螺旋式扶蔗器力学分析及试验研究

宋春华

(广东交通职业技术学院机电工程学院，广东 广州 510800)

螺旋式扶蔗器力学分析及试验研究

宋春华

(广东交通职业技术学院机电工程学院，广东 广州 510800)

为了改善4ZZX–48型整秆式甘蔗收割机的扶蔗质量，设计加装了螺旋式扶蔗器。该扶蔗器由拣拾段和输送段2段组成，当螺旋滚筒转动时，螺旋形叶片的转动形成螺旋线，带动倒伏的甘蔗沿着螺旋线作上升运动，实现动力的传送，扶起甘蔗。对该机构进行的力学仿真结果表明，拣拾段甘蔗根部约束力矩最大，甘蔗被从顺倒伏到逆倒伏扶起过程中，螺旋叶片的轴向推力作用显著，在0.8 s时，有突变且达到最大值。甘蔗扶起性能试验结果表明，当扶蔗器拣拾段转速为90 r/min，安装角为5°时，分蔗效果好，扶起时间最短；至输送段，螺旋叶片轴向推力转换为提升力，甘蔗约束力矩减弱，无突变，平稳扶起甘蔗，但扶蔗器输送段转速过慢，螺旋叶片阻碍甘蔗上升，当转速为120 r/min时，对甘蔗的扶起效果最好。

甘蔗收割机；扶蔗器；螺旋叶片；轴向推力

甘蔗植株高大，纵横交错，成熟期易受台风和季风影响发生倒伏，小型整秆式甘蔗收割机结构简单，体积小，功耗小，使用方便，是丘陵地带甘蔗收割机械的首选[1–3]。扶蔗是整秆式甘蔗收割机工作的第一道工序。扶蔗器需扶起不同倒伏状况的甘蔗，要求对甘蔗的夹持、切割在时间与空间上协调一致，因此扶蔗机构是整机研究中的重点和难点。董振[4]分析甘蔗倒伏的具体情况，提出了一种不等距螺旋扶蔗器的设计方法，建立了物理模型，给出了不等距螺旋线的数学方程。牟向伟[5]对扶蔗器拨指运动轨迹进行研究，得到扶蔗器扶蔗的临界条件，建立拨指链式扶蔗装置不漏扶的数学模型。李尚平[6]以切割器螺旋提升机构为研究对象，螺旋选用摩擦系数大的轮胎胶作为覆盖层时，当切割器转速在750 r/min 左右时，甘蔗的滞留时间较原钢筋螺旋缩短了17%，可以改进切割器流系统堵塞问题。邓劲莲等[7]建立倒伏甘蔗的虚拟模型，获得了甘蔗扶起运动的轨迹、速度、加速度等重要参数。高建民[8]认为，甘蔗与地面之间的约束近似为一扭簧约束，扭转弹性系数为0.33 kN·m/(°)，甘蔗在扶起过程中绕某一个轴转动，据此，建立了甘蔗的三维有限元模型，探讨扶起搅龙与甘蔗的作用过程及其对收获过程的影响。

4ZZX–48型整秆式甘蔗收割机以澳大利亚产B80–130机型为基础，通过田间试验发现，该机适用于直立的甘蔗收割，并不适用中国南方甘蔗产区倒伏甘蔗的收割。为了改善 4ZZX–48型整秆式甘蔗收割机的扶蔗质量，笔者为这款甘蔗收割机设计加装了两段螺旋式扶蔗器，将扶蔗过程分为拣拾段和输送段2个阶段，分析了扶蔗器对甘蔗作用的力学关系，并进行了仿真和扶起性能验证试验，现将结果报道如下。

1 两段螺旋式扶蔗器的结构和工作原理

如图1所示，两段螺旋式扶蔗器由2段螺旋式的滚筒组合而成，并且2段螺旋滚筒的轴线平行并错开。第1段螺旋为拣拾段，作回转运动，随机车直线前进，改变调速阀流量，获得不同的旋转速度。第2段螺旋为输送段，主要是把拣拾起来的甘蔗输送到一定高度，以便夹持，切割。拣拾段、输送段螺旋分别由相同型号的液压马达驱动，液压马达的油路采用串联连接，2段螺旋机构的角度由螺杆螺母调节。

图1 两段螺旋式扶蔗器的结构Fig.1 Structure of sugarcane lifter with two screws

2 螺旋扶蔗器的力学分析

2.1 甘蔗弯曲受力模型

为明确甘蔗弯曲受力状况，建立了甘蔗弯曲受力变形简化模型，如图2所示。视甘蔗为受集中载荷作用下的悬臂梁，OAB为甘蔗，O点为甘蔗根部，A点为扶蔗点，C点为甘蔗重心位置，MZ为甘蔗根部在垂直方向约束力矩，Ln为扶蔗点位置，Lg为甘蔗质心的位置。不考虑甘蔗茎秆之间的相互牵连，提升甘蔗主要受到螺旋扶蔗器水平推力FXJ、垂直提升力FZJ及土壤的约束力矩的共同作用。

