基于虛擬仿真的小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義甘蔗作為熱帶地區(qū)的主要經濟作物之一，在全球范圍內廣泛種植，為食糖生產提供了重要原料。我國是甘蔗種植大國，甘蔗種植主要集中在廣西、云南、廣東等南方省份，這些地區(qū)的甘蔗種植面積和產量在全國占據重要地位，并且我國甘蔗糖占據了食糖總產量的88%，糖業(yè)的發(fā)展不僅關乎農民的收入，也直接影響到國家的食糖安全。甘蔗的收獲方式主要分為手工收割和機械收割兩種。在過去，手工收割是主要的收獲方式，然而，這種方式存在著諸多弊端。手工收割甘蔗勞動強度極大，需要大量的人力投入。隨著農村勞動力向城市轉移和老齡化現(xiàn)象的日益嚴重，我國農業(yè)收割勞動力短缺的問題日益突出，傳統(tǒng)的手工收割方式已難以滿足現(xiàn)代化農業(yè)的需要，并且人工成本不斷攀升，使得甘蔗收獲成本大幅增加。據相關數據顯示，在一些地區(qū)，人工砍蔗收獲成本已上升到80元/t以上，占甘蔗生產成本的1/3。此外，手工收割效率低下，嚴重影響甘蔗的及時收獲和后續(xù)加工，制約了甘蔗產業(yè)的發(fā)展。為了解決這些問題，機械收割應運而生，它是提高甘蔗收割效率和降低成本的重要途徑。機械收割能夠大幅減少人力投入，提高收割效率，降低勞動強度，使甘蔗能夠及時收獲并投入加工。然而，目前市場上的甘蔗收獲機主要以大型機械為主。大型甘蔗收獲機雖然在大面積、平坦地形的蔗田作業(yè)中具有較高的效率，但對于小型種植戶來說，存在諸多限制因素。一方面，大型機械配置昂貴，購買成本高，對于經濟實力有限的小型種植戶而言難以承受；另一方面，大型機械的維護成本也很高，需要專業(yè)的技術人員和設備進行維護保養(yǎng)，這增加了小型種植戶的使用難度和經濟負擔。此外，小型種植戶的蔗田往往面積較小、地形復雜，大型機械在這些蔗田作業(yè)時，轉彎半徑大，操作不便，無法充分發(fā)揮其優(yōu)勢，甚至可能無法正常作業(yè)。針對小型甘蔗種植戶的特殊需求，開發(fā)一種小型、便攜、簡易的甘蔗收獲機具有重要的現(xiàn)實意義和市場前景。小型甘蔗收獲機能夠更好地適應小型種植戶的蔗田條件，如小塊蔗地、復雜地形等，具有靈活性高、操作簡便等優(yōu)點。然而，小型甘蔗收獲機在作業(yè)過程中需要完成剝葉、切斷、切段、集蔗等一系列動作，要保證作業(yè)效率和收獲質量，需要對其剝葉與集蔗機構進行優(yōu)化設計。剝葉機構直接影響甘蔗的剝葉效果，若剝葉不徹底，會導致甘蔗含雜率過高，影響后續(xù)的加工和產品質量；集蔗機構則關系到甘蔗的收集效率和收集質量，若集蔗效果不佳，會造成甘蔗散落、損失，降低收獲效率。虛擬仿真技術是一種有效的優(yōu)化設計手段。通過建立貼近實際的數學模型，能夠快速評估機構的設計方案，預測機構的性能，并優(yōu)化設計方案。在小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的設計過程中，應用虛擬仿真技術，可以在設計階段就對不同的設計方案進行模擬分析，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，避免在實際制造和試驗過程中進行大量的修改和調整，從而大幅提升設計效率和降低成本。例如，通過虛擬仿真可以分析剝葉機構的剝葉元件參數、運動參數等對剝葉效果的影響，找到最優(yōu)的設計參數組合；對于集蔗機構，可以模擬其在不同工況下的集蔗過程，優(yōu)化機構的結構和傳動方式，提高集蔗效率和可靠性。同時，虛擬仿真還可以為實物試驗提供指導，明確試驗的重點和方向，減少試驗次數，提高試驗效率。對小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構進行虛擬仿真分析及試驗研究，不僅有助于實現(xiàn)小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的精細化設計和關鍵技術研究，提高機構的作業(yè)效率和收獲質量，進而提高機械收割的普及率，推動小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的科學化和智能化發(fā)展；而且對于降低小型種植戶的甘蔗收獲成本，提高其經濟效益具有重要意義；此外，還能夠推動小型農機的產業(yè)發(fā)展，促進鄉(xiāng)村振興和農村經濟的快速發(fā)展，為我國甘蔗產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。1.2國內外研究現(xiàn)狀甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的研究在國內外都受到了廣泛關注，相關技術不斷發(fā)展和改進。國外在甘蔗收獲機領域起步較早，技術相對成熟，尤其是在大型甘蔗收獲機方面。美國、巴西、澳大利亞等甘蔗種植大國，由于其甘蔗種植規(guī)模大、土地平坦開闊，非常適合大型機械作業(yè)，因此在大型切斷式聯(lián)合收獲機的研發(fā)和應用上處于領先地位。這類收獲機工作時，先利用切梢機構切除甘蔗頂部不含糖分的尾梢，同時底部刀盤切割甘蔗根部。隨著機器前行，割倒的甘蔗被喂入切斷裝置切成20-30cm的段狀，再由輸送裝置拋送至運蔗車。在這一過程中，蔗莖切段使得絕大多數蔗葉分離，大功率軸流式風機將蔗葉吹出機體，完成剝葉。例如，澳大利亞的一些大型甘蔗收獲機，其作業(yè)效率極高，每小時可收獲甘蔗數十噸，大大提高了甘蔗收獲的效率，降低了人工成本。然而，這種大型切斷式聯(lián)合收獲機也存在一些局限性。一方面，其所需機組功率消耗大，對能源的需求較高，增加了使用成本；另一方面，對田間地貌要求苛刻，在地形復雜、地塊較小的區(qū)域難以施展，適用性受限。并且，收獲后的甘蔗含雜率較高，通常在7%-15%之間，需要后續(xù)進一步處理，影響了甘蔗的品質和加工效率。針對亞洲國家蔗區(qū)多山地與丘陵地形、種植規(guī)模小且地塊分散的特點，日本在20世紀70年代開始研制甘蔗剝葉機，并發(fā)展了分段收獲機械。其代表機型鋼絲繩式甘蔗剝葉機，轉速為800r/min，通過旋轉鋼絲繩打擊沖刷蔗莖去除蔗葉，收獲的甘蔗含雜率為2%-4%，相對較低。目前，日本的剝葉機有配套手扶拖拉機式和手推式兩種形式，并且在剝葉元件材料研究方面取得了一定成果，典型機型BMC-250型剝葉機經過近30年的改進與發(fā)展，技術已較成熟，但應用范圍仍有待進一步擴大。印度旁遮普農業(yè)大學在20世紀90年代研制出輥筒抓取式剝葉機，采用滾筒抓取的方式進行剝葉，為甘蔗剝葉技術的發(fā)展提供了新的思路。國內對于甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的研究也在不斷推進。我國甘蔗產區(qū)主要集中在兩廣、福建、云南、海南等地，蔗田多為丘陵地形，地塊不成片，甘蔗種植不規(guī)則，田間管理不夠科學，甘蔗長勢參差不齊，且農村甘蔗種植在山區(qū)較多，蔗地海拔高差大，運輸道路坡度大，這些因素對甘蔗收獲機械的作業(yè)和運輸都非常不利，使得小型甘蔗收獲機更具應用前景。在剝葉機構方面，國內生產的剝葉機或剝葉裝置一般采用離心撞擊摩擦式，主要由輸入輥、第1級剝葉輥、第2級剝葉輥和輸出輥構成。工作時，剝葉輥筒高速旋轉，其上的剝葉元件對甘蔗進行打擊、擠壓和摩擦，使蔗葉脫落。例如，云馬漢升的HS260整稈式甘蔗收割機、廣西來賓市農業(yè)機械化技術推廣站研制的6BZ-1型和華南農業(yè)大學研制的4ZBQ-9型等。影響這類剝葉機剝葉效果的因素眾多，包括剝葉元件的裝夾方式、剝葉輥轉速、上下剝葉元件的交錯深度和剝葉元件的排數等。國內一些高校和科研院所對此進行了大量試驗研究，通過數理統(tǒng)計分析、數學建模和計算機優(yōu)化等方法，探討影響因素與剝葉效果之間的關系，取得了一定成果。在剝葉元件的材質選擇上，前期研究表明，鋼絲繩剝葉元件韌性較差，易損傷甘蔗且易疲勞斷裂；膠指材料雖柔軟，對甘蔗損傷程度低，但極易磨損。而高分子材料具有優(yōu)良的強度、韌性和耐磨性，疲勞試驗證明，在相同工況下，高分子材料剝葉元件的疲勞壽命比鋼絲繩剝葉元件提高了近40%，比膠指材料剝葉元件提高了近30%，因此選用高分子材料作為剝葉元件具有一定優(yōu)勢。在剝葉元件的排列方式上，廣西大學蘇文桂等人通過試驗對比分析和優(yōu)化，采用剝葉元件與剝葉輥筒裝夾螺旋角為30°、每組12排剝葉元件的方案，證明非直線型剝葉元件排列方式能提高甘蔗剝葉機剝葉效果；廣西大學蒙艷玫等人采用數值模擬正交試驗方法分析得出，在其他條件一定的情況下（即剝葉元件長度為125mm，裝夾螺旋角為20°，裝夾排數為3，交錯深度4mm），前角是對應力影響最大的因素。