小型甘蔗剥叶机的设计方法研究与开发
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剥叶效果的主要是 Y 方向的打击力 ,影响剥叶元件寿命的主要 是剥叶元件根部的应力 ,因此选用 Y 方向的最大打击力和元件 根部的最大应力作为评价指标 ; 影响这两个指标的因素有 : 剥 叶元件的结构参数 (剥叶元件的横截面形状 、截面尺寸 、元件的
长度) ,剥叶元件的装夹方式 (装夹螺旋角 、装夹排数 、前角 、交 错深度) 。对于元件的横截面形状 ,前期大量的研究表明 [3 ,4 ] , 截 面形状对打击力和应力有一定影响 , 但主要影响的是剥叶效 果 ,而菱形剥叶元件易于切入包裹的蔗叶 , 剥叶效果明显好于 别的形状 。要减少应力增大打击力 , 必须增大元件的尺寸 , 而元 件的截面尺寸主要考虑的是满足元件的柔性及其加工性能 , 因 此 ,对两个评价指标这两个因素不列入考虑的范畴 , 评价因素 取元件的长度 、元件装夹的螺旋角 、前角 、装夹排数 、交错深度 。
关键词 :甘蔗剥叶机 ;仿真分析 ;虚拟正交试验 中图分类号 : TP391 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 2354 (2003) 08 - 0022 - 03
甘蔗是我国南方主要的经济作物 ,甘蔗收获的工序主要包 括 :扶蔗 、砍蔗 、断尾 、剥叶和捆扎 ,其中剥叶所占的时间最长 , 劳动强度最大 ,占整个甘蔗收获过程的 65 %。目前 ,在美国 、澳 大利亚等地势平坦的国家 ,甘蔗的收获已经实现了机械化 ,主 要生产和使用的是大型切断式的甘蔗联合收割机 。在我国的 南方 ,甘蔗多种植在丘陵 、坡地 ,适用的机型是小型整杆式联合 收割机 ,也可把收获机械设计成分离的形式 ,先把甘蔗砍下集 中在一起 ,然后用剥叶机脱叶 。对于联合收割机 ,剥叶部分是 收获机械的一个主要部件 ;对于分离式的收获机械 ,剥叶机是 一个独立的机器 。无论是哪种形式 ,剥叶部分都是甘蔗收获的 核心 。然而 ,目前的甘蔗剥叶机存在许多问题[1 ,2 ] ,采用先进的 虚拟样机技术对剥叶机的设计开发进行研究 ,利用计算机仿真 技术 ,设计 、开发剥叶机 ,能够极大地缩短开发周期 ,降低开发 成本 ,提高设计开发的成功率 。
摘要 :阐述了小型甘蔗剥叶机研究开发的基本思路 。剥叶机的设计采用虚拟样机技术并结合试验修正的方法 ,首先 根据剥叶的功能需求 ,分析蔗叶剥离的运动机理 ,初步确定剥叶机的总体方案 ;对剥叶机的核心元件 ———剥叶元件的设 计是一个多因素 、多目标的设计优化问题 ,采用基于正交试验的虚拟分析设计方法 ,并利用大型统计学软件 SPSS 对试验 结果进行回归分析 ,从而快速有效地找出剥叶元件的最佳参数 ;最后经过整机的装配 、仿真分析 ,并经过试验的修正 ,得 到产品级的剥叶机数字化模型 。
(a) (b)
(c) (d) 图 3 剥叶滚筒不同的排列方式及运动仿真分析曲线
3 剥叶元件的设计
剥叶元件是剥叶机的核心 ,它决定了剥叶机主要的工作性 能 ,可以从几个方面进行分析设计 。 3. 1 剥叶元件材料的选择
