整秆式甘蔗收获机内物流排杂高速摄影分析

2015年3月农机化研究第3期

整秆式甘蔗收获机内物流排杂高速摄影分析

12222

解福祥，区颖刚，刘庆庭，冯加模，黄世醒

（1．潍坊学院机电与车辆工程学院，山东潍坊共建教育部重点实验室，广州摘

510642）

261061；2．华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部

要：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。

关键词：甘蔗；排杂；物流运动；高速摄影中图分类号：S225．53

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.03.050

+

文献标识码：A文章编号：1003－188X（2015）03－0203－04

0引言

目前国内外甘蔗联合收获机大多采用将甘蔗推扶

叶分离滚筒组成，如图1所示。侧悬挂甘蔗收获机上的液压站为试验台提供液力驱动。为了拍摄甘蔗收获机内的物流运动过程，在物流排杂试验台的侧板上开有拍摄窗口。

高速摄影设备采用德国Optronis公司生产的CＲ600×2型高速摄像机，记录速度最高为6500帧/s（FPS），记录容量为4GB，试验选用记录速度为500FPS@1280×1024像素，采用碘钨灯照明。配备了带有千兆网卡的笔记本计算机，高速摄像机通过网线将拍摄的图像传输到计算机保存。其他设备有光电式转速测试仪（DT2234C，测量范围2．5～99999ＲPM）、测角器、直尺及卷尺

。

成一定角度，由甘蔗根部喂入物流通道内进行收获的方式

［1－3］［4］

。整秆式甘蔗联合收获机内物流主要由喂入

装置

［5］［6－9］［10－12］

、输送装置、剥叶装置和排杂装置

广西大学等利用ADAMS软等组成。华南农业大学、

件对甘蔗收获机内物流运动进行了仿真分析，主要针对喂入、输送和剥叶进行了研究

［13－16］

。

国内外对整秆甘蔗收获机内物流的样机试验研究将排杂与各部件联系大多是针对单一部件进行分析，

在一起作为整个物流的研究文献还不多。为了研究整秆甘蔗收获机内物流排杂运动机理，首先需要将甘蔗进行剥叶，然后通过排杂装置进行蔗叶分离。本文采用高速摄影为试验手段，研究甘蔗与蔗叶在喂入滚筒、输送滚筒、剥叶滚筒、风机排杂滚筒和蔗叶分离滚筒之间的运动规律以及剥后蔗叶分离原理。

1

1．1

材料与方法试验设备、

试验设备

2对物流排杂装置试验台主要由1对喂入滚筒、

1．喂入滚筒2．前部输送滚筒3．剥前蔗叶4．剥叶滚筒5．风机排杂滚筒6．剥后蔗叶7．蔗叶分离滚筒8．甘蔗

9．后部输送滚筒

图1

Fig．1

甘蔗收获机内物流试验台原理图

Logisticsprincipleonbenchtestofsugarcaneharvester

1对剥叶滚筒、1对风机排杂滚筒和1对蔗输送滚筒、

收稿日期：2014－03－21

基金项目：国家甘蔗产业技术体系项目（CAＲS－20－4－1）；潍坊市

科技发展计划项目（201301046）；潍坊学院博士科研启动基金项目（2013BS07）

（E－mail）作者简介：解福祥（1982－），男，山东临沂人，讲师，博士，

xfx608@126．com。

1．2试验材料

试验材料采用广东省湛江农垦广垦农机服务公司

。试验选试验基地种植的甘蔗，品种为“新台糖－16”用的甘蔗要求茎秆通直、无病虫害。

·203·

2015年3月1．3

试验方法

农机化研究第3期

随着输送滚筒的转动甘蔗受到垂直甘蔗运动方向的切向力F1Y，并受到沿被上下输送滚筒的橡胶齿夹住，甘蔗甘蔗运动方向的轴向力F1X，向后部输送；此时，受到滚筒的动摩擦力f1'，甘蔗茎秆产生横向滑动和滚动，依靠喂入滚筒和输送滚筒的旋转，甘蔗发生弯曲变形。分析认为，甘蔗发生弯曲变形是因为在喂入滚筒与输送滚筒之间存在线速度差。此时，甘蔗在其运动方向上受到的力为ΔF1=F1X+f1'－f1。2．2

