【文章內(nèi)容簡介】 中性層裂紋。再進一步施加荷載時 ,中性層被剪開。 2）靠近節(jié)處產(chǎn)生橫向斷裂 (圖 11b) 在彎曲荷載下 ,當(dāng)采用圖 12 所示的加載方式 ,靠近甘蔗節(jié)處的最大彎曲部位 首先達到破壞極限從而產(chǎn) 生斷裂。 3）甘蔗莖底部軸向產(chǎn)生裂紋 (圖 11c) 和中性層裂紋不同的是在彎曲過程中在底部產(chǎn)生軸向裂紋。這應(yīng)該是由于甘 蔗芯部產(chǎn)生較大塑性變形后造成對甘蔗表皮被擠壓的關(guān)系。 4）甘蔗莖節(jié)部附近產(chǎn)生不規(guī)則形狀的裂紋 (圖 11d) 這是上述幾種情況的綜合表現(xiàn) , 也反映了甘蔗莖材料的復(fù)雜性。 甘蔗莖稈在壓縮載荷下的實驗 [10] 0 12 是甘蔗受壓縮載荷時的載荷 時間曲線。由圖可以看出，試樣在壓縮 2 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 荷載下隨著實驗 529B 增加逐步達到破 壞極限。 0 12 壓縮載荷 時間曲線 0 13 是甘蔗莖在壓縮載荷下的破壞形式。當(dāng)蔗皮產(chǎn)生扭曲時，因蔗芯限制 蔗皮向芯部方向彎曲，蔗皮向外彎曲，蔗皮產(chǎn)生縱向裂紋并與蔗芯分離。 0 13 壓縮載荷下的破壞形式 甘蔗皮與甘蔗芯在拉伸載荷下的實驗 0 14a、 14b 分別是蔗皮徑向、軸向的破壞形式，圖 15a、 15b 是蔗芯軸 向徑向的破壞形式 [11]。 圖 14 蔗皮破壞 形式 3 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 a 蔗芯軸向破壞形式 b 蔗芯徑向破壞形式 0 15 蔗芯破壞形式 甘蔗切削機理研究現(xiàn)狀 對于甘蔗切削原理的研究，目前主要運用實驗的方法或者通過實驗作為驗證 建立有限元模型后運用顯示動力學(xué)的方法來研究切削過程的機理。 甘蔗莖稈橫向切割機理 對于橫向切割機理的研究主要應(yīng)用于甘蔗收獲機的切削過程。甘蔗收獲機在 工作過程中存在甘蔗割茬不整齊、切割損失較大等缺陷，這些將會嚴重影響甘蔗 收獲 機的使用和推廣。為此，根據(jù)目前國內(nèi)外對甘蔗莖稈力學(xué)性能、切割刀具以 及切削理論等方面的研究，提出了一種結(jié)合甘蔗莖稈材料特點和其力學(xué)特性來研 究甘蔗的切割機理的方法，將會更具有科學(xué)性。 建立三維甘蔗切割器系統(tǒng)動力學(xué)可視化仿真模型，利用 ANSYS/LSDYNA 求解器進行仿真求解，其切割仿真過程及切割力時間歷程如圖 16 所示 [12][13]。 圖 16 甘蔗切割器系統(tǒng)動力學(xué)仿真 通過仿真與實驗結(jié)果可以得出如下結(jié)論： 1）通過采用刀具對甘蔗莖稈的沖擊物理試驗表明，把甘蔗作為 各向同性的 材料模型進行建模以及建立的切割器系統(tǒng)動力學(xué)模型適用于甘蔗莖稈切割力的 仿真研究。 2）最大的切割力隨著刀具的刃角增大呈現(xiàn)拋物線的變化趨勢，刀具的刃角 約為 19176。時切割力達最小值；最大的切割力隨著刀具的切割角度的增大而減小。 3）最大剪應(yīng)力隨刀具的刃口角度增大而增大，隨刀盤的傾角和切割速度的 增大而減?。恍〉牡镀薪桥c小的切割角組合最大剪應(yīng)力最小。小的刀具刃口傾 斜角度與小的切割角以及大的切割速度有助于減少甘蔗莖稈的切割破頭率。 4）刀片刃角 α＝ 176。，切割角 β=176。，刀 盤傾角 γ＝ 28176。