楊 望，王二朋，楊 堅(jiān)，李 楊，黃深闖，梁兆新

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004;2. 廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004)

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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)

楊 望1,2，王二朋1，楊 堅(jiān)1,2，李 楊1，黃深闖1，梁兆新2

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004;2. 廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004)

針對(duì)凱斯A8000甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)實(shí)際操作參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量影響大的問題，采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)和田間物理試驗(yàn)方法，對(duì)其切割質(zhì)量影響因素(實(shí)際操作參數(shù))進(jìn)行了研究，探明了各影響因素對(duì)切割質(zhì)量的影響規(guī)律和影響機(jī)理，且優(yōu)化了影響因素。結(jié)果表明：隨刀盤轉(zhuǎn)速x1增大，甘蔗破頭率先減小后增大，隨前進(jìn)速度x2的增大，甘蔗破頭率y增大；使用大的刀盤傾角時(shí)，小深度的入土切割有利于降低甘蔗破頭率，但采用大深度的入土切割，甘蔗破頭率增大；使用小的刀盤傾角時(shí)，貼地切割對(duì)降低甘蔗破頭率最有利。使用小的刀盤傾角時(shí)，因素優(yōu)組合為：刀盤轉(zhuǎn)速為516.4r/min，前進(jìn)速度為4km/h，刀盤的離地高度為0，相應(yīng)可靠性為99%的甘蔗破頭率預(yù)測(cè)區(qū)間為(3.9%～8.12%)。使用大的刀盤傾角時(shí)，因素優(yōu)組合為：刀盤轉(zhuǎn)速為544r/min，前進(jìn)速度為4km/h，刀盤的離地高度為-2.78cm，相應(yīng)可靠性為99%的甘蔗破頭率預(yù)測(cè)區(qū)間為(5.85%～9.34%)。

甘蔗；聯(lián)合收獲機(jī)；切割質(zhì)量；影響規(guī)律；因素優(yōu)化

0 引言

甘蔗宿根切割質(zhì)量影響到來年甘蔗的出苗率和產(chǎn)量，而目前凱斯A8000甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)沒有給出高切割質(zhì)量的參數(shù)組合，導(dǎo)致實(shí)際甘蔗收割時(shí)宿根切割質(zhì)量低下，嚴(yán)重阻礙了該收獲機(jī)的推廣使用。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)甘蔗收獲機(jī)的切割質(zhì)量影響因素進(jìn)行了較多的研究，取得了較多成果[1-7]，但關(guān)于凱斯A8000甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)的切割質(zhì)量影響因素的研究及影響因素的優(yōu)化未見有報(bào)道。因此，本文采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)和田間物理試驗(yàn)方法，對(duì)凱斯A8000甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)的切割質(zhì)量影響因素進(jìn)行研究，探索各影響因素對(duì)切割質(zhì)量的影響規(guī)律和影響機(jī)理，優(yōu)化影響因素，為凱斯A8000甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)甘蔗收獲的實(shí)際操作提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)及作業(yè)流程

凱斯A8000為輪式自走型、切斷式聯(lián)合甘蔗收獲機(jī)，配備功率260kW柴油機(jī)作動(dòng)力，采用全液壓系統(tǒng)控制，最高行駛速度為20km/h，主要由駕駛艙(操控系統(tǒng))、喂入及切割系統(tǒng)、兩級(jí)除雜系統(tǒng)、提升單元及液壓控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。收割機(jī)的前進(jìn)速度、底切割刀盤(簡(jiǎn)稱刀盤)的轉(zhuǎn)速和離地高度可調(diào)，刀盤傾角有兩個(gè)擋位。

1.甘蔗切頂器 2.駕駛艙 3.動(dòng)力單元 4.一級(jí)除雜 5.二級(jí)除雜 6.提升單元 7.切割高度控制液壓缸 8.扶蔗裝置

凱斯A8000切斷式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)具有功率大、功能齊全、作業(yè)效率高及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，其主要作業(yè)流程圖如2所示。

圖2 甘蔗收獲機(jī)作業(yè)流程

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)對(duì)象為凱斯A8000切斷式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)，主要采用的設(shè)備有DT-2236B兩用式轉(zhuǎn)速表、TYD-1土壤硬度計(jì)、土壤烘干箱、秒表和皮帶尺等。

試驗(yàn)地為廣西柳州市桂中農(nóng)場(chǎng)廣西思源農(nóng)機(jī)發(fā)展有限公司甘蔗種植基地。試驗(yàn)的甘蔗品種為桂糖31，寬窄行種植(寬行1.3m，窄行0.5m)，2012年種植的宿根蔗。甘蔗的倒伏程度為：0°～30°的占62%，30°～60°的占18.43%，60°～90°的占19.51%；基部平均直徑為28mm；甘蔗生長(zhǎng)密度約64株/10m。土壤平均含水率為25.37%，土壤平均硬度為3.74kg/cm2。試驗(yàn)日期：2016年1月3-9日。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照GB/T 5262-2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件-測(cè)定方案的一般規(guī)定》及JB/T 6275-1992《甘蔗收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》進(jìn)行。每次甘蔗切割試驗(yàn)30m，重復(fù)試驗(yàn)3次；每切割試驗(yàn)后，測(cè)量切割的甘蔗總數(shù)量和宿根蔗蔸的破頭數(shù)量，且算出每次切割試驗(yàn)的甘蔗宿根破頭率。蔗蔸切口平面裂開超過一個(gè)蔗節(jié)或蔗蔸被推斷、拔掉時(shí)視為破頭。

