（农业机械化工程专业论文）双圆盘甘蔗切割器影响切割质量的运动学仿真研究.pdf

双圆盘甘蔗切割器影响切割质量的 运动学仿真研究 摘要 根部切割是甘蔗机械化收获的重要工序，根部切割器是甘蔗收割机的 关键部件。衡量切割器工作性能的一个重要指标是宿根破头率，切割状态 对破头率有较大影响。因此，深入研究影响甘蔗切割状态的各因素对产生 破头率的影响机理，提高切割器的切割性能，对甘蔗收割机的推广及应用， 具有极其重要的意义。 论文采用计算机仿真技术建立双圆盘甘蔗切割器连续切割甘蔗的运动 学仿真模型，通过观察甘蔗动态切割过程总结了双圆盘切割器切割甘蔗的 两种切割形式：单侧切割和双侧切割。并采用有限元分析软件建立甘蔗切 割有限元模型，针对双侧切割形式制定了双圆盘切割器的坏切割状态判别 标准，通过室内物理模拟试验验证了判别标准及仿真模型的正确性，为运 动学仿真试验提供了试验指标的判别依据。采用已建立的双圆盘切割器连 续切割甘蔗的运动学仿真模型，对影响甘蔗切割器切割状态的田问地面不 平引起的振动因素( 频率、振幅) 、切割器结构因素( 刀盘倾角、刀片数目) 和工作因素( 速度比) 进行了单因素及双因素运动学仿真试验研究；采用 数理统计方法建立了各单因素及双因素与坏切割率之间的回归数学模型， 探讨了各试验因素对破头率的影响机理。由分析得出：频率、刀片数量对 试验指标有显著影响；速度比较大、刀盘倾角较小、振幅与频率较小、刀 片数量为4 把时可以获得较小的破头率。 关键词：双圆盘切割器坏切割状态切割形式判别标准影响机理 k i n e m a t i cs l m u l a t i o nr e s e a r c ho na f f e c t l n g i n c i s l 0 nq u a l i t yo ft h ed u a lb a s ec u t t e r o fas u g a r c a n eh a r v e s t e r a b s t r a c t c u t t i n gi st h ei m p o r t a n tp r o c e s si ns u g a r c a n eh a r v e s t i n gp r o c e d u r ea n dt h e c u t t e ri st h ep i v o t a lw o r k i n g p a r t so fas u g a r c a n eh a r v e s t e r a ni m p o r t a n ti n d e x o nw e i g h i n gc u r e rw o r kc a p a b i l i t yi st h er a t eo fb r o k e nb i e n n i a lr o o t ，a n dt h e i n c i s i o ns t a t eh a v eab i g g i s hi n f l u e n c eo nt h er a t eo fb r o k e nb i e n n i a lr o o t s oi t i se s s e n t i a lf o ru st od oa ni n - d e p t hs t u d yo na f f e c t i n gf a c t o r sw h i c ha r er e l a t e d t ot h ec u t t i n gs t a t et or e s e a r c hc u t t i n gm e c h a n i s mo ft h er a t eo fb r o k e nb i e n n i a l r o o t t h e s es t u d i e sw h i c hh a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e s t o p o p u l a r i z e a n d a p p l i a n c et h es u g a r c a n eh a r v e s t e r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，c a r t i n gt h r o u g hk i n e m a t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，a n k i n e m a t i cm o d e lo fd u a lc u t t e rc u t t i n gs u g a r c a n ec o n t i n u o u s l yw a se s t a b l i s h e d a n db yo b s e r v i n gt h ed y n a m i ci n c i s i o np r o c e s s ，t h eo n e s i d e di n c i s i o na n dt h e t w o s i d e di n c i s i o nw e r et h et w oi n c i s i o nf