两段圆锥式螺旋扶蔗机构的设计与仿真分析

宋春华，区颖刚

(1.广东交通职业技术学院，广州 510800；2.华南农业大学 工程学院，广州 510642)

0 引言

我国南方甘蔗大多种植在丘陵、坡地，甘蔗倒伏情况严重，在甘蔗收割时必须考虑甘蔗扶起的问题，扶蔗机构主要包括拨指链式和螺旋式[1-3]。

国内学者对扶蔗机构设计进行了广泛的研究：周敬辉等[4]对螺旋扶蔗器安装倾角和转速与倒伏甘蔗扶起效果间的关系进行了仿真试验和物理样机对比试验；邓劲莲等[5]对甘蔗收获机的扶蔗机构进行概念设计，采用构思一设计法(Beitz)构建部件的功能原理解和设计过程模型，并对原理解进行功能分解；牟向伟等[6]对影响拨指链式扶蔗器扶起后倒伏角的设计参数：前进速度、下链轮转速、扶蔗器导轨倾角和扶蔗器导轨偏角进行了室内试验；高建民等[7]根据田间生长的甘蔗实际状况和固有的力学性能，用系统动力学的观点，探讨了扶蔗器与甘蔗的作用过程以及其对收获过程的影响；唐大芳等[8]以机器前进速度、旋转轴转速、拨杆数目为因素，分析该拨蔗机构的拨蔗完整率，并对仿真结果的数学模型进行优化分析；胡金冰等[9]以扶蔗器转速、螺距、前进速度为影响因子，以扶起高度作为评价指标，对扶蔗器扶蔗过程进行虚拟试验，寻找最优参数组合；董振等[10]针对倒伏甘蔗容易从扶蔗器尾部滑脱的问题，提出了一种螺旋扶蔗器的设计方案，并给出了不等距螺旋线的数学方程；李尚平等[11]为改善甘蔗收割机物流系统的堵塞问题，螺旋选用摩擦因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%，面宽为20mm的螺旋与原圆柱型螺旋相比，甘蔗滞留时间缩短了32%。以上研究对甘蔗收割机的发展起到积极作用，但针对扶蔗器的结构参数研究不多，从运动学及力学方面分析数据更少。为此，设计了两段圆锥式螺旋扶蔗机构虚拟样机，分析了扶蔗器具体结构参数对扶蔗器的工作性能影响，探讨了扶蔗器运动参数与结构参数的交互作用对甘蔗的扶起效果，为甘蔗收割机设计提供依据。

1 扶蔗器虚拟样机模型

针对不同倒伏状态甘蔗，设计了一种两段圆锥式螺旋扶蔗器虚拟样机模型，小段为拣拾段，大段为输送段，如图1所示。

图1 圆锥式螺旋扶蔗器虚拟样机模型

使用SolidWorks2012画图软件，建立三维模型，该模型副本保存，类型为Parasolid格式，扩展名为(*.x-t)，导入View Adams2016，拣拾段总长度为800mm，直径为150mm；输送段圆锥角度为6°，输送段总长度为1 600mm，圆锥长度1 500mm，小圆直径为200mm。

甘蔗在扶起过程中，依据甘蔗与地面之间的约束关系创建扭矩弹簧阻尼器，依据甘蔗与扶蔗机构接触点创建接触面约束。

2 扶蔗器运动学模型

坐标原点O是甘蔗的根部，OA为顺倒的甘蔗，X轴沿地面指向机车前进方向，Z轴垂直地面向上，Y轴与XOZ平面垂直，使用笛卡尔儿坐标系，建立扶蔗器运动学模型，如图2所示。

图2 运动学模型

甘蔗与输送段滚筒的接触点为一动点，该点的位移方程为

(1)

其中，rm为滚筒的半径；ω为角速度；vn为机车的前进速度；δm为输送段安装角；φ为叶片倾角。

螺旋滚筒自转，半径不同，线速度不同，且随机车直线前进，滚筒与甘蔗接触点的速度方程为

(2)