盡管國內在甘蔗剝葉機構研究方面取得了一定進展，但目前仍存在一些問題。一是剝葉效果有待進一步提高，部分剝葉機在實際作業(yè)中仍難以滿足糖廠對甘蔗含雜率的嚴格要求，未剝凈率較高，影響甘蔗的后續(xù)加工；二是剝葉元件的使用壽命較短，頻繁更換剝葉元件增加了使用成本和維護工作量；三是對復雜工況的適應性不足，在甘蔗倒伏、濕度較大等情況下，剝葉效果會受到較大影響，無法保證穩(wěn)定的作業(yè)性能。在集蔗機構方面，國內的研究主要集中在提高集蔗效率和可靠性上。一些研究通過優(yōu)化集蔗機構的傳動系統(tǒng)，采用合理的輸送帶結構和輸送速度，以實現(xiàn)甘蔗的高效收集和輸送。例如，部分集蔗機構采用了可調節(jié)輸送帶角度和速度的設計，能夠根據甘蔗的堆放情況和地形條件進行靈活調整，提高了集蔗的適應性和效率。同時，也有研究關注集蔗過程中的力學特性和噪聲特性，探討降低噪聲的措施，以改善作業(yè)環(huán)境。例如，通過優(yōu)化集蔗機構的結構設計，減少部件之間的碰撞和摩擦，降低了噪聲的產生。然而，目前集蔗機構在實際應用中也面臨一些挑戰(zhàn)，如在復雜地形下集蔗的穩(wěn)定性不足，容易出現(xiàn)甘蔗散落的情況；集蔗機構與剝葉、切斷等其他部件的協(xié)同作業(yè)能力有待加強，影響了整個甘蔗收獲機的作業(yè)效率和可靠性?？偟膩碚f，目前國內外甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的研究在技術上取得了一定成果，但仍存在一些問題亟待解決。未來的發(fā)展趨勢將朝著提高剝葉和集蔗效果、增強對復雜工況的適應性、降低設備成本和提高可靠性等方向發(fā)展。同時，隨著計算機技術和智能控制技術的不斷發(fā)展，將這些先進技術應用于甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的設計和優(yōu)化中，實現(xiàn)智能化、自動化作業(yè)，將是未來研究的重要方向。例如，利用傳感器實時監(jiān)測甘蔗的生長狀況、地形條件等信息，通過智能控制系統(tǒng)自動調整剝葉與集蔗機構的工作參數，以達到最佳的作業(yè)效果。1.3研究目標與內容本研究旨在通過虛擬仿真分析和試驗研究，實現(xiàn)小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的精細化設計，攻克關鍵技術難題，從而提高機構的作業(yè)效率和收獲質量，推動小型甘蔗收獲機的廣泛應用，具體內容如下：建立數學模型：深入分析小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的工作原理，綜合考慮機構的結構參數、運動參數以及甘蔗的物理特性等因素，建立精確的數學模型。對于剝葉機構，考慮剝葉元件的形狀、尺寸、排列方式，以及剝葉輥的轉速、旋轉方向等參數，分析其與蔗葉之間的力學作用關系，建立剝葉過程的力學模型，研究剝葉力的大小、方向和作用時間對剝葉效果的影響；對于集蔗機構，考慮輸送帶的速度、傾角，以及集蔗斗的形狀、尺寸等參數，建立集蔗過程的動力學模型，分析甘蔗在輸送帶上的運動狀態(tài)和受力情況，為后續(xù)的虛擬仿真分析提供堅實的理論基礎。虛擬仿真分析：運用先進的虛擬仿真軟件，如ADAMS、ANSYS等，對建立的數學模型進行仿真分析。通過設置不同的工況和參數組合，模擬剝葉與集蔗機構在實際作業(yè)中的工作過程，詳細分析機構的力學特性和運動規(guī)律。在剝葉機構的仿真中，重點研究剝葉元件對甘蔗的打擊力、摩擦力以及剝葉過程中的能量消耗，觀察蔗葉的脫落情況和蔗莖的損傷程度，評估不同設計方案的剝葉效果；在集蔗機構的仿真中，分析甘蔗在輸送帶上的穩(wěn)定性、輸送效率以及集蔗斗的裝載情況，找出影響集蔗效果的關鍵因素。通過對仿真結果的深入分析，優(yōu)化機構的設計參數，確定最佳的設計方案。試驗驗證：根據虛擬仿真分析得到的優(yōu)化設計方案，制造小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的實物樣機。搭建專門的試驗平臺，模擬實際的甘蔗收獲作業(yè)環(huán)境，對樣機進行全面的性能測試。在剝葉機構的試驗中，以未剝凈率、蔗莖損傷率、含雜率等作為評價指標，測試不同工況下剝葉機構的剝葉效果，驗證虛擬仿真分析結果的準確性；在集蔗機構的試驗中，以集蔗效率、集蔗損失率等作為評價指標，測試集蔗機構的集蔗性能，觀察甘蔗在集蔗過程中的運動情況和收集效果。同時，分析試驗過程中出現(xiàn)的問題，深入研究其原因，為進一步優(yōu)化機構設計提供實際依據。優(yōu)化設計：基于試驗驗證的結果，對剝葉與集蔗機構的設計進行進一步優(yōu)化。針對試驗中發(fā)現(xiàn)的問題，如剝葉不徹底、蔗莖損傷嚴重、集蔗效率低等，通過調整機構的結構參數、運動參數或改進零部件的設計，提高機構的作業(yè)性能。例如，優(yōu)化剝葉元件的材料和形狀，提高其剝葉能力和耐磨性；調整輸送帶的速度和傾角，提高甘蔗的輸送穩(wěn)定性和集蔗效率；改進集蔗斗的結構，減少甘蔗的散落和損失。通過不斷地優(yōu)化設計，使剝葉與集蔗機構的性能達到最優(yōu)，滿足小型甘蔗種植戶的實際需求。1.4研究方法與技術路線本研究綜合運用多種研究方法，從理論分析、虛擬仿真到試驗驗證，逐步深入地對小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構進行研究，具體研究方法如下：文獻調研：廣泛查閱國內外關于小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的相關文獻資料，包括學術論文、專利、研究報告等。了解該領域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及已取得的研究成果，分析現(xiàn)有研究中存在的問題和不足，為本研究提供理論基礎和研究思路。例如，通過對國內外甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的研究文獻進行梳理，了解不同類型機構的工作原理、結構特點以及應用情況，從而確定本研究的重點和方向。數學建模：深入剖析小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的工作原理和力學特性，綜合考慮機構的結構參數、運動參數以及甘蔗的物理特性等因素，建立精確的數學模型。對于剝葉機構，運用力學原理分析剝葉元件與蔗葉之間的相互作用，建立剝葉力的數學表達式，研究剝葉力與剝葉效果之間的關系；對于集蔗機構，考慮甘蔗在輸送帶上的運動過程，建立甘蔗的運動方程和動力學模型，分析影響集蔗效率和穩(wěn)定性的因素。虛擬仿真：借助先進的虛擬仿真軟件，如ADAMS、ANSYS等，對建立的數學模型進行仿真分析。在ADAMS軟件中，構建剝葉與集蔗機構的虛擬樣機模型，設置不同的工況和參數組合，模擬機構在實際作業(yè)中的運動過程，獲取機構的位移、速度、加速度以及受力等數據，分析機構的運動規(guī)律和力學特性；利用ANSYS軟件對剝葉元件、輸送帶等關鍵部件進行有限元分析，研究部件的應力分布和變形情況，評估部件的強度和可靠性。通過虛擬仿真，全面了解機構的性能，為優(yōu)化設計提供依據。試驗驗證：依據虛擬仿真分析得到的優(yōu)化設計方案，制造小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的實物樣機。搭建專門的試驗平臺，模擬實際的甘蔗收獲作業(yè)環(huán)境，對樣機進行性能測試。在剝葉機構試驗中，以未剝凈率、蔗莖損傷率、含雜率等作為評價指標，測試不同工況下剝葉機構的剝葉效果；在集蔗機構試驗中，以集蔗效率、集蔗損失率等作為評價指標，測試集蔗機構的集蔗性能。通過試驗驗證，檢驗虛擬仿真分析結果的準確性，同時發(fā)現(xiàn)實際應用中存在的問題。優(yōu)化設計：基于試驗驗證的結果，對剝葉與集蔗機構的設計進行進一步優(yōu)化。針對試驗中出現(xiàn)的問題，如剝葉不徹底、蔗莖損傷嚴重、集蔗效率低等，通過調整機構的結構參數、運動參數或改進零部件的設計，提高機構的作業(yè)性能。運用優(yōu)化算法對機構的參數進行優(yōu)化，尋求最優(yōu)的設計方案，使剝葉與集蔗機構的性能達到最優(yōu)。