o r m a to f d u a lc u t t e r u s i n gt h e c u r r e n c yf i n i t yc e l la n a l y s i ss o f t w a r e ，t h es u g a r c a n ec u t t i n gf i n i t yc e l lm o d e l w a se s t a b l i s h e dt of r a m ed i s t i n g u i s hs t a n d a r do fd u a lc u u t e ro nt h eb a di n c i s i o n s t a t ea g a i n s tt h et w o - s i d e di n c i s i o nf o r m a t a n da ni n d o o rp h y s i c a ls i m u l a t i o n e x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e dt oc e r t i f i c a t i o nt h ed i s t i n g u i s hs t a n d a r da n dt h e k i n e m a t i cs i m u l a t i o nm o d e l t h e s ew o u l ds u p p l yd i s t i n g u i s hb a s i so nk i n e m a t i c a n a l y s i se x p e r i m e n ti n d e x b yu s i n gt h ek i n e m a t i ca n a l y s i sm o d e l ，ak i n e m a t i c a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n ts t u d yo nt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea f f e c t i n g f a c t o mi n c l u d i n gg r o u n dv i b r a t i o n f a c t o r s ( f r e q u e n c y ，s w i n g ) c a u s e db y 盯 a c c i d e n t e dg r o u n d ，c u t t e r ss t r u c t u r a lf a c t o r s ( o b l i q u i t yo fd i s cc u t t e r ，n u m b e ro f b l a d e ) a n dc u t t e r sw o r kf a c t o r s ( s p e e dr a t i o ) a n dt h ec u t t e r si n c i s i o ns t a t e b y m e a n so fs t a t i s t i c a la n a l y s i s ，t h em a t h e m a t i c a lr e g r e s s i o ne q u a t i o nm o d e lw a s e s t a b l i s h e db e t w e e ne x p e r i m e n tf a c t o r sa n dt h er a t eo fb a di n c i s i o ns t a t e a c c o r d i n gt o t e s td a t a s u b s e q u e n t l y , t h ei n f l u e n c e so fe a c he x p e r i m e n tf a c t o r a n di t si n t e r a c t i o nt ot h er a t eo fb r o k e nb i e n n i a lr o o tw e r ea n a l y z e d b y a n a l y z i n gw ek n o w ：t h ef r e q u e n c ya n dt h en u m b e ro fb l a d e h a v ep r o m i n e n t i n f l u e n c et ot h ee x p e r i m e n ti n d e x w e 1 1a c q u i r et h es m a l lb r o k e nr a t ew h e n s p e e dr a t i oi sb i g ，t h ea n g l eo fk n i 诧d i s hi ss m a l l ，a m p l i t u d ea n df r e q u e n c yi s s m a l l ，t h en u m b e ro fb l a d ei s4 k e yw o r d s ：t h