联合收割机轴流脱粒过程的动力学仿真_张认成

2001年5月

农业机械学报

第32卷第3期

联合收割机轴流脱粒过程的动力学仿真

张认成　　桑正中

　　【摘要】　运用变质量系统的基本原理, 建立轴流脱粒过程中谷物运动的非线性动力学模型。在计算机上对轴流脱粒过程中谷物的动力学特性进行数学仿真, 并对脱粒机理进行理论分析。仿真结果表明, 脱粒装置的反力和钉齿打击力都是谷物运动角位移的复杂周期函数, 每一个周期又可分为冲击脱粒和茎稿疏松两个阶段, 两者协调呼应交替出现, 使谷物得以充分脱粒和分离。谷物这种交替出现的受力状态是保证籽粒有效脱粒的重要动力学条件。

叙词:联合收获机　脱粒过程　动力学　仿真中图分类号:S225

文献标识码:

A

Dynamic Simulation of the Axial Threshing Process

of Combine Harvesters

Zhang Rencheng

(University of Science and Technology of China )

Sang Zheng zhong

(J iangsu University of Scienc e and Technology )

Abstract

Based o n the principle o f a v aried ma ss sy stem, the non-linea r ma them atical model of the crop m echa nics for a n ax ial threshing process wa s set up . The results of sim ulation research a nd theo retica l analysis on the model sho w that bo th the counteracting force of the th reshing device and striking fo rce of the threshing too th are com plica ted periodic functions of the ang le displacement. E v ery cycle o f these functions can be divided into tw o pa rts, viz. striking process and loo sening process . The threshing is carried out mainly in the first half cycle , w here the centrifugal fo rce cha nges from minim um to m ax imum a nd the striking fo rce from maximum to minimum. In the seco nd half cycle stem is loosened com pletely so that the seed can be separated easily. At the same time, the ang le v elocity of the cro p is decreased to minim um , w hich makes it possible fo r the crop to gain g reat striking fo rce in the nex t cycle . The two processes ca rried through o ne after the other make th reshing and separating co mpleted successfully.

Key words 　Com bine ha rv esters, Threshing process, Dynamics, Simulatio n

　　引言

轴流脱粒过程是一个十分复杂的力学问题, 以

往研究脱粒装置性能时, 多注重于从运动学方面去分析, 本文拟从动力学的角度进行研究, 应用变质量系统的基本原理, 建立轴流脱粒过程的动力学模型, 在计算机上进行动态仿真, 探讨轴流脱粒过程的

收稿日期:2000

0529

[1]

脱粒机理。

1　动力学模型的建立

文献[1]基于变质量系统的基本原理及假设条件, 建立了圆柱滚筒半凹板型轴流脱粒装置在脱粒过程中凹板侧和盖板侧谷物运动的数学模型, 分别为

张认成　中国科学技术大学经济技术学院　博士　副教授, 230052　合肥市桑正中　江苏理工大学机械工程学院　博士生导师　教授, 212013　镇江市

　第3期

2

2

张认成等:联合收割机轴流脱粒过程的动力学仿真

59

r =(k 1k t -_s sin O ) -k 1k t (R +r ) +

d t d t d t

　　　g (cos θ-_s sin O sin θ)+k 1k t R k

O ) r -k 2k t (R +r ) -2=(k 2k t -_s cos

d t d t d t 　　g _s cos O sin θ+k 2k t R k O =r

d t d t

2

2

2

2

根据谷物在脱粒空间的受力分析, 凹板侧钉齿打击力F t 、盖板侧螺旋导板作用力F v 、凹板反力F s 及盖板反力F c 可以用谷物运动的角速度及其导数

(1)

来表示[2]

F t =

k t k -0

2

d t

R k -r

d t

θ∈[2n π, (2n +1) π]θ∈[(2n +1) π, 2(n +1) π]