聯(lián)合收割機(jī)的前進(jìn)速度采用實(shí)測(cè)其行走的距離和所用的時(shí)間，后通過計(jì)算獲得。刀盤的轉(zhuǎn)速用DT-2236B兩用式轉(zhuǎn)速表測(cè)量。刀盤的離地高度以地表為基準(zhǔn)進(jìn)行上下調(diào)節(jié)；刀盤的傾角分兩擋進(jìn)行。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

2.3 試驗(yàn)方案

根據(jù)凱斯A8000切斷式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)的實(shí)際情況，選取聯(lián)合收割機(jī)的刀盤的轉(zhuǎn)速x1、前進(jìn)速度x2、刀盤的離地高度x3作為試驗(yàn)因素，刀盤的傾角作為條件因素，甘蔗切割破頭率y作為試驗(yàn)指標(biāo)。

試驗(yàn)采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)進(jìn)行。試驗(yàn)的因素水平編碼表如表1所示。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

編碼值刀盤轉(zhuǎn)速x1/r·min-1前進(jìn)速度x2/km·h-1切割深度x3/cm上星號(hào)臂(+1．682)630．012．9610．0上水平(+1)583．410．775．9零水平(0)515．07．560．0下水平(-1)446．64．35-5．9下星號(hào)臂(-1．682)400．02．16-10．0

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中，刀盤傾角2的傾角大于刀盤傾角1的傾角。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

3.2 回歸分析

運(yùn)用SPSS 軟件對(duì)表2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析?；貧w分析時(shí)，甘蔗破頭率取平均值進(jìn)行，分別得出兩種刀盤傾角條件下的甘蔗破頭率與刀盤的轉(zhuǎn)速x1、前進(jìn)速度x2、刀盤的離地高度x3數(shù)學(xué)模型，有

(1)

(2)

其中，式(1)是刀盤傾角1條件下的甘蔗破頭率數(shù)學(xué)模型；式(2)是刀盤傾角2條件下的甘蔗破頭率數(shù)學(xué)模型。對(duì)回歸數(shù)學(xué)模型及系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明：回歸數(shù)學(xué)模型在0.000 1水平上顯著，各系數(shù)在0.048～0.000 1之間顯著，數(shù)學(xué)模型擬合得好，精度高。

3.3 因素影響分析

應(yīng)用MathCAD 軟件對(duì)式(1)、式(2)進(jìn)行模擬計(jì)算，除考慮的因素外，其它因素取零水平值，得出的各因素與甘蔗破頭率關(guān)系如圖4所示。其中，圖4(a)是刀盤的轉(zhuǎn)速x1與甘蔗破頭率關(guān)系圖；圖4(b)是前進(jìn)速度x2與甘蔗破頭率關(guān)系圖；圖4(c)是刀盤離地高度x3與甘蔗破頭率關(guān)系圖。圖中的實(shí)線為刀盤傾角1條件下的甘蔗破頭率曲線，虛線為刀盤傾角2條件下的甘蔗破頭率曲線。

(a)

(b)

(c)

Fig.4 Relationship of factors and the broken biennial root rate of sugarcane

由圖4(a)可知：甘蔗破頭率y隨刀盤轉(zhuǎn)速x1的增大，呈凹面向上的拋物線變化，甘蔗破頭率先減小后增大。其原因是：刀盤轉(zhuǎn)速相對(duì)較小時(shí)，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增大，刀片線速度增大，刀片切割甘蔗的速度增大，甘蔗易被切斷，甘蔗不易被拉裂而破頭；但刀盤轉(zhuǎn)速較大時(shí)，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增大，刀片線速度過大，刀片對(duì)甘蔗的切割速度過大，刀片對(duì)甘蔗的沖擊增大，甘蔗易被撞裂，故甘蔗破頭率隨刀盤轉(zhuǎn)速的增大，呈先減小后增大的變化。且由圖4(a)可知：刀盤傾角小時(shí)，甘蔗破頭率大。

由圖4(b)可知：隨著前進(jìn)速度x2的增大，甘蔗破頭率y增大。其原因是：前進(jìn)速度大,刀片切割甘蔗時(shí),前推甘蔗的速度大，甘蔗切割時(shí)易被推裂。且由圖4(b)可知，前進(jìn)速度小于7.5km/h時(shí)，刀盤傾角小時(shí)，甘蔗破頭率?。坏斑M(jìn)速度大于7.5km/h時(shí)，刀盤傾角小時(shí)，甘蔗破頭率大。