ed u a lc u t t e r ；t h eb a di n c i s i o ns t a t e ；c u t t i n gf o r m a t ： d i s t i n g u i s hs t a n d a r d ；a f f e c t i n gm e c h a n i s m m 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：龟椭 学位论文使用授权说明 川年6 月矽日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 囱即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：希耗席晖 导师签加侮旯细日 双咖：甘蘑切翻置 影响切剖质 的运动掌仿真研究 1 课题的目的及意义 绪论 甘蔗是我国重要的经济作物，既可榨糖食用，又可生产生物能源和饲料，还可以作 为多种工业原料。2 0 0 2 年全国甘蔗种植面积达到近1 4 0 万公顷，种植面积占糖料作物 种植总面积的7 6 6 嘲，种植区域主要分布在广西、广东、云南、海南等省区。近年来 国际市场原料蔗生产成本远远低于我国价格，对我国甘蔗糖业造成了很大冲击。目前， 我国甘蔗收获全部为手工作业，由于甘蔗收获是甘蔗生产中劳动强度最大，生产作业成 本最高的生产环节( 占甘蔗生产人工成本的5 5 ) 嘲，造成了甘蔗人工收获费用是机械 化收获费用的6 7 倍“1 。甘蔗人工收获劳动强度大、生产效率低，严重制约了甘蔗生产 成本的降低。1 。因此，采用机械化收获是降低甘蔗生产成本、提高竞争力的关键所在。 近几年来甘蔗人工收获费用逐年上涨，我国蔗糖业面临巨大竞争压力，实现甘蔗收获机 械化的要求也越来越迫切。并且随着我国甘蔗种植区域逐渐西移，由沿海蔗区向内陆蔗 区移动，水田平原蔗区逐渐减少，丘陵早坡地蔗区逐渐增多，人口密集蔗区逐渐减少， 人口稀疏蔗区逐渐增多。甘蔗糖业现代化和企业化带来甘蔗生产规模不断扩大，呈现连 片大面积甘蔗种植，为甘蔗收获机械化提供了有利条件0 1 。 甘蔗机械化收获的一般工序包括切项、根部切割、剥叶、装卸，而根部切割是甘蔗 机械化收获的重要工序。根部切割器是甘蔗收获机的核心部件。”1 。甘蔗是宿根性植物， 我国是世界甘蔗生产大国“，宿根蔗的种植面积占到甘蔗种植总面积的2 3 以上。宿根 的好坏，直接影响到甘蔗下一季的发芽率，进而影响到甘蔗的产量。有研究表明，收割 机根部切割器的切割质量直接关系到甘蔗收获过程中的甘蔗损失和宿根质量，从而进一 步影响到甘蔗来年的发芽及生长情况“”。因此，在甘蔗收获时应尽量提高甘蔗切割质 量，减少切割损失。 宿根破头率是衡量切割器工作性能的一个重要指标“”。切割一根甘蔗时，甘蔗是否 破头是由切割状态( 一刀、两刀或多刀切断，每刀的切入深度、每刀切入位置的高度差) 、 甘蔗的物理力学特性及切割力大小决定的。实际上切割器在前进连续切割甘蔗的过程 中，甘蔗的切割状态是多种多样的，造成了即使切割器在同一组参数下切割甘蔗，有些 甘蔗破头，有些甘蔗不破头，表明了切割状态对切割破头率有较大的影响。定义坏切割 状态：在影响切割力各因素取优组合条件下，产生切割破头的切割状态称为坏切割状态。 在甘蔗切割过程中产生的坏切割状态个数多，相应甘蔗破头率高。在收割作业时，根部 双圆盘甘蔗切割嚣影响切制质量的运动掌仿真研究 切割器作高速旋转，应用计算机技术进行甘蔗切割仿真可以观察甘蔗动态切割过程，因 此，采用计算机仿真技术，建立甘蔗切割运动学仿真模型并制定相应的计算机坏切割状 态判别标准，定量研究影响切割状态的各因素( 振动因素( 振幅和频率) 、速度比( 刀盘 转速前进速度) 、刀片数量和刀盘倾角等) 对破头率的影响机理，对完善甘蔗收获机械 技术有重要意义。 课题来源于广西壮族自治区科技厅2 0 0 4 年度广西科学基金项目“甘蔗切割器切割 性能影响因素的试验研究”( 项目编号0 4 4 8 0 0 6 ) 。项目类别：应用基础研究专项。同时 它也是国家十五科技攻关计划项目之一甘蔗收获技术体系及装备的研究开发的一部 研究内容。课题的研究重点是制定相应的计算机坏切割状态判别标准，进行运动学仿真 分析，研究影响切割状态的各单因素及双因素对产生坏切割状态个数( 破头数) 的影响机 理。 2 甘蔗收割机切割器的国内外研究与发展概况 2 1 国外的研究与发展概况 国外一些产蔗国家，为了提高劳动生产率，进一步促进甘蔗生产的发展，都在积极 发展甘蔗收获机械化。当前，国外收获机有两种类型：一种是整秆式甘蔗收获机，另一 种是切段式甘蔗收获机。国外的甘蔗生产大国如澳大利亚、美国这些发达国家，种植甘 蔗的地域广阔、平坦，主要发展切段式的大型甘蔗收获机械，机械化程度非常高，普及 率已达1 0 0 “”1 。国外的发展中国家如古巴、巴西等甘蔗种植国家也在大力地推行甘蔗 生产机械化，收获机械化程度已达6 0 9 6 7 0 9 6 。而在日本和东南亚各国则采用整秆式的甘 蔗收获机械，并且机械化程度有了一定的提高。 1 9 9 2 年，泰国的g u p t a c p 等进行了单圆盘根切器试验研究。试验因素为刀片倾角、 刀盘倾角和刀盘转速三个，每个因素取三个水平，进行随机完全区组设计。