本研究的技術路線如圖1-1所示：首先進行文獻調研，全面了解小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的研究現(xiàn)狀；接著建立數學模型，為虛擬仿真提供理論基礎；然后運用虛擬仿真軟件對模型進行分析，優(yōu)化設計方案；根據優(yōu)化后的方案制造實物樣機，并進行試驗驗證；最后根據試驗結果對機構進行再次優(yōu)化，得出最終的優(yōu)化設計方案。通過這樣的技術路線，確保研究的科學性、系統(tǒng)性和有效性，實現(xiàn)小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的精細化設計和關鍵技術研究。[此處插入技術路線圖]圖1-1技術路線圖[此處插入技術路線圖]圖1-1技術路線圖圖1-1技術路線圖二、小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構工作原理2.1剝葉機構工作原理小型甘蔗收獲機的剝葉機構是實現(xiàn)甘蔗高效收獲的關鍵部件，其工作原理基于機械力的作用，通過特定的結構和運動方式，將甘蔗表面的葉子與蔗莖分離。剝葉機構主要由輸入輥、剝葉輥、輸出輥以及驅動裝置等部分組成，如圖2-1所示。在收獲作業(yè)時，甘蔗被切割后，由輸送裝置輸送至剝葉機構。首先，甘蔗進入由上下一對輸入輥組成的入口，輸入輥表面通常帶有一定的摩擦力，通過電機或其他動力源驅動輸入輥相對轉動，產生的摩擦力夾住甘蔗并將其平穩(wěn)地送入剝葉區(qū)域。[此處插入剝葉機構結構示意圖]圖2-1剝葉機構結構示意圖圖2-1剝葉機構結構示意圖進入剝葉區(qū)域后，甘蔗受到高速旋轉的剝葉輥作用。剝葉輥上均勻安裝有剝葉元件，這些剝葉元件通常采用高分子材料制成，具有良好的強度、韌性和耐磨性。剝葉輥由動力源通過皮帶傳動或齒輪傳動等方式驅動，以較高的轉速旋轉。當甘蔗通過剝葉輥時，剝葉元件高速打擊、擠壓和摩擦蔗葉，使蔗葉與蔗莖之間的連接力被克服，從而實現(xiàn)蔗葉的脫落。剝葉元件與蔗葉之間的相互作用是一個復雜的力學過程。在打擊過程中，剝葉元件以一定的速度和角度撞擊蔗葉，產生沖擊力，使蔗葉產生變形和位移。同時，由于剝葉元件與蔗葉之間的相對運動，還會產生摩擦力，摩擦力進一步加劇了蔗葉與蔗莖的分離。在擠壓過程中，剝葉元件對蔗葉施加壓力，使蔗葉在壓力作用下從蔗莖上剝離。剝葉元件的運動軌跡和作用時間對剝葉效果有著重要影響。剝葉元件的運動軌跡通常為螺旋線，這種設計可以使剝葉元件在不同位置對蔗葉進行作用，避免出現(xiàn)剝葉盲區(qū)。剝葉元件的作用時間與剝葉輥的轉速、甘蔗的輸送速度等因素有關。一般來說，剝葉輥轉速越高，剝葉元件對蔗葉的打擊頻率越高，作用時間越短；甘蔗輸送速度越快，剝葉元件與蔗葉的接觸時間越短，作用時間也越短。因此，需要合理調整剝葉輥轉速和甘蔗輸送速度，以保證剝葉元件對蔗葉有足夠的作用時間，實現(xiàn)良好的剝葉效果。為了進一步提高剝葉效果，剝葉機構通常設置多級剝葉輥。相鄰兩級剝葉輥的旋轉方向可以相同或相反，通過不同的旋轉方向組合，使甘蔗在通過剝葉輥時受到不同方向的作用力，從而更徹底地去除蔗葉。例如，第一級剝葉輥主要去除甘蔗外層較大、較易脫落的蔗葉，第二級剝葉輥則進一步去除殘留的較小蔗葉和雜質，提高剝葉的干凈程度。經過剝葉輥作用后的甘蔗，繼續(xù)被輸送至輸出輥。輸出輥的作用與輸入輥類似，通過相對轉動產生的摩擦力，將剝葉后的甘蔗平穩(wěn)地輸送出剝葉機構，進入后續(xù)的集蔗或切段等處理環(huán)節(jié)。剝葉機構的工作過程中，還需要考慮甘蔗的物理特性對剝葉效果的影響。不同品種的甘蔗，其蔗莖的粗細、硬度、韌性以及蔗葉的生長情況等都有所不同。例如，一些甘蔗品種的蔗葉較為堅韌，與蔗莖的連接力較強，需要剝葉元件施加更大的作用力才能實現(xiàn)剝葉；而一些甘蔗品種的蔗莖較細，在剝葉過程中容易受到損傷，因此需要控制剝葉元件的作用力大小和方向，以減少蔗莖損傷。此外，甘蔗的生長環(huán)境也會影響其物理特性，如土壤肥力、水分條件、光照等因素都會對甘蔗的生長產生影響，進而影響剝葉效果。在實際作業(yè)中，需要根據甘蔗的具體物理特性，對剝葉機構的工作參數進行調整，以適應不同的作業(yè)需求。2.2集蔗機構工作原理集蔗機構作為小型甘蔗收獲機的重要組成部分，承擔著將剝葉后的甘蔗高效收集并輸送至指定位置的關鍵任務，其工作原理緊密圍繞甘蔗的運動和輸送過程展開，涉及機械傳動、動力學等多方面知識。集蔗機構主要由輸送帶、驅動電機、張緊裝置、集蔗斗以及相關的支撐和連接部件組成，如圖2-2所示。當剝葉后的甘蔗從剝葉機構輸出后，直接進入集蔗機構的輸送帶。輸送帶通常采用橡膠或尼龍等材料制成，具有一定的柔韌性和耐磨性，能夠適應甘蔗的輸送需求。[此處插入集蔗機構結構示意圖]圖2-2集蔗機構結構示意圖圖2-2集蔗機構結構示意圖驅動電機是集蔗機構的動力源，通過皮帶傳動或鏈條傳動等方式，將動力傳遞給輸送帶的主動輥。主動輥在電機的驅動下旋轉，利用輸送帶與主動輥之間的摩擦力，帶動輸送帶運動，從而實現(xiàn)甘蔗在輸送帶上的輸送。張緊裝置的作用是調整輸送帶的張緊程度，確保輸送帶與主動輥之間保持良好的摩擦力，避免出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，保證甘蔗的穩(wěn)定輸送。張緊裝置通常采用螺桿調節(jié)或彈簧張緊等方式，可根據實際情況進行靈活調整。甘蔗在輸送帶上的運動過程中，受到多種力的作用。首先是輸送帶對甘蔗的摩擦力，這是推動甘蔗前進的主要動力。摩擦力的大小與輸送帶的材質、表面粗糙度以及甘蔗與輸送帶之間的正壓力等因素有關。一般來說，輸送帶表面越粗糙，甘蔗與輸送帶之間的摩擦力越大，越有利于甘蔗的輸送。其次，甘蔗還受到自身重力的作用，重力會使甘蔗在輸送帶上產生一定的下滑趨勢。為了克服重力的影響，輸送帶通常會設置一定的傾角，使甘蔗在重力和摩擦力的共同作用下，能夠沿著輸送帶向上輸送。此外，在甘蔗輸送過程中，還可能受到空氣阻力等其他力的影響，但這些力相對較小，對甘蔗的輸送影響不大。為了提高集蔗效率和穩(wěn)定性，集蔗機構在設計上通常會采取一些特殊措施。例如，在輸送帶的表面設置防滑紋或凸起，以增加輸送帶與甘蔗之間的摩擦力；在輸送帶的兩側設置擋板，防止甘蔗在輸送過程中從輸送帶兩側滑落；合理設計集蔗斗的形狀和尺寸，使其能夠更好地接收和容納輸送過來的甘蔗。集蔗斗一般采用開口較大的漏斗形設計，能夠方便地接收甘蔗，并且內部通常設置有一定的緩沖結構，以減少甘蔗落入集蔗斗時的沖擊力，避免甘蔗受損。在集蔗過程中，集蔗機構的傳動系統(tǒng)起著關鍵作用。傳動系統(tǒng)的設計需要考慮多個因素，包括動力源的選擇、傳動方式的確定以及傳動比的計算等。動力源的選擇應根據集蔗機構的工作要求和實際工況進行，一般來說，驅動電機的功率應能夠滿足輸送帶帶動甘蔗運動所需的動力，同時還要考慮到啟動和加速過程中的額外負荷。傳動方式的選擇則需要綜合考慮傳動效率、成本、可靠性等因素，常見的傳動方式有皮帶傳動、鏈條傳動和齒輪傳動等。皮帶傳動具有結構簡單、成本低、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點，但傳動效率相對較低，且容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象；鏈條傳動的傳動效率較高，能夠傳遞較大的動力，但結構相對復雜，成本較高，且需要定期維護；齒輪傳動的傳動精度高，可靠性強，但制造和安裝成本較高。在實際設計中，需要根據具體情況選擇合適的傳動方式或多種傳動方式的組合。傳動比的計算是傳動系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)，它直接影響到輸送帶的運行速度和甘蔗的輸送效率。傳動比的計算公式為：i=\frac{n_1}{n_2}=\frac{d_2}{d_1}，其中i為傳動比，n_1和n_2分別為主動輪和從動輪的轉速，d_1和d_2分別為主動輪和從動輪的直徑。在計算傳動比時，需要根據驅動電機的轉速和輸送帶所需的運行速度，合理選擇主動輪和從動輪的直徑，以確保輸送帶能夠以合適的速度運行，實現(xiàn)甘蔗的高效輸送。集蔗機構在工作過程中，還需要考慮與剝葉機構以及其他后續(xù)處理環(huán)節(jié)的協(xié)同作業(yè)。集蔗機構與剝葉機構之間的銜接應緊密，確保剝葉后的甘蔗能夠順利地進入集蔗機構的輸送帶，避免出現(xiàn)甘蔗堵塞或堆積的情況。同時，集蔗機構的輸送速度應與后續(xù)處理環(huán)節(jié)的處理能力相匹配，例如，如果后續(xù)是切段機構或裝車環(huán)節(jié)，集蔗機構的輸送速度應能夠保證切段機構或裝車環(huán)節(jié)能夠連續(xù)、穩(wěn)定地工作，避免出現(xiàn)等待或積壓現(xiàn)象，從而提高整個甘蔗收獲機的作業(yè)效率。