图2 甘蔗弯曲受力模型Fig.2 Bending stress model of sugarcane

2.2 扶蔗器对甘蔗的力学方程

2.2.1 螺旋轴向作用力

扶蔗机构采用螺旋牙形，当螺旋滚筒转动时，螺旋形叶片的转动形成螺旋线，带动倒伏的甘蔗沿着螺旋线作上升运动，实现动力的传送。叶片轴向作用力为Fp。

式中：Mn为螺旋扶蔗转矩；r1为拣拾段扶蔗器半径；n为扶蔗器转速；P为扶蔗器功率。

2.2.2 扶蔗器对甘蔗的提升合力和水平合力

对甘蔗与扶蔗器组成的系统，建立螺旋力学模型，如图3所示。以垂直于滚筒面的方向为Z轴，垂直于叶片方向为X轴，建立笛卡尔坐标系XOZ。

图3 扶蔗器力学模型Fig.3 Mechanical model of sugarcane lifter

甘蔗被扶升过程中，绕地面生长点为基点旋转，扶蔗器对甘蔗作用力为提升合力FZ和水平合力FX。

式中：fN为滑动摩擦力；μ为滚筒的摩擦系数；δn为拣拾段安装角。

扶蔗器随机车直线前进，作回转运动，主要作用是把杂乱的甘蔗分开，拣拾倒伏的甘蔗，扶蔗器对甘蔗水平合力为FX。

甘蔗在从顺倒伏到逆倒伏扶起过程中，螺旋叶片的作用明显，且满足 FX＞0，因此螺旋扶蔗器满足力学条件：

3 扶蔗器力学仿真试验

根据力学分析结果，选取扶蔗器转速100～150 r/min，机车前进速度0.21～0.50 m/s，拣拾段安装角为 0～15°，输送段安装角为 50～90°，模拟扶蔗器的运动过程，在Pro/E中创建扶蔗器的样机模型，如图 4所示。把模型导入 Adams–view2013，在仿真过程中创建驱动、约束力矩，建立固定副、平移副、旋转副、球副以及约束力矩等约束。

图4 扶蔗器虚拟样机模型Fig.4 Virtual prototype model of sugarcane lifter

甘蔗长度取3 m，质量为2.5 kg，据文献[9–10]，弹性模量为1 173 N/mm2，泊松比为0.33，抗剪切模量为300 N/mm2，密度为0.000 438。甘蔗的倒伏仰角为10°，侧向角为45～135°顺倒伏，扶蔗器输送段与地面夹角为60°，转速为60～150 r/min，机车前进速度为0.21 m/s，滚筒直径为150 mm，螺距为160 mm，滚筒长度为1 800 mm。扶蔗点距离为300 mm，甘蔗根部水平约束力矩为35.3 N·m，垂直约束力矩为52.3 N·m。输入设计载荷，进行甘蔗力学仿真试验分析，结果如图5、图6所示。

图5 扶蔗器对甘蔗的水平合力Fig.5 Horizontal combining ability of lifter to sugarcane

甘蔗与扶蔗器拣拾段开始接触时，由于甘蔗受约束力矩作用，甘蔗受力比较大，FX在0.2 s有突变。扶蔗器水平推力在0.8 s时达到最大值。至2.2 s时，FX在输送段和拣拾段交接处有变化，FX在拣拾段为正方向，即 FX≥0。在输送段中，叶片轴向推力方向发生变化，FX基本为负方向，即FX≤0，力的大小没有明显突变，甘蔗没有出现跌落，完成顺倒伏的扶起过程。

图6 扶蔗器对甘蔗的提升合力Fig.6 Enhance force of lifer on sugarcane

FZ在0.2 s有突变，扶蔗器提升力在0.8 s时达到最大值，至2.2 s时，FZ在输送段和拣拾段交接处没有变化，FZ在拣拾段为正方向，即 FZ≥0。在输送段中，力的大小没有明显突变，且FZ≥0，甘蔗根部约束力矩影响不大，甘蔗没有出现跌落现象。

4 螺旋扶蔗器扶起性能试验

试验机车由南方农业机械与装备关键技术重点实验室研制开发。甘蔗品种为粤糖128号，取自广东省湛江地区甘蔗基地。

扶蔗器拣拾段通过螺杆和螺母调节，调节范围为0～15°，扶蔗器转速为90 r/min，机车前进速度为0.21 m/s。每组安装角分别对5种倒伏状态的甘蔗重复做5次试验，取平均值。结果(表1)表明，扶蔗器拣拾段的安装角为5°和10°时，对甘蔗扶起时间的影响基本一致。甘蔗侧向倒伏角为90°、120°、135°逆倒伏状况，扶起时间约为6 s，顺倒伏为45°、60°状况下，扶起时间约8 s。扶蔗器拣拾段的安装角为5°时，跌落次数最少，扶起时间最短，扶起效果最好。用Excel软件对试验数据进行统计分析，扶蔗器拣拾段的安装角n与扶起时间 T呈二次曲线关系，T=0.276 4–2.169 2δn+9.992 4，R2=0.851 8。

