【摘要】：甘蔗是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物和生物燃料原材料,在我國南方尤其是廣西、廣東、云南和海南等地區(qū)廣泛種植。甘蔗機(jī)械化收獲技術(shù)可以大大提高生產(chǎn)效率、降低收獲成本和勞動(dòng)強(qiáng)度。目前我國使用的甘蔗聯(lián)合收割機(jī)以切段式為主,整稈式為輔。切段式甘蔗收割機(jī)在切段過程中存在蔗段破損及蔗糖損失嚴(yán)重等問題,而整稈式甘蔗收割機(jī)作業(yè)效率低、適應(yīng)性較差,收獲后的甘蔗含雜率較高(主要雜質(zhì)為蔗葉、葉鞘和尾梢),兩種聯(lián)合收割機(jī)的收獲質(zhì)量都亟需改善。本論文結(jié)合我國南方蔗區(qū)的甘蔗種植模式和生產(chǎn)體制,在甘蔗理化特性及切割力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù),對切段式甘蔗收割機(jī)的切段系統(tǒng)、整稈式甘蔗收割機(jī)的剝?nèi)~機(jī)構(gòu)和斷尾機(jī)構(gòu)進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究,確定了切段系統(tǒng)、剝?nèi)~機(jī)構(gòu)和斷尾機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù),為甘蔗聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持,具有重要的參考價(jià)值。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)甘蔗莖稈切割力學(xué)特性研究。對比了兩種甘蔗(糖蔗和果蔗)的物理形態(tài)特性、微觀結(jié)構(gòu)特征、化學(xué)成分和切割特性的差異性,并分析了理化特性和切割特性之間的相關(guān)性。結(jié)果表明,甘蔗節(jié)點(diǎn)、節(jié)間和表皮的微觀結(jié)構(gòu)、物理特性和化學(xué)成分由于品種和取樣位置等的不同存在顯著差異,并導(dǎo)致各部位峰值切割力不同。(2)切段式甘蔗收割機(jī)切段系統(tǒng)的優(yōu)化及仿真分析。在莖稈切割力學(xué)特性研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了切段式甘蔗收割機(jī)切段系統(tǒng)。采用Box-Behnken試驗(yàn)方案研究了切段輥筒轉(zhuǎn)速、上下切段刀片重疊量和切刀刃角三個(gè)因素對甘蔗切段質(zhì)量和切段功耗的影響規(guī)律并建立回歸模型,獲得最佳作業(yè)參數(shù)為:刀片重疊量2 mm,切刀刃角21.8?,切段輥筒轉(zhuǎn)速200-250 r/min;通過高速攝像系統(tǒng)捕捉莖稈的切段過程并運(yùn)用動(dòng)力學(xué)軟件分析莖稈的運(yùn)動(dòng)狀況,結(jié)果表明莖稈速度波動(dòng)隨切段輥筒轉(zhuǎn)速的升高而增大,導(dǎo)致更大的莖稈損傷,收獲過程中應(yīng)保持甘蔗穩(wěn)定、低速輸送;運(yùn)用三維設(shè)計(jì)和有限元分析軟件建立了甘蔗—切刀有限元模型并對切段過程進(jìn)行仿真,分析了莖稈和切段刀片在作業(yè)過程中的應(yīng)力變化,獲得切段刀片的切割力變化曲線。(3)整稈式甘蔗收割機(jī)剝?nèi)~機(jī)構(gòu)的仿真分析及試驗(yàn)研究。通過建立甘蔗剝?nèi)~仿真模型分析了莖稈和剝?nèi)~元件在剝?nèi)~過程中的相互作用過程、二者的應(yīng)力變化以及莖稈的受力情況。虛擬單因素試驗(yàn)結(jié)果表明:莖稈所受最大應(yīng)力隨喂入輥筒轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大,隨剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速和交錯(cuò)深度的增大不斷增大;在仿真分析的基礎(chǔ)上建立了甘蔗剝?nèi)~試驗(yàn)臺(tái),采用Box-Behnken試驗(yàn)方案研究了關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)對未剝凈率的影響規(guī)律并獲得最佳作業(yè)參數(shù)為:喂入輥筒轉(zhuǎn)速250 r/min,剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速540 r/min,莖稈與剝?nèi)~元件交錯(cuò)深度13.9 mm以及喂入量1.68根,此時(shí)未剝凈率為2.2%;通過高速攝像試驗(yàn)分析了葉鞘的剝離過程以及莖稈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。結(jié)果表明,增大輥筒轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致莖稈輸送速度波動(dòng)較大,易導(dǎo)致莖稈折斷。(4)整稈式甘蔗收割機(jī)斷尾作業(yè)參數(shù)優(yōu)化及斷尾過程仿真分析。根據(jù)甘蔗尾部抗彎曲、抗變形和抗沖擊等機(jī)械強(qiáng)度顯著低于根部和中部的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種抗浮動(dòng)式斷蔗尾機(jī)構(gòu)。采用Central composite試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案研究了關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)對莖稈斷尾率、未折斷率和斷尾功耗的影響規(guī)律,獲得最佳作業(yè)參數(shù)為:輸送輥筒轉(zhuǎn)速305 r/min、斷尾輥筒轉(zhuǎn)速520r/min、上下斷尾元件交錯(cuò)角度14°及斷尾元件間距10 mm,理論斷尾率為85%,未折斷率為83%,斷尾功耗為690 W;高速攝像試驗(yàn)結(jié)果表明,在最優(yōu)參數(shù)組合下,莖稈的輸送速度大致在3.0-4.5 m/s范圍內(nèi)波動(dòng);最后聯(lián)合運(yùn)用SolidWorks、ADAMS和ANSYS軟件建立了甘蔗—斷尾機(jī)構(gòu)剛?cè)狁詈夏Ｐ?對斷尾過程中莖稈的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。斷尾過程中莖稈質(zhì)心在豎直方向上的位移波動(dòng)范圍為-85.28-87.38 mm,速度波動(dòng)范圍為-32821.16-18082.80 mm/s。莖稈所受斷尾元件的最大打擊合力為807.68 N,豎直方向上的最大打擊力為547.04 N。(5)整稈式甘蔗收割機(jī)剝?nèi)~斷尾系統(tǒng)轉(zhuǎn)速優(yōu)化。建立了一種具有碎葉功能的整稈式甘蔗收割機(jī)剝?nèi)~斷尾裝置。采用正交試驗(yàn)結(jié)合綜合平衡法獲得較優(yōu)作業(yè)參數(shù)為:喂入輥筒轉(zhuǎn)速、碎葉輥筒轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速和斷尾輥筒轉(zhuǎn)速分別為200、500、600和500 r/min。對比試驗(yàn)結(jié)果表明碎葉機(jī)構(gòu)對未剝凈率的改善效果較明顯,但也會(huì)對莖稈表皮造成損傷。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：S225.53

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本文編號(hào)：2717284