陳連飛，梁宇達，鄒小平，楊丹彤，劉慶庭※

（1.廣東省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站，廣州 510515；2.華南農(nóng)業(yè)大學 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642）

連續(xù)回轉(zhuǎn)式甘蔗收割機集堆機構(gòu)設(shè)計與試驗

陳連飛1，梁宇達2，鄒小平2，楊丹彤2，劉慶庭2※

（1.廣東省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站，廣州 510515；2.華南農(nóng)業(yè)大學 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642）

集堆是整稈式甘蔗收割機的重要作業(yè)工序之一，集堆性能影響到收割機作業(yè)質(zhì)量。本文在分析現(xiàn)有的幾種甘蔗收割機集堆機構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種連續(xù)回轉(zhuǎn)式集堆機構(gòu)，并試制了樣機。田間試驗結(jié)果表明，該機構(gòu)能夠有效實現(xiàn)甘蔗集堆功能，達到了設(shè)計要求。

甘蔗 整稈收割 集堆機構(gòu) 設(shè)計

0 引言

近年來，隨著農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展以及制糖產(chǎn)業(yè)的需要，出現(xiàn)了不同型式的甘蔗收割機。在甘蔗的機械化收獲生產(chǎn)中，用于甘蔗收集的終端系統(tǒng)稱之為集堆機構(gòu)，它的功能主要有兩個：一是對剝?nèi)~后輸送出來的甘蔗進行收集；二是將收集好的甘蔗進行卸載。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，清理打捆等相關(guān)甘蔗收集工作的工作量占整個甘蔗收獲過程的10.9%[1]。因此，在蔗糖生產(chǎn)量日益提升的今天，研制高效、可靠的集堆機構(gòu)對于提高甘蔗收割機作業(yè)效率和降低作業(yè)成本，及實現(xiàn)甘蔗收獲全程機械化都具有重大的意義。

1 現(xiàn)有集堆機構(gòu)的局限性

1.1 一側(cè)傾卸集堆機構(gòu)

一側(cè)傾卸平行集堆機構(gòu)是一種傳統(tǒng)的集蔗機構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉的特點[2]。其集堆過程是：剝?nèi)~后的甘蔗帶著一定的初速度從輸送口拋出，隨即接觸到向一側(cè)傾斜的滑板，在重力作用下滑落至滑板的底端，受擋板的限制而形成甘蔗堆。卸載甘蔗時，底端的擋板打開，甘蔗從一側(cè)卸至地面。

在甘蔗收割機田間作業(yè)時，為了實現(xiàn)收割機從壟頭到壟尾、從壟尾到壟頭收割作業(yè)時收集的甘蔗均能卸載至地面上，集堆機構(gòu)需要實現(xiàn)向兩側(cè)均能傾翻，因此一側(cè)傾卸式集堆機構(gòu)具有一定的局限性。同時，該集堆機構(gòu)尺寸較大，對整機的田間行駛靈活性造成影響，因此主要用于大型整稈式甘蔗收割機上。

1.2 三角集堆機構(gòu)

針對上述集堆機構(gòu)尺寸過大的問題，廣西大學研制了一種長度較短的三角形集堆機構(gòu)[3]。該機構(gòu)工作時集堆箱向上傾斜，甘蔗傾斜朝上放置，這在一定程度上解決了甘蔗較長帶來的整機長度方向尺寸過大的問題。三角集堆機構(gòu)可以把收獲好的甘蔗收集至一定數(shù)量，到指定卸載甘蔗的位置后，通過集堆箱前部底下的液壓缸伸長，使集堆箱向后傾斜，甘蔗從集堆箱后部的開口卸載至地面上。

三角集堆機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，在長度方向上的尺寸得到了一定的減小，從而對整機行走性能有一定的提高作用。但是，三角集堆機構(gòu)所采用的后傾的卸載方式需要使用液壓缸推動集堆箱向后翻轉(zhuǎn)一定的角度，讓甘蔗在重力作用下滑出集堆箱。由于甘蔗長度較大、長短不一致等因素的影響，這種卸載方式經(jīng)常會使卸在地上的甘蔗排放不整齊甚至錯亂，不利于打捆。