　　θ∈[2n π, (2n +1) ]　n ∈N

22r =-_c sin U ·d t +d t

　　　g [(1-k 3co s U ) cos θ-_c sin U ·sin θ]22

=-_c co s U ·+d t d F s =

d r +g sin θθ∈[2n π, (2n +1) π]d t 00

θ∈[(2n +1) π, 2(n +1) π]　　(5) θ∈[2n π, (2n +1) π]

2

(2)

F c =

d r +g sin θθ∈[(2n +1) π, 2(n +1) π]d t 0

θ∈[2n π, (2n +1) π]

g cos θcos U θ∈[(2n +1) π, 2(n +1) π]

　　g co s U ·(

k 4cos θ-_c sin θ)

　　θ∈[(2n +1) π, 2(n +1) π]　n ∈N 式中　O——谷物沿凹板运动的螺旋角

——滚筒上钉齿作用半径及旋转角速度R 、k

r 、θ、z ——脱粒空间中谷物质点柱面坐标U ——螺旋导板的升角　g ——重力加速度_s 、_c ——谷物与凹板及盖板的摩擦因数k t 、k 1～k 4——与滚筒几何结构参数有关的常

数c r k t =2+πL cos 1-e 1+Δk 1=cos W +_t sin W k 2=sin W -_t cos W k 3=cos U +_v sin U

k 4=sin U -_v cos U

式中　Δ——谷草比

_(z ) ——轴流脱粒空间沿z 轴的谷物分离率e ——速度增长系数

_t 、_

v ——谷物与钉齿及螺旋导板摩擦因数——钉齿对谷物的作用角, W =π/2-O W

d ——钉齿直径

N r 、N c ——钉齿的螺旋头数和列数L ——螺旋线节距

1为滚筒轴心到喂入点的矢径向喂入时, 若取T

径与水平线的夹角, T 2为喂入口处输送槽底的延长线与水平线的夹角, v p 为入口处谷物喂入速度, 则式

[1]

F v =

由式(1) ～(5) 可见, 谷物在轴流脱粒空间内所受的力与其角速度和轴向速度有关, 而且在凹板侧和盖板侧受力状况不同。谷物动力学模型为二阶非线性微分方程组。

2　谷物动力学状态仿真

在Matlab 环境下, 用Sim ulink 图形输入仿真工具, 建立式(1) ～(5) 的仿真模型, 采用5阶自适应

变步长技术, 对谷物受力状态进行仿真。在每一个步

(3)

和轴向速度, 再d t d t

用“显示器”输出凹板反力F s 与盖板反力F c 、钉齿长上计算出谷物运动的角速度

作用力F t 以及螺旋导板作用力F v , 并打印仿真曲线。图1为一仿真实例。仿真时脱粒过程的脱粒率按指数函数计算, 凹板包角为180°, 滚筒角速度为83. 8rad /s,谷草比Δ=0. 8, 摩擦因数[3]_s =0. 38, _t =_v =_c =0. 35。

3　仿真结果分析

3. 1　凹板和盖板的反力与角位移的关系

图1a 为凹板反力F s 和盖板反力F c 与角位移的关系曲线。谷物角位移在2n π～(2n +1) π之间时, 谷物处于凹板侧, 对应区间内的曲线表示凹板反力; 在(2n +1) π～2(n +1) π之间时, 谷物处于盖板侧, 对应时段内的曲线代表盖板的反力。反力的大小主要取决于谷物运动时的离心力。由运动分析[1]知, 凹板侧强烈的钉齿打击力使谷物获得很大的角加速度, 切向运动迅速加速, 加速过程约在π/2位移内完

4)

