甘蔗叶鞘剥离过程弹性齿运动分析与试验

通过对弹性齿运动状态的分析阐述了弹性齿在叶鞘撕裂和剥离过程中的作用机理,采用ADAMS软件对弹性齿与甘蔗茎秆的接触过程进行仿真分析,确定剥叶滚筒中心距及弹性齿与甘蔗茎秆之间的相对速度变化对叶鞘撕裂和剥离产生的影响。利用物理样机进行剥叶滚筒中心距单因素试验和剥叶滚筒转速单因素试验对运动分析结果进行验证,并通过高速摄影对仿真的结果进行验证。结果表明,剥叶滚筒中心距为310 mm,弹性齿与甘蔗茎秆接触时刻,y轴方向的线速度差为3.91~5.87 m/s时,弹性齿可沿茎秆表面向下滑动,有利于叶鞘沿着纤维方向撕裂,x轴方向的线速度差为4.61~7.54 m/s时,弹性齿在甘蔗轴线方向可以持续滑动,有利于对叶鞘造成刮擦脱离,综合剥叶效果为含杂率低于7%、茎秆折断率低于15%。弹性齿与茎秆分离时刻,由于弹性恢复产生线速度突变,相对速度差增大4~5倍,有利于将叶鞘从茎秆上撕扯脱落。     

甘蔗整秆剥叶关键技术与剥叶机理研究

甘蔗是我国主要的糖料作物,目前我国甘蔗机械化收获技术水平较低导致蔗糖生产成本较高;而剥叶关键技术研究是甘蔗机械化收获技术发展的关键环节之一。针对上述问题,分析了国内外关于甘蔗整秆剥叶关键技术与剥叶机理的研究现状,指出叶鞘剥离机理是甘蔗整秆剥叶关键技术研究的重点内容。同时,提出了3个拟解决的关键科学问题：①叶鞘的基本破坏强度和破坏形式以及叶鞘剥离机理;②剥叶元件对叶鞘的破坏作用机理及其运动状态方程与动力学模型;③基于叶鞘剥离机理理论的甘蔗整秆剥叶关键技术。     

弹性齿对甘蔗茎秆的动态打击力与叶鞘剥离机理研究

为研究弹性齿式剥叶元件的叶鞘剥离机理,进行了弹性齿对甘蔗茎秆的动态打击力试验。设计专用试验台固定甘蔗茎秆的两端,并在固定组件的3个方向安装单向压电型冲击力传感器,剥叶滚筒带动弹性齿在茎秆中部施加打击力,传感器测得纵向、横向和切向动态打击力并得出最大值Fxmax、Fymax和Fzmax。对剥叶滚筒转速、弹性齿与甘蔗茎秆交错深度、侧偏距离和弹性齿材料等4个变量进行单因素试验。分析各因素对打击力的影响规律,得出在样机剥叶试验的最优参数组合下三向动态打击力的最大值。结合叶鞘材料力学特性和剥离准则模型,推导叶鞘的最大破坏力公式,建立叶鞘剥离的力学模型。结果表明,滚筒转速达到700 r/min、交错深度为30 mm、侧偏距离为20 mm、弹性齿材料为聚氨酯(85 HA)时,弹性齿在x和y方向最大打击力Fxmax、Fymax分别为93.87 N和138.26 N,同时大于叶鞘在相应方向的最大破坏力76.40 N和53.53 N,实现叶鞘剥离。     

整秆式甘蔗收获机内物流排杂高速摄影分析

为了研究整秆式甘蔗收获机内物流排杂运动机理,研制了甘蔗收获机内物流排杂试验台,并利用高速摄像机拍摄了甘蔗与蔗叶在物流通道内的运动全过程,并对图像进行分析。结果表明,甘蔗在物流运动过程中发生弹跳、扭转和弯曲变形,在剥叶运动过程中发生断尾,并且通过排杂装置将蔗叶与甘蔗分离后排出。通过建立甘蔗收获机内各部件元件与甘蔗、蔗叶的简化力学模型,结合甘蔗和蔗叶的力学特性分析了甘蔗和蔗叶在物流通道内的运动机理。甘蔗在物流运动中主要受到的作用力为各部件对甘蔗的轴向力、垂直于甘蔗运动方向的切向力和摩擦力。     