1.3 雙側(cè)傾卸式集堆機構(gòu)

雙側(cè)傾卸式集堆機構(gòu)就是使集堆箱能夠在液壓缸的驅(qū)動下實現(xiàn)左右翻轉(zhuǎn)，當翻轉(zhuǎn)超過90°時使甘蔗滑出集堆箱。目前有人工調(diào)整型斜集雙側(cè)傾倒的集堆機構(gòu)和自動斜集雙側(cè)傾倒的集堆機構(gòu)兩種形式[4]。

人工調(diào)整型斜集雙側(cè)傾倒的集堆機構(gòu)在作業(yè)過程中需增加人工配合動作，當集堆機構(gòu)向左傾卸甘蔗時，用銷子將箱體和底座連接處的左側(cè)的銷孔銷住，這樣箱體就可以繞此銷軸旋轉(zhuǎn)；向右卸甘蔗時就把右側(cè)的銷孔銷住來實現(xiàn)右側(cè)傾倒。人工調(diào)整型斜集側(cè)倒集堆機構(gòu)在以斜集的方式縮小長度尺寸的同時，還實現(xiàn)了在左右兩側(cè)都能卸載甘蔗，且其結(jié)構(gòu)簡單，只需要一個液壓缸，成本低廉。但該集堆機構(gòu)最大的局限在于卸蔗的時候需要人工配合鎖定一側(cè)的插銷，操作比較麻煩，不能直接方便地通過機器改變集堆箱的傾卸方向而實現(xiàn)全程自動化；而且傾卸翻轉(zhuǎn)時集堆箱轉(zhuǎn)動半徑較大，重心位置位移量大，影響了整個運動的穩(wěn)定性。

自動斜集雙側(cè)傾倒的集堆機構(gòu)收集甘蔗的原理與三角集堆機構(gòu)相同，其不同之處在于向側(cè)面卸載甘蔗。卸載過程為：向上傾斜25°的集堆箱收集到一定的甘蔗后，在液壓缸的驅(qū)動下以集堆箱底的中軸為轉(zhuǎn)軸向一側(cè)翻轉(zhuǎn)，當翻轉(zhuǎn)角度大于90°時，甘蔗滑出箱體被傾卸到一側(cè)地面上；然后集堆箱還原，繼續(xù)收集甘蔗；當整機轉(zhuǎn)彎后反向行走時，集堆箱往另一側(cè)翻轉(zhuǎn)傾卸甘蔗。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便，可實現(xiàn)全自動化左右兩側(cè)卸載甘蔗。但采用了2個液壓缸，質(zhì)量大，成本稍高。

