全自動甘蔗剝?nèi)~裝置的設(shè)計

全自動甘蔗剝?nèi)~裝置的設(shè)計

0剝?nèi)~元件的結(jié)構(gòu)甘蔗葉片提取是甘蔗整莖收獲過程中的一個重要組成部分。剝?nèi)~質(zhì)量直接決定了甘蔗的收獲質(zhì)量。含雜率、莖稈折斷率、傷皮率較高及剝?nèi)~元件壽命偏低、易折斷等問題是目前制約甘蔗剝?nèi)~裝置的發(fā)展的最主要問題。我國甘蔗剝?nèi)~裝置主要采用離心撞擊式原理,其機(jī)構(gòu)主要為對置的輸入輸出輥筒和剝?nèi)~輥筒。剝?nèi)~元件以一定的方式安裝在剝?nèi)~輥筒上,工作時,剝?nèi)~元件隨著輥筒高速旋轉(zhuǎn)而對甘蔗產(chǎn)生撞擊、擠壓、摩擦和撕扯作用,從而使蔗葉脫落。剝?nèi)~元件一般采用鋼絲繩、橡膠、膠指和尼龍等材料。在工作過程中,由于裝置自身結(jié)構(gòu)的限制,剝?nèi)~裝置往往對不同直徑大小、不同彎曲程度的甘蔗適應(yīng)性不好,導(dǎo)致含雜率和莖稈折斷率偏高。剝?nèi)~元件在這個過程中承受著較大沖擊力和摩擦力,發(fā)生較大的彎曲變形。鋼絲繩和膠指式剝?nèi)~元件容易從根部發(fā)生折斷,而橡膠、尼龍式剝?nèi)~元件則在耐磨性上表現(xiàn)不足。本文設(shè)計了輸入輸出輥間隙仿形、各級轉(zhuǎn)速受控式甘蔗剝?nèi)~裝置,并選用3種高強(qiáng)度、高耐磨性、韌性好的材料制作刷式剝?nèi)~元件。通過對比試驗確定剝?nèi)~性能最好的元件材料,并進(jìn)一步通過正交試驗研究裝置的輸入輸出輥轉(zhuǎn)速、第1級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速、第2級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速對剝?nèi)~質(zhì)量的影響,確定裝置的最優(yōu)工作參數(shù),為與該裝置配套的整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計提供依據(jù)。1測試裝置的設(shè)計1.1裝置總體結(jié)構(gòu)該剝?nèi)~試驗裝置主要由輸入輸出輥、第1級剝?nèi)~輥、第2級剝?nèi)~輥組成,分別由3個電機(jī)控制轉(zhuǎn)速,上、下輥之間通過4個齒輪傳動。其中,4個齒輪模數(shù)、齒數(shù)完全相同,上下輥轉(zhuǎn)速相同,轉(zhuǎn)向相反。輸入輥與輸出輥靠鏈條傳動,用1臺電機(jī)提供動力。兩級剝?nèi)~輥各用1臺電機(jī),上下輥之間的傳動齒輪安裝在兩個固定的齒輪箱中,齒輪箱體與裝置側(cè)板固定連接。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。裝置整體遵守緊湊性原則,考慮到安裝剝?nèi)~元件位置,上下輥軸距為216mm,前后軸距設(shè)計為250mm。1.2輸出輥與機(jī)座接收方式轉(zhuǎn)變其結(jié)構(gòu)如圖2所示。上、下輥通過4個齒輪傳動。其中,齒輪2、3、4軸心固定,齒輪3浮動,齒輪4軸與齒輪1軸之間安裝有一個連接桿套,使得齒輪3可同時完成自身轉(zhuǎn)動和繞齒輪4圓周運(yùn)動。連接桿套轉(zhuǎn)動幅度可達(dá)30°,對應(yīng)上、下輸入輸出輥筒邊緣間距范圍為11~60mm。輸入輸出輥上輥兩端分別通過彈簧與機(jī)座連接。由于甘蔗個體性狀的不同,直徑大小有一定的差別。剝?nèi)~裝置要求輸入輸出輥既能保證不同直徑大小的甘蔗能通過該裝置,還要對甘蔗提供足夠的壓緊摩擦力。當(dāng)甘蔗開始喂入該裝置時,輸入輥上輥被甘蔗頂至一定高度以適應(yīng)甘蔗通過。輸入輥上輥兩端分別通過彈簧與機(jī)座底端連接,上輥的自重和彈簧的拉力為甘蔗提供了足夠的壓緊力。橡膠輥上加工有凹槽,對增大摩擦力有一定的作用。1.3調(diào)試部分3臺提供動力的電機(jī)分別由3個變頻器控制轉(zhuǎn)速,通過改變頻率使電機(jī)達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速區(qū)間。