甘蔗收割機(jī)物流堵塞影響因素的試驗(yàn)研究

賴　曉，郭文峰，黃海波，張　訊，胡子為，曾　沛，孫藝嘉

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

?

甘蔗收割機(jī)物流堵塞影響因素的試驗(yàn)研究

賴曉，郭文峰，黃海波，張訊，胡子為，曾沛，孫藝嘉

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：為探討甘蔗物流堵塞的成因與影響因素，在自制的小型甘蔗收割機(jī)上進(jìn)行物流通暢性試驗(yàn)，通過正交試驗(yàn)分析了砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速、提升裝置表面材料、喂入輥轉(zhuǎn)速及喂入輥耙齒形狀等因素對(duì)甘蔗通過堵塞關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)(即砍蔗機(jī)構(gòu))的時(shí)間的影響。結(jié)果表明：提升裝置表面材料、砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速及喂入輥耙齒形狀對(duì)甘蔗物流通過時(shí)間有顯著影響，提升裝置表面材料的摩擦因數(shù)大則甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)的時(shí)間縮短，在一定程度上提高刀盤轉(zhuǎn)速和改進(jìn)喂入輥耙齒形狀也能提高甘蔗物流通暢性。

關(guān)鍵詞：甘蔗；收割機(jī)；物流堵塞

0引言

甘蔗收割機(jī)物流堵塞問題是目前我國(guó)甘蔗收割機(jī)研究的瓶頸[1-4]。國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者已從機(jī)械收獲甘蔗流程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面對(duì)其展開了研究[5-6]。沈中華應(yīng)用排隊(duì)論的理論分析了甘蔗物流堵塞的成因，認(rèn)為甘蔗物流的輸送速度和物流通道寬度與生產(chǎn)效率不匹配是其主要原因[7]。李立新、解福祥等研究了螺旋狀物流防堵機(jī)構(gòu)以防止甘蔗在剝?nèi)~機(jī)構(gòu)中堵塞[8-9]。在甘蔗收割機(jī)樣機(jī)研制和試驗(yàn)中，甘蔗物流堵塞容易發(fā)生的關(guān)鍵點(diǎn)在砍蔗系統(tǒng)與喂入系統(tǒng)的交界處及剝?nèi)~系統(tǒng)入口處。物流通道寬度常受制于整機(jī)尺寸而難以改進(jìn)，而調(diào)整物流輸送速度需要先了解哪些因素是影響甘蔗物流輸送的主要因素。為此，本文采用高速攝影的手段拍攝甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)的過程[10-12]，通過 正交試驗(yàn)分析砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速、提升裝置表面材料、喂入輥轉(zhuǎn)速及喂入輥耙齒形狀等因素對(duì)甘蔗物流通暢性的影響，以期進(jìn)一步提出改進(jìn)甘蔗物流堵塞的措施和方法。

1試驗(yàn)方案

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料所用甘蔗為廣西欽州產(chǎn)的桂柳1號(hào)，蔗根至蔗梢平均長(zhǎng)度為2 000mm，無(wú)明顯破損，蔗稈直徑平均在17～23mm之間，直線度偏差小于10mm。

1.2　試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用的是本課題組與廣西某農(nóng)機(jī)企業(yè)合作研制的小型整桿式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

1.切頂器　2.扶蔗系統(tǒng)　3.壓蔗輥

甘蔗在收割機(jī)內(nèi)的物流通道主要由切割系統(tǒng)、喂入系統(tǒng)、剝?nèi)~系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)等組成。工作時(shí)，甘蔗被雙圓盤切割系統(tǒng)切斷根部,甘蔗由原來(lái)的直立狀態(tài)往前倒下改變?yōu)樗綘顟B(tài),繼而依靠收割機(jī)前行和刀盤提升裝置作用進(jìn)入物流通道,依次進(jìn)入喂入系統(tǒng)和剝?nèi)~系統(tǒng),最后經(jīng)輸出系統(tǒng)輸出。其中，物流堵塞易發(fā)生在切割系統(tǒng)與喂入系統(tǒng)之間的節(jié)點(diǎn)。所以，本次試驗(yàn)主要測(cè)試甘蔗在切割系統(tǒng)物流段的通暢性。