上述幾種集堆機構(gòu)共同的局限性在于，當集堆裝置進行卸蔗作業(yè)時，需要收割機暫時停止收割作業(yè)，這樣影響了收割機的作業(yè)效率。

2 連續(xù)回轉(zhuǎn)式甘蔗收割機集堆機構(gòu)設(shè)計

2.1 集堆機構(gòu)的功能要求

綜合考慮以上幾種典型的甘蔗集堆機構(gòu)的優(yōu)缺點，所設(shè)計的甘蔗集堆機構(gòu)應(yīng)滿足以下幾個要求：

1）順利收集剝?nèi)~后的甘蔗，不漏集；

2）實現(xiàn)把收集好的甘蔗全部平穩(wěn)傾卸，不造成甘蔗雜亂堆砌和大量損傷；

3）雙側(cè)均能傾卸甘蔗；

4）收集甘蔗的速度與收割機收割甘蔗的速度相匹配，滿足實際生產(chǎn)需要；

5）卸出甘蔗時不需要收割機暫時停止收割作業(yè)。

2.2 建立集堆機構(gòu)的模型

根據(jù)上述甘蔗集堆機構(gòu)的功能要求，設(shè)計出一種新型甘蔗集堆機構(gòu)，如圖1所示。

圖1 甘蔗集堆機構(gòu)模型Fig.1 Model of Stalk collector

該機構(gòu)主要構(gòu)件為刮板、底板、傳動軸、鏈輪、鏈條。圖2是集堆機構(gòu)的主視圖。

該甘蔗集堆機構(gòu)固定在收割機后部，其最高處（刮板頂端）比輸送裝置出口的最低處要低300～500 mm。其在甘蔗收割機上的安裝位置如圖3所示。

甘蔗集堆機構(gòu)卸載過程如下：

圖2 集堆機構(gòu)主視圖Fig.2 Main view of stalk collector

1）剝?nèi)~后的甘蔗從輸送通道中帶一定的初速度飛出，在重力作用下落在集堆機構(gòu)的底板上；

2）每兩塊刮板與底板形成一個長槽狀的空間，甘蔗在此空間內(nèi)形成集堆。在刮板的導向作用下，大部分甘蔗縱向落入長槽中，少數(shù)由于甘蔗之間的相互作用成不規(guī)則分布；

3）刮板在鏈條的帶動下不間斷地回轉(zhuǎn)，相當于長槽沿鏈條軌跡不間斷地做回轉(zhuǎn)運動。長槽內(nèi)的甘蔗堆在刮板的帶動下也隨之移動，當甘蔗堆移動至底板兩側(cè)邊緣時，甘蔗離開底板，在重力的作用下滑落至滑板上（滑板固定在收割機的縱梁上，與水平方向成45°向下傾斜）；

4）滑板的引導作用使甘蔗順利滑落至地面，避免卸載過程中甘蔗相互影響導致卸載不順暢、卸載后擺放雜亂等問題；

5）刮板可根據(jù)甘蔗需要卸載的方向順時針或逆時針回轉(zhuǎn)。

2.3 集堆機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

甘蔗收割機的作業(yè)效率與集堆機構(gòu)收集、卸載甘蔗的效率密切相關(guān)。本文設(shè)計的集堆機構(gòu)，最大的特點在于能無間斷地把收集到的甘蔗卸載至地面上，卸載時收割機無需暫停作業(yè)，同時也實現(xiàn)了集堆、卸蔗兩個作業(yè)階段的無縫連接，提高了收割機的作業(yè)效率。

為了作業(yè)過程的順利進行，設(shè)計集堆機構(gòu)時重點考慮了如何使甘蔗在集堆機構(gòu)上達到良好的鋪放效果。根據(jù)甘蔗從剝?nèi)~通道中出來后的運動軌跡，可知大多數(shù)甘蔗的運動范圍，以此確定集堆機構(gòu)的主要尺寸：底板長、寬；刮板長、高；傳動軸長度及兩軸間距；兩側(cè)擋板的長、寬、高。

圖3 集堆機構(gòu)在整稈式甘蔗收割機上的安裝Fig.3 Position of stalk collector on sugarcane harvester

2.3.1 刮板的結(jié)構(gòu)參數(shù)

刮板在甘蔗集堆和卸載的過程中均發(fā)揮作用，是本集堆機構(gòu)的一個重要部件。每組刮板由兩塊矩形鋼板相互垂直焊接而成，其中底部的鋼板為豎直的鋼板提供支撐，豎直的鋼板起兩個作用，一是集堆，二是甘蔗卸載時為蔗堆提供動力。鋼板兩端面輔以梯形狀鋼板，為刮板與鏈條的連接提供裝配位置。

假設(shè)甘蔗集堆時均沿集堆機構(gòu)前后方向縱向鋪放。為了保證甘蔗收割機的效率，集堆機構(gòu)應(yīng)盡可能多地收集甘蔗，但甘蔗集堆過多會導致甘蔗卸載不順暢，影響集堆機構(gòu)的效率。因此鋪放時應(yīng)把甘蔗重疊數(shù)控制在2～3層，如圖4所示。

圖4 甘蔗在集堆機構(gòu)上集堆局部圖Fig.4 Stack of sugarcane on stalk collector

根據(jù)對臺糖F66甘蔗的測量數(shù)據(jù)：

甘蔗蔗莖平均長度2 600 mm、甘蔗蔗莖平均直徑30 mm。確定2塊矩形鋼板尺寸為長2 090 mm、厚6 mm，其中豎直鋼板的高度84 mm，如圖5所示。

圖5 集堆刮板Fig.5 Scrape-board of stalk collector

2.3.2 底板的結(jié)構(gòu)參數(shù)