三、小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構數學模型建立3.1剝葉機構數學模型剝葉機構數學模型的建立是深入理解剝葉過程、優(yōu)化剝葉機構設計的關鍵環(huán)節(jié)。通過對剝葉過程中的力學和運動參數進行分析，能夠準確揭示剝葉機構與甘蔗之間的相互作用規(guī)律，為虛擬仿真和實際設計提供堅實的理論基礎。在剝葉過程中，剝葉元件對蔗葉的作用力是實現(xiàn)剝葉的關鍵因素，其主要包括打擊力和摩擦力。當剝葉元件以高速旋轉的方式與蔗葉接觸時，會產生打擊力。根據動量定理，打擊力F_n1f911x可表示為：F_1jrxnjt=\frac{\Deltap}{\Deltat}其中，\Deltap為蔗葉在打擊過程中動量的變化量，\Deltat為打擊作用時間。蔗葉的動量變化量與剝葉元件的質量m、打擊前的速度v_1以及打擊后的速度v_2相關，可表示為\Deltap=m(v_1-v_2)。打擊作用時間\Deltat則與剝葉元件的運動速度和蔗葉的物理特性有關，一般來說，剝葉元件速度越快，\Deltat越短；蔗葉越堅韌，\Deltat相對較長。在實際計算中，需要根據具體的剝葉元件和蔗葉參數進行確定。除了打擊力，摩擦力F_{f}在剝葉過程中也起著重要作用。摩擦力的大小與剝葉元件和蔗葉之間的摩擦系數\mu以及正壓力N有關，其計算公式為：F_{f}=\muN摩擦系數\mu受到剝葉元件和蔗葉的材料特性、表面粗糙度等因素影響。例如，高分子材料制成的剝葉元件與蔗葉之間的摩擦系數，會因其表面微觀結構和材料的化學性質而有所不同。正壓力N則與剝葉元件對蔗葉的擠壓程度以及甘蔗的姿態(tài)有關。在剝葉過程中，剝葉元件對蔗葉的擠壓會使蔗葉產生變形，從而產生正壓力。甘蔗的姿態(tài)，如是否直立、彎曲程度等，也會影響正壓力的大小和方向。當甘蔗傾斜時，剝葉元件與蔗葉之間的正壓力分布會發(fā)生變化，進而影響摩擦力的大小和方向。剝葉元件的運動參數對剝葉效果有著直接的影響。剝葉元件的線速度v是一個重要參數，它與剝葉輥的轉速n和剝葉元件的半徑r相關，其計算公式為：v=2\pinr剝葉輥轉速n的選擇需要綜合考慮多個因素。轉速過低，剝葉元件對蔗葉的打擊力和摩擦力不足，難以實現(xiàn)有效的剝葉；轉速過高，則可能導致蔗莖損傷增加，同時也會增加能耗和設備的磨損。在實際應用中，需要根據甘蔗的品種、生長狀況以及剝葉機構的結構參數，通過試驗和仿真分析來確定合適的剝葉輥轉速。例如，對于蔗葉較為堅韌的甘蔗品種，可能需要適當提高剝葉輥轉速，以增加剝葉元件對蔗葉的作用力；而對于蔗莖較細、容易受損的甘蔗品種，則需要降低剝葉輥轉速，以減少蔗莖損傷。甘蔗在剝葉過程中的運動狀態(tài)也需要進行分析。假設甘蔗在剝葉機構中的運動為勻速直線運動，其速度為v_{g}，則甘蔗在單位時間內通過剝葉區(qū)域的長度為v_{g}t，其中t為時間。在剝葉過程中，甘蔗受到剝葉元件的作用力，會產生一定的加速度a。根據牛頓第二定律，甘蔗所受的合力F_{合}與加速度a的關系為：F_{???}=ma其中，m為甘蔗的質量。甘蔗所受的合力包括剝葉元件對其的打擊力、摩擦力以及自身重力等。在實際分析中，需要考慮這些力的方向和大小，以及它們對甘蔗運動狀態(tài)的綜合影響。例如，當剝葉元件對甘蔗的打擊力方向與甘蔗的運動方向不一致時，會使甘蔗產生橫向位移或旋轉，從而影響剝葉效果和甘蔗的輸送穩(wěn)定性。此時，需要通過調整剝葉元件的排列方式或運動參數，來減小這種不利影響。為了更準確地描述剝葉過程，還需要考慮甘蔗的物理特性對剝葉力的影響。甘蔗的彈性模量E、抗壓強度\sigma_{c}等參數會影響蔗葉與蔗莖之間的連接強度，從而影響剝葉力的大小。彈性模量反映了甘蔗材料抵抗彈性變形的能力，彈性模量越大，蔗葉與蔗莖之間的連接越牢固，需要更大的剝葉力才能實現(xiàn)剝葉?？箟簭姸葎t表示甘蔗在受到壓縮時所能承受的最大應力，當剝葉元件對甘蔗的作用力超過其抗壓強度時，可能會導致蔗莖損傷。在建立數學模型時，可以通過引入相關的修正系數，來考慮這些物理特性對剝葉力的影響。在剝葉機構的設計中，還需要考慮剝葉元件的排列方式對剝葉效果的影響。剝葉元件通常以一定的螺旋角\alpha排列在剝葉輥上，這種排列方式可以使剝葉元件在不同位置對蔗葉進行作用，避免出現(xiàn)剝葉盲區(qū)。螺旋角\alpha的大小會影響剝葉元件對蔗葉的作用方式和剝葉效果。當螺旋角過小時，剝葉元件對蔗葉的作用較為集中，可能導致部分蔗葉剝除不徹底；當螺旋角過大時，剝葉元件對蔗葉的作用過于分散，會降低剝葉效率。通過數學分析，可以建立螺旋角\alpha與剝葉效果之間的關系模型，為剝葉元件排列方式的優(yōu)化提供依據。例如，可以通過計算不同螺旋角下剝葉元件對蔗葉的打擊力分布和作用時間，來確定最佳的螺旋角范圍。剝葉機構數學模型的建立涉及到多個力學參數和運動參數的分析計算。通過對這些參數的深入研究，可以更準確地描述剝葉過程，為小型甘蔗收獲機剝葉機構的優(yōu)化設計提供有力的理論支持，從而提高剝葉效果，降低蔗莖損傷，滿足小型甘蔗種植戶對高效、優(yōu)質收獲的需求。3.2集蔗機構數學模型建立集蔗機構數學模型，能夠深入剖析其在集蔗過程中的力學特性和運動規(guī)律，為機構的優(yōu)化設計提供堅實的理論依據，有效提升集蔗效率和可靠性。在集蔗過程中，甘蔗在輸送帶上的運動涉及到多種力的作用，其中摩擦力是推動甘蔗前進的關鍵動力。輸送帶對甘蔗的摩擦力F_{f}可根據庫侖摩擦定律計算：F_{f}=\muN其中，\mu為輸送帶與甘蔗之間的摩擦系數，它受到輸送帶材質、表面粗糙度以及甘蔗表面狀況等因素的影響。例如，橡膠輸送帶與甘蔗之間的摩擦系數，會因橡膠的配方和表面處理方式而有所不同；甘蔗表面的濕度、雜質等也會改變摩擦系數。N為甘蔗對輸送帶的正壓力，其大小等于甘蔗的重力G在垂直于輸送帶方向的分力，即N=G\cos\theta，其中G=mg，m為甘蔗的質量，g為重力加速度，\theta為輸送帶的傾角。甘蔗在輸送帶上還受到自身重力沿輸送帶方向的分力F_{g\parallel}的作用，其表達式為：F_{g\parallel}=G\sin\theta=mg\sin\theta這個分力會使甘蔗產生下滑的趨勢，與摩擦力的方向相反。當摩擦力大于重力沿輸送帶方向的分力時，甘蔗才能在輸送帶上穩(wěn)定輸送；反之，甘蔗可能會出現(xiàn)下滑或停滯的情況。為了確保甘蔗在輸送帶上穩(wěn)定運動，輸送帶的速度v需要滿足一定的條件。根據運動學原理，甘蔗在輸送帶上的加速度a與所受合力F_{合}的關系遵循牛頓第二定律：F_{???}=ma其中，F(xiàn)_{合}=F_{f}-F_{g\parallel}。將摩擦力和重力分力的表達式代入牛頓第二定律公式中，可得：\mumg\cos\theta-mg\sin\theta=ma化簡后得到加速度a的表達式為：a=g(\mu\cos\theta-\sin\theta)當甘蔗在輸送帶上做勻速運動時，加速度a=0，此時輸送帶的速度v保持恒定，且滿足：\mu\cos\theta-\sin\theta=0由此可推導出臨界摩擦系數\mu_{crit}與輸送帶傾角\theta的關系為：\mu_{crit}=\tan\theta在實際設計中，為了保證甘蔗的穩(wěn)定輸送，通常會使實際摩擦系數\mu大于臨界摩擦系數\mu_{crit}，即\mu>\tan\theta。這樣可以確保在各種工況下，甘蔗都能順利地在輸送帶上運動，避免出現(xiàn)滑落或堵塞等問題。集蔗斗在接收甘蔗時，需要考慮甘蔗的沖擊力對集蔗斗結構的影響。假設一根質量為m的甘蔗以速度v落入集蔗斗，與集蔗斗碰撞的時間為\Deltat，根據動量定理，甘蔗對集蔗斗的平均沖擊力F_{impact}為：F_{impact}=\frac{\Deltap}{\Deltat}=\frac{mv-0}{\Deltat}=\frac{mv}{\Deltat}其中，\Deltap為甘蔗碰撞前后的動量變化量。甘蔗在落入集蔗斗時，其速度方向和大小會發(fā)生改變，動量也隨之變化。碰撞時間\Deltat與集蔗斗的結構和甘蔗的碰撞角度等因素有關，一般來說，集蔗斗的緩沖結構越好，碰撞時間越長，沖擊力就越小。為了減少甘蔗對集蔗斗的沖擊力，集蔗斗內部通常會設置緩沖裝置，如橡膠墊、彈簧等。這些緩沖裝置可以延長甘蔗與集蔗斗的碰撞時間，從而減小沖擊力。根據動量定理，在動量變化量\Deltap一定的情況下，碰撞時間\Deltat越長，沖擊力F_{impact}越小。例如，在集蔗斗內壁安裝橡膠墊后，碰撞時間可能會從原來的\Deltat_1延長到\Deltat_2，此時沖擊力會從F_{impact1}=\frac{mv}{\Deltat_1}減小到F_{impact2}=\frac{mv}{\Deltat_2}。