根据坐标系分析，当vx<0时，甘蔗才能被拣拾，扶蔗器的运动参数与结构参数交互作用，必须满足的运动条件为

(3)

3 虚拟仿真试验

通过公式分析，选取扶蔗器的安装角度、螺旋倾角、螺距为试验因素，进行甘蔗运动及力学分析。其中，扶蔗器转速范围为100～150r/min，机车前进速度为0.21～0.50m/s。

3.1 安装角度对甘蔗运动学分析

输送段安装角取30°～90°范围，进行甘蔗运动学仿真试验。甘蔗扶起过程是一个三维空间的运动，甘蔗重心在X、Y、Z3个方向的位移H、速度V变化。图3～图8所示为安装角度60°情况下位移及速度曲线图。

图3 甘蔗重心HX的位移图

图5 甘蔗重心HZ的位移图

从图3中可以看出：甘蔗与机车前进方向X相对运动，在0～2.3s位移是拣拾段传送，直线下降比较陡；在2.5～5s是输送段扶升，直线下降比较缓，移动的位移量小。由图4中得出：甘蔗在0～5s内，Y方向位移一直减少。由图5中得出：甘蔗在垂直方向Z位移变化，从0～5s一直上升，在2.5s瞬间有轻微变化，是拣拾段与输送段过渡处甘蔗向下滑落，整体扶升过程稳定。

图6 甘蔗重心VX的速度图

图7 甘蔗重心VY的速度图

图8 甘蔗重心VZ的速度图

由图6～图8得出：在0.5s甘蔗与拾取段接触，VX沿X轴负方向跳动，VY正方向跳动，随后沿Y轴正方向，VZ沿Z正方向跳动，2.3s时刻，甘蔗开始与输送段接触，VX、VY、VZ小幅波动，3.0s后趋于稳定，4.1s左右甘蔗到达最高点。

安装角在30°～60°时，甘蔗无跌落现象，安装角为30°、45°、50°、55°、60°，甘蔗达到最高点时间分别为4.8、4.4、4.3、4.2、4.1s；安装角为65°时，甘蔗有1次跌落现象；安装角为70°时，甘蔗有2次跌落现象；安装角在75°时甘蔗有3次跌落现象；输送段安装角在90°时，甘蔗与输送段接触时直接弹离输送段。

甘蔗不跌落情况下安装角选取范围为30°～60°。输送段安装角为60°情况下，甘蔗扶起到最高点所花的时间最短，且60°时各曲线图最平稳，甘蔗被扶起效果最佳。

3.2 螺旋倾角对甘蔗力学分析

甘蔗沿着螺旋倾角方向扶起，叶片对甘蔗施加作用力，主要是在X方向，为轴向输送力。螺旋倾角取30°～90°范围，进行甘蔗力学仿真试验，如图9～图11所示。

图9 螺旋倾角30°时FX力学图

图10螺旋倾角45°时FX力学图

图11 螺旋倾角60°时FX力学图

从图9中可以看出：螺旋倾角为30°时，在0.6s时力有突变，在1.2s和4.4s时力有变化，甘蔗受力曲线图基本平稳，有1次跌落现象。

从图10中可以看出：螺旋倾角为45°时，甘蔗在输送段中均匀受到螺旋叶片的作用，受力曲线平稳，无跌落现象。

从图11中可以看出：螺旋倾角为60°时，第2.6s甘蔗与输送段接触，沿螺旋叶片向上输送，力曲线图跳动，曲线图整体有波动。

其他情况：螺旋倾角为75°时，第2.3s左右甘蔗与输送段接触，随后沿螺旋叶片向上输送，力曲线图跳动，输送段螺旋叶片对力影响较大；螺旋倾角为90°时，2.9s和3.8s时受输送段螺旋叶片的作用，力曲线图跳动幅度较大。