，切割速度 V ＝ 16m/s 時，最佳切割力為 ，可靠性為 95%的最佳切割力范圍 ～ [13]。 4 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 甘蔗莖稈縱向切割機理 甘蔗皮層的削皮受力變化研究是甘蔗削皮機械研制的理論基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外 研究重點主要集中在甘蔗莖稈的力學(xué)特性方面研究，甘蔗相關(guān)機械的研究重點主 要集中在甘蔗莖稈的切割機械的研制 [14]。對于甘蔗皮層受力變化研究并不多見， 而且也只是簡單的實驗，所以 對于這部分的詳細深入研究還是空白。 不同刀片刃口在切削甘蔗皮時，刀片受力實驗結(jié)果如圖 17 所示 [15][16]： 圖 17 甘蔗節(jié)間試樣去皮時的位移－載荷變化 1）不同切削刀具的刃口傾斜角度對甘蔗節(jié)間削皮的實驗結(jié)果為，隨著切削 刀具刃口角度的增加，削皮過程所需要的載荷逐漸增加，這表明切削刀具在對甘 蔗節(jié)間削皮時所遇阻力逐漸增大。不同的刀具刃口傾斜角度在甘蔗莖稈的下段節(jié) 間進行削皮時阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。 2）不同切削刀具的刃口傾斜角度對甘蔗節(jié)點削 皮的實驗結(jié)果為，隨著切削 刀具刃口角度的增加，削皮過程所需要的載荷逐漸增加，這表明切削刀具在對甘 蔗節(jié)間削皮時所遇阻力逐漸增大。不同的刀具刃口傾斜角度在甘蔗莖稈的下段節(jié) 中進行削皮時阻力最大，而中段阻力次之，上段阻力最小。 3）由于甘蔗莖稈各部位的纖維排列不同，對節(jié)間和節(jié)點處削皮時，刀具刃 口傾斜角度越小，使甘蔗皮剝離的作用力越小。 切削裝置的研究現(xiàn)狀 根據(jù)切削方式的不同，切削裝置可以分為縱向切削方式的切削裝置、仿形切 削方式的切削裝置、螺旋切削方式的切削裝置。 1)縱向切削方式的切削裝置 [19][20] 縱向切削裝置是仿照人手工切削方式而設(shè)計的一種切削裝置，此裝置設(shè)置多 個切削機架，按照沿甘蔗移動方向依次設(shè)置。切削刀架通過環(huán)形均勻排布在機架 上，刀架與甘蔗形成一定夾角，并且前后布置的切削刀架根據(jù)一個固定的夾角相 互錯開布置。此裝置對甘蔗的 12 個方向進行切削，切削后的甘蔗截面呈 12 邊形。 5 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 2）仿形切削方式的切削裝置 [21] [22] 仿形切削方式是把刀具做成與甘蔗外形相似的圓弧銑刀，對甘蔗表皮進行切 削。仿形銑刀由基軸和沿基軸軸 向均勻分布的三塊刀頭組成，每塊刀頭的刀刃呈 90176。的弧線，使得刀刃能銑刀更多的甘蔗皮。 3）螺旋切削方式的切削裝置 [23][24] 螺旋切削方式的切削裝置是一種采用刀具對甘蔗進行切削的同時刀具圍繞 甘蔗圓周轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)甘蔗去皮的目的。螺旋切削裝置的傳動原理為，電機通 過減速后帶動切削主軸旋轉(zhuǎn)，切削主軸帶動軸套轉(zhuǎn)動，絲盤上的端面螺紋在與其 相連接的軸套帶動下轉(zhuǎn)動，之后帶動與絲盤嚙合的進給齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪在彈簧作 用下壓在甘蔗上，從而帶動甘蔗進入切削系統(tǒng)。