常用的剥叶元件的材料有钢丝绳 、胶指 。钢丝弹性低 、韧性 低 ,单条钢丝组合的剥叶元件钢丝之间相互依赖性小 , 在高速 摩擦下容易折断 , 通常使用的钢丝绳剥叶元件是直径约为 1 mm 的钢丝 ,数条钢丝集结成束 ,由于钢丝绳之间具有相互依赖 性 ,可增加其使用寿命 。胶指式剥叶元件由橡胶制成 , 常用的胶 指有菱形胶指和矩形胶指 , 胶指以一定的间距排列 , 当装夹剥 叶元件的滚筒高速旋转时 , 胶指因离心力作用而抛开 , 靠柔性 打击力和摩擦力对茎杆的梳擦作用将叶片从茎杆上剥离 。前期
表 1 剥叶机工作速度对剥叶效果及剥叶元件受力的影响
试 验 结 果 最大应力 打击力
速度/ (r/mi n)
( MPa)
( N)
600
16. 89
33. 21
800
17. 01
33. 59
1 000
17. 17
33. 93
1 200
Βιβλιοθήκη Baidu
17. 45
34. 36
3. 3 剥叶元件总体结构的设计
含杂率 ( %) 3. 11 1. 96 1. 12 0. 99
(a) (b) 图 4 剥叶元件总体结构图
3. 4 剥叶元件结构参数及装夹方式的设计
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
1 基于虚拟样机技术的剥叶机设计 开发的体系结构
一个性能良好的甘蔗剥叶机 ,应在不超过允许糖份损失量 和含杂率的前提下发挥最大的剥叶效率 ,且剥叶机具有良好的 寿命 。基于虚拟样机技术的剥叶机的开发采用自顶向下的并 行设计方法 ,根据功能要求 ,从概念设计到详细设计 ,利用计算 机仿真技术反复对设计方案进行分析优化 ,并经过试验修正 , 最终得出产品级的剥叶机数字化样机模型 ,图 1 为基于虚拟样 机技术的剥叶机机械系统设计开发的总体框图 。
第 20 卷第 8 期 2003年8月
机 械 设 计
J OU RNAL OF MACHIN E DESIGN
Vol. 20 No. 8 Aug. 2003
小型甘蔗剥叶机的设计方法研究与开发Ξ
蒙艳玫1 ,李尚平1 ,刘正士2 ,邓劲莲1 ,麻芳兰1 ,王勇1
(1. 广西大学 机械工程学院 ,广西 南宁 530004 ; 2. 合肥工业大学 机械工程学院 ,安徽 合肥 230009)
24
机 械 设 计
第 20 卷第 8 期
剥叶元件的结构参数及剥叶元件的装夹方式对剥叶元件
的受力及剥叶效果均有影响 , 很明显这是一个多因素 、多目标 的设计优化问题 。下面拟采用数值模拟正交试验及回归分析的
方法建立剥叶元件的虚拟设计模型 。
3. 4. 1 正交试验设计及计算 按照正交试验原理 , 首先确定评价指标和因素 。由于影响
2003 年 8 月
蒙艳玫 ,等 :小型甘蔗剥叶机的设计方法研究与开发
23
(a) (b) 图 2 剥叶过程运动学模型 2. 3 剥叶滚筒排列方式的确定 剥叶滚筒排列形式对剥叶机整机作业性能有非常大的影 响 ,当剥叶轮排列不当时 ,会造成剥叶过程甘蔗的折断 , 增加损 失率 。图 3 为两种不同的剥叶轮的排列形式 , 图 3a 为“品”字形 排列 ,图 3b 为“一”字形排列 。当甘蔗在输入轮夹持下以速度 V 向前运动 ,若剥叶轮是品字形排列 , 当蔗茎遇到第一个剥叶轮 时 ,受到旋转的剥叶轮圆周惯性速度的作用 , 甘蔗此时会产生 向下撬曲现象 ;在输入轮的强行喂入下 , 蔗茎继续前进 , 受到第 二个剥叶轮的转向关系向上翘起 , 如此运动情况 , 经过三个剥 叶轮的反复上下波动 , 甘蔗将形成波浪的运动轨迹 , 而甘蔗的 弯曲与波动会影响到剥叶质量 , 也会造成甘蔗的折断 。若剥叶 轮为“一”字形排列 ,甘蔗按照输送与剥叶一对交接一对地向前 运动 ,由于是对称排列 ,其运动轨迹是合理的 , 能够避免上下窜 动现象 ,防止和减少甘蔗在剥叶过程中的折断 、碰皮 、损失 。两 种不同排列方式的甘蔗运动仿真分析曲线如图 3c 、d 所示 ,仿真 结果显示“一”字形排列比“品”字形排列的运动平稳性好 。因 此 ,剥叶轮的排列形式采用图 3b 的形式 。