螺旋倾角为45°时，在输送段过程中甘蔗无跌落现象，叶片作用力最为稳定。

3.3 螺距对甘蔗力学分析

甘蔗被扶起的过程中，螺距影响对甘蔗的作用，螺距太小，叶片阻碍甘蔗上升，螺距太大，容易跌落。螺距取210～330mm范围，叶片对甘蔗施加轴向输送力，作用力方向在X轴，进行甘蔗力学仿真试验，如图12～图14所示。

图12 螺距210mm时FX力学图

图13 螺距285mm时FX力学图

图14 螺距330mm时FX力学图

从图12中得出：螺距为210mm时，甘蔗力曲线图波动较大，2.3s左右，甘蔗与输送段作用力在X轴正向有突变，叶片阻碍甘蔗上升，有轻微滑落。

从图13中得出：螺距为285mm时，甘蔗与输送段作用力在X轴负向，力曲线图最平稳，无跌落现象。仿真可知：4.1s左右甘蔗到达最高点。

从图14中得出：螺距为330mm时，力曲线相对平稳，3.6s甘蔗与输送段作用时有滑落现象。仿真可知：4.4s甘蔗到达最高点。

螺距在210～240mm甘蔗有跌落，作用力在X轴正向，叶片阻碍甘蔗上升。螺距为295mm以上时，叶片作用影响力减弱，滚筒起主要作用，出现两次跌落现象以上。根据甘蔗的跌落现象、螺旋叶片影响，螺距有效范围为270～290mm，螺距为285mm时，受力情况以及扶起变化最稳定，扶起效果最好。

3.4 扶起的运动条件分析

根据公式，分析扶蔗器运动参数与结构参数的关联，优化设计，取输送段安装角为60°，螺旋倾角为45°，甘蔗不跌落满足的运动条件为

4 高速摄影试验验证

通过对甘蔗扶起过程运动学及力学分析，得到了甘蔗能够被扶起的条件，设计了试验装置，并进行高速摄影试验，验证了理论及仿真的准确性。试验机车采用华南农业大学工程学院土壤机器系统实验室设备,两段螺旋滚筒轴线平行，分别由相同型号的液压马达驱动，油路连接是串联的，从而使两段螺旋机构能达到相同的转速，螺旋式扶蔗器的转动由液压站提供动力，如图15所示。高速摄影设备采用美国Southern Vision Systems. Inc生产的 Giga View摄像机， 型号为GVCC08-B06，试验采用碘钨灯照明， 记录速度为250fr/s。试验观察扶蔗器对甘蔗作用的运动情况，如图16所示。

图15 扶起试验装置

图16 高速摄影甘蔗扶起运动

拣拾段主要是滚筒的支撑力把甘蔗提升起来，叶片的作用力把甘蔗水平传递，传送过程平稳；输送段在机车前进时，依靠滚筒的摩擦力上升，并且螺旋叶片对甘蔗作用，以免下滑、跌落。扶蔗器运动参数与结构参数的交互作用对扶起影响较大，机车前进速度过快，螺距小，安装角大，甘蔗被扶升到输送段时，上层螺旋叶片会阻碍其扶升；扶蔗器转速过快，螺旋倾角大， 则会导致扶蔗器对甘蔗严重碰撞， 出现跌落现象。当螺旋倾角为45°、螺距为270～290mm、输送段安装角为30°～60°，甘蔗扶起有效，高速摄影与仿真试验运动过程一致。

5 结论

1)输送段安装角为30°～60°范围内，甘蔗不跌落，其中输送段安装角为60°，甘蔗扶起到最高点为4.1s，时间最短，效率最高。

2)螺旋角为45°时，甘蔗均匀受到螺旋叶片的作用，受力曲线平稳，无跌落现象。

3)螺距有效范围为270～290mm，当螺距为285mm时，受力情况及扶起变化最稳定，扶起效果最好。