在進行切削時，刀具轉(zhuǎn)動的同時， 機架會繞切削筒圓周轉(zhuǎn) 動，從而實現(xiàn)甘蔗的切削。 第一代樣機目前存在的問題 1）切削裝置存在的問題 如圖 18 所示為第一代樣機切削裝置的三維模型，此切削裝置采用直線切削 方式，但刀具太少沒能形成一個封閉的切削區(qū)域，所以對于一根甘蔗要采用多次 切削才能完成。同時刀具所圍成的軸線位置距離滑軌偏遠容易導(dǎo)致刀架卡死。此 外由于此裝置沒有引入運動檢測和控制部分，所以刀架切削運動和進給運動之間 長久的協(xié)調(diào)性無法保障。 圖 18 第一代樣機切削裝置 2）機身結(jié)構(gòu)存在的問題 如圖 19 所示為第一代樣機整機的三維模型，由于樣機的重心位置偏高而且 支撐架比較薄弱所以在樣機實際運行過程中會引起比較大的晃動，并且伴隨有比 6 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 較大的噪音。 圖 19 第一代樣機整機模型 3）進給裝置存在的問題 進給裝置采用的是上下一對橡膠輪來同時實現(xiàn)夾緊和進給功能。但是橡膠輪 和甘蔗莖稈是線接觸，只有通過比較大的夾緊力才能夠獲得足夠大的摩擦力從而 實現(xiàn)甘蔗的切削夾緊，但是過大的夾緊力又比較容易壓破 甘蔗莖稈。此外因為沒 有自動檢測裝置及累積誤差的原因?qū)е虑邢骱瓦M給運動之間無法長久保持較好 的同步協(xié)調(diào)性。 本文主要研究內(nèi)容 本文在總結(jié)與分析現(xiàn)存甘蔗削皮機及東華大學(xué)第一代甘蔗削皮機樣機的基 礎(chǔ)上，創(chuàng)新的設(shè)計出了一種自動化甘蔗削皮裝置，并設(shè)計樣機的控制系統(tǒng)，最后 制作實物樣機并對其進行調(diào)試使其滿足預(yù)計設(shè)計目標(biāo)。 本文章節(jié)安排： 第一章緒論。主要對甘蔗去皮裝置的研究現(xiàn)狀，存在問題和發(fā)展動態(tài)進行了 綜述，并根據(jù)國內(nèi)外的論文文獻、專利和市場上已投入使用的產(chǎn)品進行總結(jié)，分 析了它們的優(yōu)缺點并 提出自己的研究思路。介紹了本課題的選題背景和主要研究 內(nèi)容。 第二章樣機總體方案設(shè)計。在總結(jié)與分析現(xiàn)存甘蔗削皮機優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上， 對樣機進行方案設(shè)計并創(chuàng)新的設(shè)計出了一種具有自適應(yīng)甘蔗莖稈走向的甘蔗切 削機構(gòu)、帶有自鎖夾緊功能的夾緊裝置和整機框架結(jié)構(gòu)。 第三章樣機仿真分析。利用 SolidWorks 的運動分析功能進行機構(gòu)的運動仿 7 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 1 章 緒論 真和使用 ANSYS Workbench 對機身結(jié)構(gòu)做靜力和動力仿真來驗證設(shè)計是否合理， 并在此基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)做 優(yōu)化改進。 第四章樣機控制系統(tǒng)設(shè)計。首先對樣機的控制系統(tǒng)進行功能需求分析及方案 論證，設(shè)計控制電氣原理圖，然后選擇合適的 PLC 機型及電器元件，并設(shè)計 PLC 輸入輸出接線圖，最后編制 PLC 控制程序。 第五章樣機的安裝與調(diào)試。