甘蔗收獲機(jī)切割力影響因素試驗(yàn)

蔡力　付鈺　樂欣榮　陳金鑫　鐘家勤

摘要 ? ?我國甘蔗多種植在丘陵地帶，地勢崎嶇變化大，整稈式甘蔗收獲機(jī)無法依據(jù)地勢實(shí)時有效控制切割器入土切割深度，導(dǎo)致甘蔗收獲機(jī)在工作過程中存在過切或者切深不足以致收割損失的現(xiàn)象。本文結(jié)合前期研究，利用切割試驗(yàn)平臺，通過單因素試驗(yàn)研究甘蔗簇株密度、切割器入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度對切割力大小的影響程度和規(guī)律。結(jié)果表明，簇株密度、入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度對切割力的影響特別明顯，對切割力影響的主次因素依次是入土切割深度、簇株密度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度。

關(guān)鍵詞 ? ?甘蔗收獲機(jī);切割力;影響因素

中圖分類號 ? ?S225.5+3 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）16-0124-01

甘蔗是我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物之一，是重要的制糖原材料[1-2]。提高甘蔗收獲全程機(jī)械化以及收獲效率，對甘蔗產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。長期以來，我國甘蔗收獲仍依賴人工收獲，導(dǎo)致收獲效率低、人工成本居高不下，嚴(yán)重制約了我國制糖工業(yè)的發(fā)展。目前，國內(nèi)引進(jìn)的國外大型收獲機(jī)械，收獲效率高，但是只適合平坦的路面。由于我國甘蔗多種植在丘陵地區(qū)，因而這些機(jī)械并不符合我國國情，而一款適應(yīng)丘陵地區(qū)的小型甘蔗收獲機(jī)受到了廣大農(nóng)戶的青睞。但是整稈式甘蔗收獲機(jī)存在著較高的切割壓力損失以及較高的破頭率，一直制約著甘蔗收獲機(jī)的發(fā)展。前課題組王增[3]通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，切割器入土切割能有效降低破頭率，提高甘蔗來年繼續(xù)生長率。因此，設(shè)計一款能夠自動適應(yīng)復(fù)雜地形的入土切割深度控制的收獲機(jī)顯得尤為重要。

針對切割器入土切割，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研討。楊 ?望等[4]采用田間試驗(yàn)方法針對國外凱斯A8000收割機(jī)進(jìn)行了切割質(zhì)量影響試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用小深度的入土切割利于降低甘蔗破頭率。周建陽等[5]利用自主研發(fā)的甘蔗收獲機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，入土切割比不入土切割質(zhì)量好60%。通過有限元仿真分析[6]發(fā)現(xiàn)，入土切割加速度越大切割阻力也越大。這些研究均為甘蔗收獲機(jī)入土切割深度自動系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

本文利用前期開發(fā)的甘蔗收獲機(jī)試驗(yàn)平臺，經(jīng)過單因素試驗(yàn)探究入土深度、甘蔗簇株密度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度對切割力大小的影響程度，探究各個因素對切割力影響的規(guī)律，以期為后續(xù)入土切深自動控制系統(tǒng)的開發(fā)提供數(shù)據(jù)支持。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗(yàn)材料

甘蔗收獲機(jī)切割力影響試驗(yàn)研究主要是在課題組自主研發(fā)的甘蔗收獲機(jī)切割試驗(yàn)平臺上進(jìn)行的。切割試驗(yàn)平臺主要由高剛性切割器、喂入輥、輸送輥、土槽裝置、甘蔗夾持器、甘蔗輸送帶等組成。試驗(yàn)平臺可以控制多個試驗(yàn)因素，利用切割器液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)切割轉(zhuǎn)速和刀盤切割傾角[4];通過甘蔗夾持器控制一次輸送數(shù)量;通過電機(jī)轉(zhuǎn)速控制甘蔗輸送帶的輸送速度;土槽裝置可以模擬不通的土壤剪切強(qiáng)度以及土壤硬度。