从试验结果可以看出 ,剥叶机的工作速度对剥叶元件根部 的应力和打击力的影响不大 , 但由于速度提高后 , 剥叶元件打 击甘蔗的次数增多 , 有利于蔗叶的分离 , 所以速度对剥叶效果 影响较大 ,速度提高后 ,剥叶后的甘蔗含杂率明显降低 , 但速度 太高时 ,甘蔗会略有损伤 ,且过高的速度会缩短剥叶元件寿命 。 从实验结果并考虑甘蔗收获机的小型化问题 , 1 000 r/ min 的速 度是较合适的剥叶机工作速度 。
近 40 % ,比胶指材料的剥叶元件延长了近 30 %[3 ] 。所以选择高 分子材料作为剥叶元件是合适的 。
3. 2 剥叶机工作速度的选择 剥叶机的工作速度直接影响到剥叶效果 、剥叶效率及剥叶
元件的寿命 ,表 1 为其他条件不变的情况下 ,改变剥叶机的工作 速度时剥叶元件的受力及剥叶效果的试验数据 [4 ] 。
甘蔗损伤 程度
轻微 轻微 轻微 略有损伤
剥叶元件工作时根部夹持在滚筒上 , 一端固定 , 一端自由 ,
自由端受力而产生弯曲 。剥叶时 , 要求剥叶元件不仅要有一定
的柔性 ,而且要有一定的刚性 ,柔性太大打击力不够 , 则剥叶效
果不好 ,刚性太大 ,则元件易产生断裂 。为了保证具有一定的柔
性 ,又能增加刚性 ,采用多层剥叶元件装夹的方式 。图 4a 为采用
法主要有压缩空气分离法和离心撞击摩擦法 。压缩空气分离 法需要消耗较大的功率 ,适用于大型切断式甘蔗联合收割机 ; 离心撞击摩擦法是通过高速旋转的剥叶元件打击蔗茎 ,将蔗叶 剥离 ,它适用于整杆式小型甘蔗联合收割机和小型甘蔗剥叶 机[2 ] 。因此 ,从小型化的角度出发 ,剥叶机考虑采用排刷式剥 叶元件 ,通过离心式剥叶法清除蔗叶 。
2 剥叶机总体结构的设计
2. 1 剥叶方式的确定 剥叶机要求能适用于不同品种的甘蔗 ,剥叶时 ,要求甘蔗
折断 、损伤要少 ,剥叶后甘蔗的含杂率要低 。目前的机械剥叶
图 1 剥叶机机械系统设计开发的总体结构框图 2. 2 剥叶过程的运动分析
蔗茎在剥叶过程的运动状态 , 对剥叶质量及甘蔗的损伤程 度均有影响 。它主要受输入输出滚筒线速度 、剥叶元件与蔗茎 接触点线速度 、剥叶滚筒 、剥叶元件的装夹排列形式和蔗茎品 种的影响 。图 2 为离心式剥叶法剥叶过程的运动学模型 (为简 便 ,只画一个剥叶滚筒如图 2a 所示) 。在剥叶过程中 , 蔗茎在输 入辊的夹持下以速度 V 向前作直线运动 ,剥叶元件在 A 点开始 打击蔗茎 ,在 B 点脱离 。由于打击力是一空间矢量 ,甘蔗在 A 点 被剥叶元件打击后的速度 V a 也是空间矢量 (如图 2b 所示) , 即 打击力使甘蔗获得向前的加速运动 、铅垂方向的上下运动 、横 向的左右运动及绕蔗茎自身轴线的运动 。而蔗茎上下 、左右的 运动会使甘蔗产生纵向 、横向的弯曲 , 易造成甘蔗的折断 , 所以 蔗茎的运动状态改变将影响蔗茎在剥叶过程中的受力 , 从而影 响剥叶质量及剥叶元件的寿命 。理想的运动状态是在剥叶过程 中 ,蔗茎有良好的直线运动状态 , 具有良好的通过性能和导向 性。