成, 此过程中, 谷物运动的离心力相应地急剧增加, 导致凹板反力剧烈增大; 在后续π/2内谷物基本上保持恒速运动, 离心力近似不变, 因而凹板反力基本,

60

农　业　机　械　学　报2001年　

增强搓揉效果, 促进籽粒的脱粒。进入盖板侧后, 谷物在盖板接触面的摩擦阻力作用下切向速度迅速衰减, 引起离心力减小, 盖板反力呈下降趋势, 盖板反力的减小使茎稿在径向充分疏松, 使脱粒下来的籽粒易于分离, 同时加大下一周期茎稿与钉齿的相对速度, 使茎稿再次获得很大的打击力。随着轴向位移的增加, 谷物的切向速度逐渐提高, 反力逐渐加大, 因而从整体上看反力曲线具有上升趋势

。

如图2所示, 这与文献[3]给出的试验结果有着相似

的变化趋势。随着压紧过程的进行, 导板的反力随着谷物运动的螺旋角的增加而逐渐增大, 因而其作用力是角位移的增函数。

图2　运动螺旋角与角位移的关系

　

以上3种作用力从整体上看虽有增加或减小的

趋势, 但当仿真时间较长时[2], 它们就会趋于各自的稳态等幅振荡, 不会无限制地增加或减小下去, 这是由于籽粒全部被脱粒后, 茎稿质量不再发生变化的缘故。

综上所述, 轴流脱粒空间内, 脱粒装置的反力和钉齿打击力都呈复杂周期性变化, 每一个周期可划分为冲击脱粒和茎稿疏松两个阶段。谷物在每一个旋转周期的起点处, 角速度最小, 凹板反力达到极小值, 此时谷物与滚筒角速度差值最大, 因而钉齿作用力也为最大值, 其后约π/2区间内, 钉齿的打击力使谷物角速度迅速提高, 导致凹板反力急剧增加, 另一方面谷物与钉齿相对速度逐渐减小, 引起钉齿作用力下降。紧接的约π/2区间内, 由于谷物运动速度基本恒定, 凹板反力也近似为常数, 该区间是谷物受冲击而脱粒的主要过程。当谷物进入盖板侧后, 由于盖板与螺旋导板表面的摩擦阻力使谷物角速度下降

[2]

图1　谷物受力状态仿真曲线

(a)凹板和盖板的反力与角位移的关系(b) 钉齿作用力与角位移的关系(c)导板作用力与角位移的关系

　

3. 2　钉齿的作用力与角位移的关系

钉齿对谷物的打击力是籽粒脱粒的直接动力。钉齿作用力与角位移的关系曲线如图1b 所示。在其他条件不变的情况下, 钉齿对谷物的打击力取决于谷物与滚筒圆周速度之差值。入口处谷物角速度最低, 钉齿打击力最大, 在凹板侧随谷物角速度的提高, 钉齿打击力相应出现下降和恒定趋势; 钉齿的打击力使谷物获得巨大的角加速度, 由其产生的惯性力使籽粒克服它与茎稿的连接力而得以脱粒。盖板侧脱粒间隙比凹板侧大得多, 谷物在离心力作用下紧贴盖板滑动, 因而钉齿打击力很小, 仿真过程中忽略了其影响。随着谷物的轴向移动, 籽粒不断地从凹板分离出去, 剩余茎稿质量和体积不断减小, 在离心力作用下茎稿总是紧贴凹板或盖板运动, 因而钉齿作用力整体上有下降的趋势。3. 3　导板作用力与角位移的关系

螺旋导板作用力只发生在盖板一侧, 如图1c 所示。运动分析表明

[1]

, 导致盖板反力也急速减小, 直到该周期的终止

点, 反力和谷物角速度达到最小值, 这有利于谷物在下一个周期再次获得很大的钉齿打击力, 该阶段是茎稿充分疏松以便籽粒进一步分离的主要过程。由此可见, 周期性的反力和钉齿打击力协调呼应, 使谷物冲击脱粒和疏松分离交替进行, 保证了脱粒过程正常进行。