剥叶

甘蔗在剥叶过程中主要受到作用力为剥叶滚筒对甘蔗的轴向力F2X、垂直甘蔗运动方向的切向力F2Y和摩擦力f2。甘蔗在剥叶过程中的高速摄影图像如图3所示。甘蔗被喂入输送滚筒输送到剥叶装置，此时甘蔗穿入上下剥叶橡胶块，剥叶橡胶块随着剥叶滚筒的旋转使甘蔗受到垂直甘蔗运动方向的切向力F2Y，开始撕扯、梳刷甘蔗叶；并受到沿甘蔗运动方向的轴向从而继续向后输送，此时甘蔗受到滚筒的摩擦力F2X，

自身发生扭转随着剥叶滚筒的旋力f2和动摩擦力f2'，

转继续向后输送，依靠前部输送滚筒和剥叶滚筒的旋转，甘蔗发生弯曲变形。分析认为，甘蔗弯曲变形的原因是由于在剥叶滚筒与喂入输送滚筒之间存在线速度差

。

通过预备试验得出影响排杂效果各因素的主次关系，并且得出了最佳参数组合，根据最佳参数组合，选取风机出风口角度为105°、喂入输送滚筒转速为100r/min、剥叶滚筒转速为1300r/min、喂入滚筒间距为340mm、输送滚筒中心距为310mm、剥叶滚筒中心距为280mm、风机滚筒中心距为300mm、蔗叶分离滚筒中心距为270mm的情况进行拍摄，拍摄范围覆盖甘蔗喂入、输送、剥叶、排杂和排杂后部输送的整个过程。试验共进行60次，逐次记录试验结果。

2试验结果与分析

将甘蔗收获机内物流分为喂入输送、剥叶、风机

排杂和蔗叶分离4个部分，分别对每个部分的高速摄影图像进行分析。喂入输送是将喂入装置和前部输送装置一起通过高速摄影观察，剥叶装置主要研究新研制的剥叶刷的剥叶效果，风机排杂重点观察风机对剥后甘蔗茎秆与甘蔗叶的影响，蔗叶分离重点分析了蔗叶分离刷将剥后甘蔗茎秆与剥后蔗叶的分离作用。2．1

喂入输送

甘蔗在喂入输送中主要受到的作用力为喂入输送垂直甘蔗运动方向的切向滚筒对甘蔗的轴向力F1X、

力F1Y和摩擦力f1。喂入输送物流运动高速摄影图像如图2所示

。

（a）剥叶时甘蔗受力分析（b）蔗叶被撕扯、

梳刷

（a）喂入输送滚筒受力分析（b）

甘蔗被喂入

（c）Fig．3

（c）

甘蔗滑动和滚动

图2

Fig．2

（d）

甘蔗弯曲变形

喂入输送物流运动高速摄影图像feedingandconveyingdevice

蔗叶被剥离图3

（d）断尾

剥叶装置物流运动高速摄影图像

Leafstrippingdevice

Highspeedphotographyofmaterialflowmotionon

Highspeedphotographyofmaterialflowmotiononthe

甘蔗叶被上部剥叶橡胶块撕扯掉，并随着剥叶滚筒的旋转甩出，此时甘蔗沿着剥叶滚筒的轴向发生偏移旋转。甘蔗随着滚筒的旋转继续向后运动，甘蔗尾

当甘蔗继续向后运动时，甘蔗被喂入滚筒喂入，

·204·

2015年3月农机化研究

2．4

蔗叶分离

第3期

部处于剥叶装置处，当F2Y大于蔗尾与甘蔗的连接力时，蔗尾被剥叶橡胶块击打折断，折断后的蔗尾随着甘蔗茎秆一起向后运动，最后输送到排杂装置便于除掉蔗叶。此时，甘蔗在其运动方向上受到的力ΔF2=F2X+f2'－f2。当F2X＞ΔF2时，剥叶刷对甘蔗叶开始有梳刷、撕扯作用，直到大于甘蔗叶鞘与甘蔗之间的连接力时，甘蔗叶与甘蔗茎秆分离。2．3