三层装夹方式的结构简图 , 固定板通过螺栓固定在剥叶滚筒
上 ,把三层剥叶元件和挡板插在固定板和活动板之间 , 用螺栓
将剥叶元件 、挡板 、活动板联接在固定板和活动板上 。当剥叶元
件旋转打击蔗茎时 ,后排的剥叶元件从后面支撑前面的剥叶元 件 ,使受力分散且剥叶元件的最外层加上了弹性挡板 , 能起到 缓冲作用 ,从而提高了剥叶元件的承载能力 。考虑到剥叶元件 装夹 、拆卸的方便性 ,剥叶元件的形状设计为片状的形式 , 如图 4b 所示 。
Ξ 收稿日期 :2002 - 08 - 26 ;修订日期 :2003 - 03 - 21 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (59965001) 作者简介 :蒙艳玫 (1963 - ) ,女 ,广西南宁人 ,副教授 ,合肥工业大学博士研究生 ,研究方向 :虚拟设计 、机电一体化技术等 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
大量的研究表明[2 ,3 ] ,钢丝绳剥叶元件由于弹性 、韧性较差 , 打 击甘蔗时 ,容易损伤蔗皮 ,甘蔗折损率高 , 且钢丝绳易产生疲劳 脆断 。胶指材料由于材质较柔软 , 打击甘蔗时 , 甘蔗损伤程度较 低 ,但元件极易磨损 。选用这两种材料作剥叶元件难以解决剥 叶效果和剥叶元件寿命的矛盾 。研究也发现 , 剥叶元件在工作 过程中以疲劳破坏为主 , 其根部极易产生疲劳断裂 , 而高分子 材料材质轻 ,具有较好的强度 、刚度 、韧性 、耐磨性 , 经过处理 后 ,这些性能会变得更好 , 疲劳试验证明 , 在相同的工况下 , 高 分子材料剥叶元件的疲劳寿命比钢丝绳剥叶元件的寿命提高
长度) ,剥叶元件的装夹方式 (装夹螺旋角 、装夹排数 、前角 、交 错深度) 。对于元件的横截面形状 ,前期大量的研究表明 [3 ,4 ] , 截 面形状对打击力和应力有一定影响 , 但主要影响的是剥叶效 果 ,而菱形剥叶元件易于切入包裹的蔗叶 , 剥叶效果明显好于 别的形状 。要减少应力增大打击力 , 必须增大元件的尺寸 , 而元 件的截面尺寸主要考虑的是满足元件的柔性及其加工性能 , 因 此 ,对两个评价指标这两个因素不列入考虑的范畴 , 评价因素 取元件的长度 、元件装夹的螺旋角 、前角 、装夹排数 、交错深度 。
关键词 :甘蔗剥叶机 ;仿真分析 ;虚拟正交试验 中图分类号 : TP391 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 2354 (2003) 08 - 0022 - 03
甘蔗是我国南方主要的经济作物 ,甘蔗收获的工序主要包 括 :扶蔗 、砍蔗 、断尾 、剥叶和捆扎 ,其中剥叶所占的时间最长 , 劳动强度最大 ,占整个甘蔗收获过程的 65 %。目前 ,在美国 、澳 大利亚等地势平坦的国家 ,甘蔗的收获已经实现了机械化 ,主 要生产和使用的是大型切断式的甘蔗联合收割机 。在我国的 南方 ,甘蔗多种植在丘陵 、坡地 ,适用的机型是小型整杆式联合 收割机 ,也可把收获机械设计成分离的形式 ,先把甘蔗砍下集 中在一起 ,然后用剥叶机脱叶 。对于联合收割机 ,剥叶部分是 收获机械的一个主要部件 ;对于分离式的收获机械 ,剥叶机是 一个独立的机器 。无论是哪种形式 ,剥叶部分都是甘蔗收获的 核心 。然而 ,目前的甘蔗剥叶机存在许多问题[1 ,2 ] ,采用先进的 虚拟样机技术对剥叶机的设计开发进行研究 ,利用计算机仿真 技术 ,设计 、开发剥叶机 ,能够极大地缩短开发周期 ,降低开发 成本 ,提高设计开发的成功率 。