1.4剝?nèi)~元件材質(zhì)的確定剝?nèi)~裝置工作時,剝?nèi)~刷承受著較強(qiáng)的沖擊力、摩擦力以及扭轉(zhuǎn)力矩,很容易發(fā)生磨損和折斷。這就要求剝?nèi)~元件材料有較強(qiáng)的力學(xué)性能。高分子材料綜合力學(xué)性能良好,是較為理想的選擇。根據(jù)剝?nèi)~元件對強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐摩擦性的高要求,選擇了聚甲醛、PP、高強(qiáng)度尼龍3種高分子材料。通過剝?nèi)~對比試驗檢驗其剝?nèi)~性能和元件自身損耗,選擇最適合剝?nèi)~元件的材質(zhì)。由前期試驗得知,排刷式剝?nèi)~元件的剝?nèi)~效果較膠脂片式更為理想。刷式結(jié)構(gòu)更有利于穿透、撕裂蔗葉,降低蔗葉與蔗莖的連接強(qiáng)度。設(shè)計的排刷式剝?nèi)~元件如圖3所示。按圖3加工剝?nèi)~刷后,由壓力機(jī)對圓管進(jìn)行壓實(shí),然后加工定位孔,并用螺栓將剝?nèi)~刷固定在剝?nèi)~刷幅板上。2測試2.1材料表面采用廣西壯族自治區(qū)甘蔗研究所2011-2012年榨季種植的甘蔗,種植行距1100mm,試驗所用甘蔗為當(dāng)日人工收割,蔗葉包裹完整。2.2設(shè)備甘蔗剝?nèi)~裝置試驗臺,變頻器3臺(希望森蘭科技股份有限公司生產(chǎn)的SB70系列)布置于配電柜中,臺秤2臺。2.3測試指標(biāo)以含雜率(Jh)、莖稈折斷率(Zd)作為試驗指標(biāo)。2.4比較了葉片提取材料的試驗2.4.1安排每剝?nèi)~元件的工作總量為了保證3種材料剝?nèi)~元件所有工作參數(shù)一致、工作量相同的情況下,考查3種材料的自身損耗情況和剝?nèi)~效果。因此,安排每種剝?nèi)~元件在工作總量同為300根前提下,分別在一定的轉(zhuǎn)速下完成一定的工作量。根據(jù)前期試驗,輸入輸出輥轉(zhuǎn)速為250r/min,剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速設(shè)定在1700、2000、2300r/min3個級別,兩級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速保持相同。2.4.2轉(zhuǎn)速對含雜率的影響經(jīng)過定量試驗后,從剝?nèi)~元件情況看,聚甲醛剝?nèi)~元件折斷情況比較嚴(yán)重,主要從剝?nèi)~刷受力最大、最復(fù)雜的根部折斷。由此可得出:聚甲醛材料韌性相對不足,抗彎剛度偏小;PP剝?nèi)~元件磨損情況比較嚴(yán)重,主要為刷絲頭部毛刺、開岔,表明PP材料的疲勞強(qiáng)度在高轉(zhuǎn)速下已達(dá)到極限;尼龍材料的損耗甚微,試驗前后外觀上無明顯差別,沒有出現(xiàn)明顯的折斷和磨損情況。從剝?nèi)~質(zhì)量上看,分析試驗結(jié)果數(shù)據(jù)得出,轉(zhuǎn)速對含雜率的影響在3種剝?nèi)~元件上都表現(xiàn)出一定的線性關(guān)系:聚甲醛和高強(qiáng)度尼龍的這種線性關(guān)系更為明顯,隨著轉(zhuǎn)速的提高,含雜率下降明顯,都在最高轉(zhuǎn)速的情況下取得最小值,但高強(qiáng)度尼龍含雜率的值整體要遠(yuǎn)小于聚甲醛的;PP絲的剝?nèi)~含雜率要優(yōu)于聚甲醛,在低轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)接近于高強(qiáng)度尼龍,但在高轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)時,PP絲的剝?nèi)~含雜率要比高強(qiáng)度尼龍高,隨轉(zhuǎn)速提高降低幅度有限。因此,PP絲在高轉(zhuǎn)速區(qū)間力學(xué)性能無法滿足要求,因受力增加而產(chǎn)生的塑性變形造成不能對甘蔗產(chǎn)生足夠的打擊力和摩擦力。