1.3　試驗(yàn)方法

通過L273-7正交試驗(yàn)方法，測(cè)試砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速、提升裝置表面材料、喂入輥轉(zhuǎn)速及喂入輥耙齒形狀4個(gè)因素3個(gè)水平；采用高速攝影的手段采集甘蔗在小型收割機(jī)中通過切割系統(tǒng)物流段的時(shí)長(zhǎng)作為指標(biāo)，時(shí)長(zhǎng)越短則通暢性越好，從而分析各因素對(duì)甘蔗通過切割系統(tǒng)物流段通暢性的影響。

提升裝置表面材料測(cè)試有3種：一是甘蔗收割機(jī)本身自帶的鋼筋；二是聚乙烯塑料薄膜；三是是輪胎內(nèi)胎的剪切片。將材料覆貼好在提升裝置上的圖片如圖2、圖3所示。

圖2　聚乙烯塑料薄膜

圖3　輪胎內(nèi)胎

整體試驗(yàn)方案如下表1所示。喂入輥耙齒形狀測(cè)試鋸齒形、梯形和帶一定倒角的鋸齒形3種水平，如圖4所示。

表1　試驗(yàn)方案

圖4矩形耙齒與梯形耙齒

1.4　試驗(yàn)儀器

儀器包括 ：強(qiáng)光感性的針孔式XTXSM電荷耦合攝像頭、DH/DVR2104C-W/-AF-DVR-| |-A-4-0數(shù)字硬盤錄像機(jī)、USB-1504X視頻采集卡、PHILIPS顯示器、攝像機(jī)專用電源及轉(zhuǎn)接線。布置測(cè)點(diǎn)時(shí)，選取甘蔗收割機(jī)的切割器處、切割器與喂入輥交界處。試驗(yàn)儀器實(shí)景連接和原理如圖5、圖6所示。

圖5　儀器布線實(shí)圖

圖6　儀器布線原理圖

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過高速攝影試驗(yàn)中甘蔗的運(yùn)動(dòng)情況如圖7所示。

圖7　甘蔗通過切割裝置的高速攝影

圖7(a)~(f)是收割機(jī)前進(jìn)速度為530mm/s、每簇甘蔗數(shù)量為1株、每株甘蔗的間距為400mm時(shí)拍得的部分高速攝影截圖。在圖7(a)中,第1株甘蔗在第8s時(shí)被切斷,在1.43s后圖7(d)中顯示已輸送完畢；第2株甘蔗在15s時(shí)被切斷,在1.88s后圖7(f)中顯示輸送完畢。統(tǒng)計(jì)本次試驗(yàn)結(jié)果及進(jìn)行方差分析，如表2和表3所示。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

2.1　提升裝置表面材料影響分析

從方差分析表可以看出：提升裝置表面材料對(duì)甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)物流段的時(shí)間有極其顯著的影響。這是因?yàn)楦鞑牧系哪Σ烈驍?shù)是各不相同的，輪胎膠皮的摩擦因數(shù)比無(wú)覆蓋層裸露鋼筋的摩擦因數(shù)更大，則甘蔗與提升裝置表面的動(dòng)摩擦力得到明顯增大，那么就可以推動(dòng)甘蔗向后輸送得更快；而光滑薄膜的摩擦因數(shù)在三者中最小，甘蔗與提升裝置間的摩擦力小，所以甘蔗在砍蔗系統(tǒng)中通過的時(shí)間最長(zhǎng)。

可以進(jìn)一步增加幾組試驗(yàn)對(duì)比刀盤不同轉(zhuǎn)速下(500～850r/min)3種提升裝置表面材料對(duì)甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)的影響，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖8　不同摩擦系數(shù)下甘蔗滯留時(shí)間圖