摘要 :阐述了小型甘蔗剥叶机研究开发的基本思路 。剥叶机的设计采用虚拟样机技术并结合试验修正的方法 ,首先 根据剥叶的功能需求 ,分析蔗叶剥离的运动机理 ,初步确定剥叶机的总体方案 ;对剥叶机的核心元件 ———剥叶元件的设 计是一个多因素 、多目标的设计优化问题 ,采用基于正交试验的虚拟分析设计方法 ,并利用大型统计学软件 SPSS 对试验 结果进行回归分析 ,从而快速有效地找出剥叶元件的最佳参数 ;最后经过整机的装配 、仿真分析 ,并经过试验的修正 ,得 到产品级的剥叶机数字化模型 。
(a) (b)
(c) (d) 图 3 剥叶滚筒不同的排列方式及运动仿真分析曲线
3 剥叶元件的设计
剥叶元件是剥叶机的核心 ,它决定了剥叶机主要的工作性 能 ,可以从几个方面进行分析设计 。 3. 1 剥叶元件材料的选择
常用的剥叶元件的材料有钢丝绳 、胶指 。钢丝弹性低 、韧性 低 ,单条钢丝组合的剥叶元件钢丝之间相互依赖性小 , 在高速 摩擦下容易折断 , 通常使用的钢丝绳剥叶元件是直径约为 1 mm 的钢丝 ,数条钢丝集结成束 ,由于钢丝绳之间具有相互依赖 性 ,可增加其使用寿命 。胶指式剥叶元件由橡胶制成 , 常用的胶 指有菱形胶指和矩形胶指 , 胶指以一定的间距排列 , 当装夹剥 叶元件的滚筒高速旋转时 , 胶指因离心力作用而抛开 , 靠柔性 打击力和摩擦力对茎杆的梳擦作用将叶片从茎杆上剥离 。前期
表 1 剥叶机工作速度对剥叶效果及剥叶元件受力的影响
试 验 结 果 最大应力 打击力
速度/ (r/mi n)
( MPa)
( N)
600
16. 89
33. 21
800
17. 01
33. 59
1 000
17. 17
33. 93
1 200
Βιβλιοθήκη Baidu
17. 45
34. 36
3. 3 剥叶元件总体结构的设计
含杂率 ( %) 3. 11 1. 96 1. 12 0. 99
(a) (b) 图 4 剥叶元件总体结构图
3. 4 剥叶元件结构参数及装夹方式的设计
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
1 基于虚拟样机技术的剥叶机设计 开发的体系结构
一个性能良好的甘蔗剥叶机 ,应在不超过允许糖份损失量 和含杂率的前提下发挥最大的剥叶效率 ,且剥叶机具有良好的 寿命 。基于虚拟样机技术的剥叶机的开发采用自顶向下的并 行设计方法 ,根据功能要求 ,从概念设计到详细设计 ,利用计算 机仿真技术反复对设计方案进行分析优化 ,并经过试验修正 , 最终得出产品级的剥叶机数字化样机模型 ,图 1 为基于虚拟样 机技术的剥叶机机械系统设计开发的总体框图 。
第 20 卷第 8 期 2003年8月
机 械 设 计
J OU RNAL OF MACHIN E DESIGN
Vol. 20 No. 8 Aug. 2003
小型甘蔗剥叶机的设计方法研究与开发Ξ