表1、表2給出了試驗結(jié)果。經(jīng)過分析得出,當(dāng)剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速達(dá)到高轉(zhuǎn)速區(qū)間時,剝?nèi)~元件對甘蔗的打擊力過大,進(jìn)而造成剝?nèi)~元件發(fā)生較大的變形,使得對蔗葉脫落起主要作用的摩擦力出現(xiàn)下降的趨勢。而高強(qiáng)度尼龍的出色力學(xué)性能克服了這一缺點(diǎn),含雜率值也小于其他兩種材料。由以上試驗結(jié)果可得出,選用高強(qiáng)度尼龍作為剝?nèi)~元件。2.5葉片剝皮性能正交試驗2.5.1葉輥轉(zhuǎn)速對葉輥含雜率的影響以輸入輸出輥轉(zhuǎn)速、第1級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速、第2級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速為3個因素,以折斷率、含雜率為指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平的正交試驗。每個因素的三水平都是根據(jù)前期單因素試驗效果確定,如表3所示。2.5.2試驗結(jié)果表4給出了試驗組合及其結(jié)果。3運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化試驗1)由3個因素的極差大小關(guān)系可看出,對折斷率的影響因素由主到次順序為第2級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速、輸入輸出輥轉(zhuǎn)速、第1級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速;對含雜率的影響因素由主到次順序為輸入輸出輥轉(zhuǎn)速、第1級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速、第2級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速。2)折斷率的最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1C2,含雜率的最優(yōu)參數(shù)組合為A1B2C3。由此看出,輸入輸出輥轉(zhuǎn)速取在254r/min時,折斷率和含雜率都達(dá)到較好的水平。而第1級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速在1150r/min和1440r/min兩水平時對含雜率影響差別不大,而對折斷率的影響有一定的差距。所以第1級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速取1150r/min;第2級剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速在2000r/min和2300r/min時對折斷率和含雜率影響都比較大.考慮到含雜率對剝?nèi)~效果影響較大。所以第2級剝?nèi)~輥速度取2300r/min,即優(yōu)化后參數(shù)組合為A1B1C3。按照這一參數(shù)進(jìn)行試驗,得到含雜率為3.1%,折斷率為12.5%,剝?nèi)~質(zhì)量符合剝?nèi)~機(jī)作業(yè)的性能指標(biāo)。3)由于刷絲的結(jié)構(gòu)和材料性能,試驗中沒有造成甘蔗傷皮,剝?nèi)~后的甘蔗可較長時間的存放。4試驗過程的試驗結(jié)果1)經(jīng)過試驗,證明設(shè)計的輸入輸出輥間隙仿形、各級轉(zhuǎn)速受控式剝?nèi)~裝置具有良好的剝?nèi)~性能,在最優(yōu)參數(shù)組合下含雜率為3.1%,折斷率為12.5%。選用的材質(zhì)滿足了剝?nèi)~元件所需的力學(xué)要求和使用壽命要求,試驗過