全自动甘蔗剥叶装置的设计

全自动甘蔗剥叶装置的设计

0剥叶元件的结构甘蔗叶片提取是甘蔗整茎收获过程中的一个重要组成部分。剥叶质量直接决定了甘蔗的收获质量。含杂率、茎秆折断率、伤皮率较高及剥叶元件寿命偏低、易折断等问题是目前制约甘蔗剥叶装置的发展的最主要问题。我国甘蔗剥叶装置主要采用离心撞击式原理,其机构主要为对置的输入输出辊筒和剥叶辊筒。剥叶元件以一定的方式安装在剥叶辊筒上,工作时,剥叶元件随着辊筒高速旋转而对甘蔗产生撞击、挤压、摩擦和撕扯作用,从而使蔗叶脱落。剥叶元件一般采用钢丝绳、橡胶、胶指和尼龙等材料。在工作过程中,由于装置自身结构的限制,剥叶装置往往对不同直径大小、不同弯曲程度的甘蔗适应性不好,导致含杂率和茎秆折断率偏高。剥叶元件在这个过程中承受着较大冲击力和摩擦力,发生较大的弯曲变形。钢丝绳和胶指式剥叶元件容易从根部发生折断,而橡胶、尼龙式剥叶元件则在耐磨性上表现不足。本文设计了输入输出辊间隙仿形、各级转速受控式甘蔗剥叶装置,并选用3种高强度、高耐磨性、韧性好的材料制作刷式剥叶元件。通过对比试验确定剥叶性能最好的元件材料,并进一步通过正交试验研究装置的输入输出辊转速、第1级剥叶辊转速、第2级剥叶辊转速对剥叶质量的影响,确定装置的最优工作参数,为与该装置配套的整秆式甘蔗联合收获机的设计提供依据。1测试装置的设计1.1装置总体结构该剥叶试验装置主要由输入输出辊、第1级剥叶辊、第2级剥叶辊组成,分别由3个电机控制转速,上、下辊之间通过4个齿轮传动。其中,4个齿轮模数、齿数完全相同,上下辊转速相同,转向相反。输入辊与输出辊靠链条传动,用1台电机提供动力。两级剥叶辊各用1台电机,上下辊之间的传动齿轮安装在两个固定的齿轮箱中,齿轮箱体与装置侧板固定连接。装置总体结构如图1所示。装置整体遵守紧凑性原则,考虑到安装剥叶元件位置,上下辊轴距为216mm,前后轴距设计为250mm。1.2输出辊与机座接收方式转变其结构如图2所示。上、下辊通过4个齿轮传动。其中,齿轮2、3、4轴心固定,齿轮3浮动,齿轮4轴与齿轮1轴之间安装有一个连接杆套,使得齿轮3可同时完成自身转动和绕齿轮4圆周运动。连接杆套转动幅度可达30°,对应上、下输入输出辊筒边缘间距范围为11~60mm。输入输出辊上辊两端分别通过弹簧与机座连接。由于甘蔗个体性状的不同,直径大小有一定的差别。剥叶装置要求输入输出辊既能保证不同直径大小的甘蔗能通过该装置,还要对甘蔗提供足够的压紧摩擦力。当甘蔗开始喂入该装置时,输入辊上辊被甘蔗顶至一定高度以适应甘蔗通过。输入辊上辊两端分别通过弹簧与机座底端连接,上辊的自重和弹簧的拉力为甘蔗提供了足够的压紧力。橡胶辊上加工有凹槽,对增大摩擦力有一定的作用。1.3调试部分3台提供动力的电机分别由3个变频器控制转速,通过改变频率使电机达到预定转速区间。1.4剥叶元件材质的确定剥叶装置工作时,剥叶刷承受着较强的冲击力、摩擦力以及扭转力矩,很容易发生磨损和折断。这就要求剥叶元件材料有较强的力学性能。高分子材料综合力学性能良好,是较为理想的选择。根据剥叶元件对强度、疲劳强度、耐摩擦性的高要求,选择了聚甲醛、PP、高强度尼龙3种高分子材料。通过剥叶对比试验检验其剥叶性能和元件自身损耗,选择最适合剥叶元件的材质。由前期试验得知,排刷式剥叶元件的剥叶效果较胶脂片式更为理想。刷式结构更有利于穿透、撕裂蔗叶,降低蔗叶与蔗茎的连接强度。设计的排刷式剥叶元件如图3所示。按图3加工剥叶刷后,由压力机对圆管进行压实,然后加工定位孔,并用螺栓将剥叶刷固定在剥叶刷幅板上。2测试2.1材料表面采用广西壮族自治区甘蔗研究所2011-2012年榨季种植的甘蔗,种植行距1100mm,试验所用甘蔗为当日人工收割,蔗叶包裹完整。