主要內(nèi)容為根據(jù)設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸對樣機關(guān)鍵零部 件進行加工，整機的裝配，控制電路接線及對樣機的運行狀況進行評估找出運行 過程中存在的問題然后進行調(diào)試直到滿足設(shè)計的預(yù)定目標(biāo)。 第六章結(jié)論和展望。為作者對本課題所做的工作進行總結(jié)和展望。 本章小結(jié) 本章首先對 本課題的選題背景及意義進行了介紹，然后對甘蔗的力學(xué)性能、 甘蔗莖稈的切削機理研究現(xiàn)狀及目前存在的切削裝置進行了概述。最后對東華大 學(xué)第一代甘蔗削皮機樣機的研究情況進行了分析，找出了切削裝置在運行過程中 存在的缺陷，如切削裝置沒有良好的自適應(yīng)性，進給裝置存在傳動累積誤差等。 因此要實現(xiàn)對甘蔗良好的切削功能，需要在第一代樣機研究基礎(chǔ)上，重新對甘蔗 削皮機進行創(chuàng)新設(shè)計，本文將對本課題進行詳細闡述。 8 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣 機總體方案設(shè)計 第 2章 樣機總體方案設(shè)計 樣機總體設(shè)計 根據(jù)甘蔗的力學(xué)性能和甘蔗皮層的切削特性，并在總結(jié)與分析現(xiàn)存甘蔗切削 設(shè)備優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性的設(shè)計了此甘蔗切削裝置。并使用 Solidworks 建模 軟件，根據(jù)自上而下的建模方法建立了整機的樣機模型，如圖 21a、 21b 所示。 1主電機 2夾緊裝置 3刀架 4夾緊機構(gòu)電機 5支撐框架 6傳感器支架 7切削機構(gòu) 8控制柜支架 圖 21 樣機整機結(jié)構(gòu)示意圖 9 自動化甘蔗削皮裝置的研制 第 2 章 樣機總體方案設(shè)計 切削機構(gòu)設(shè)計 切削機構(gòu)的方案設(shè)計 對于甘蔗削皮機的切削機構(gòu)，按照切削方式的不同可以分為縱向切削方式的 切削機構(gòu)、仿形切削方式的切削機構(gòu)和螺旋切削方式的切削機構(gòu)。 第一種方案：對于縱向切削方式的切削裝置是仿照手工切削的方法，把刀具 固定在刀架上然后利用刀架和甘蔗之間的相對運動來實現(xiàn)削皮。這種切削方式的 優(yōu)點是刀具 的切削方向和甘蔗的木質(zhì)結(jié)構(gòu)方向一致，所以切削力比較小，同時刀 架的運動機構(gòu)也相對比較簡單。缺點是因為要在刀架上布置多把切刀，所以刀架 的結(jié)構(gòu)會稍微復(fù)雜。 第二種方案：仿形切削方式的切削裝置是把刀具做成與甘蔗外形相似的圓弧 銑刀，對甘蔗表皮進行切削。這種切削方式的優(yōu)點是切除的甘蔗皮是碎屑狀的便 于垃圾的回收處理，缺點是刀具比較復(fù)雜制造的成本高。 第三種方案：螺旋切削方式的切削裝置是一種采用刀具對甘蔗進行切削的同 時刀具圍繞甘蔗圓周轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)甘蔗去皮的目的。這種切削方式的優(yōu)點是由 于刀具圍繞甘蔗進行圓周 切削所以結(jié)構(gòu)可以做的比較緊湊，缺點是刀具的圓周運 動要引入行星輪系所以運動機構(gòu)比較復(fù)雜。 表 21 切削方式方案優(yōu)缺點對比 方案一 方案二 方案三 優(yōu)點 切削力小、切削機構(gòu)簡 垃圾便于處理 切削結(jié)構(gòu)緊湊 單、多功能切削