对试验结果 进行分析，得出了最优参数“。 1 9 9 2 年，日本的o d u o r im f 等研究了单圆盘旋转刀片根部切割器的运动学问题，建 立了刀片刃边运动方程，推导出这种切割器设计的标准不等式。采用计算机图像模拟 了切割边运动，验证了不等式的正确性。研究中主要考虑的是不漏割问题。“。 澳大利亚的s k r o e s 研究了双圆盘根切器的运动学问题，建立了描述双根切器刀片 的运动学模型，给出了不漏割以及避免蔗秆在未切割前接触刀盘的条件，并对甘蔗直径、 行宽和蔗杆倾角对收割机倾角速度的影响进行了讨论。2 “1 。 2 0 0 0 年，澳大利亚的r o b e r t od ac u n h am e l l o 等研究了传统刀片和锯齿刀片切割 2 广西，津硕士掌位馆文双圆盘甘囊 切翻l 影响切翻质量的葺i 动掌仿l 阿兜 过程中造成的切割损坏、质量损失问题、滑切刀片的运动学问题嘲。还对弯角型和锯齿 型刀片降低切割损失、切割力和切割能量的性能进行了实验室试验及高速摄像分析验证 【】 o 美国v a l c ot d 等人进行了水切割甘蔗的研究，结果证明高压水切割在实验室可以 取得成功，但在田间没有合适的前置式产生高压水的装置而不可行哺1 。 2 2 国内的研究与发展概况 国内的甘蔗收获机械发展比较缓慢，从2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初开始研究甘蔗 收获机械，加上历史原因和我国现有生产力水平的制约以及我国甘蔗种植的特点，我国 的甘蔗收获机械没有得到长足发展。虽然已研制出十多种样机如庆丰4 g z 一1 型和 4 g z 3 5 型甘蔗收割机等，但是这些机械在可靠性、地域适应性、造价和切割甘蔗质量 方面等存在不少问题。7 0 年代中期到8 0 年代中期是甘蔗收获机械研究工作最旺盛时期， 全国有广东、广西、福建、海南、云南、四川和湖南等省( 自治区) 的科研所、农场或 农机厂等单位从事甘蔗收获机械研究工作1 。 8 0 年代初，作为甘蔗机械国家重点试验基地的广西农机研究院对甘蔗收割机的切割 性能进行了室内试验研究，但只对影响切割器工作性能的因素( 如刀盘直径、转速、前 进速度等) 进行了一些单因素试验研究0 1 枷，虽然取得了一定的成果，但应用于收割机 后，甘蔗宿根破头率仍然比较高，超过2 0 ，而且也没有对试验数据做出系统的数据处 理及其优化分析。 1 9 9 3 年，范国昌定性的探讨了双圆盘切割器的工作原理及影响因素。文中认为 圆盘刀刃口做成波纹状，提高了刀盘钳住茎杆的能力；刃口开出豁口后可以增加机械力 以钳住茎杆进行切割。锯齿状刃口有利于钳住并刺入茎杆进行切割，抓取能力强，且刃 口有自磨锐性能。 2 0 0 0 年，华中理工大学的杨家军、刘锋、刘喜云等人讨论了切割器在随机激励下的 响应，并基于结构动态设计原理和随机激励下动态设计方法，对切割器进行了动态设计， 得到了切割器结构的动态设计结果o ”。 2 0 0 2 年，杨丹彤通过对甘蔗进行切割阻力的试验测定，得到冲击式切割甘蔗的基本 参数，砍断一根中等直径( m 2 8 m m ) 的糖蔗约需2 4 3 7 n 。通过文献研究，对圆盘式切 割器、螺旋扶蔗器的设计理论和方法进行比较和分析。试验表明，工作效果良好啪1 。 2 0 0 4 年，广西大学的王汝贵以降低宿根破头率为目的，采用田间试验的方法，对其 切割器的工作参数进行了试验研究：探讨了切割速度、刀盘倾角、刀片数量、切割角、 刀片刃角及收割机前进速度对宿根破头率的影响，并建立了相应的数学模型。以计算机 3 双皿盘甘蘑切锏曩l 影响切翻质量的运动摩叶，i l 研究 优化为手段，得到切割器较优工作参数组合：刀盘转速6 8 0 r m i n ，收割机前进速度 0 5 m s ，刀片数量8 把，刀片刃角2 8 5 。，刀片切割角4 5 。，刀盘倾角7 。啪1 。 2 0 0 4 年，华南农业大学的刘庆庭测定了甘蔗茎秆物理力学性能、建立了甘蔗茎秆材 料模型，借助计算机动态三维仿真了切割器工作过程来研究甘蔗收获机械运动学参数匹 配，解释了甘蔗在切割过程中表现出的力学现象，对切割力和甘蔗茎秆破坏进行理论分 析建模并且从理论上建立了切割力学模型来分析甘蔗的切割机理。 2 0 0 5 年，华南农业大学的卿上乐围绕单圆盘切割器切割甘蔗茎杆中存在的根茬破 损、切割损失、功耗三个关键问题，从甘蔗茎杆抗撕裂性能、切割破坏、切割力、切割 功率四个方面进行试验研究m 。 2 0 0 6 年，林茂采用二次回归正交旋转设计的试验方法，模拟甘蔗在湿土和干土里的 固定情况，对双刀盘甘蔗切割器切割甘蔗破头率的影响因素进行了室内物理模拟试验， 运用数理统计、数学建模及计算机优化方法，建立在湿土和干土两种条件下的影响因素 与甘蔗破头率之间的数学模型，对切割甘蔗破头率机理进行了分析，并在湿土和干土综 合条件下，对影响因素进行优化，使甘蔗破头率降至8 1 8 以下”。 3 课题的研究内容及技术路线 3 1 研究内容 建立双圆盘切割器连续切割甘蔗的运动学仿真模型。 研究制定双圆盘切割器的运动学仿真坏切割状态判别标准。 物理模拟试验对运动学仿真模型和坏切割状态判别标准的验证。 