轮转速 1 2 3 4 5 100r/min 1.75 2.00 2.06 2.43 2.73 150r/min 1.60 1.99 2.04 2.27 2.32 200r/min 1.34 1.64 1.91 1.92 2.06 250r/min 1.23 1.47 1.81 1.93 1.97 2.80 2.60 2.40 2.20 2.00100r/min 1.80150r/min 1.60200r/min 1.40250r/min甘蔗通过时间 ()t s1.20 1.00 12345 甘蔗根数 图6-7甘蔗数目和辊轮转速对甘蔗输送时间的影响曲线图 Fig. 6-7 The effect curve of the number of the sugarcane and the speed of roller on the time of sugarcane transmission 由图6-7中的输送时间的变化趋势来分析，甘蔗数目和辊轮转速对甘蔗输送都有一定的影响，为了进一步验证该两种因素对甘蔗输送影响是否显著，有必要对试验所得数据进行双因素方差分析，得出双因素方差分析表如表6-7所示。由表可知，辊轮转速的统计量F值为28.377，甘蔗数目统计量F值为39.995。分别查表得在给定检验显著水平α=0.05的情况下临界值F(3,12)=3.49，F(4,12)=3.26，显然两个因素的统计量0.050.05 分别大于其临界值，则在检验显著水平α=0.05的条件下，辊轮转速和甘蔗数目对干蔗 81 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 [65,66]输送影响显著。 表6-7甘蔗数目及辊轮转的双因素方差数据表 Table 6-7 The two-factor variance data table of the number of the sugarcane and the speed of roller 方差来源 平方和S 自由度v 均方V 统计量F值 显著性 辊轮转速 0.842 3 0.281 28.1 显著 甘蔗数目 1.542 4 0.386 38.6 显著 误差e 0.119 12 0.010 总 和 2.503 19 6.4.4 辊轮转速与甘蔗根数对消耗功率的影响的双因素试验 在前几个试验的分析中，本文得出辊轮转速和甘蔗数目对甘蔗的通过速率有显著影响，随着转速的增大甘蔗的通过效率也随之提高，但当甘蔗数目增加时，甘蔗的通过速率会降低，甚至会出现物流拥堵现象。所以在实际的甘蔗生产中，必须提高辊轮转速来使得物流输送顺畅，然而随着辊轮转速的增加 ，势必影响到其对整机功率的消耗，因此有必要进行试验分析来研究辊轮转速及甘蔗数目对功率消耗的影响，为整机设计中辊轮转速的确定和物流中允许同时通过的甘蔗数目的确定提高数据支持。 在试验中，所要分析的影响因素有两个，分别是辊轮转速和一次所输送的甘蔗数目，辊轮转速去四个水平转速，甘蔗数目上取1到5根甘蔗数目。在测试中，当甘蔗通过辊轮时用功率测试仪记录下此时辊轮所消耗的功率，每组测试三次，然后求取功率的平均值。通过试验得出数据表如表6-8所示。并有该表绘制出辊轮转速和甘蔗数目对功率的影响曲线如图6-8所示。 表6-8 辊轮转速和甘蔗数目对功率的影响 Table 6-8 The effect of the number of the sugarcane and the speed of roller on the power 消耗的功率P(kw) 辊轮转速 1 2 3 4 5 100r/min 0.20 0.19 0.22 0.27 0.35 150r/min 0.25 0.27 0.28 0.31 0.38 200r/min 0.33 0.30 0.34 0.37 0.44 250r/min 0.40 0.41 0.41 0.49 0.57 由表6-8及相应的图6-8可知，转速和甘蔗数目对功率消耗都有一定的影响，在甘蔗数目一定的时候，随着辊轮转速的增加，所消耗的功率也增加， 在辊轮转速一定的 82 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 时候，当甘蔗数目增加时所消耗的功率也随之增加，从图表还可以看出，当转速达到200r/min时所消耗的功率急剧增加，因此在满足生产要求的前提下，辊轮转速不宜达到250r/min。 0.60 0.55 0.50 0.45 0.40100r/min 0.35150r/min0.30功率P (KW)200r/min0.25250r/min0.20 0.15 0.10 12345 甘蔗根数 图6-8 辊轮转速和甘蔗数目对功率消耗的影响曲线图 Fig. 6-8 The effect curve of the number of the sugarcane and the speed of roller on the power 为进一步分析转速和甘蔗数目对甘蔗输送时功率消耗的影响，需要对试验所的数据进行方差分析，来检验两个试验因素对所测指标的显著性。