基于LS-DYNA的甘蔗收获机压蔗辊影响研究.pdf

基于 的甘蔗收获机压蔗辊影响研究唐永治，潘荥春，周益善，桑海浪，陈华晟，潘明章（广西柳工农业机械股份有限公司，广西 柳州 ；广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 ；广西大学机械工程学院 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，南宁 ）摘要：为减轻甘蔗收获过程中甘蔗损伤并提高甘蔗收获机收获效率，本文基于有限元方法，分析了甘蔗收获机收获过程中压蔗辊对甘蔗损伤情况，通过对甘蔗收获机切割区域的应力分析表明，切割点和甘蔗 土壤界面有不同的应力表现。甘蔗收获机不带压蔗辊时，甘蔗在切割过程中发生不规则运动导致甘蔗间应力大于其屈服极限极易发生折断导致切割不完整。而压蔗辊可以显著降低甘蔗 土壤界面的应力，减少甘蔗间的运动，提高甘蔗切割质量。关键词：甘蔗收割机；压蔗辊；有限元法；中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，：；甘蔗收获的机械化是中国制糖业的一个关键点。甘蔗在广西、云南、广东和海南广泛种植，这些地方的大部分地理区域都是丘陵地带。丘陵地区可以减少虫害和疾病的侵扰，并提高单位面积的甘蔗产量 。为了提高甘蔗的切割质量和减少切割能耗，许多研究都对甘蔗收获机的底部切割器的设计进行了探索。底部切割器刀片和圆盘形状的有关实验表明，锯齿状刀片和普通圆盘的切割质量最好 。现场测试表明，产生最小切割能量的刀片斜角在 至 之间 。为了了解甘蔗的弯曲性能，提出了压蔗辊对甘蔗的影响，并认为多次切割是造成甘蔗在切割过程中受损的重要原因，压蔗辊在甘蔗收割机的运输系统中占有突出的地位 。为了减少多宿根甘蔗的影响，甘蔗收获机底部切割器的设计会影响其运输系统的性能。受力分析是描述甘蔗和甘蔗收获机之间相互作用的一个重要部分，然而，由于底部切割器的复杂运动、甘蔗的高速运动和切割点的位置，很难测量切割过程中的力和应力 。有限元方法（）被用来解决复杂问题的数值方法，并将解决的过程可视化。等采用甘蔗收割机的运动学数值模拟报告了一个双刀的运动学规律公式，并使用 模拟了多次切割的影响 。杨望等为了研究土壤状态对甘蔗切割力的影响，采用了显式动力学软件 来建立模型 。离散元法（）是数值解决方案之一，被广收稿日期：基金项目：广西大学甘蔗专项科研项目（）和广西重点研发计划（桂科 ）。第 卷第 期拖 拉 机 与 农 用 运 输 车 年 月 ，泛用于土壤建模和分析土壤与耕作机械之间的相互作用。被用来分析仿生耕作机的牵引力、垂直力和能量消耗 。为了研究土壤剖面对深层耕作和切削力的影响，等利用 分析了土壤和犁之间的相互作用 。考虑到上述情况，以前的研究主要集中在影响切割质量的底部切刀的运动学分析、刀片及圆盘的设计上，没有考虑到真实的田间条件和多根甘蔗在切割时的相互作用。本文通过建立压蔗辊 甘蔗土壤的复合模型，分析在使用压蔗辊和不使用压蔗辊的情况下，切割过程中的该模型力和应力的变化，为甘蔗收获机的设计提供参考。压蔗辊 甘蔗 土壤模型构建 模型描述为了表现出压蔗辊 甘蔗 土壤和底部切割器间的复杂影响，用 建立了一个简化的三维模型，如图 所示。在该模型中，推土机和打倒辊的尺寸参考了现有的甘蔗收割机（）。考虑到广西的丘陵地形，该模型采用了带坡度的土壤。宿根甘蔗与第一年种植的甘蔗有所不同，宿根甘蔗会从蔗蔸中长出一个以上的甘蔗分支。