2.2设备甘蔗剥叶装置试验台,变频器3台(希望森兰科技股份有限公司生产的SB70系列)布置于配电柜中,台秤2台。2.3测试指标以含杂率(Jh)、茎秆折断率(Zd)作为试验指标。2.4比较了叶片提取材料的试验2.4.1安排每剥叶元件的工作总量为了保证3种材料剥叶元件所有工作参数一致、工作量相同的情况下,考查3种材料的自身损耗情况和剥叶效果。因此,安排每种剥叶元件在工作总量同为300根前提下,分别在一定的转速下完成一定的工作量。根据前期试验,输入输出辊转速为250r/min,剥叶辊转速设定在1700、2000、2300r/min3个级别,两级剥叶辊转速保持相同。2.4.2转速对含杂率的影响经过定量试验后,从剥叶元件情况看,聚甲醛剥叶元件折断情况比较严重,主要从剥叶刷受力最大、最复杂的根部折断。由此可得出:聚甲醛材料韧性相对不足,抗弯刚度偏小;PP剥叶元件磨损情况比较严重,主要为刷丝头部毛刺、开岔,表明PP材料的疲劳强度在高转速下已达到极限;尼龙材料的损耗甚微,试验前后外观上无明显差别,没有出现明显的折断和磨损情况。从剥叶质量上看,分析试验结果数据得出,转速对含杂率的影响在3种剥叶元件上都表现出一定的线性关系:聚甲醛和高强度尼龙的这种线性关系更为明显,随着转速的提高,含杂率下降明显,都在最高转速的情况下取得最小值,但高强度尼龙含杂率的值整体要远小于聚甲醛的;PP丝的剥叶含杂率要优于聚甲醛,在低转速区间内接近于高强度尼龙,但在高转速区间内时,PP丝的剥叶含杂率要比高强度尼龙高,随转速提高降低幅度有限。因此,PP丝在高转速区间力学性能无法满足要求,因受力增加而产生的塑性变形造成不能对甘蔗产生足够的打击力和摩擦力。表1、表2给出了试验结果。经过分析得出,当剥叶辊转速达到高转速区间时,剥叶元件对甘蔗的打击力过大,进而造成剥叶元件发生较大的变形,使得对蔗叶脱落起主要作用的摩擦力出现下降的趋势。而高强度尼龙的出色力学性能克服了这一缺点,含杂率值也小于其他两种材料。由以上试验结果可得出,选用高强度尼龙作为剥叶元件。2.5叶片剥皮性能正交试验2.5.1叶辊转速对叶辊含杂率的影响以输入输出辊转速、第1级剥叶辊转速、第2级剥叶辊转速为3个因素,以折断率、含杂率为指标,进行三因素三水平的正交试验。每个因素的三水平都是根据前期单因素试验效果确定,如表3所示。2.5.2试验结果表4给出了试验组合及其结果。3运行参数优化试验1)由3个因素的极差大小关系可看出,对折断率的影响因素由主到次顺序为第2级剥叶辊转速、输入输出辊转速、第1级剥叶辊转速;对含杂率的影响因素由主到次顺序为输入输出辊转速、第1级剥叶辊转速、第2级剥叶辊转速。2)折断率的最优参数组合为A1B1C2,含杂率的最优参数组合为A1B2C3。由此看出,输入输出辊转速取在254r/min时,折断率和含杂率都达到较好的水平。而第1级剥叶辊转速在1150r/min和1440r/min两水平时对含杂率影响差别不大,而对折断率的影响有一定的差距。所以第1级剥叶辊转速取1150r/min;第2级剥叶辊转速在2000r/min和2300r/min时对折断率和含杂率影响都比较大.考虑到含杂率对剥叶效果影响较大。所以第2级剥叶辊速度取2300r/min,即优化后参数组合为A1B1C3。按照这一参数进行试验,得到含杂率为3.1%,折断率为12.5%,剥叶质量符合剥叶机作业的性能指标。3)由于刷丝的结构和材料性能,试验中没有造成甘蔗伤皮,剥叶后的甘蔗可较长时间的存放。4试验过程的试验结果1)经过试验,证明设计的输入输出辊间隙仿形、各级转速受控式剥叶装置具有良好的剥叶性能,在最优参数组合下含杂率为3.1%,折断率为12.5%。选用的材质满足了剥叶元件所需的力学要求和使用寿命要求,试验过