通过计算得到双因素方差分析表如表6-9所示。 表6-9 辊轮转速和甘蔗数目对功率消耗的影响的双因素方差分析表 Table 6-9 The analysis table of two-factor variance between the number of the sugarcane and the speed of roller 方差来源 平方和S 自由度v 均方V 统计量F值 显著性 辊轮转速 0.126 3 0.0419 245.03 显著 甘蔗数目 0.058 4 0.0145 84.80 显著 误差e 0.002 12 0.000171 0.186 19 总 和 由表6-9可知，辊轮转速的统计量F值为247.1，甘蔗数目的统计量为82.4，分别查表得在给定检验显著水平α=0.05的情况下临界值F(3,12)=3.49，F(4,12)=3.26，0.050.05显然两个因素的统计量分别大于其临界值，则在检验显著水平α=0.05的条件下，辊轮转速和甘蔗数目对甘蔗输送影响显著。 6.4.5 耙轮与辊轮相对位置对甘蔗输送的影响的正交试验 在前面的试验分析研究中，主要是分析输送辊轮的结构参数和运动参数对甘蔗输 83 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 送的影响，并得出辊轮的齿形和转速对甘蔗输送影响显著。但在实际的甘蔗输送中，影响甘蔗输送的不仅与辊轮有关，而且跟辊轮与喂入耙轮间的相对位置关系有着一定的关系，由第三章的仿真分析可知，喂入耙轮与辊轮的间的相对位置对甘蔗输送有显著的影响，并且通过仿真得出了最优的关系组合，下面为了进一步的来检验喂入耙轮和输送辊轮对甘蔗相对位置影响的显著性以及得出最优位置关系组合，则对喂入耙轮和输送辊轮间的相对位置进行正交分析。 在整个试验的设计中，将输送辊轮的位置固定不同，通过改变耙轮的位置(水平方向和竖直方向)来实现喂入耙轮与辊轮间相对位置的变化，耙轮的位置变化装置如图6-9所示，由图可知带动耙轮运动的电机被安置在一个可移动的绿色架子上，因此当调节耙轮的水平位置时，可以以通过移动绿色电机架子实现耙轮和电机一起移动，要使耙轮实现在竖直方向的移动，则通过调整耙轮座咋竖直滑槽中的位置来实现，由于电机的位置保持不变，因此在竖直方向移动式需要更换链条，在试验中耙轮在竖直方向需要变动四个位置，因此准备了四条长度递减的链条，如图6-10所示。 参考仿真分析时的参数设计，正交试验中其试验因素有2个，每个因素有四个水平，即为:耙轮(直径为350mm)与辊轮(直径为102mm)中心间的竖直距离L取四个水平，分别为245mm、265mm、285mm、305mm。耙轮与辊轮中心间的水平距离S取四个水平，分 5别为0mm、25mm、50mm、75mm。因此采用L16(4)正交表来安排试验，试验的测试指标为甘蔗通过辊轮时的通过速率。试验的因素水平表如表6-10所示。 A 耙轮的竖直方向调节 B 耙轮的水平方向调节 A The vertical adjustment of harrow wheel B The level adjustment of harrow wheel 图6-9 耙轮位置变化装置 Fig. 6-9 The position changed device of harrow wheel 84 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图6-10 调节耙轮位置用的链条 Fig. 6-10 The a chain used in the adjustment of harrow Wheel position 表6-10耙轮与辊轮间的位置因素水平表 Table 6-10 The factor and level table of the location between the harrow and roller 因素 A B 水平 耙轮相对辊轮的水平距离 耙轮相对辊轮的竖直距离 (S)mm (L)mm 1 0 245 2 25 265 3 50 285 4 75 310 通过试验及分析计算得正交试验数据表如表6-11所示，首先根据试验所得数据 [66,67]进行正交试验的直观分析，在该数据表中，k表示各因素水平的平均综合评分，其大小反应了因素的各水平对所考核的指标的影响的是否显著。而表中的R值为极差，它的大小为同一因素中k的最大值与k的最小值之差，它的大小反应了试验中所分析的因素对所测指标的影响的显著性，因此可以根据k和R的大小排出因素水平的最优组合。