從圖8可以看出：輪胎膠皮的提升機(jī)構(gòu)表面材料能大大縮短甘蔗在切割器處的滯留時(shí)間；刀盤轉(zhuǎn)速750~800r/min為最佳轉(zhuǎn)速，在同為最佳轉(zhuǎn)速下甘蔗滯留時(shí)間比在無(wú)覆蓋層的鋼筋提升裝置條件下縮短16.4%。也就是說(shuō)，甘蔗與機(jī)構(gòu)間摩擦因數(shù)增大，甘蔗在切割器處的滯留時(shí)間縮短，有利于甘蔗的輸送。

2.2　砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速影響分析

方差分析表同時(shí)也表明：提高砍蔗刀盤的轉(zhuǎn)速對(duì)縮短甘蔗在砍蔗系統(tǒng)的滯留時(shí)間有顯著影響。從圖8可以看出：提升裝置覆蓋了塑料薄膜后甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)的時(shí)間在刀盤轉(zhuǎn)速達(dá)到700r/min之前都是隨著該轉(zhuǎn)速提高而逐漸減少的，但之后刀盤轉(zhuǎn)速再提高，甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)的時(shí)間卻又逐漸增大了；無(wú)覆蓋層裸露鋼筋的提升裝置和覆蓋了輪胎膠皮的狀態(tài)下，甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)的時(shí)間在刀盤轉(zhuǎn)速達(dá)到750r/min之前都是隨著刀盤轉(zhuǎn)速提高而逐漸減少的，但之后刀盤轉(zhuǎn)速再提高，甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)的時(shí)間卻又逐漸增大了。所以，甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)的時(shí)間最優(yōu)的砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速為750r/min。

其原因在于：提高刀盤轉(zhuǎn)速可以增大甘蔗與機(jī)構(gòu)的動(dòng)摩擦力，但是當(dāng)切割器的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定的臨界值時(shí)，甘蔗容易在螺旋提升機(jī)構(gòu)上跳動(dòng)，與提升機(jī)構(gòu)的接觸不充分，所以甘蔗滯留砍蔗系統(tǒng)時(shí)間亦會(huì)增加。因此，砍蔗刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也不能無(wú)限制提高。

2.3　喂入輥耙齒形狀影響分析

喂入輥耙齒形狀對(duì)改善甘蔗從砍蔗系統(tǒng)通過的通暢性也有較顯著影響，梯形齒形的喂入輥使得甘蔗在砍蔗系統(tǒng)的滯留時(shí)間相對(duì)最短。比較前述正交試驗(yàn)中所得在3種耙齒狀態(tài)下甘蔗在砍蔗系統(tǒng)滯留時(shí)間，取3次重復(fù)試驗(yàn)均值，結(jié)果如圖9所示。

圖9　不同耙齒形狀下甘蔗滯留時(shí)間圖

當(dāng)喂入輥轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)，梯形耙齒相對(duì)矩形耙齒能讓甘蔗滯留時(shí)間減少約28%。梯形耙齒對(duì)不同直徑的甘蔗有一定的調(diào)節(jié)作用，相對(duì)矩形耙齒能減少對(duì)大直徑甘蔗的阻礙，所以甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)的時(shí)間也得到縮短。

喂入輥轉(zhuǎn)速對(duì)提高甘蔗在砍蔗系統(tǒng)的通暢性無(wú)顯著影響，在于3個(gè)水平之間速度差別不是很大。

3結(jié)論

1)砍蔗機(jī)構(gòu)的提升裝置表面材料對(duì)甘蔗通過砍蔗系統(tǒng)時(shí)間有顯著影響。有利于增大甘蔗與機(jī)構(gòu)間摩擦力的材料能明顯提高甘蔗從砍蔗系統(tǒng)通過的通暢性，在刀盤以750r/min轉(zhuǎn)動(dòng)下輪胎膠皮材料比裸露鋼筋有利于縮短16.4%的時(shí)間。