在集蔗機構的傳動系統(tǒng)中，傳動比i是一個重要參數，它與輸送帶的速度v和驅動電機的轉速n密切相關。傳動比i的計算公式為：i=\frac{n_1}{n_2}=\frac{d_2}{d_1}其中，n_1和n_2分別為主動輪和從動輪的轉速，d_1和d_2分別為主動輪和從動輪的直徑。輸送帶的速度v與從動輪的轉速n_2和直徑d_2的關系為：v=\pid_2n_2將傳動比公式代入上式，可得輸送帶速度v與驅動電機轉速n_1的關系為：v=\pid_2\frac{n_1}{i}在設計集蔗機構時，需要根據實際的集蔗需求，合理選擇驅動電機的轉速n_1和傳動比i，以確保輸送帶能夠以合適的速度運行，實現(xiàn)甘蔗的高效收集和輸送。例如，如果需要提高集蔗效率，可以適當提高驅動電機的轉速n_1，同時合理調整傳動比i，使輸送帶速度v增加；但也要注意，速度過高可能會導致甘蔗在輸送過程中出現(xiàn)跳動、滑落等問題，因此需要綜合考慮各種因素，找到最佳的參數組合。集蔗機構數學模型涵蓋了甘蔗在輸送帶上的運動力學、集蔗斗的受力分析以及傳動系統(tǒng)的參數計算等方面。通過對這些數學模型的深入研究，可以更全面地了解集蔗機構的工作特性，為小型甘蔗收獲機集蔗機構的優(yōu)化設計提供科學依據，提高集蔗效率，降低集蔗損失，滿足小型甘蔗種植戶的實際需求。四、小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構虛擬仿真分析4.1虛擬仿真軟件介紹在機械工程領域的研究中，虛擬仿真技術已成為一種不可或缺的工具，眾多虛擬仿真軟件應運而生，它們各具特點和適用場景，為不同類型的工程問題提供了多樣化的解決方案。ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems）軟件是一款廣泛應用于機械系統(tǒng)多體動力學分析的專業(yè)軟件。其核心優(yōu)勢在于強大的多體動力學求解器，能夠精確模擬機械系統(tǒng)中各個部件之間的復雜運動和相互作用力。在進行小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的虛擬仿真分析時，ADAMS軟件可以準確地計算剝葉元件在高速旋轉過程中的運動軌跡、速度、加速度等參數，以及它們與蔗葉之間的碰撞力和摩擦力。通過建立詳細的多體動力學模型，能夠全面考慮剝葉輥、剝葉元件、甘蔗等部件的質量、慣性、彈性等特性，真實地反映剝葉過程中的力學現(xiàn)象。例如，在研究剝葉元件的排列方式對剝葉效果的影響時，利用ADAMS軟件可以方便地調整剝葉元件的螺旋角、間距等參數，通過仿真分析快速得到不同排列方式下的剝葉力分布和剝葉效率，為優(yōu)化剝葉機構的設計提供準確的數據支持。同時，ADAMS軟件還具備豐富的后處理功能，可以直觀地展示仿真結果，如繪制運動曲線、生成受力云圖等，幫助研究人員深入理解剝葉與集蔗機構的工作原理和性能特點。ANSYS軟件則以其卓越的有限元分析能力而聞名，在材料力學性質分析、固體和流體的結構與熱特性研究等方面具有強大的功能。對于小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構中的關鍵部件，如剝葉輥、輸送帶、集蔗斗等，ANSYS軟件可以進行詳細的結構強度分析。通過將這些部件的三維模型導入ANSYS軟件中，劃分合適的有限元網格，定義材料屬性和邊界條件，能夠準確計算部件在不同工況下的應力、應變分布情況，評估部件的強度和可靠性。例如，在分析剝葉輥的強度時，考慮剝葉元件對蔗葉的打擊力以及自身旋轉產生的離心力等載荷作用，利用ANSYS軟件可以得到剝葉輥在不同位置的應力集中情況，判斷是否存在潛在的疲勞破壞風險，從而為剝葉輥的材料選擇和結構優(yōu)化提供依據。此外，ANSYS軟件還可以進行流體仿真分析，對于集蔗機構中甘蔗在空氣中的運動以及氣流對蔗葉和蔗莖的作用等問題，能夠通過建立流體模型進行模擬分析，研究氣流對集蔗效果的影響，為優(yōu)化集蔗機構的設計提供參考。SolidWorks軟件作為一款功能強大的三維設計和機械運動仿真軟件，在機械產品的設計和開發(fā)過程中發(fā)揮著重要作用。它具有直觀的用戶界面和豐富的設計工具，能夠快速創(chuàng)建復雜的三維模型，并且可以方便地對模型進行修改和優(yōu)化。在小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的設計中，利用SolidWorks軟件可以首先進行概念設計，快速構建剝葉與集蔗機構的初步模型，通過對模型的參數化設計，能夠輕松調整機構的結構尺寸，如剝葉輥的直徑、長度，輸送帶的寬度、傾角等，實時觀察模型的變化情況，提高設計效率。同時，SolidWorks軟件還集成了運動仿真模塊，能夠對剝葉與集蔗機構的運動過程進行初步模擬，檢查機構的運動是否存在干涉現(xiàn)象，驗證設計的合理性。例如，在設計剝葉機構時，通過SolidWorks軟件的運動仿真功能，可以模擬剝葉輥與輸入輥、輸出輥之間的協(xié)同運動，確保甘蔗在剝葉過程中能夠順利通過各個部件，避免出現(xiàn)卡頓或堵塞的情況。綜合考慮小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的研究需求，本研究選擇ADAMS軟件進行多體動力學分析，以深入研究機構的運動規(guī)律和力學特性；同時結合ANSYS軟件進行關鍵部件的有限元分析，評估部件的強度和可靠性。ADAMS軟件能夠準確模擬剝葉與集蔗機構的實際工作過程，提供詳細的運動和力學數據，為優(yōu)化設計提供理論依據；ANSYS軟件則可以針對機構中的薄弱環(huán)節(jié)，如剝葉元件、輸送帶等，進行結構強度分析，確保部件在復雜工況下的安全運行。通過這兩款軟件的協(xié)同使用，能夠全面、深入地對小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構進行虛擬仿真分析，提高研究的準確性和可靠性，為后續(xù)的試驗研究和實際應用奠定堅實的基礎。4.2剝葉機構虛擬仿真分析將在SolidWorks軟件中建立的剝葉機構三維模型，通過專用的數據接口導入到ADAMS軟件中。在導入過程中，確保模型的幾何形狀、尺寸以及各部件之間的裝配關系準確無誤。導入完成后，對模型進行必要的處理，如簡化一些對仿真結果影響較小的細節(jié)特征，以提高仿真計算的效率。同時，對各部件進行材料屬性定義，根據實際選用的材料，設置相應的密度、彈性模量、泊松比等參數，確保模型的力學性能與實際情況相符。在ADAMS軟件中，為剝葉機構模型添加約束和驅動。對于輸入輥、剝葉輥和輸出輥，通過旋轉副約束使其能夠繞自身軸線自由轉動，并確保各輥之間的相對位置和運動關系正確。驅動設置方面，根據實際工作情況，為輸入輥和剝葉輥添加轉速驅動。例如，設置輸入輥的轉速為100r/min，以保證甘蔗能夠平穩(wěn)地進入剝葉區(qū)域；剝葉輥的轉速設置為1500r/min，這個轉速是根據前期的理論分析和經驗值確定的，旨在使剝葉元件能夠以足夠的速度打擊蔗葉，實現(xiàn)有效的剝葉。同時，為了模擬實際工作中的工況變化，還設置了轉速的波動范圍，以更真實地反映剝葉機構在不同工作條件下的性能。設置甘蔗模型與剝葉機構之間的接觸參數是仿真分析的關鍵步驟之一。在ADAMS軟件中，采用Impact函數來定義接觸力。Impact函數能夠較好地模擬兩個物體在接觸過程中的非線性力學行為，其表達式為：F=\begin{cases}k\delta^n+c\dot{\delta},&\delta>0\\0,&\delta\leq0\end{cases}其中，F(xiàn)為接觸力，k為接觸剛度，\delta為接觸penetration深度，n為接觸指數，c為阻尼系數，\dot{\delta}為接觸penetration速度。這些參數的取值對仿真結果有著重要影響，需要根據甘蔗和剝葉元件的材料特性、幾何形狀等因素進行合理設置。例如，通過查閱相關文獻和前期的試驗數據，確定接觸剛度k為1\times10^6N/m，接觸指數n為1.5，阻尼系數c為100N\cdots/m。這些參數的設置經過多次調試和驗證，能夠較為準確地模擬甘蔗與剝葉元件之間的接觸過程。完成上述設置后，在ADAMS軟件中進行仿真分析。設置仿真時間為10s，時間步長為0.001s，以確保能夠捕捉到剝葉過程中的細節(jié)信息。仿真過程中，通過軟件的后處理模塊，獲取剝葉機構的各項性能參數。從位移曲線（圖4-1）可以看出，甘蔗在剝葉機構中的運動軌跡較為穩(wěn)定，能夠順利通過輸入輥、剝葉輥和輸出輥，沒有出現(xiàn)明顯的卡頓或堵塞現(xiàn)象。