由表中k值，绘制出在各个因素下的k值变化曲线图(如图6-11所示)，由图表可知，因素B的R值最大，其次是A，它们的交换作用影响A×B最小，这说明因素B对甘蔗输送的影响最大，A对甘蔗输送的影响比因素B小，而它们的交互作用对甘蔗输送的影响不显著，因此按影响程度的大小，它们的排序为A-B-(A×B)，同时有图6-11可知A因素中的第三个水平和B因素中第三个水平的k值最大，这说明在该水平下，甘蔗输送处于最佳状态，因此得出喂入耙轮与辊轮间的最佳位置组合为BA(即当L=285mm,S=50mm33 时)，这与前面仿真分析得出位置组合相一致。 85 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 表6-11 耙轮与辊轮间的相对位置方差分析数据表 Table 6-11 The orthogonal analysis of variance data table between the harrow wheel and roller 因 素 甘蔗长通过时通过速编 A B (A×B)(A×B) (A×B) 度l(mm) 间 率1 23 号 t(s) v(m/s) 1 1(0) 1(245) 1 1 1 2450 2.10 1.17 2 1 2(265) 2 2 2 2300 1.78 1.29 3 1 3(285) 3 3 3 2760 1.90 1.45 4 1 4(305) 4 4 4 2350 1.97 1.19 5 2(25) 1 2 3 4 2810 2.20 1.28 6 2 2 1 4 3 2700 1.98 1.36 7 2 3 4 1 2 2510 1.35 1.86 8 2 4 3 2 1 2405 1.61 1.59 9 3(50) 1 3 4 2 2310 1.80 1.28 10 3 2 4 3 1 2550 1.47 1.73 11 3 3 1 2 4 2325 1.15 2.02 12 3 4 2 1 3 2800 1.48 1.89 13 4(75) 1 4 2 3 2400 1.90 1.26 14 4 2 3 1 4 2870 1.68 1.71 15 4 3 2 4 1 2845 1.44 1.98 16 4 4 1 3 2 2630 1.62 1.62 综合评分数据 k1.28 1.25 1.54 1.66 1.62 1 k1.52 1.52 1.61 1.54 1.52 2 k1.73 1.83 1.51 1.52 1.49 T=24.68 3 k1.64 1.57 1.51 1.45 1.55 4 R 0.45 0.58 0.1 0.21 0.13 86 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 图6-11 不同因素下的k值变化曲线 Fig. 6-11 The curve of K-value of different factors 为了进一步验证各个影响因素的显著性，下面对所得的试验数据进行正交试验的方差分析，通过计算得的数据如表6-12所示。在计算中由于交互作用的S值较小，所以为了提高分析精度，将其他两个较小的值并入误差中，有方差分析表可知，因素A的统计量F值为14.4，因素B的统计量为20.9，交互影响(A×B)的统计量F值为2.7，分别查表得在给定检验显著水平α=0.05的情况下临界值F(3,6)=4.76，显然因素A和B0.05 的统计量都大于其临界值，但它们的交互影响的统计量小于其临界值，则可知在检验显著水平α=0.05的条件下，喂入耙轮相对辊轮的相对水平距离(A)和竖直距离(B)对甘蔗输送影响显著。但它们的交互作用对甘蔗的输送影响不显著。这与直观分析所得出的结果相一致。 表6-12 正交试验方差分析表 Table 6-12 The table of orthogonal analysis of variance 方差来源 平方和S 自由度v 均方V 统计量F值 显著性 A 0.468 3 0.156 14.4 显著 B 0.678 3 0.226 20.9 显著 (A×B) 0.087 3 0.029 2.7 不显著 误差e 0.065 6 0.0108 总 和 1.298 15 6.5 本章小结 本章是在前几章对物流系统进行仿真分析的基础上，通过所研制的物流系统试验平台分别对辊轮的齿形和转速作了单因素试验，对辊轮转速和甘蔗数目对甘蔗通过速率及消耗功率作了双因素试验，最后对喂入耙轮与输送辊轮间的相对位置关系对甘蔗输送的 87 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 影响作了正交试验，通过以上试验得出应用梯形辊齿进行甘蔗输送效果最好，而且其转速的越大，传输效果也越好，但考虑的对功率损耗的影响，其转速不能大于200r/min，在耙轮与辊轮的相对位置组合上，当两轮的中心水平距离为50mm，竖直距离为285mm时，对甘蔗的输送效果最好，这些试验所得结果基本与仿真分析所得结果相一致。 