蒙艳玫1 ,李尚平1 ,刘正士2 ,邓劲莲1 ,麻芳兰1 ,王勇1
(1. 广西大学 机械工程学院 ,广西 南宁 530004 ; 2. 合肥工业大学 机械工程学院 ,安徽 合肥 230009)
24
机 械 设 计
第 20 卷第 8 期
剥叶元件的结构参数及剥叶元件的装夹方式对剥叶元件
的受力及剥叶效果均有影响 , 很明显这是一个多因素 、多目标 的设计优化问题 。下面拟采用数值模拟正交试验及回归分析的
方法建立剥叶元件的虚拟设计模型 。
3. 4. 1 正交试验设计及计算 按照正交试验原理 , 首先确定评价指标和因素 。由于影响
2003 年 8 月
蒙艳玫 ,等 :小型甘蔗剥叶机的设计方法研究与开发
23
(a) (b) 图 2 剥叶过程运动学模型 2. 3 剥叶滚筒排列方式的确定 剥叶滚筒排列形式对剥叶机整机作业性能有非常大的影 响 ,当剥叶轮排列不当时 ,会造成剥叶过程甘蔗的折断 , 增加损 失率 。图 3 为两种不同的剥叶轮的排列形式 , 图 3a 为“品”字形 排列 ,图 3b 为“一”字形排列 。当甘蔗在输入轮夹持下以速度 V 向前运动 ,若剥叶轮是品字形排列 , 当蔗茎遇到第一个剥叶轮 时 ,受到旋转的剥叶轮圆周惯性速度的作用 , 甘蔗此时会产生 向下撬曲现象 ;在输入轮的强行喂入下 , 蔗茎继续前进 , 受到第 二个剥叶轮的转向关系向上翘起 , 如此运动情况 , 经过三个剥 叶轮的反复上下波动 , 甘蔗将形成波浪的运动轨迹 , 而甘蔗的 弯曲与波动会影响到剥叶质量 , 也会造成甘蔗的折断 。若剥叶 轮为“一”字形排列 ,甘蔗按照输送与剥叶一对交接一对地向前 运动 ,由于是对称排列 ,其运动轨迹是合理的 , 能够避免上下窜 动现象 ,防止和减少甘蔗在剥叶过程中的折断 、碰皮 、损失 。两 种不同排列方式的甘蔗运动仿真分析曲线如图 3c 、d 所示 ,仿真 结果显示“一”字形排列比“品”字形排列的运动平稳性好 。因 此 ,剥叶轮的排列形式采用图 3b 的形式 。
从试验结果可以看出 ,剥叶机的工作速度对剥叶元件根部 的应力和打击力的影响不大 , 但由于速度提高后 , 剥叶元件打 击甘蔗的次数增多 , 有利于蔗叶的分离 , 所以速度对剥叶效果 影响较大 ,速度提高后 ,剥叶后的甘蔗含杂率明显降低 , 但速度 太高时 ,甘蔗会略有损伤 ,且过高的速度会缩短剥叶元件寿命 。 从实验结果并考虑甘蔗收获机的小型化问题 , 1 000 r/ min 的速 度是较合适的剥叶机工作速度 。
近 40 % ,比胶指材料的剥叶元件延长了近 30 %[3 ] 。所以选择高 分子材料作为剥叶元件是合适的 。
3. 2 剥叶机工作速度的选择 剥叶机的工作速度直接影响到剥叶效果 、剥叶效率及剥叶
元件的寿命 ,表 1 为其他条件不变的情况下 ,改变剥叶机的工作 速度时剥叶元件的受力及剥叶效果的试验数据 [4 ] 。
甘蔗损伤 程度
轻微 轻微 轻微 略有损伤
剥叶元件工作时根部夹持在滚筒上 , 一端固定 , 一端自由 ,
自由端受力而产生弯曲 。剥叶时 , 要求剥叶元件不仅要有一定
的柔性 ,而且要有一定的刚性 ,柔性太大打击力不够 , 则剥叶效
果不好 ,刚性太大 ,则元件易产生断裂 。为了保证具有一定的柔
性 ,又能增加刚性 ,采用多层剥叶元件装夹的方式 。图 4a 为采用