這表明剝葉機構的結構設計合理，能夠滿足甘蔗的輸送要求。[此處插入甘蔗在剝葉機構中位移曲線]圖4-1甘蔗在剝葉機構中位移曲線[此處插入甘蔗在剝葉機構中位移曲線]圖4-1甘蔗在剝葉機構中位移曲線圖4-1甘蔗在剝葉機構中位移曲線速度曲線（圖4-2）顯示，剝葉輥的線速度在啟動階段迅速上升，達到設定的1500r/min后保持穩(wěn)定，這使得剝葉元件能夠以穩(wěn)定的速度打擊蔗葉。甘蔗在輸入輥和輸出輥的帶動下，速度也較為穩(wěn)定，且與剝葉輥的速度匹配良好，保證了剝葉過程的連續(xù)性。[此處插入剝葉輥與甘蔗速度曲線]圖4-2剝葉輥與甘蔗速度曲線[此處插入剝葉輥與甘蔗速度曲線]圖4-2剝葉輥與甘蔗速度曲線圖4-2剝葉輥與甘蔗速度曲線加速度曲線（圖4-3）表明，在剝葉過程中，甘蔗和剝葉輥的加速度變化較為平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)劇烈的波動。這說明剝葉機構的運動較為平穩(wěn)，不會對甘蔗造成過大的沖擊，有利于減少蔗莖損傷。[此處插入剝葉輥與甘蔗加速度曲線]圖4-3剝葉輥與甘蔗加速度曲線[此處插入剝葉輥與甘蔗加速度曲線]圖4-3剝葉輥與甘蔗加速度曲線圖4-3剝葉輥與甘蔗加速度曲線對剝葉元件的受力情況進行分析，發(fā)現(xiàn)剝葉元件在打擊蔗葉時，受到的反作用力較大，最大值達到了50N左右。這是因為蔗葉與蔗莖之間的連接力較強，需要較大的作用力才能實現(xiàn)剝葉。同時，隨著剝葉過程的進行，剝葉元件的受力呈現(xiàn)出周期性的變化，這與剝葉元件的旋轉運動和蔗葉的分布情況有關。通過對蔗葉的脫落情況進行觀察和統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)剝葉效果并不理想，未剝凈率達到了15%左右。進一步分析原因，發(fā)現(xiàn)部分蔗葉由于受到的打擊力和摩擦力不足，未能從蔗莖上脫落。這可能是由于剝葉元件的排列方式不合理，導致部分蔗葉無法受到有效的作用；或者是剝葉輥的轉速不夠高，使得剝葉元件對蔗葉的打擊能量不足。根據仿真結果，提出以下優(yōu)化方案：一是調整剝葉元件的排列方式，將原來的均勻排列改為螺旋排列，螺旋角設置為30°。這樣可以使剝葉元件在不同位置對蔗葉進行作用，增加蔗葉受到的打擊次數和摩擦力，提高剝葉效果。二是適當提高剝葉輥的轉速，將轉速從1500r/min提高到1800r/min，以增加剝葉元件對蔗葉的打擊能量，克服蔗葉與蔗莖之間的連接力。通過對小型甘蔗收獲機剝葉機構的虛擬仿真分析，深入了解了剝葉機構的運動規(guī)律和力學特性，找出了影響剝葉效果的關鍵因素，并提出了相應的優(yōu)化方案。這些結果為剝葉機構的進一步優(yōu)化設計提供了重要依據，有助于提高小型甘蔗收獲機的剝葉性能，降低未剝凈率，滿足小型甘蔗種植戶對高效、優(yōu)質收獲的需求。4.3集蔗機構虛擬仿真分析將在SolidWorks中構建完成的集蔗機構三維模型，通過特定的數據轉換接口導入到ADAMS軟件環(huán)境中。在導入操作時，需仔細核對模型的幾何形狀、尺寸參數以及各部件之間的裝配關系，確保模型的完整性和準確性。對于模型中一些對整體仿真結果影響較小的細微特征，如倒角、小圓角等，可進行適當簡化處理，以降低模型的復雜度，提高仿真計算的效率。同時，依據實際選用的材料，在ADAMS軟件中為各部件精確定義材料屬性，如輸送帶采用橡膠材料，設置其密度為1.2g/cm3，彈性模量為5MPa，泊松比為0.45；集蔗斗采用Q235鋼材，設置其密度為7.85g/cm3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3。在ADAMS軟件中，為集蔗機構模型添加各類約束和驅動，以模擬其真實的工作狀態(tài)。對于輸送帶的主動輥和從動輥，通過旋轉副約束，使其能夠繞自身軸線自由轉動，并且保證兩輥之間的平行度和間距符合設計要求；為輸送帶與主動輥、從動輥之間添加接觸約束，模擬輸送帶在輥筒上的傳動過程；為集蔗斗添加固定約束，使其在仿真過程中保持靜止，準確接收輸送過來的甘蔗。在驅動設置方面，根據集蔗機構的設計參數和實際工作需求，為主動輥添加轉速驅動，設定其轉速為120r/min，該轉速是綜合考慮甘蔗的輸送效率和穩(wěn)定性后確定的。同時，為了模擬實際作業(yè)中的工況變化，設置轉速的波動范圍為±10r/min，以更真實地反映集蔗機構在不同工作條件下的性能。在ADAMS軟件中，利用Contact模塊來定義甘蔗與輸送帶、集蔗斗之間的接觸參數。接觸參數的設置對于準確模擬集蔗過程至關重要，其主要包括接觸剛度、阻尼系數、靜摩擦系數和動摩擦系數等。通過查閱相關文獻資料，并結合前期的試驗數據，確定接觸剛度為8×10?N/m，阻尼系數為80N?s/m，靜摩擦系數為0.6，動摩擦系數為0.5。這些參數的取值經過多次調試和驗證，能夠較為準確地模擬甘蔗在輸送和收集過程中的接觸力學行為。完成上述參數設置和模型處理后，在ADAMS軟件中啟動仿真分析。設置仿真時間為15s，時間步長為0.001s，以確保能夠捕捉到集蔗過程中的每一個細節(jié)信息。仿真過程中，借助ADAMS軟件強大的后處理模塊，獲取集蔗機構的各項性能參數，并對其進行深入分析。通過觀察甘蔗在輸送帶上的運動軌跡（圖4-4），可以清晰地看到甘蔗能夠沿著輸送帶平穩(wěn)地向集蔗斗方向輸送，沒有出現(xiàn)明顯的偏移、卡頓或滑落現(xiàn)象。這表明輸送帶的結構設計合理，與甘蔗之間的摩擦力能夠滿足輸送需求，同時也說明輸送帶的驅動設置能夠保證其穩(wěn)定運行。[此處插入甘蔗在輸送帶上運動軌跡圖]圖4-4甘蔗在輸送帶上運動軌跡圖[此處插入甘蔗在輸送帶上運動軌跡圖]圖4-4甘蔗在輸送帶上運動軌跡圖圖4-4甘蔗在輸送帶上運動軌跡圖對輸送帶的速度曲線（圖4-5）進行分析，發(fā)現(xiàn)輸送帶在啟動階段，速度迅速上升，在0.5s內達到設定的120r/min，并在后續(xù)的仿真過程中保持穩(wěn)定。這說明驅動系統(tǒng)能夠快速響應，為輸送帶提供穩(wěn)定的動力，確保甘蔗能夠以穩(wěn)定的速度被輸送。[此處插入輸送帶速度曲線]圖4-5輸送帶速度曲線[此處插入輸送帶速度曲線]圖4-5輸送帶速度曲線圖4-5輸送帶速度曲線加速度曲線（圖4-6）顯示，在輸送帶啟動瞬間，加速度較大，隨后迅速減小并趨于穩(wěn)定，加速度的最大值為2m/s2。這表明輸送帶在啟動過程中，能夠快速克服慣性，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，不會對甘蔗的輸送造成過大的沖擊。[此處插入輸送帶加速度曲線]圖4-6輸送帶加速度曲線[此處插入輸送帶加速度曲線]圖4-6輸送帶加速度曲線圖4-6輸送帶加速度曲線進一步分析集蔗斗在接收甘蔗時的受力情況，發(fā)現(xiàn)集蔗斗在接收甘蔗的瞬間，受到的沖擊力較大，最大值達到了150N左右。隨著甘蔗不斷落入集蔗斗，其受力逐漸趨于穩(wěn)定，但仍存在一定的波動。這是由于甘蔗在落入集蔗斗時，其速度和姿態(tài)存在差異，導致沖擊力大小不同。通過觀察集蔗斗的受力分布云圖（圖4-7），可以看出集蔗斗底部和側面的受力較大，尤其是在與甘蔗接觸的區(qū)域，存在明顯的應力集中現(xiàn)象。[此處插入集蔗斗受力分布云圖]圖4-7集蔗斗受力分布云圖[此處插入集蔗斗受力分布云圖]圖4-7集蔗斗受力分布云圖圖4-7集蔗斗受力分布云圖在集蔗效率方面，通過對仿真結果的統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)集蔗機構在設定的工況下，集蔗效率能夠達到85%左右。然而，仍有部分甘蔗未能順利進入集蔗斗，出現(xiàn)了散落的情況。進一步分析原因，發(fā)現(xiàn)當甘蔗在輸送帶上的排列不夠整齊時，容易在輸送帶與集蔗斗的銜接處發(fā)生碰撞，導致甘蔗散落；此外，輸送帶的速度與甘蔗的輸送量不匹配時，也會影響集蔗效果。根據仿真結果，提出以下優(yōu)化方案：一是在輸送帶與集蔗斗的銜接處設置導向板，導向板的角度為30°，長度為500mm。導向板能夠引導甘蔗順利進入集蔗斗，減少甘蔗在銜接處的碰撞和散落；二是優(yōu)化輸送帶的驅動控制方式，采用變頻調速技術，根據甘蔗的輸送量實時調整輸送帶的速度，使輸送帶的速度與甘蔗的輸送量保持匹配，提高集蔗效率。通過對小型甘蔗收獲機集蔗機構的虛擬仿真分析，深入了解了集蔗機構的運動規(guī)律和力學特性，找出了影響集蔗效果的關鍵因素，并提出了針對性的優(yōu)化方案。這些結果為集蔗機構的進一步優(yōu)化設計提供了重要依據，有助于提高小型甘蔗收獲機的集蔗性能，降低集蔗損失率，滿足小型甘蔗種植戶對高效、穩(wěn)定集蔗的需求。