88 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 第七章 总结与展望 7.1 本文总结 本论文主要是围绕广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目——“多因素耦合的甘蔗收获机械砍蔗系统、传动物流系统动力学仿真分析与实验研究”、广西壮族自治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”、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”以及广西研究生教育创新计划项目——“甘蔗切割实验平台的设计”而展开的。研究的主要目的是为研制适合丘陵地区的小型整杆式甘蔗收割机提供理论和试验数据支持。本文在整个设计和研究中通过应用UG三维建模软件对所要设计研究的机构和系统进行设计组装，并通过ADAMS动态仿真软件及ANSYS有限元分析软件进行分析。最后研制甘蔗物流系统的物理试验平台对甘蔗物流系统进行试验分析。通过研究所得出的主要内容如下: 1、在结合课题组前期对甘蔗收割机物流系统的研究基础上，从提高甘蔗物流输送效率出发，对辊轮输送机构进行了设计和研究，并理论分析了辊轮输送机构的输送角度、辊轮牵引系数、双辊轮间距及辊轮齿形对甘蔗输送的影响，计算出了理论输送角和辊轮、耙轮对甘蔗的作用力间的关系，最后分析研究了物流系统中喂入机构、输送机构以及剥叶机构三者间的位置关系对甘蔗输送的影响，得出耙轮、辊轮间的位置关系与甘蔗实际输送角间的关系式。 2、在ADAMS中直接建立不同齿形的输送辊轮模型，通过仿真来分析不同齿形的辊轮对甘蔗输送的影响，得出梯形软齿对甘蔗的输送效率最高;将在UG中建立的三维模型导入ADAMS中进行动态仿真，分析出喂入耙轮与辊轮间的相对位置对甘蔗输送有一定的影响影响、耙轮齿形排布不同对甘蔗输送的影响，最终得出当齿形错齿排布时，其对甘蔗输送的效果最好。 3、结合课题组前期研究中所设计的集蔗机构的基础上，并根据小型甘蔗收割机集蔗机构的功能要求和结构要求，设计出侧板可开式斜集集蔗机构，并对一些关键的结构 89 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 参数进行了计算，运用UG三维建模软件设计和组装了集蔗机构模型。 4、将所建立的集蔗机构模型导入ADAMS 中进行运动干涉分析，对举升机构中各个液压缸的行程范围进行了验证分析。应用ANSYS有限元分析软件，对集蔗机构的侧板和锁钩进行了结构静力学分析，对其中的一些尺寸参数进行了修改。 5、通过自行研制的甘蔗收割机物流试验平台，对仿真所得出的结论和数据进行试验验证，得出梯形齿的辊轮在输送中效果最好，耙轮(直径为350mm)与辊轮(直径为102mm)在竖直方向中心相距285mm，水平方向中心距相距50mm(耙轮在前)时对甘蔗的输送效果最好，这与仿真所得出的结论相一致，并且通过试验还得出耙轮转速不宜大于200r/min。 7.2 展 望 本文通过应用虚拟样机技术、有限元技术和试验分析等方法对物流系统和集蔗机构进行了分析研究，但因时间关系和本人能力有限，本文所研究的内容在许多方面还有待完善和深入，主要内容有以下几个方面: 1、在物流输送机构的设计中，对双棍轮间的工作间隙可以进一步的优化，使得两滚轮可以根据输送的甘蔗直径大小自动调整工作间隙。整个输送机构则可以根据所处的收割地形不同，自动调节其离地的高度。 2、在集蔗机构的设计中，所用的液压装置较多，这增加了整机的功率，因此在满足功能要求的同时，可以适当减少液压的使用量。在甘蔗卸载上，虽然能够整齐的将甘蔗卸载干净，但在二次收集上还需打包装车，因此在下一步的研究中在甘蔗卸载时，能够将甘蔗自动打包。 3、在物流试验中由于试验装置的输送机构采用输送带和输送辊轮相混合的方式进行输送，这与实际所设计的甘蔗收割机全辊轮输送存在一定的差异，因此可以对物流平台进行改进，实现全辊轮输送，降低试验的误差。同时能够方便的调节辊轮与地面间的距离，这样使得试验平台能够模拟甘蔗收割机在有起伏的蔗田里进行收割时的物流情况。 90 广西大学硕士学位论文 小型甘蔗收割机物流系统与新型集蔗机构的设计与研究 参考文献 [1] 梁兆新.甘蔗收获机械应用可行性效益分析[J].广西农业机械化，2009,6:11-14 [2]张上游,张天会,蔡宗寿,等.甘蔗收获机械发展策略探讨[J].农机化研究, 2010,1(1):249-252 [3] 黄志华，莫月通.推进甘蔗收获机械化刍议[J].广西农业机械化，2009,6:7-10 [4] 黄国生.浅析现阶段甘蔗收获机械化对对糖厂原料蔗的影响及对策[J]. 广西农业机械 化, 2009,6:24-31 [5] Borpit Tangwongkit. 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