故本文根据实际情况设计了来自于同一蔗蔸的 根甘蔗。实现甘蔗最佳输送功能的具体设置如图 所示。相关建模参数见表 。图 甘蔗 压蔗辊 土壤模型及底部切割器模型构建 仿真模型采用 建立，如图 （版本：）所示。根系的滋生是甘蔗生长过程中最重要的特性之一，建模时考虑了根系的引力作用。为了减少甘蔗对压蔗辊和切刀的影响，压蔗辊和切刀的硬度要大于甘蔗的硬度。因此，在 中的材料设置中，将 用于压蔗辊和切刀。用于表示甘蔗。土壤是甘蔗的固定面，其中的颗粒反映了对甘蔗根的影响。本文采用离散元（）对土壤进行建模，主要通过包括描述球体体积的 和描述颗粒材料类型的 对土壤进行表达。表 为模型的相关参数的取值情况。图 模型的基本工作条件设置 图 的仿真模型构建 表 模型基本参数及取值 参数值刀盘直径 厚度 压蔗辊直径 齿数刀片长度 宽度 厚度 倾斜角度（）数量甘蔗直径 高度 拖拉机与农用运输车第 期 年 月表 模型的材料参数 参数甘蔗土壤圆盘、刀片及压蔗辊密度（）杨氏模量 泊松比 屈服应力 切线模量 硬化参数应变率 应变率 失败应变 接触和边界设置在 中，用来定义刀片和圆盘之间的接触，以防止相对滑动。此外，应用于压蔗辊和甘蔗、甘蔗和刀片间的接触，该方法能够自动选择合适的接触类型。刀片与甘蔗之间的动、静摩擦系数分别为 和 （等，），压蔗辊与甘蔗之间的摩擦系数为 和 （，）。在该模型中，底部切割器与水平面的角度为 ，因此采用 和 来控制底部切割器前进的方向。压蔗辊和底部切割器的前进方向为全局 方向，其前进速度和转速分别为 和 。压蔗辊的旋转方向为全局 方向，其转速与底部切割器相同，而刀盘和刀片的旋转方向为全局 方向，其转速为 。来描述 对土壤的内聚效应。土壤甘蔗的静摩擦系数和动摩擦系数分别为 和 （等人，）。模型验证 提供的沙漏是非物理和零能量模式，这意味着它将产生错误的应变和应力。在大多数有限元分析的情况下，检查沙漏能量（，）能够避免产生应变和应力为零的情况。评估模型是否准确的一个方法 是计算沙漏能和内能（，）的比率（），公式为（）若 则可以认为是一个准确的模型。此外，评估模型的能量平衡（，）可以用来评估数值模拟的可靠性。（，），其公式为 （）其中，为外部做功产生的能量。若 则可以认为能量平衡符合数值模拟的要求。将是否包含压蔗辊的模型进行模型验证，其能量平衡和能量比检查的结果如图 和图 所示。根据式（）及式（）对能量判断的要求，表明该模型具有一定的可靠性，可以用于仿真分析。图 能量比验证 图 能量平衡验证 仿真分析 压蔗辊 甘蔗 土壤模型甘蔗切割过程分析在实际应用中，多刀切割比单刀切割更容易发生。在以特定速度进行切割的那一刻，甘蔗表面和刀片之间的接触首次产生了一个瞬间的力，打破了茎秆的表面。在某些情况下，由于刀片的钝面与茎秆接触，甘蔗茎秆产生位移，而不是断裂如图 所示。沿着切割器前进的方向，刀片将第二次切割秸秆，使其失效。甘蔗茎秆的冲击力转移到甘蔗的根部，土壤对根部产生反作用力，使茎秆保持在原点位置上。切割动作是一个多方向的运动，包括圆周运动和直线运动。当刀片和甘蔗接触时，静摩擦力和挤压力被施加到甘蔗上，分别指向刀片的切线和刀片的外侧法线。总的来说，根据先前研究的假设 ，若底部切割器在前进过程中多次接触甘蔗茎秆，其刀片会对茎秆造成损伤。在不使用压蔗辊的情况下，当刀片与甘蔗第一次接触时，在刀片切割的位置甘蔗茎秆往唐永治等：基于 的甘蔗收获机压蔗辊影响研究往会造成部分损坏 。在临界状态下，推力 使蔗茎沿着与圆盘相同的方向移动，如图 所示。