弹性齿滚筒式甘蔗剥叶装置

为了解决整秆式甘蔗收获机剥叶过程由于多根喂入和带尾部剥叶造成含杂率和折断率高的问题,设计了弹性齿滚筒式甘蔗剥叶装置,阐述了喂入、输出滚筒和剥叶滚筒的结构和剥叶原理,确定了主要部件的结构参数。通过四因素三水平正交试验研究剥叶元件弹性齿角度、剥叶滚筒中心距、剥叶滚筒转速和喂入、输出滚筒转速等4个因素对含杂率、茎秆折断率和断尾率的影响和最优参数组合,在此基础上进行综合剥叶试验。结果表明,最优参数组合为：剥叶元件弹性齿角度90°、剥叶滚筒中心距310 mm、剥叶滚筒转速700 r/min和喂入、输出滚筒转速150 r/min。甘蔗单根连续喂入319.19 kg,含杂率为1.56%、茎秆折断率为20.45%、断尾率为65.97%;3~5根连续喂入274.52 kg,相应的剥叶指标依次为2.38%、25.93%和75.59%。     

甘蔗茎秆-蔗叶系统有限元建模方法研究

针对目前甘蔗剥叶仿真研究缺少甘蔗茎秆-蔗叶系统仿真模型及甘蔗倒伏机理研究匮乏等问题,根据甘蔗实际的几何参数,采用PRO/E软件建立了甘蔗的三维模型,将其导入ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件。同时,根据测定及反求的材料参数,定义了甘蔗的材料模型,并对模型进行了网格划分,得到甘蔗茎秆-蔗叶有限元仿真模型。结果表明:该模型可用于后续的甘蔗剥叶和倒伏动力学仿真研究。     

光刃刀片切割甘蔗茎秆破坏过程高速摄像分析

在自制的单圆盘根切器试验台上,利用高速摄像机拍摄了甘蔗茎秆在光刃刀片切割时的破坏过程。分别对一刀切割和两刀切割模式下,发生根茬"无破损"、"蔗皮破损"、"劈裂破损"和"爆裂破损"的破坏过程进行了研究,分析了切割速度和切割方式对各种破坏模式的影响。结果表明:切割过程中甘蔗茎秆的破坏主要表现为在切割过程后期造成的蔗皮、蔗芯撕裂或劈裂;两刀切割时,甘蔗茎秆在被第1刀切割过程中发生扭转变形,甘蔗上段蔗皮、蔗芯撕裂严重,而根茬部分的破损较一刀切割时轻微;在本文试验条件下,采用光刃刀片切割时,刀片线速度应大于22m/s,以满足收割机对根茬切割质量的要求。     

整秆式甘蔗收获机蔗叶分离机构设计与试验

为了进一步降低整秆式甘蔗收获机的含杂率,满足糖厂对机械化收割甘蔗的含杂率要求,结合甘蔗在蔗叶分离过程中的受力分析,对甘蔗起主要支撑作用的剥叶辊、输出辊及除杂辊进行布局安装,避开了蔗叶分布范围,以利于实现较高的除杂率。通过在试验平台上进行的正交试验研究,得出了该蔗叶分离机构的较优参数组合:刷片形状为20mm梳齿型,除杂辊与甘蔗交错深度0mm,除杂辊转速140 r/min。试验结果表明:此蔗叶分离机构具有较好的蔗叶分离效果,从而验证了蔗叶分离机构的可行性。     

甘蔗剥叶元件工作过程受力的动态仿真分析

剥叶元件是甘蔗剥叶机构的核心元件,其工作质量直接影响着甘蔗剥叶的效率和质量。为此,用虚拟仿真的方法分析了小型甘蔗剥叶机剥叶元件工作过程中的受力情况;建立了一个与剥叶元件动力学等价的ADAMS仿真模型,通过计算机动态仿真实际甘蔗剥叶机的运行,获取仿真模型的动力学特性曲线,为剥叶元件的优化设计提供基础和依据。     