4　结论

基于变质量系统的基本原理, 建立了轴流脱粒过程谷物运动的动力学模型。理论分析与计算机仿真结果表明:脱粒装置的反力和钉齿作用力都是谷物角位移的复杂周期函数, 每一个周期可分为冲击脱粒和茎稿疏松两个阶段。冲击阶段主要完成脱粒任务, 它处于每一个周期的前半部分, 该区间内谷物与滚筒旋转运动的相对速度由最大变为最小, 相应的钉齿打击力也由最大变为最小, 而反力由最小变为最大; 疏松阶段主要使茎稿充分疏松以便籽粒进

)

, 谷物进入盖板侧后并不立即以

螺旋导板的螺旋角作螺旋运动, 而是谷物与导板表

, ,

　第3期何培杰等:新型喷雾混药装置性能研究

47

(3) 保持调压阀状态不变, 调节混合流出口管道上截止阀, 使混合流压强变化的方向与步骤2相反, 记下此时各工况下质量流量及压强值。则做完一组高压水流压强固定之性能实验。

(4) 调节调压阀, 使p 0调至另一值, 重复步骤2～3, 则得到高压水流压强下各工况之性能试验数据。

1. 49、2. 07和3. 03三种新型喷雾混药装置, 从图4可以发现:理论计算可较好地符合实验结果

。

3　实验结果及分析

本次实验中, 喷嘴的收缩角为14°, 根据吉布松(Gibso n) 实验, 喷嘴阻力系数K nz 可取为0. 04。然后再根据式(12) 和式(14) 求出混合管进口阻力系数K en 以及(K th +K d i ) 的值。

对于任一新型喷雾混药装置, 由于面积比m 给定, 将K nz 、K en 和(K th +K di ) 代入性能方程(15) , 再根据实验测得的每一个流量比q , 就可求出相应的压强比h 。分别绘出新型喷雾混药装置的q h 理论曲线和实验点, 并比较理论曲线与实验点的符合程度。本次实验中采用了混合管与喷嘴面积比为

参

考

　

图4　新型喷雾混药装置性能曲线

(a) m =3. 03　(b) m =2. 07　(c)m =1. 49

图4中出现了实验点与理论曲线的突然分离,

是由于新型喷雾混药装置在某一较高流量比处出现

了汽蚀现象。

文

献

1　王光亮, 向忠平. 植物保护机械的使用维修. 南京:东南大学出版社, 1997. 23～372　万培荪. 植保机械用射流装置的研究. 农业机械学报, 1989, 20(3):38～43

3　吴萍, 赵刚, 王隽等. 手动药械喷雾混药装置研究初探. 植保机械与清洗机械动态, 1998(2):1～5

4　Cunningham R G. Liquid jet pum p modeling:effect o f ax ia l dimensions o n theo ry -ex periment ag r eem ent. Pr oceeding o f 2nd symposium o n jet pump and ejecto rs and g as lift techniques, BHR A, 1975, F11～F1155　张也影. 流体力学. 北京:高等教育出版社, 1992.

(上接第60页)

一步分离, 同时谷物角速度降低, 以备在下一个周期再次获得较大的冲击力。正是冲击与疏松两过程交替进行, 才使谷物得以顺利地脱粒和分离, 保证了脱

参

考

粒的质量。因而, 从动力学的角度看, 使谷物获得交替性周期分布的反力和钉齿打击力是保证谷物有效脱粒的动力学条件。

文献

1　张认成, 桑正中. 轴流脱粒空间谷物运动仿真研究. 农业机械学报, 2000, 31(1):55～57, 852　张认成. 联合收割机智能控制仿真研究:

1986, 48(1):33～41

4　卢里耶АБ, 格罗姆勃切夫斯基АА. 农业机械的设计和计算. 袁佳平等译. 北京:中国农业机械出版社, 1983. 547

[博士学位论文].镇江:江苏理工大学, 1998.

,

3　李升揆, 川村登. 轴流スレシセに关する研究(第二报) —被脱谷物のこざ室内での运动解析. 农业机械

学会