底板應(yīng)為甘蔗的鋪放和集堆留有足夠的空間。底板的尺寸很大程度上決定了集堆機構(gòu)的整體尺寸，因此在滿足集堆效率的前提下應(yīng)采用相對緊湊的設(shè)計。根據(jù)與刮板與底板的裝配關(guān)系，底板總長為2 083 mm，總寬1 322 mm。為便于甘蔗卸載，底板兩側(cè)邊緣處設(shè)計成1/4圓弧狀，圓弧半徑108 mm，如圖6所示。

圖6 集堆底板Fig.6 Base-board of stalk collector

2.3.3 傳動軸與鏈輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)

傳動軸既是刮板回轉(zhuǎn)運動的傳動部件，又是集堆機構(gòu)安裝在甘蔗收割機底盤上的支承部件。傳動軸工作時轉(zhuǎn)速不高，但卸載甘蔗時蔗堆較多，刮板負載較大，因此傳動軸應(yīng)具有足夠的硬度、彎曲疲勞極限和扭轉(zhuǎn)疲勞極限，如圖7所示。

2.3.4 擋板與滑板

甘蔗從剝?nèi)~通道出來后具有一定的初速度，部分甘蔗向后被拋至集堆機構(gòu)以外的范圍，少數(shù)甘蔗會向集堆機構(gòu)的兩側(cè)竄出。為保證甘蔗從剝?nèi)~通道出來后全部落到集堆機構(gòu)上，在集堆機構(gòu)后方與兩側(cè)分別布置擋板，如圖8所示。擋板用鋼板剪裁而成，作用是限制甘蔗的運動范圍，使絕大多數(shù)甘蔗落在集堆機構(gòu)上。其中后擋板直接固定在收割機底盤縱梁上，兩側(cè)擋板通過軸承座與立柱實現(xiàn)軸承連接，可繞軸承座旋轉(zhuǎn)一定的角度。當收割機作業(yè)時，卸蔗一側(cè)的擋板向外旋轉(zhuǎn)一個角度，以不影響甘蔗卸載為準。

圖7 傳動軸與鏈輪組件Fig.7 Shaft and sprocket wheel

圖8 整機三維示意圖Fig.8 3D diagram of machine

滑板安裝在收割機兩側(cè)縱梁上，位于集堆機構(gòu)下方，與水平方向成45°向下傾斜。卸蔗過程中甘蔗離開集堆底板時落在滑板上，在滑板的導向作用下整齊地滑落至地面。

2.4 集堆機構(gòu)驅(qū)動與控制方式

集堆機構(gòu)的回轉(zhuǎn)運動由液壓馬達提供動力，經(jīng)減速器減速后帶動一側(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，通過鏈條帶動另一側(cè)轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動。作業(yè)過程中可通過液壓油路中的換向閥實現(xiàn)順時針、逆時針回轉(zhuǎn)方向的切換。

3 整稈式甘蔗收割機集堆機構(gòu)的試驗

3.1 試驗?zāi)康?/p>

本試驗?zāi)康氖峭ㄟ^甘蔗收割機實地作業(yè)，檢驗本文所設(shè)計的集堆機構(gòu)能否達到設(shè)計要求，即順利

收集剝?nèi)~后的甘蔗、把收集好的甘蔗全部平穩(wěn)卸載、卸載的甘蔗整齊排放在地面上、雙側(cè)均能傾卸甘蔗、能較長時間工作、工作效率較高等。

3.2 試驗設(shè)備

本試驗采用的甘蔗收割機為HN 4GZL-132型整稈式甘蔗收割機樣機，發(fā)動機功率132 kW，采用液壓馬達驅(qū)動集堆裝置的刮板做回轉(zhuǎn)運動，如圖9所示。