风机排杂

甘蔗在风机排杂过程中主要受到的作用力为风机外圈滚筒对甘蔗的轴向力F3X、垂直甘蔗运动方向的切向力F3Y和摩擦力f3。甘蔗在风机排杂装置中的高速摄影图像如图4所示。甘蔗被喂入输送滚筒和剥叶滚筒输送到风机滚筒，甘蔗继续向后运动时，前面剥掉的甘蔗叶与甘蔗茎秆一起向后输送。由于风机滚筒外圈输送齿条的旋转，甘蔗受到垂直甘蔗运动方向的切向力F3Y，依靠风机滚筒和蔗叶分离滚筒的旋转，甘蔗发生弯曲变形，同时风机将甘蔗叶吹向物流通道从而下方。甘蔗受到沿甘蔗运动方向的轴向力F3X，继续向后输送。甘蔗受到滚筒的摩擦力f3和动摩擦力f3'，此时甘蔗自身发生扭转，随着风机滚筒外圈输送齿条的旋转继续向后输送，最后输送到排杂装置后部。此时甘蔗在其运动方向上受到的力为ΔF3=F3X+f3'－f3，甘蔗叶受到的作用力主要来源为风机吹出的风力、蔗叶分离刷的旋转及其产生的气流场

。

甘蔗在蔗叶分离过程中主要受到的作用力为蔗叶分离滚筒对甘蔗的轴向力F4X、垂直甘蔗运动方向的切向力F4Y和摩擦力f4。排杂装置后部的物流运动高速摄影图像如图5所示。甘蔗被输送到蔗叶分离滚筒，到达上下蔗叶分离滚筒的分离刷，随着蔗叶分离滚筒的转动甘蔗受到垂直甘蔗运动方向的切向力F4Y；分离刷将甘蔗叶与甘蔗茎秆分离，风机将甘蔗叶吹落在物流通道的下方，随着后部输送滚筒的转动，甘蔗受到沿甘蔗运动方向的轴向力F4X，甘蔗被后部上下输送滚筒的橡胶齿夹住，继续向后输送。此时，甘蔗受到滚筒的摩擦力f4和动摩擦力f4'，甘蔗自身发生扭转，最后输送到集堆装置便于收集。此时，甘蔗在其运动方向上受到的力为ΔF4=f4－（F4X+f4'）

。

（a）甘蔗在蔗叶分离中受力分析（b）

甘蔗进入蔗叶分离刷

（c）

（a）

甘蔗在风机排杂中受力分析

（b）

甘蔗叶与茎秆分离

甘蔗叶被分离刷分离

图5

（d）甘蔗被输送橡胶块夹住输送

排杂装置后部物流运动高速摄影图像Impuritydischargingdevice

Fig．5Highspeedphotographyofmaterialflowmotiononrearof

3结论

1）甘蔗在收获机内物流运动中主要受到的作用

垂直于甘蔗运动方向的力为各部件对甘蔗的轴向力、切向力和摩擦力。

2）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

（c）

甘蔗弹跳图4Fig．4

（d）

甘蔗弯曲变形和蔗叶被风机吹向下方

风机排杂装置物流运动高速摄影图像

置将甘蔗与蔗叶相互分离并排出。甘蔗在物流运动方向上受到的力F=F1X+F2X+F3X+f4+f1'+f2'+f3'－f1－f2－f3－F4X－f4'。

Highspeedphotographyofmaterialflowmotionon

Impuritydischargingdevice

·205·

2015年3月农机化研究第3期

MechanizationinAsia，AfricaandLatinAmerica，1991，22（3）：55－58．

3）蔗叶分离刷将甘蔗与甘蔗叶分离，并通过风机将甘蔗叶吹向物流通道的下方，从而完成风机排杂过程。参考文献：

［1］OuYG，WegenerM，YangDT．etal．Mechanizationtech-nology：ThekeytosugarcaneproductioninChina［J］．IntJAgric＆BiolEng，2013，6（1）：1－27．