試驗(yàn)其他設(shè)備有土壤硬度計、土壤采樣環(huán)刀、CT渦輪流量傳感器、LERO智能測試儀和筆記本。

使用的甘蔗是沒有進(jìn)行處理的帶有蔗葉的新鮮甘蔗，甘蔗品種是新臺糖22號，甘蔗大小形狀基本一致。

1.2 ? ?試驗(yàn)方法

試驗(yàn)研討甘蔗簇株密度、切割器入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度以及土壤硬度對切割力大小的影響程度，從而找到各個因素對切割力的影響規(guī)律。為了盡可能減少其余因素對試驗(yàn)的影響，統(tǒng)一設(shè)定切割器轉(zhuǎn)速為750 r/min、甘蔗輸送速度為0.4 m/s。單因素試驗(yàn)進(jìn)行4次，一共進(jìn)行48次試驗(yàn)。

1.2.1 ? ?甘蔗簇株密度單因素試驗(yàn)。簇株密度設(shè)置為3、4、5根/簇，采用晴天天氣土壤環(huán)境。

1.2.2 ? ?切割深度單因素試驗(yàn)。設(shè)置切割深度為0、20、40 mm，一次切割甘蔗3根/簇。

1.2.3 ? ?土壤剪切強(qiáng)度單因素試驗(yàn)。對應(yīng)3種不同天氣狀況下的土壤剪切強(qiáng)度，設(shè)置水平為79、73、44 kPa，土壤硬度復(fù)現(xiàn)成晴天天氣環(huán)境，一次切割甘蔗3根/簇。

1.2.4 ? ?土壤硬度單因素試驗(yàn)。對應(yīng)3種不同天氣狀況下的土壤硬度，設(shè)置為6.4、3.8、2.3 kg/cm2，土壤剪切強(qiáng)度復(fù)現(xiàn)為晴天天氣環(huán)境，一次切割甘蔗3根/簇[5-6]。

2 ? ?結(jié)果與分析

如表1～4所示，根據(jù)試驗(yàn)方法，在顯著性水平α=0.01的情況下，對結(jié)果進(jìn)行有重復(fù)的單因素方差分析，F(xiàn)0.01（2，9）=8.02。綜合分析可知，簇株密度、入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度對切割力的影響特別明顯。各個因素中，對切割力影響最大的因素是入土切割深度，其余依次是簇株密度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度。

3 ? ?結(jié)論與討論

通過查閱資料以及前期相關(guān)研究找到了影響切割力的因素，確定了試驗(yàn)研究水平范圍。經(jīng)過單因素試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)簇株密度、入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度對切割力的影響特別顯著。在影響切割力大小的因素中，對切割力影響的主次因素依次是入土切割深度、簇株密度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

[1] 張長獻(xiàn)，魯華.廣西甘蔗機(jī)械化收獲現(xiàn)狀及建議[J].農(nóng)業(yè)工程，2019，9（4）：5-9.

[2] 朱衛(wèi)江.我國甘蔗機(jī)械化收獲現(xiàn)狀與發(fā)展路徑選擇[J].農(nóng)機(jī)質(zhì)量與監(jiān)督，2019（10）：30-32.

[3] 王增.甘蔗收獲機(jī)入土切割控制的機(jī)理研究與設(shè)計仿真[D].南寧：廣西大學(xué)，2014.

[4] 楊望，王二朋，楊堅，等.凱斯A8000甘蔗聯(lián)合收割機(jī)切割質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017，39（5）：192-196.

[5] 周建陽，李尚平，潘宇晨，等.入土切割對砍蔗質(zhì)量影響的研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2016，37（1）：22-25.

[6] MOOTAZ ABO-ELNOR，HAMILTON R，BOYLE J T.3D Dynamic anal-ysis of soil-tool interaction using the finite element method[J].Journal of Terramechanics，2003，40（1）：51-62.

基金項(xiàng)目 ? 欽州學(xué)院高層次人才科研啟動項(xiàng)目（2018KYQD45）。

作者簡介 ? 蔡力（1990-），男，湖北武漢人，碩士。研究方向：智能設(shè)計、CAD/CAE/CAM、虛擬樣機(jī)技術(shù)等。

收稿日期 ? 2020-05-05