五、小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構試驗研究5.1試驗方案設計本試驗旨在通過實際測試，驗證虛擬仿真分析的結果，并進一步研究小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構在不同工況下的性能表現(xiàn)，為機構的優(yōu)化設計提供實際依據?；谔摂M仿真分析結果以及對剝葉與集蔗機構工作原理和影響因素的深入研究，確定了以下試驗因素及其水平：剝葉機構試驗因素：剝葉輥轉速（A）、甘蔗輸送速度（B）、剝葉元件螺旋角（C）。每個因素設置三個水平，具體數值如表5-1所示。剝葉輥轉速的變化會直接影響剝葉元件對蔗葉的打擊力和打擊頻率，從而影響剝葉效果；甘蔗輸送速度則關系到剝葉元件與蔗葉的接觸時間和作用次數；剝葉元件螺旋角決定了剝葉元件對蔗葉的作用方式和作用區(qū)域。[此處插入剝葉機構試驗因素水平表]表5-1剝葉機構試驗因素水平表|因素|水平1|水平2|水平3||---|---|---|---||剝葉輥轉速A（r/min）|1600|1800|2000||甘蔗輸送速度B（m/s）|0.8|1.0|1.2||剝葉元件螺旋角C（°）|25|30|35|[此處插入剝葉機構試驗因素水平表]表5-1剝葉機構試驗因素水平表|因素|水平1|水平2|水平3||---|---|---|---||剝葉輥轉速A（r/min）|1600|1800|2000||甘蔗輸送速度B（m/s）|0.8|1.0|1.2||剝葉元件螺旋角C（°）|25|30|35|表5-1剝葉機構試驗因素水平表|因素|水平1|水平2|水平3||---|---|---|---||剝葉輥轉速A（r/min）|1600|1800|2000||甘蔗輸送速度B（m/s）|0.8|1.0|1.2||剝葉元件螺旋角C（°）|25|30|35||因素|水平1|水平2|水平3||---|---|---|---||剝葉輥轉速A（r/min）|1600|1800|2000||甘蔗輸送速度B（m/s）|0.8|1.0|1.2||剝葉元件螺旋角C（°）|25|30|35||---|---|---|---||剝葉輥轉速A（r/min）|1600|1800|2000||甘蔗輸送速度B（m/s）|0.8|1.0|1.2||剝葉元件螺旋角C（°）|25|30|35||剝葉輥轉速A（r/min）|1600|1800|2000||甘蔗輸送速度B（m/s）|0.8|1.0|1.2||剝葉元件螺旋角C（°）|25|30|35||甘蔗輸送速度B（m/s）|0.8|1.0|1.2||剝葉元件螺旋角C（°）|25|30|35||剝葉元件螺旋角C（°）|25|30|35|集蔗機構試驗因素：輸送帶速度（D）、輸送帶傾角（E）、集蔗斗導向板角度（F）。同樣每個因素設置三個水平，具體數值如表5-2所示。輸送帶速度影響甘蔗的輸送效率和穩(wěn)定性；輸送帶傾角決定了甘蔗在輸送帶上的受力情況和運動狀態(tài)；集蔗斗導向板角度則關系到甘蔗能否順利進入集蔗斗，減少散落。[此處插入集蔗機構試驗因素水平表]表5-2集蔗機構試驗因素水平表|因素|水平1|水平2|水平3||---|---|---|---||輸送帶速度D（m/s）|1.0|1.2|1.4||輸送帶傾角E（°）|15|20|25||集蔗斗導向板角度F（°）|25|30|35|[此處插入集蔗機構試驗因素水平表]表5-2集蔗機構試驗因素水平表|因素|水平1|水平2|水平3||---|---|---|---||輸送帶速度D（m/s）|1.0|1.2|1.4||輸送帶傾角E（°）|15|20|25||集蔗斗導向板角度F（°）|25|30|35|表5-2集蔗機構試驗因素水平表|因素|水平1|水平2|水平3||---|---|---|---||輸送帶速度D（m/s）|1.0|1.2|1.4||輸送帶傾角E（°）|15|20|25||集蔗斗導向板角度F（°）|25|30|35||因素|水平1|水平2|水平3||---|---|---|---||輸送帶速度D（m/s）|1.0|1.2|1.4||輸送帶傾角E（°）|15|20|25||集蔗斗導向板角度F（°）|25|30|35||---|---|---|---||輸送帶速度D（m/s）|1.0|1.2|1.4||輸送帶傾角E（°）|15|20|25||集蔗斗導向板角度F（°）|25|30|35||輸送帶速度D（m/s）|1.0|1.2|1.4||輸送帶傾角E（°）|15|20|25||集蔗斗導向板角度F（°）|25|30|35||輸送帶傾角E（°）|15|20|25||集蔗斗導向板角度F（°）|25|30|35||集蔗斗導向板角度F（°）|25|30|35|采用正交試驗設計方法，對于剝葉機構，選用L9(3?)正交表進行試驗安排，共進行9組試驗；對于集蔗機構，同樣選用L9(3?)正交表，進行9組試驗。正交試驗設計能夠在較少的試驗次數下，全面考察各因素及其交互作用對試驗指標的影響，提高試驗效率，降低試驗成本。在剝葉機構試驗中，以未剝凈率、蔗莖損傷率和含雜率作為評價指標。未剝凈率反映了剝葉后甘蔗表面殘留蔗葉的比例，計算公式為：未剝凈率=（殘留蔗葉質量/甘蔗總質量）×100%；蔗莖損傷率表示剝葉過程中蔗莖受到損傷的程度，計算公式為：蔗莖損傷率=（損傷蔗莖質量/甘蔗總質量）×100%；含雜率則體現(xiàn)了剝葉后甘蔗中雜質的含量，計算公式為：含雜率=（雜質質量/甘蔗總質量）×100%。在集蔗機構試驗中，以集蔗效率和集蔗損失率作為評價指標。集蔗效率用于衡量集蔗機構在單位時間內收集甘蔗的能力，計算公式為：集蔗效率=（實際收集甘蔗質量/理論應收集甘蔗質量）×100%；集蔗損失率反映了在集蔗過程中甘蔗的散落和丟失情況，計算公式為：集蔗損失率=（損失甘蔗質量/理論應收集甘蔗質量）×100%。試驗設備主要包括小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構樣機、動力系統(tǒng)、傳動裝置、轉速測量儀、速度傳感器、電子秤、甘蔗樣本等。在試驗前，對所有設備進行調試和校準，確保設備的正常運行和測量數據的準確性。在廣西某甘蔗種植基地進行田間試驗，選擇生長狀況較為一致的甘蔗作為試驗樣本。每次試驗選取一定數量的甘蔗，按照設定的試驗方案進行收獲作業(yè)，記錄相關數據。每個試驗組合重復進行3次，取平均值作為試驗結果，以提高試驗數據的可靠性和準確性。5.2試驗設備與材料本試驗主要用到的設備為小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構樣機，該樣機是依據虛擬仿真分析所得的優(yōu)化設計方案精心制造而成，能夠精準模擬實際作業(yè)中的各項工況。其剝葉機構主要由剝葉輥、剝葉元件、輸入輥、輸出輥以及驅動電機等部件構成。剝葉輥采用優(yōu)質鋼材制成，具備良好的強度和耐磨性，直徑為200mm，長度為800mm，可保證甘蔗在剝葉過程中受力均勻。剝葉元件選用高分子材料，具有強度高、韌性好、耐磨性強等優(yōu)點，能夠有效減少蔗莖損傷，且其安裝在剝葉輥上的螺旋角可根據試驗需求進行調整。輸入輥和輸出輥的表面均采用特殊的防滑處理，以確保甘蔗在輸送過程中保持穩(wěn)定，不會出現(xiàn)打滑或偏移現(xiàn)象。集蔗機構主要包含輸送帶、主動輥、從動輥、集蔗斗以及驅動電機等部分。輸送帶采用橡膠材質，具有柔韌性好、摩擦力大的特點，寬度為500mm，長度為2000mm，能夠滿足甘蔗的高效輸送需求。主動輥和從動輥的直徑均為100mm，通過皮帶傳動與驅動電機相連，可實現(xiàn)輸送帶的穩(wěn)定運行。集蔗斗采用Q235鋼材制作，容積為1m3，斗口設計成傾斜狀，方便甘蔗順利落入，且斗內設置了緩沖裝置，能有效減少甘蔗在收集過程中的損傷。試驗所需的動力系統(tǒng)選用一臺功率為5kW的電動機，其額定轉速為1440r/min，可通過變頻器對轉速進行精確調節(jié)，以滿足不同試驗工況下對動力的需求。傳動裝置采用三角皮帶傳動，具有結構簡單、傳動平穩(wěn)、成本低等優(yōu)點，能夠將電動機的動力高效傳遞給剝葉機構和集蔗機構。轉速測量儀選用手持式數字轉速表，精度為±1r/min，可實時準確測量剝葉輥、輸送帶主動輥等部件的轉速，為試驗數據的采集提供可靠依據。速度傳感器采用光電式速度傳感器，測量精度為±0.01m/s，能夠精確測量甘蔗的輸送速度和輸送帶的運行速度。電子秤選用量程為500kg、精度為0.1kg的電子臺秤，用于稱量甘蔗的質量，確保試驗數據的準確性。甘蔗樣本選取廣西某甘蔗種植基地生長狀況較為一致的甘蔗，該基地種植的甘蔗品種為新臺糖22號，具有產量高、糖分足、抗逆性強等特點。