［2］罗词广，彭彦昆，等．我国甘蔗联合收割机发展王顺喜，

．农机化研究，2013，35（6）：247中一些问题的探讨［J］－249．

［3］刘芳建，刘赟东，等．我国整秆式甘蔗剥叶机械杨学军，

J］．农机化研究，2013，35（10）：238－研究现状及思考［241．

［4］周勇，莫肈福．斜置式甘蔗切割喂入装置设计及区颖刚，

J］．农业工程学报，2012，28（14）：17－23．试验［

［5］周勇，彭康益，等．4GZ－56型履带式甘蔗收获区颖刚，

．农业机械学报，2010，41（4）：机的设计与性能试验［J］75－78．

［6］李俚，夏鹏，周晓蓉．整秆式甘蔗收获机械收获效果试验

J］．农机化研究，2014，36（3）：174－177．研究与分析［

［7］牟向伟，吴昊，等．甘蔗叶鞘在弹性剥叶元件作区颖刚，

．农业机械学报，2012，43用下破坏高速摄影分析［J］（2）：85－89．

［8］ShuklaLN，SinghIrvinder，SandharNS．Designdevelop-mentandtestingofsugarcanecleaner［J］．Agricultural

［9］罗菊川，刘庆庭，等．整秆式甘蔗联合收获机断区颖刚，

J］．农业机械学报，2013，44（4）：89－94．蔗尾机构［

［10］麻芳兰，李尚平，等．整秆式甘蔗收获机剥叶断蒋红梅，

J］．农业机械学报，2012，43（6）：73尾机构设计与试验［－78．

［11］WangYJ，ChungDS，SpillmanCK，etal．Evaluationof

laboratorygraincleaningandseparatingequipment．PartI［J］．TransactionsoftheAmericanSocietyofAgriculturalEngineers，1994，37（2）：507－573．

［12］McCarthySG．TheIntegrationofSensoryControlforSugar

CaneHarvesters［D］．UniversityofSouthernQueensland，2003：24－31．

［13］解福祥，刘庆庭，等．甘蔗收获机排杂风机设计区颖刚，

J］．农业工程学报，2012，28（s1）：8－14．与试验［

［14］XieFuxiang，OuYinggang，LiuQingting．etal．Virtualex-perimentonmaterialflowsimulationforwholestalksugar-caneharvester［C］//2011InternationalConferenceonNewTechnologyofAgriculturalEngineering，2011：185－188．

［15］解福祥，刘庆庭，等．甘蔗收割机物流虚拟试验区颖刚，

［J］．农业机械学报，2010，41（s1）：90－94．

［16］傅隆正，董振，等．整秆式甘蔗联合收割机整机蒙艳玫，

．农机化研究，2012，34（2）：19－物流设计与仿真［J］23．

ImpurityDischargingandLogisticsMovementofSugarcaneHarvester

BasedonHigh－speedPhotography

XieFuxiang1，OuYinggang2，LiuQingting2，FengJiamo2，HuangShixing2

（1．SchoolofMechanical－electronicandVehicleEngineering，WeifangUniversity，Weifang261061，China；2．KeyLa-boratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipment，MinistryofEducation，SouthChinaAgriculturalUni-versity，Guangzhou510642，China）

Abstract：Inordertostudythelogisticsmovementmechanismofthewholestalksugarcaneharvester，developedthetestbenchonlogisticsmovementofsugarcaneharvester，andtooksugarcaneandsugarcaneleafduringthemovementwithinthewholelogisticschannelsbyhigh－speedcameraandtheimageanalysis．Theresultsshowedthatthesugarcanewasbounce，torsionandbendingdeformationinthelogisticsprocessofmovement，tail－brokenoccurredintheleafstrippingprocessofmovement，andimpuritieswasseparatedandremovedbythesugarcaneimpurityremovingdevice．Simplifyingthemechanicalmodelofeachcomponentwasestablishedbythesugarcaneharvesterelement，sugarcaneandsugarcaneleaves，analyzedofthemotionmechanismofsugarcaneandsugarcaneinthelogisticschannelwithmechanicalpropertiesofsugarcaneandsugarcaneleaves．Forceinthelogisticsmovementofsugarcanewasmainlyaffectedbytheaxialforcea-longthedirectionofsugarcanemotion，thetangentialforceofperpendiculartothesugarcanemotiondirectionandfric-tion．

Keywords：sugarcane；impuritydischarging；logisticsmovement；high－speedphotography

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