法主要有压缩空气分离法和离心撞击摩擦法 。压缩空气分离 法需要消耗较大的功率 ,适用于大型切断式甘蔗联合收割机 ; 离心撞击摩擦法是通过高速旋转的剥叶元件打击蔗茎 ,将蔗叶 剥离 ,它适用于整杆式小型甘蔗联合收割机和小型甘蔗剥叶 机[2 ] 。因此 ,从小型化的角度出发 ,剥叶机考虑采用排刷式剥 叶元件 ,通过离心式剥叶法清除蔗叶 。
2 剥叶机总体结构的设计
2. 1 剥叶方式的确定 剥叶机要求能适用于不同品种的甘蔗 ,剥叶时 ,要求甘蔗
折断 、损伤要少 ,剥叶后甘蔗的含杂率要低 。目前的机械剥叶
图 1 剥叶机机械系统设计开发的总体结构框图 2. 2 剥叶过程的运动分析
蔗茎在剥叶过程的运动状态 , 对剥叶质量及甘蔗的损伤程 度均有影响 。它主要受输入输出滚筒线速度 、剥叶元件与蔗茎 接触点线速度 、剥叶滚筒 、剥叶元件的装夹排列形式和蔗茎品 种的影响 。图 2 为离心式剥叶法剥叶过程的运动学模型 (为简 便 ,只画一个剥叶滚筒如图 2a 所示) 。在剥叶过程中 , 蔗茎在输 入辊的夹持下以速度 V 向前作直线运动 ,剥叶元件在 A 点开始 打击蔗茎 ,在 B 点脱离 。由于打击力是一空间矢量 ,甘蔗在 A 点 被剥叶元件打击后的速度 V a 也是空间矢量 (如图 2b 所示) , 即 打击力使甘蔗获得向前的加速运动 、铅垂方向的上下运动 、横 向的左右运动及绕蔗茎自身轴线的运动 。而蔗茎上下 、左右的 运动会使甘蔗产生纵向 、横向的弯曲 , 易造成甘蔗的折断 , 所以 蔗茎的运动状态改变将影响蔗茎在剥叶过程中的受力 , 从而影 响剥叶质量及剥叶元件的寿命 。理想的运动状态是在剥叶过程 中 ,蔗茎有良好的直线运动状态 , 具有良好的通过性能和导向 性。
三层装夹方式的结构简图 , 固定板通过螺栓固定在剥叶滚筒
上 ,把三层剥叶元件和挡板插在固定板和活动板之间 , 用螺栓
将剥叶元件 、挡板 、活动板联接在固定板和活动板上 。当剥叶元
件旋转打击蔗茎时 ,后排的剥叶元件从后面支撑前面的剥叶元 件 ,使受力分散且剥叶元件的最外层加上了弹性挡板 , 能起到 缓冲作用 ,从而提高了剥叶元件的承载能力 。考虑到剥叶元件 装夹 、拆卸的方便性 ,剥叶元件的形状设计为片状的形式 , 如图 4b 所示 。
Ξ 收稿日期 :2002 - 08 - 26 ;修订日期 :2003 - 03 - 21 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (59965001) 作者简介 :蒙艳玫 (1963 - ) ,女 ,广西南宁人 ,副教授 ,合肥工业大学博士研究生 ,研究方向 :虚拟设计 、机电一体化技术等 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
大量的研究表明[2 ,3 ] ,钢丝绳剥叶元件由于弹性 、韧性较差 , 打 击甘蔗时 ,容易损伤蔗皮 ,甘蔗折损率高 , 且钢丝绳易产生疲劳 脆断 。胶指材料由于材质较柔软 , 打击甘蔗时 , 甘蔗损伤程度较 低 ,但元件极易磨损 。选用这两种材料作剥叶元件难以解决剥 叶效果和剥叶元件寿命的矛盾 。研究也发现 , 剥叶元件在工作 过程中以疲劳破坏为主 , 其根部极易产生疲劳断裂 , 而高分子 材料材质轻 ,具有较好的强度 、刚度 、韧性 、耐磨性 , 经过处理 后 ,这些性能会变得更好 , 疲劳试验证明 , 在相同的工况下 , 高 分子材料剥叶元件的疲劳寿命比钢丝绳剥叶元件的寿命提高