研究田面不平度引起甘蔗收割机的随机振动对切割器的影响，获取切割器产生 振动的主要频率及相应幅值。 统计分析及建立主要影响工作性能的单因素及双因素的数学模型( 包括试验数 据处理、数理统计分析、数学建模及检验) 。 影响切割状态的各单因素及双因素对破头率的影响机理的研究。 3 2 技术路线 4 双四盘甘囊 切翻量 影响切割质量的逞动掌仿真研究 4 本章小结 本章主要阐述了课题研究的目的和意义，分析了甘蔗切割器的国内外研究与发展概 况，并明确了本课题的研究内容和技术路线。 双圈, a t 甘1 r r t 扫i p j 囊 影响切翻质4 1 - 的葺动掌仿l 研究 第一章坏切割状态判别标准的制定 宿根破头率是衡量切割器工作性能的一个重要指标“3 】。切割一根甘蔗时，甘蔗是否 破头是由切割状态、甘蔗的物理力学特性及切割力大小决定的。切割器在前进连续切割 甘蔗的过程中，甘蔗的切割状态是多种多样的，造成了即使切割器在同一组参数下切割 甘蔗，有些甘蔗破头，有些甘蔗不破头，表明了切割状态对切割破头率有较大的影响。 在影响切割力各因素取优组合条件下，产生切割破头的切割状态为坏切割状态。在甘蔗 切割过程中产生的坏切割状态个数多，相应破头率高。在收割作业时，由于根部切割器 作高速旋转，连续切割甘蔗的速度快，应用计算机可视化技术进行甘蔗切割仿真可以观 察甘蔗的动态切割过程。因此，可采用计算机仿真技术，建立双圆盘切割器的甘蔗切割 运动学仿真模型；并制定相应的计算机坏切割状态判别标准，为甘蔗切割计算机运动学 仿真过程中的甘蔗破坏提供判别依据。 参考n j 7 9 甘蔗收获机械田闻试验方法标准“”：甘蔗切割时甘蔗破头须使切口 撕裂部分厚度超过5 m m ( 包括表皮) ；根据第四强度理论h 3 1 得出甘蔗切割时距蔗皮5 m m 处的应力大于等于甘蔗临界破坏应力6 7 1 m p a 呻1 时甘蔗破头。 1 。1 甘蔗切割器运动学仿真模型 1 1 1 仿真分析软件a d a m s 简介 机械工程中的虚拟样机技术又称机械系统动态仿真技术，是国际上2 0 世纪8 0 年代 随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程( c a e ) 技术。a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i co fm e c h a n i c a ls y s t e m ) 是权威的机械系统多体动力学仿真分析软 件删。a d a m s 软件包括核心模块a d a m s v i e w 和a d a m s s o l v e r ，以及其他扩展模 块。a d a m s v i e w ( 界面模块) 是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零件 几何图形库、约束库、和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式 图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、x y 曲线图处理、结果分析和数据打印 等功能。 1 1 2 运动学仿真模型的建立 根据广西农机研究院研制的甘蔗切割综合试验台双圆盘切割器的实际结构参数“： 刀盘直径5 7 0 r n m ，两刀盘中心距6 0 0 r n m ，刀盘厚度8 m m ，刀片长度1 0 5 m m ( 有效工作 长度7 5 m m ) ，刀片宽度7 5 r a m ，刀片厚度5 m m ：在地面取甘蔗1 2 株2 列，列间距离4 0 m m ， 6 双圆：甘蔗切翻董l 影响切割质量的墨动掌仿l 衙究 同行相邻两甘蔗距离1 0 5 m m ，两行相邻甘蔗的距离5 0 m m ，直径2 5 r a m 。利用机械系统 动力学仿真分析软件a d a m s 嘧一州m 一蚓，建立双圆盘甘蔗切割器切割过程三维运动学仿 真模型。如图1 - 1 所示为刀片数量为4 把的双圆盘甘蔗切割器模型；图1 2 所示为双圆 盘甘蔗切割器切割甘蔗过程的运动学仿真模型。 图卜1 双圆盘切割器模型图1 - 2 双圆盘切割器切割甘蔗运动仿真模型 f i g 1 - 1m o d e lo f d e a lc u h c l f i g , 1 - 2k i n e m a t i cs i m u l a t i c mm o d e lo f d u a ic u t t e rc u t t i n gs u g a r c a n e 1 2 双圆盘切割器的切割形式 ( a ) 单侧切割( b ) 双侧切割 图卜3 双圆盘切割器的两种切割形式 f i g 1 3t h et w oc r a t i n gs t a t eo fd u a lc u t t e r 图i - 4 多刀切断一根甘蔗 f i g 1 - 4c u to i i es u g a r c a n et h r o u g h m a n yc u t t i n g s 基于已经建立的双圆盘甘蔗切割器的运动学仿真模型，进行切割过程的运动学仿 真，通过观察每根甘蔗被切割后的刀片运动轨迹发现，双圆盘切割器切割甘蔗有两种切 割形式：单侧切割和双侧切割，如图1 3 ( a ) 、( b ) 所示。