圖9 整稈式甘蔗收割機田間作業(yè)情況Fig.9 Operation of sugarcane harvester

3.3 試驗對象

實驗對象為本課題組設(shè)計的一種新型整稈式甘蔗收割機集堆機構(gòu)，見圖10。

圖10 集堆機構(gòu)Fig.10 Stalk collecter

3.4 試驗材料

本試驗在湛江農(nóng)墾田間進行，甘蔗品種為臺糖F66，甘蔗倒伏嚴重，如圖11所示。

圖11 臺糖F66甘蔗Fig.11 Taisugar F66

圖12 工作中的甘蔗集堆機構(gòu)Fig.12 Operation of stalk collecter

3.5 試驗結(jié)果

圖12為整稈式甘蔗收割機集堆機構(gòu)進行田間試驗的現(xiàn)場。

試驗選取向甘蔗收割機前進方向的右側(cè)傾卸甘蔗。在試驗過程中，剝?nèi)~后的甘蔗從剝?nèi)~通道被拋出，大部分直接落在集堆機構(gòu)上，少數(shù)拋出速度較高或向左側(cè)拋出的甘蔗分別被后擋板和左側(cè)擋板擋住后仍落在集堆機構(gòu)上。集堆刮板的導向作用使甘蔗縱向排列，在刮板間的長槽中形成集堆。刮板連續(xù)回轉(zhuǎn)，長槽中的蔗堆被刮板推至集堆底板兩側(cè)邊緣，在重力作用下滑落至地面?；逶诟收峄溥^程中起到導向作用，使甘蔗落地后與收割機保持一定距離，避免被壓壞。

收割機田間收割作業(yè)表明，本文設(shè)計的集堆機

構(gòu)可實現(xiàn)甘蔗集堆、傾卸過程的無縫連接，把收集好的甘蔗平穩(wěn)、整齊地傾卸到地面上，滿足預(yù)想的設(shè)計要求。

4 結(jié)論與討論

本文設(shè)計的整稈式甘蔗收割機集堆機構(gòu)實現(xiàn)了雙向連續(xù)回轉(zhuǎn)，甘蔗集堆與傾卸過程無縫連接且配合良好，傾卸甘蔗時不需要暫停收割作業(yè)，從而使得收割機作業(yè)過程流暢，提高了收割機的連續(xù)作業(yè)時長和作業(yè)效率。

下一步將重點研究該集堆機構(gòu)作業(yè)參數(shù)對集堆效果的影響。

[1]呂煥培，梁式，張正中，等.一種新型集蔗器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其有限元分析[J].農(nóng)機化研究，2010（4）：60-64.

[2]賴曉.小型甘蔗收獲機剝?nèi)~與集蔗機構(gòu)虛擬仿真分析及試驗研究[D].南寧：廣西大學，2008.

[3]麻芳蘭，劉海，楊冰心，等.整稈式甘蔗收獲機集蔗機構(gòu)的設(shè)計與仿真[J].農(nóng)機化研究，2013（1）：94-97.

[4]蒲明輝，劉玉婷，劉先杰，等.小型甘蔗收獲機集蔗機構(gòu)的設(shè)計與仿真[J].農(nóng)機化研究，2007（6）：47-51.

Design and Test of Continuous-rotary Stalk Collector on Sugarcane Harvester

Chen Lianfei1,Liang Yuda2,Zou Xiaoping2,Yang Dantong2,Liu Qingting2
(1.Guangdong Agricultural machinery testing&appraisal station Suixi 524348,China 2.Key laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment(South China Agricultural University), Ministry of Education,Guangzhou 510642,China)

Stalk collecting is one of important operation processes of whole stalk sugarcane harvester.The performance of harvester is influenced by the performance of stalk collector.Based on the analysis of several existing stalk collector of sugarcane harvester,this paper designed a kind of continuous-rotary stalk collector and builded its prototype.The result of field test indicated that the stalk collector achieved the function effectively which met the design requirement.

Sugarcane,Whole stalk harvester,Stalk collector,Design

公益性行業(yè)科研專項“甘蔗全程機械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備開發(fā)（201003009）”，國家甘蔗產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-20-4-1）資助

陳連飛（1981-），男，廣東省農(nóng)業(yè)機械試驗鑒定站，工程師，碩士。

※通訊作者：劉慶庭（1967-），男，華南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，教授，博士。