表1 不同拣拾段安装角下扶蔗器对甘蔗的扶起时间Table 1 The d ifferent p icking p eriod of in stallation angle o f sugarcane lifter for sugarcane lifting time

两段螺旋式甘蔗扶蔗器对倒伏角为 45～165°的甘蔗，扶起效果明显。扶蔗器拣拾段安装角小于5°，难以扶起甘蔗，安装角大于 15°时，甘蔗跌落现象明显，当扶蔗器拣拾段转速为90 r/min，安装角为5°时，转速较慢，根部常常被拔起，甘蔗根部受力大，分蔗效果好，从顺倒伏到逆倒伏扶起过程，螺旋叶片轴向推力作用显著，在0.8 s时力有突变且达到最大值。扶蔗器输送段转速过慢，叶片阻碍甘蔗上升，当转速为120 r/min，螺旋叶片轴向推力转换为提升力，甘蔗约束力矩减弱，所需提升力小，无突变，平稳扶起甘蔗，与力学分析和仿真试验结果一致。

5 结论

甘蔗收获过程中，在拣拾段，甘蔗根部约束力矩最大，螺旋叶片的轴向推力作用显著，在 0.8 s时力有突变且达到最大值，能实现顺倒伏 45～135°扶起过程。

在输送段，螺旋叶片对甘蔗向上提升输送，螺旋叶片轴向推力转换为提升力，甘蔗约束力矩减弱，所需提升力小，无突变，平稳扶起甘蔗。

当扶蔗器拣拾段转速为90 r/min，安装角为5°时，分蔗效果好，扶起时间最短，扶蔗器输送段转速过慢，叶片阻碍甘蔗上升，当转速为120 r/min，对甘蔗的扶起效果最好。

[1] 胡金冰，王俊，胡莹．虚拟样机仿真的甘蔗扶蔗器参数优化[J]．浙江大学学报，2014，40(1)：111–118．

[2] 李俚，夏鹏，周晓蓉．整秆式甘蔗收获机械收获效果试验研究与分析[J]．农机化研究，2014(3)：174–179．

[3] 唐大芳，翁绍捷，林茂．小型整秆式甘蔗收割机拨蔗机构仿真试验研究[J]．农机化研究，2017(2)：148–152．

[4] 董振，蒙艳玫，李永敏．不等螺距螺旋扶蔗器的设计[J]．农机化研究，2010(12)：80–84．

[5] 牟向伟，区颖刚，张杨．拨指链式扶蔗器试验[J]．农业机械学报，2009，40(8)：49–53．

[6] 李尚平，邓雄，叶才福，等．甘蔗切割器螺旋提升机构输送性能分析与改进[J]．农业工程学报，2016，32(5)：21–28．

[7] 邓劲莲，李尚平，杨家强．倒伏甘蔗扶起过程的动态仿真分析[J]．机械设计与制造，2003(2)：26–28．

[8] 高建民，区颖刚．甘蔗扶蔗器的理论研究及虚拟样机仿真[J]．农业工程学报，2004，20(3)：1–5．

[9] 刘庆庭，区颖刚，卿上乐，等．甘蔗收割机单圆盘根切器虚拟样机研究[J]．农业机械学报，2007，38(8)：78–81．

[10] 宋春华，区颖刚，刘庆庭．螺旋机构与甘蔗的摩擦对甘蔗扶起效果的影响[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2012，38(3)：330–332．

责任编辑：罗慧敏

英文编辑：吴志立

Mechanical analysis and experimental study for spiral sugarcane lifter

SONG Chunhua
(School of Mechanical and Electrical Engineering, Guangdong Communication Polytechnic, Guangzhou 510800, China)

In order to improve the sugarcane quality for the whole stalk of 4ZZX–48 type sugarcane harvester, a spiral sugarcane lifter was designed and installed. It was composed of a picking up unit and a conveying unit. When the spiral drum rotated, the spiral blade rotated to form a spiral line, driving the lodging sugarcane along the spiral line to upward movement. The mechanical simulation results showed that the maximum restraint moment was from the root of sugar cane and the axial thrust of screw blade was increased and reached the maximum at 0.8 s during the picking period of sugarcane. The performance test results indicated that when the sugarcane lifter picked up speed is 90 r/min, the installation angle is 5 degrees, the performance is best for cane dividing with the shortest time of lifting up. During the conveying unit, spiral blade axial thrust into the lifting force to decrease the restriction moment of sugarcane without mutation and lift up smoothly. If conveying speed is too slow, spiral blade could hinder sugarcane rising. When the conveying speed is 120 r/min, the best performance of lifting was obtained for sugarcane.

sugarcane harvester; sugarcane lifter; spiral blade; axial thrust force

S225.5+3

A

1007-1032(2017)04-0460-04

2017–04–26

2017–06–25

国家“星火计划”项目(2015GA780025)；广东省科技计划公益研究项目(2015A020209010)

宋春华(1967—)，男，辽宁锦州人，博士，副教授，主要从事机械设计与制造研究，calvin330@126.com