单侧切割：单侧刀盘刀片切 断一根甘蔗( 切割轨迹线基本平行) ；双侧切割：两刀盘刀片切断一根甘蔗( 切割轨迹 线有一定夹角) 。 7 双圆盘甘蘑切翻l 影响切j 质量的运动掌仿真研完 1 3 双侧切割的切割夹角的确定 双圆盘甘蔗切割器切割甘蔗时有单侧切割和双侧切割两种切割形式。单侧切割形式 切割轨迹线基本平行；对于双侧切割形式，通过改变切割器的速度比( 刀盘转速前进速 度) 测得切割轨迹线夹角范围为6 0 。一7 8 。，为便于分析，在建立甘蔗切割有限元模型 制定双侧切割形式坏切割状态判别标准时，假设切割轨迹线夹角为一固定值，因此通过 有限元分析软件a n s y s 建立甘蔗切割有限元模型，并对模型施加载荷约束进行求解， 在6 0 。一7 8 。之间确定一个切割轨迹线夹角。 1 3 1 大型通用有限元分析软件a n s y s 简介 a n s y s ( a n a l y s i ss y s t e m ) 是一种融结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型 c a e 通用有限元分析软件。它能与多种c a d 软件接口实现数据共享和交换，是现代产 品设计中的高级c a d 工具之一咖“”。a n s y s 软件有着较为丰富的单元库，可针对不同 的问题采用不同的单元类型，也允许用户建立自定义的单元类型。它除了具有通常有限 元分析功能外，还提供了耦合和约束功能，对有限元模型的特殊部位进行处理。其后处 理能力非常强大，可以用来实现位移、应力、应变、梯度场的图像显示、曲线显示和列 表。 1 3 2 甘蔗切割有限元模型 1 3 2 1 甘蔗基本参数 1 甘蔗直径：甘蔗蔗茎平均直径为由2 5 _ 3 m m 嘲1 2 泊松比为o 3 3 嘲 3 带蔗皮甘蔗弹性模量为1 1 7 2 0 m p a “ 1 3 2 2 甘蔗有限元模型的建立 ( a ) 一刀切断甘蔗 ( b ) 两刀切断甘蔗( c ) 多刀切断甘蔗 图i - 5 甘蔗切割状态 f i g 1 5t h ec u t t i n gs t a t eo fs u g a r c a n e 8 广西大摩“曩士掌位论文双田l 甘羹切韵嚣影响切铜质量的强；动掌仿真研究 甘蔗切割时存在一刀、两刀或多刀切断，如图卜4 、图1 - 5 所示，而两刀和多刀切断 较易产生破头。如图1 - 4 所示，切口4 比切口2 、切口3 的切割深度大，所以第4 刀比 第2 刀和第3 刀的切割力大嘲1 ，而且切口4 与切口1 之间的高度差比切口2 、切口3 与 切口1 的高度差大；假设第2 刀或者第3 刀切割时使甘蔗在切口1 的截面上产生破坏， 第4 刀切割也会使甘蔗产生破坏，同理，假设第3 刀切割时使甘蔗在切口2 的截面上产 生破坏，第4 刀切割也会使甘蔗产生破坏。因此制定判别标准时将多刀切断简化为两刀 切断。在两刀切断的模型中，为便于进行量化分析，模型用第一刀切割后的剩余深度和 两刀的切割高度差来描述。第一刀在下且具有一定剩余切割深度，设定剩余切割深度范围 为5 2 0 m m ；第二刀切断甘蔗，由于刀片切入甘蔗茎秆一半时切割力达到最大”， 因此将第二刀的单位切割力作用在切割深度为半径的横截面上，如图l ，6 所示。 刀 ( a ) 俯视图 ( b ) 正视图 图1 - 6 甘蔗有限元模型 f i g 1 - 6t h ef r u i t yc e l lo fs u g a r c a n ec u t t i n g 甘蔗切割力经验公式为： 。 p t - ( o 1 4 9 6 一o 0 0 1 5 2 印) w + ( 1 0 6 7 6 一o 0 0 1 5 2 1 f ) 一o 8 9 0 4 a( 1 1 ) 式中：r 一单位切割力，n m 2 ； 1 i ，一过渡切削角，度； 口一滑切角，弧度； 矿一切割速度，m s 。 把综合优化参数掣一5 。，口一1 7 玎1 8 0 ，v 一2 5 2 2 m s “”代入上述单位切割力经验公式 计算得单位切割力为4 3 7 7 1 5 3n m 2 。 采用a n s y s 建立甘蔗切割有限元模型。由于考虑第一刀切口的剩余切割深度及两 刀切入位置的高度差，因此在建立甘蔗切割有限元模型时定义两个参数“深度”和“高 度差”，范围分别为5 2 0 m m 、3 2 5 m m ；单元类型选择“s o l i d ”中的“b r i c k 8 n o d e 4 5 ”， 9 双四主- 1 1 - 切割量h 眵响切翻质 的逞动掌仿1 0 研究 设置材料参数如图1 7 所示。通过在工作窗口拾取点创建甘蔗实体( b yp i c k i n g ) ，甘蔗 实体由两刀切割，第一刀切口在下且具有一定剩余切割深度，第二刀切口深度为甘蔗直 径的一半，两刀有一定切割夹角，如图1 - 6 所示为两刀有一定切割夹角的甘蔗切割有限 元模型。 将以上所有定义的数据按照定义命令流方式写入一个1 0 9 文本文件中，生成命令 流文件。在命令流文件中修改“深度”和“高度差”参数，方便定量分析研究。 