2)砍蔗刀盤轉(zhuǎn)速提高對(duì)縮短甘蔗通過時(shí)間也有顯著影響，但轉(zhuǎn)速過高易引起甘蔗與機(jī)構(gòu)接觸不充分，所以不宜提速太大。

3)耙蔗輥齒形對(duì)改善甘蔗物流通過性有明顯作用，梯形齒形比矩形齒形更有利于甘蔗通過。

參考文獻(xiàn)：

[1]程紹明,王俊,王水維.我國(guó)整桿式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)的現(xiàn)狀和問題[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2013(20):193-194.

[2]梁偉,王斌武.甘蔗收割機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望[J]. 科技信息，2011(5)：31-33.

[3]Ou yinggang, Malcolm Wegener, Yang Dantong, et al. Mechanization technology: The key to sugarcane production in China[J].Int J Agric& Biol Eng,2003,6(1):1-27.

[4]李明,黃暉.甘蔗收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2008(1):54-64.

[5]解福祥,區(qū)穎剛,劉慶庭,等.甘蔗收獲機(jī)物流虛擬試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2010,41(9):90-94.

[6]傅隆正,蒙艷玫,董政,等.整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)整機(jī)物流設(shè)計(jì)與仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(2):19-23.

[7]沈中華，李尚平，麻芳蘭，等.基于FLEXSIM 和ADAMS 的小型甘蔗收獲機(jī)喂入能力的仿真及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2014,41(9):90-94.

[8]李立新,陳偉敘,程志清,等.小型甘蔗收獲機(jī)物流防堵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(11):84-87.

[9]莫肈福,區(qū)穎剛,劉盛,等.整稈式甘蔗收割機(jī)割防堵裝置的設(shè)計(jì)[C]//紀(jì)念中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)成立30周年暨中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)(CSAE 2009)論文集.太原:中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì),2009.

[10]程蕾.轉(zhuǎn)鏡式高速攝影光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].西安:中國(guó)科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)，2011.

[11]R. R. Price, R. M. Johnson, R. P. Viator,et al. Fiber optic yield monitor for a sugarcane harvester [J].Transactions of the ASABE, 2011,54(1):31-39.

[12]劉慶庭,區(qū)穎剛,卿上樂，等.光刃刀片切割甘蔗莖稈破壞過程高速攝像分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2007,38(10):31-35.

Experiment Study on Sugarcane Harvester Logistics

Lai Xiao, Guo Wenfeng, Huang Haibo, Zhang Xun, Hu Ziwei, Zeng Pei, Sun Yijia

(Collee of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：As to uncover the cause and the influence factors of the Sugarcane harvester logistics clogging, orthogonal experiment of the sugarcane logistics is carried out on self-made small type sugarcane harvester. This experiment takes rolling speed of the cutting disc, materials on the uplift device surface, rolling speed of the feeding rollers and their brushes shades as factors, the going-through time of the cutting system of the sugarcane as the index. The result shows that rolling speed of the cutting disc, materials on the uplift device surface, brushes shades of the feeding rollers have magnificent influence on the going-through time of the cutting system of sugarcane. Increase the friction coefficient of the materials on the uplift device surface can shorten the going-through time, so does improving the rolling speed of the cutter disc and modifying the brushes shade of the feeding rollers.

Key words：sugarcane; harvester; logistics clogging

中圖分類號(hào)：225.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0155-05

作者簡(jiǎn)介：賴曉(1979-),女，廣西北流人，博士，(E-mail)dawnlx1979@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465006)；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室項(xiàng)目 (14-045-15S01)；廣西大學(xué)科研基金項(xiàng)目(XBZ120838)；廣西大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”項(xiàng)目(20141059309062)

收稿日期：2015-09-30