图 甘蔗和刀片之间的两种接触方式 图 甘蔗在切割区的受力分析 然而，由于甘蔗茎秆出现位置的随机性，出现了不同的接触类型。图 显示了两种典型的接触类型。一般来说，对于图 中的接触类型（），摩擦力在这个过程中接近于零，的影响小于。因此，该过程应为碰撞而不是切割。在这种情况下茎秆与刀片的钝边接触，茎秆的表面由于硬度较低被轻微损坏。考虑到刀片沿前进方向的推力产生了一定的位移。对于图 中的（）型，切割力 接触到茎杆后导致茎杆失效，而刀片产生的摩擦力使茎秆产生位移。在实际过程中，刀片的运动方向 和 是随着刀片的旋转而变化的。为减少切割区域的噪音，采用了移动平均滤波器对原始应力变化进行了重新采样。图 显示了原始力数据和采用移动平均滤波器重新取样的力数据。总的来说，在两种设置下，切割过程中出现了两个峰值。当刀片第一次接触到茎秆时，切割的结果力达到最大，随着刀片的深入而下降，这对于由沿轴向生长的纤维组成的甘蔗来说是合理的。较大的应力增加了茎秆断裂的可能性，并且造成不必要的多次切割。图 切割过程中的受力变化 为了显示整个切割过程中的应力变化，在相同的设置下进行了多次重复模拟。甘蔗茎秆的失效过程是由外向内的，产生了多个峰值，故在刀片与甘蔗茎秆的切割区域，根据刀片前进的方向由外向内选取了 个具有代表性的部分（）进行最大应力的统计，如图 所示。对于模型中构建的 根样本甘蔗，其最大应力的平均为为 ，并以此作为甘蔗的失效应力。类似的，在甘蔗 土壤界面进行了相同的数据统计（）如图 所示。在不使用压蔗辊的情况下，根样本甘蔗在土壤 甘蔗界面最大应力的平均值为 ，而在使用压蔗辊的情况下为 。在不使用压蔗辊的情况下甘蔗断裂的可能性增加，这将导致茎秆的失效。此外，在切割过程中，刀片和压蔗辊以相同的速度向前移动。考虑到甘蔗被设计成一个圆柱体，当刀片切断部分茎秆时，压蔗辊推动茎秆的上侧不断向前移动，导致茎秆其他部分断裂。然而，在没有使用压蔗辊的情图 样本甘蔗切割区域的应力 图 不使用压蔗辊切割时土壤 甘蔗界面的应力 拖拉机与农用运输车第 期 年 月图 使用压蔗辊切割时土壤 甘蔗界面的应力 况下，由于刀片接触茎秆时，其自由端未能得到压蔗辊的固定，这导致其在被切割时具有一定的角速度，使得切割的最大应力的分布是不规则的。压蔗辊 甘蔗 土壤模型甘蔗切割后仿真分析压蔗辊和甘蔗间的受力分析如图 所示。在切割过程中，压蔗辊产生压力 和摩擦力。可以分解为 推进甘蔗向前移动和与重力方向相同的 ，使甘蔗向地面移动。压蔗辊的齿使辊与甘蔗接触时，将甘蔗分开，这就减少了在切割过程中甘蔗之间接触的可能性。在被切割的部分与茎秆分离的瞬间，压蔗辊阻止了自由部分与齿的旋转，使其落下，如图 所示。在不使用压蔗辊的情况下，旋转的刀片对茎秆的被切割部分产生了负面影响，因此自由部分随着旋转而落下，如图 所示。图 甘蔗和压蔗辊之间的受力分析 为进一步说明压蔗辊的使用对茎秆切割影响，在切割过程中选择 个点来描述切割的效果，如图 所示。图 和图 显示了两种情况下，切割后产生的变化。在切割发生的瞬间，切割点 产生了加速度，将茎秆移开。对于不使用压蔗辊的切割过程，加速度、速度和位移的变化都发生在切割之后，和 产生了由加速度引起的位移，这意味着甘蔗在与土壤接触的界面产生了折断。然而，对于使用压蔗辊的切割，变化发生在压蔗辊与茎秆接触的瞬间。对于 处所产生的加速度和较小的位移的原因，主要是 处从土壤产生了支撑力阻碍了剩余部分的位移。