新型小型甘蔗剥叶机剥叶机构设计与优化

剥叶元件在剥叶过程中受到周期性动载荷的作用,具有极大的复杂性和随机性。针对一种使用新型剥叶元件的小型甘蔗剥叶机为研究对象,在ADAMS中建立一个与剥叶机构动力学等价的仿真模型,用虚拟仿真的方法分析剥叶元件在不同螺旋角装夹下的工作受力情况,获得仿真模型的动力特性曲线。经分析后进行实验验证并找到最优值,为小型甘蔗剥叶机的研制提供依据。     

甘蔗茎秆切割力的计算

利用弹性理论,采用双梁模型对甘蔗茎秆材料的切割进行了理论建模,并得出了蔗材切割力的理论计算公式。以单向复合材料为甘蔗茎秆的材料模型,分析了影响切割力的因素,建立了甘蔗材料单位切割力的经验公式。通过对甘蔗切割力试验数据的分析,得出本文试验条件下的甘蔗茎秆切割力经验公式,并通过试验对该经验公式进行了验证。     

油菜钵苗钵体的力学特性

针对油菜钵苗移栽过程中钵体受损影响钵苗成活率的问题，研究油菜钵苗钵体在顶苗夹具作用下的运动及力学特性，探究在不同含水率下钵体顶出力、脱离位移和承压力之间的变化规律，为油菜移栽机顶苗取苗机构参数设计提供依据。结果表明:钵体顶出力随钵体含水率的提高而增大；当钵体含水率由20.44%提高至31.02%时，脱离位移的范围由3.04~4.23 mm增长至5.02~5.44 mm，钵体承压力由5.61 N增长至7.90 N；当钵体含水率由31.02%提高至40.84%时，脱离位移的范围基本不变，钵体承压力由7.90 N减少至4.83 N。即钵体承压力随含水率的提高先增大后减少，呈非线性变化，且在相同含水率下，钵体的承压力基本不变；综合得出钵体含水率在30%左右时，有利于油菜钵苗被顶出，且钵体受损较小。      

玉米秸秆取样条件对其弹性模量的影响研究

弹性模量是研究玉米秸秆机械特性的关键指标之一。本文利用二次正交旋转组合试验设计方案,通过秸秆样品三点弯曲试验研究了含水率、叶鞘位置和取样位置3个玉米秸秆取样因素对玉米秸秆弹性模量的影响。试验表明,各因素的一次项中,只有含水率对玉米秸秆弹性模量的影响极显著;然而3个取样因素的二次项对玉米秸秆弹性模量的影响均显著;此外,含水率和叶鞘位置的交互作用,以及含水率和取样位置的交互作用,对玉米秸秆弹性模量的影响均为极显著。这一结果说明,玉米秸秆弹性模量随取样位置和叶鞘位置的不同而变化的规律,还会受到含水率的交互影响。这些因素对弹性模量的影响很可能是由于玉米秸秆的内部组织结构的不均匀性所导致的。      

棉秆起拔力关键因素的研究及试验

棉秆起拔力是设计棉秆拔秆收获机械的一个重要指标参数。为了研究收获期的棉秆高度、棉秆直径、土壤含水率、土壤坚实度等因素对棉秆起拔力的影响,在新疆农垦科学院的试验田进行了棉秆起拔力的测试试验,采集了其中5块试验田棉秆起拔力、棉秆直径、土壤坚实度、土壤含水率和棉秆高度的数据。试验结果表明:在已测得5块试验田的数据中,第3组棉秆起拔力最大,单株棉秆最大起拔力为821.1 N,平均起拔力为534.49N;第2块试验田的棉秆起拔力最小,单株棉秆最大起拔力为7 2 6.1 N,棉秆平均起拔力为473.62 N。对已获取的5块试验田数据做的回归分析表明:同一块试验田的棉秆起拔力与棉秆直径成正相关关系;土壤含水率越高,起拔力越小;土壤紧实度越大,起拔力越大;棉秆高度与棉秆直径成正比。     