对以上模型施加载荷约束进行求解，得到模型在夹角范围内某一方向距蔗皮5 m m 某点处的应力分布情况，如图1 8 所示。 图1 - 7 甘蔗材料参数设置 f i g 1 - 7 t h e m a t e r i a l p a r a m e t e rs e t t i n g o f s u g a r c a n e 图卜8 应力分布情况 f i g 1 - 8t h es t r e s sd i s t r i b u t i o n 1 3 3 确定切割夹角 基于已经建立的甘蔗切割有限元模型，使两刀间的切割高度差及切割剩余深度为一 固定值，从6 0 。开始，以5 。为进给量，对以上模型施加载荷约束进行求解，得到模型 在夹角范围内同一方向距蔗皮5 r a m 某点处的应力分布情况基本相等，因此在建立甘蔗 切割有限元模型时，两刀盘切割夹角取7 0 。，如图1 - 6 所示。 1 4 坏切割状态判别标准的制定 1 4 1 数据处理软件s p s s 简介 s p s s l 0 0 ( s t a t i s t i c a lp a c k a g ef o rt h es o c i a ls c i e n c e ) 通常称为社会科学统计软件包，是 美国s p s s 公司推出的在p cw i n d o w s 下进行数据整理与分析的一种工具，是世界著名 的统计分析软件之一。使用s p s s 可以对时间序列和非时间序列的数据进行描述性统计、 均值比较、一般线性模型、相关分析、回归分析、聚类分析、生存分析等。s p s s 也有 专门的绘图系统，可以根据数据绘制各种图形。“。 广西大掌硕士掌位论文 双圆盘甘蘑切割罄影响切割质4 1 - 的簟i 动掌仿真研究 1 4 2 判别标准制定方法 双圆盘切割器切割甘蔗有两种切割形式：单侧切割和双侧切割。单侧切割形式与切 割过程中单圆盘切割器切割甘蔗形式相同，故在双圆盘切割器切割甘蔗过程的运动学仿 真中，出现单侧切割形式时使用同课题组吕勇同学所制定的单圆盘甘蔗切割器切割甘蔗 的坏切割状态判别标准进行判定。双侧切割形式是双圆盘甘蔗切割器切割甘蔗的特有形 式，以下主要是针对双侧切割形式制定判别标准。 1 4 2 1 双侧切割形式判别标准 甘蔗平均直径为巾2 5 _ _ _ 3 m m 叫，为使判别标准更具有普遍性，基于以上双侧切割形 式以及甘蔗切割有限元模型建立方法，令切割甘蔗两刀夹角为7 0 。，分别建立甘蔗直径 为2 2 r a m 、2 5 m m 、2 8 r a m 的切割有限元模型，两刀高度差范围为3 2 5 m m ，第一刀切 割剩余深度范围为5 2 0 m m ，两刀高度差和第一刀切割剩余深度均以0 1 m m 为进给量， 施加载荷约束进行求解，得出模型的等效应力分布情况。根据第四强度理论找出距蔗皮 5 m m 处最大应力等于甘蔗临界破坏应力6 7 1 m p a “”时的两刀高度差和第一刀剩余切割 深度的组合，三种直径的临界状态数据组合分别如表1 - 1 、表1 2 、表1 3 所示。 表1 - 1 甘蔗直径为2 2 r a m 的临界状态数据组合 t a b l e1 - 1t h ec o m b i n e dd a t ao f c r i t i c a ls t a t ew h e nd i a m e t e ri s2 2 m m ( x ：第一刀剩余切割深度；y ：两刀切割高度差) 表1 - 2 甘蔗直径为2 5 m , 的临界状态数据组合 t a b l e1 - 2t 五cc o m b i n e dd a t ao fc r i t i c a ls t a t ew h e nd i a m e t e ri s2 5 m i l l ( x ：第一刀剩余切割深度；y ：两刀切割高度差) 广西大掌司| 士掌位论文 双硼盘甘：t l t - 切目- i i - t t ；响切割质量的运动掌仿真研究 表卜3 甘蔗直径为2 8 m 的临界状态数据组合 t a b l e1 - 3t h ec o m b i n e dd a t ao fc r i t i c a ls t a t ew h e nd i a m e t e ri s2 8 r a m ( x ：第一刀剩余切割深度；y ：两刀切割高度差) 1 4 2 2 结果回归分析 在s p s s ( s t a t i s t i c a lp a c k a g ef o r t h es o c i a ls c i e n c e ) 分析软件中，回归分析提供了5 种建立回归方程的方法删。向后剔除( b a c k w a r d ) 回归分析法是一种变量选择方法， 首先让所有的自变量进入回归方程中，然后逐删除它们。删除变量的判决标准是预先 双皿盘甘蘑切翻影响切制质 的罨动掌仿真研究 设定的p 值( 即f 检验的实际显著水平值) 。在删除过程中，和因变量之间有最小的偏 相关系数的自变量将会首先考虑被删除。如果一个变量满足被删除的条件那么它就被删 除掉，在删除了第一个变量之后，重求回归方程，再进行检验，然后删除符合条件的最 小一个偏相关关系的变量，直到线性回归模型中剩下自变量中再也没有满足删除条件的 自变量时为止。 