图 甘蔗切割后运动轨迹示意 图 分析位置示意 唐永治等：基于 的甘蔗收获机压蔗辊影响研究图 切割过程中的加速度、速度和位移结果 ，甘蔗间应力仿真分析在压蔗辊上齿的帮助下，茎秆避免了由旋转盘引起的旋转。在不使用压蔗辊的情况下，茎秆的被切割部分显示出较为不规律的运动，这表明其在下落过程可能出现第二次断裂。故对切割后甘蔗间的运动分析有利于进一步说明压蔗辊对甘蔗的限制作用。在使用压蔗辊切割时，甘蔗在切割时主要接触区域为茎杆的上部，由于压蔗辊齿的分离，其接触所产生的应力较低，如图 图 所示。在切割过程中，由于底部切割器的复合运动有一部分接触行为出现在切割区，在甘蔗间的接触界面上施加的最大应力为 ，如图 如图 所示。对于不使用打倒辊的切割，考虑到没有几何隔离，甘蔗运动的不确定性增加。图 图 显示了切割过程后甘蔗之间的接触情况。由于没有敲击辊，甘蔗的自由部分在惯性和重力的作用下不规则地移动，甘蔗间接触面上的最大应力为 。此外，参考图 ，在切割前没有加载应力的情况下，在特定的甘蔗上切割产生的瞬时加速度导致切割区产生旋转和平移，这对其他甘蔗是有影响的。此外，接触力导致相邻的甘蔗产生应力，进一步增加甘蔗折断的可能，如图 图 所示。图 使用压蔗辊时甘蔗之间的接触 图 未使用压蔗辊时甘蔗之间的接触 拖拉机与农用运输车第 期 年 月 结语（）利用 和 构建了压蔗辊 土壤 甘蔗模型，为进一步分析甘蔗收获机底部切割器切割甘蔗时对甘蔗产生的影响提供了数值模拟条件。（）利用所构建的模型，分别在采用压蔗辊和不采用压蔗辊的条件下进行了动力学仿真。通过有限元法对切割过程中的甘蔗进行受力分析，表明了在使用压蔗辊的情况下，切割过程中甘蔗的失效主要发生在切割区，其最大应力为 ，而甘蔗土壤界面产生的最大应力应为 ，减少了甘蔗在切割过程中在土壤界面折断的可能性。在切割时由于压蔗辊齿的分离作用减少了甘蔗间的接触，降低了由于甘蔗间的碰撞而导致的甘蔗折断的可能性，在切割后由于压蔗辊对甘蔗的限制进一步减少了甘蔗的旋转，减少了甘蔗的复合运动，降低了甘蔗的破坏和损失，说明压蔗辊对降低甘蔗破头率具有一定成效。参考文献：，：，（）：，：，（）：，：，（）：杨望，杨坚，刘增汉，等 入土切割对甘蔗切割过程影响的仿真试验 农业工程学报，（）：，（），：，：（编辑张晓超檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷檷）（上接第 页）机截取整机工作 数据分析，电池系统平均电流 ，放电峰值电流 ，充电峰值电流 ，充电电流集中在 附近，放电电流集中在 附近，系统设计容量满足充放电电流需求。分析结论通过上述各阶段试验验证及数据分析，动力电源系统从整机功能、能量管理、系统电气和结构安全和可靠性等方面具能够满足设计要求，系统状态良好。结束语作为拖拉机的能源系统，整车电气性能和动力性能的好坏与电源系统密切相关，在项目开发中，进行电源系统深入的探究具备较高的借鉴价值和实际意义。本文将蓄电池作为整机的能源系统，在系统中主要用于启动，加速、爬坡和能量制动回收，实现整机能量常规使用及续航要求，故而电源的结构及电气控制设计具有较大的实用意义。参考文献：电动汽车安全要求第 部分：车载储能装置国家标准 北京：中国标准出版社，电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法 北京：中国标准出版社，电动汽车用动力蓄电池安全要求及实验方法 北京：中国标准出版社，（编辑张晓超）作者简介：薛占坡（），男，主要从事方向为新能源拖拉机及电气控制研发设计研究。唐永治等：基于 的甘蔗收获机压蔗辊影响研究