棉秆力学性能试验

以创新棉958棉秆为试验材料,在万能试验机上对收割期的棉秆进行剪切、压缩、弯曲力学性能试验。试验结果表明：试样的含水率在30%～50%时,棉秆底部和中部的抗压强度、剪切强度较小,分别为1.66～3.13MPa、0.74～1.12MPa;试样的抗弯强度随含水率的升高而降低,试样底部弯曲强度为4.20～5.08MPa。在剪切、压缩、弯曲试验中,试样底部消耗的功分别为2.98～4.32N·m、2.91～4.34N·m、1.51～4.18N·m。     

不同含水率对油莎豆物理特性及力学特性的影响

为探究不同含水率条件下油莎豆的物理特性及力学特性,减少油莎豆在收获、干燥、清洗等过程中受到挤压摩擦而产生的机械损伤,开展5种含水率(20％,25％,30％,35％,40％)水平下油莎豆的主要物理特性及力学特性试验.试验结果表明,含水率在20％～40％范围内,随着含水率的升高,油莎豆平均几何粒径显著增加;滚动摩擦系数呈线...     

玉米收获机低损变径脱粒滚筒设计与试验

针对华北地区玉米收获时籽粒含水率较高、籽粒直收破碎率较高的问题,设计了一种变径脱粒滚筒。滚筒前端直径渐变增大直至与脱粒分离段等径,通过提高滚筒变径段果穗容纳能力,增强果穗之间柔性接触,有效“松散”籽粒之间及籽粒-芯轴之间作用力,使果穗更易于脱粒,从而实现籽粒与芯轴的快速分离,有效提高了脱粒速度,降低了籽粒破碎率。对果穗与脱粒元件受力进行分析,研究变径段锥度对果穗受力的影响。基于动力学仿真试验,分析了果穗与脱粒元件之间的接触力以及果穗-果穗和果穗-脱粒装置之间的接触频次,结果表明,变径滚筒提高了果穗之间的接触频次,降低了脱粒元件与果穗的直接接触,即变径滚筒中果穗之间接触揉搓作用更强。以滚筒转速、凹板间隙及籽粒含水率为试验因素进行了三因素四水平正交试验,确定最优组合为籽粒含水率26%、滚筒转速350 r/min、凹板间隙50 mm,此时籽粒破碎率为4.13%、籽粒未脱净率为0.34%。在籽粒含水率为27%时与等径滚筒进行了对比脱粒试验,按籽粒的完整性将破损籽粒分为全碎籽粒、裂纹籽粒、破皮籽粒及顶部破碎籽粒,结果表明,变径滚筒的籽粒总破碎率为4.64%,比等径滚筒的总破碎率降低19.16%,破损籽粒中全碎籽粒、裂纹籽粒及破碎籽粒所占比例均明显降低;变径滚筒未脱净率为0.42%,比等径滚筒的未脱净率降低51.72%,证明变径滚筒能够有效降低籽粒破碎率及未脱净率。     

马铃薯收获机薯秧分离装置设计与试验

针对北方粘重土壤条件下马铃薯收获过程中薯秧分离效果不佳的问题,设计了一种在不杀秧情况下既适用于大型联合收获机也适用于分段式马铃薯收获机的薯秧分离装置。通过对该装置升运过程中薯秧的运动学分析和分离过程中的力学分析,建立了一种弹性力学模型,确定了影响薯秧分离效果的主要因素,得到影响薯秧分离性能的摘秧辊转速范围和摘秧辊与一级升运分离筛主驱动辊距离范围等工作参数。以摘秧辊转速、一级升运分离筛主驱动辊线速度、摘秧辊与一级升运分离筛主驱动辊距离为试验因素,以含杂率为试验指标,在未进行杀秧作业的条件下进行田间试验,试验结果表明:当摘秧辊与一级升运分离筛主驱动辊距离为2. 5 mm、摘秧辊转速为9. 0 r/s、一级升运分离筛主驱动辊线速度为1. 6 m/s时,含杂率为2. 4%,优于国家行业标准。