运用s p s s 分析软件，采用上述向后剔除回归方法对表1 - 1 、表1 2 、表l o 数据进 行四次线性回归分析处理“1 ，得到回归分析统计表如附录一所示，从中可得出最优回 归模型。各指标的最优回归方程如下所示： 竞= 6 2 1 5 + 0 0 3 2 3 5 x 2 ( 1 - 2 ) 夕2 - = 3 3 5 8 + 0 0 6 5 8 3x 2 - - 0 0 0 0 ( 0 5 5x 4 ( 1 3 ) 虫= 1 6 1 3 8 2 3 3 4 x + 0 2 1 2 x 2 - - 0 0 0 0 1 7 9 x 4 ( 1 4 ) 式( 1 - 2 ) 、( 1 - 3 ) 、( 1 - 4 ) 分别为双侧切割形式下甘蔗直径为2 2 m m 、2 5 m m 、2 8 r a m 的两刀高度差和第一刀剩余切割深度之间的回归方程。 1 4 2 3 回归方程及其系数的显著性检验 利用s p s s 统计分析软件，对双侧切割形式的三个回归方程及回归系数进行显著性 检验，结果如表1 - 4 、1 - 5 所示。 由表1 4 可知，双侧切割形式的三个回归数学模型在0 0 0 0 水平上高度显著。由表 1 - 5 可知，三个回归数学模型的各项系数均达到较为显著水平。表明双侧切割形式的三 个回归数学模型式( 1 - 2 ) 、( 1 - 3 ) 、( 1 - 4 ) 具有较高精度。 表卜4 回归方程显著性检验表 方差来源平方和 自由度均方标准差 s i g 回归1 5 1 4 0 7l1 5 1 4 0 7 y 1 剩余 3 3 4 2 l l0 3 0 40 5 5 1o 0 0 0 总和1 5 4 7 4 9 1 2 回归4 9 5 3 4 322 4 7 6 7 2 ) ，： 剩余1 胂4 1 38 1 4 8 e 0 2 0 2 9 00 咖 总和 4 9 6 4 3 81 5 广西大掌硬士掌位论文双豳盘甘蔗切翻量l 影响切劓质量的葺l 动掌仿真研究 回归 3 9 6 2 4 l31 3 z 咖 咒 剩余1 0 3 41 00 1 0 30 3 2 2 0 0 ( 总和3 9 7 z 7 51 3 表1 - 5 回归系数显著性检验表 t a b l e1 - 5s i g n i f i c a n c el e v e lt e s tt a b l eo f r e g r e s s i o nc o e f f i c i e n t s 项目 髓熟。6 | 。屯川 只 ； 0 0 0 0 | s i g ) ，2 | 0 0 0 0 0 0 0 0 只 0 0 0 20 0 0 00 0 0 0 1 4 3 判别标准制定总结 1 4 3 1 双侧切割形式判别标准 g 宦 、 j i j 】j 桓 r 窿 切割剩余深度x r a m ( a ) 妒一2 2 r a m 吕 号 h 躺 键 r 匿 切割剩余深度x r a m ( b ) 西一2 5 m m 笛 萋” 驴 蕞” 51 01 5 切割剩余深度x r a m ( c ) 西；2 8 ，l 珊 图卜9 双侧切割形式坏切割状态判刺标准曲线 f i g 1 9t h ed i s t i n g u i s hs t a n d a r dc u r v eo ft h eb a di n c i s i o ns t a t eo nd o u b l ec u t t i n gs t a t e 利用m a t l a b 工程应用软件，分别对式0 - 2 ) 、( 卜3 ) 、( 卜4 ) 进行计算机模拟计算， 模拟结果如图1 - 9 所示，同时在图卜9 中作出了两刀高度差和第一刀剩余切割深度l 临界状 态数据组合的散点图。图中y ，、y ：、y 3 为双侧切割形式下甘蔗直径分别为2 2 r a m 、2 5 r m 、 2 8 m 的回归方程所对应的y 值( y 为两刀切入位置的高度差，x 为切口的剩余切割深度) 。 图中高于各曲线并包括曲线在内的区域为各条件下的坏切割状态区域。 1 4 3 2 单侧切割形式判别标准 在双圆盘切割器切割甘蔗过程的运动学仿真中，出现单侧切割形式时使用同课题组 1 4 双豳；甘蘑切割l 影响切刳质量的篮l 动掌仿真研究 吕勇同学所制定的单圆盘甘蔗切割器切割甘蔗的坏切割状态判别标准进行判定。单侧切 割形式判别标准的回归方程为： 童- - - - - 4 3 1 3 + 0 4 0 2 x + 0 0 2 0 5 1 善2 ( 1 - 5 ) ；：= 3 8 8 04 - 0 4 8 3 x4 - 0 0 0 0 5 3 6 6 x 3 ( 1 - 6 ) 毛= 2 3 2 1 + 0 8 8 5 x - - 0 0 3 3 3 x 2 + 0 0 0 0 9 1 9 7 x ( 1 - 7 ) 式( 1 - 5 ) 、( 1 - 6 ) 、( 1 - 7 ) 分别为单侧切割形式下甘蔗直径为2 2 r a m 、2 5 r a m 、2 8 r a m 的第一刀剩余切割深度和两刀高度差之闻的回归方程。 单侧切割形式的三个回归数学模型在0 0 0 0 水平上高度显著，其各项系数均达到较 为显著水平，表明单侧切割形式的三个回归数学模型式( 1 5 ) 、( 1