基于LS-DYNA的甘蔗收获机压蔗辊影响研究.pdf
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1、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
2、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
3、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
4、: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
5、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
6、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
7、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
8、 (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
9、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
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