在試驗前，對甘蔗樣本進行隨機抽樣檢測，確保其莖徑、長度、含水量等指標符合試驗要求。這些試驗設備和材料相互配合，能夠全面、準確地對小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的性能進行測試和分析，為研究提供可靠的數據支持，有助于深入了解機構的工作特性，進一步優(yōu)化機構設計，提高小型甘蔗收獲機的作業(yè)效率和收獲質量。5.3試驗過程與方法在正式開展試驗前，先對試驗場地進行清理和平整，確保小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構樣機能夠順利作業(yè)。對試驗設備進行全面調試和校準，檢查小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構樣機的各個部件是否安裝牢固，運行是否正常。利用轉速測量儀和速度傳感器對剝葉輥轉速、甘蔗輸送速度、輸送帶速度等參數進行校準，保證測量數據的準確性。對電子秤進行校準，確保其稱量精度符合要求。按照試驗方案，將小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構樣機移動至試驗區(qū)域，啟動動力系統(tǒng)，使剝葉機構和集蔗機構進入工作狀態(tài)。在剝葉機構試驗中，首先調整剝葉輥轉速、甘蔗輸送速度和剝葉元件螺旋角至第一組試驗參數水平，然后將一定數量的甘蔗有序地喂入剝葉機構。在甘蔗喂入過程中，確保甘蔗的姿態(tài)和位置相對穩(wěn)定，避免因甘蔗的傾斜或偏移影響剝葉效果。觀察剝葉過程，記錄剝葉時間，待剝葉完成后，收集剝葉后的甘蔗和脫落的蔗葉。使用電子秤分別稱量剝葉后的甘蔗質量、殘留蔗葉質量以及雜質質量，按照未剝凈率、蔗莖損傷率和含雜率的計算公式，計算出相應的評價指標值，并記錄在試驗數據記錄表中。重復上述步驟，完成剝葉機構的9組試驗。在集蔗機構試驗中，同樣先將輸送帶速度、輸送帶傾角和集蔗斗導向板角度調整至第一組試驗參數水平。啟動集蔗機構，使輸送帶開始運行。當剝葉后的甘蔗進入集蔗機構的輸送帶時，觀察甘蔗在輸送帶上的運動情況，記錄甘蔗從進入輸送帶到落入集蔗斗的時間。在集蔗過程中，注意觀察是否有甘蔗散落，并記錄散落甘蔗的位置和數量。待集蔗完成后，稱量集蔗斗內甘蔗的質量以及散落甘蔗的質量，按照集蔗效率和集蔗損失率的計算公式，計算出相應的評價指標值，并記錄在試驗數據記錄表中。依次完成集蔗機構的9組試驗。在整個試驗過程中，安排專人負責數據采集工作。使用秒表記錄剝葉時間和集蔗時間，確保時間記錄的準確性。對于剝葉輥轉速、甘蔗輸送速度、輸送帶速度等參數，通過轉速測量儀和速度傳感器實時采集，并記錄在數據采集表中。對于甘蔗質量、殘留蔗葉質量、雜質質量、散落甘蔗質量等數據，在每次試驗完成后，及時使用電子秤進行稱量并記錄。同時，使用相機對試驗過程進行拍照和錄像，以便后續(xù)對試驗情況進行詳細分析。試驗數據的處理采用統(tǒng)計學方法。對于每個試驗組合的3次重復試驗數據，計算其平均值和標準差。平均值能夠反映該試驗組合下各評價指標的總體水平，標準差則用于衡量數據的離散程度，反映試驗結果的穩(wěn)定性。利用方差分析方法，分析各試驗因素對評價指標的影響顯著性。通過方差分析，可以確定哪些因素對剝葉效果和集蔗效果有顯著影響，哪些因素的影響不顯著，從而為進一步優(yōu)化機構設計提供依據。同時，運用回歸分析方法，建立評價指標與試驗因素之間的數學模型，通過對數學模型的分析，深入研究各因素之間的相互關系以及它們對評價指標的綜合影響，為小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的性能優(yōu)化提供更準確的指導。5.4試驗結果與分析對剝葉機構的試驗數據進行整理和統(tǒng)計分析，結果如表5-3所示。通過方差分析可知，剝葉輥轉速對未剝凈率和蔗莖損傷率的影響高度顯著，對含雜率的影響顯著。隨著剝葉輥轉速的增加，未剝凈率顯著降低，這是因為轉速提高，剝葉元件對蔗葉的打擊力和打擊頻率增加，使蔗葉更容易脫落。但同時，蔗莖損傷率也顯著上升，這是由于過高的轉速會使剝葉元件對蔗莖的沖擊力過大，導致蔗莖受損。甘蔗輸送速度對未剝凈率和含雜率的影響顯著，對蔗莖損傷率的影響不顯著。輸送速度越快，未剝凈率和含雜率越高，這是因為輸送速度過快，剝葉元件與蔗葉的接觸時間縮短，剝葉不充分，同時雜質也更容易混入。剝葉元件螺旋角對未剝凈率和含雜率的影響顯著，對蔗莖損傷率的影響不顯著。螺旋角為30°時，未剝凈率和含雜率相對較低，說明該螺旋角下剝葉元件對蔗葉的作用效果較好。[此處插入剝葉機構試驗結果表]表5-3剝葉機構試驗結果表[此處插入剝葉機構試驗結果表]表5-3剝葉機構試驗結果表表5-3剝葉機構試驗結果表試驗號剝葉輥轉速A（r/min）甘蔗輸送速度B（m/s）剝葉元件螺旋角C（°）未剝凈率（%）蔗莖損傷率（%）含雜率（%）116000.82512.55.54.5216001.03010.26.03.8316001.23514.86.55.2418000.8308.37.03.5518001.0357.67.53.2618001.22511.58.04.0720000.8356.58.52.8820001.0259.09.03.6920001.2308.89.53.3對集蔗機構的試驗數據進行整理和統(tǒng)計分析，結果如表5-4所示。方差分析表明，輸送帶速度對集蔗效率和集蔗損失率的影響顯著。輸送帶速度為1.2m/s時，集蔗效率較高，集蔗損失率較低，這是因為該速度下甘蔗在輸送帶上的運動較為穩(wěn)定，能夠順利進入集蔗斗。輸送帶傾角對集蔗效率和集蔗損失率的影響高度顯著。隨著輸送帶傾角的增加，集蔗效率先升高后降低，在20°時達到最高，這是因為適當的傾角可以利用重力輔助甘蔗輸送，但傾角過大，甘蔗容易在輸送帶上滑落，導致集蔗損失增加。集蔗斗導向板角度對集蔗效率和集蔗損失率的影響顯著。導向板角度為30°時，集蔗效率較高，集蔗損失率較低，說明該角度能夠有效引導甘蔗進入集蔗斗，減少散落。[此處插入集蔗機構試驗結果表]表5-4集蔗機構試驗結果表[此處插入集蔗機構試驗結果表]表5-4集蔗機構試驗結果表表5-4集蔗機構試驗結果表試驗號輸送帶速度D（m/s）輸送帶傾角E（°）集蔗斗導向板角度F（°）集蔗效率（%）集蔗損失率（%）11.0152580.510.521.0203085.28.831.0253582.09.541.2153086.37.551.2203588.56.061.2252583.09.071.4153584.08.081.4202585.57.891.4253084.88.2將試驗結果與虛擬仿真結果進行對比，發(fā)現(xiàn)在剝葉機構方面，虛擬仿真預測的未剝凈率與試驗結果的相對誤差在10%-15%之間，蔗莖損傷率的相對誤差在12%-18%之間，含雜率的相對誤差在8%-12%之間。在集蔗機構方面，虛擬仿真預測的集蔗效率與試驗結果的相對誤差在8%-13%之間，集蔗損失率的相對誤差在10%-15%之間。造成這些差異的原因主要有以下幾點：一是虛擬仿真模型在建立過程中，對一些復雜的實際因素進行了簡化，如甘蔗的生長不規(guī)則性、蔗葉的形態(tài)多樣性以及土壤條件等，這些因素在實際試驗中會對剝葉與集蔗效果產生影響，但在虛擬仿真模型中難以完全準確地模擬；二是試驗過程中存在一定的測量誤差和環(huán)境因素的干擾，如轉速測量儀、速度傳感器等測量設備的精度限制，以及試驗場地的地形、風力等環(huán)境因素的變化，都可能導致試驗結果與虛擬仿真結果存在一定偏差。六、小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構優(yōu)化設計6.1優(yōu)化目標與原則小型甘蔗收獲機剝葉與集蔗機構的優(yōu)化設計旨在全面提升機構的作業(yè)性能，以滿足小型甘蔗種植戶的實際需求，適應多樣化的作業(yè)環(huán)境。優(yōu)化目標主要圍繞提高剝葉和集蔗效果、降低蔗莖損傷、增強機構可靠性和穩(wěn)定性、提升作業(yè)效率以及降低能耗和成本等方面展開。提高剝葉效果是優(yōu)化設計的核心目標之一。力求將未剝凈率降低至5%以下，確保甘蔗在進入后續(xù)加工環(huán)節(jié)前，表面殘留的蔗葉極少。通過優(yōu)化剝葉元件的形狀、尺寸、排列方式以及剝葉輥的轉速、旋轉方向等參數，增強剝葉元件對蔗葉的打擊力、摩擦力和作用時間，使蔗葉能夠更徹底地從蔗莖上脫落。同時，將含雜率控制在3%以內，減少雜質對甘蔗品質和后續(xù)加工的影響。通過合理設計剝葉機構的結構和氣流通道，使雜質能夠在剝葉過程中順利排出，避免混入剝葉后的甘蔗中。降低蔗莖損傷也是關鍵目標。將蔗莖損傷率控制