由圖4(c)可知：甘蔗破頭率y隨刀盤的離地高度x3的增大，呈凹面向上的拋物線變化，甘蔗破頭率先減小后增大。其原因是：當(dāng)?shù)镀胪凛^深切割甘蔗時(shí)，蔗蔸易被刀片帶出；但在非入土切割時(shí)，隨著刀盤離地高度的增大，切割支持作用變?nèi)?，切割時(shí)甘蔗易彎曲變形，被刀片拉裂而破頭，故甘蔗破頭率隨刀盤離地高度的增大，甘蔗破頭率呈先減小后增大變化。且由圖4(c)可知：入土切割時(shí)，刀盤傾角小時(shí)，甘蔗破頭率大，但非入土切割時(shí)，刀盤傾角小時(shí)，甘蔗破頭率小。

4 影響因素的優(yōu)化

分析表明：前進(jìn)速度大，甘蔗破頭率大。試驗(yàn)表明：前進(jìn)速度大于4.5km/h時(shí)，含雜率增大，且大于7.6km/h后含雜率嚴(yán)重增大，糖廠不接受；但前進(jìn)速度過低，收獲效率低，達(dá)不到機(jī)械收獲提高收獲效率的目的。因此，綜合考慮，本文選取前進(jìn)速度4km/h作為其優(yōu)化結(jié)果，其余因素的優(yōu)化采用求極小值的方法進(jìn)行，結(jié)果獲得的因素優(yōu)組合為：刀盤傾角1條件時(shí)：刀盤轉(zhuǎn)速x1為516.4r/min，前進(jìn)速度x2為4km/h，刀盤的離地高度x3為0，相應(yīng)可靠性為99%的預(yù)測(cè)區(qū)間為(3.9%～8.12%)。刀盤傾角2條件時(shí)：刀盤轉(zhuǎn)速x1為544r/min，前進(jìn)速度x2為4km/h，刀盤的離地高度x3為-2.78cm，相應(yīng)可靠性為99%的預(yù)測(cè)區(qū)間為(5.85%～9.34%)。

優(yōu)化結(jié)果的驗(yàn)證采用同上的試驗(yàn)方法進(jìn)行，結(jié)果為：刀盤傾角1條件下，甘蔗破頭率為8%；刀盤傾角2條件下，甘蔗破頭率為9.2%。其結(jié)果均在99%的預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)，表明優(yōu)化結(jié)果合理，可用于指導(dǎo)凱斯A8000甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)的實(shí)際甘蔗收獲操作。

5 結(jié)論

1)采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)和回歸分析方法，建立的甘蔗破頭率與刀盤轉(zhuǎn)速x1、前進(jìn)速度x2、刀盤離地高度x3的數(shù)學(xué)模型精度較高，可用于切割質(zhì)量的影響分析。

2)甘蔗破頭率y隨刀盤轉(zhuǎn)速x1、前進(jìn)速度x2的增大，呈凹面向上的拋物線變化，隨刀盤轉(zhuǎn)速x1增大，甘蔗破頭率先減小后增大，隨前進(jìn)速度x2的增大，甘蔗破頭率y增大。使用大的刀盤傾角時(shí)，小深度的入土切割有利于降低甘蔗破頭率；但采用大深度的入土切割時(shí)，甘蔗破頭率增大。使用小的刀盤傾角時(shí)，貼地切割有利于降低甘蔗破頭率。

3)使用小刀盤傾角時(shí)，因素優(yōu)組合為：刀盤轉(zhuǎn)速為516.4r/min，前進(jìn)速度為4km/h，刀盤的離地高度為0，相應(yīng)可靠性為99%的甘蔗破頭率預(yù)測(cè)區(qū)間為(3.9%～8.12%)。使用大刀盤傾角時(shí)，因素優(yōu)組合為：刀盤轉(zhuǎn)速為544r/min，前進(jìn)速度為4km/h，刀盤的離地高度為-2.78cm，相應(yīng)可靠性為99%的甘蔗破頭率預(yù)測(cè)區(qū)間為(5.85%～9.34%)。

[1] Bianchini A, Magalhaes P S G.Evaluation of coulters for cutting sugarcane residue in a soil bin[J].Biosystems Engineering, 2008,100(3): 370-375.

[2] 楊堅(jiān),梁兆新,莫建霖,等.甘蔗切割器切割質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(5):60-64.

[3] 向家偉,楊連發(fā),李尚平.小型甘蔗收獲機(jī)切割器試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(11):158-163.

[4] 周仕城，楊望，楊堅(jiān)，等.一刀切斷甘蔗動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(1):68-73.

[5] 楊望，楊堅(jiān)，劉增漢，等.入土切割對(duì)甘蔗切割影響的仿真試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(8)：150-156.

[6] 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.

[7] 劉慶庭,區(qū)穎剛,卿上樂,等.甘蔗莖稈在光刃刀片切割下根茬破壞試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(3):103-107.

Test on Influencing Factors of Cutting Sugarcane Quality of Case A8000 Sugarcane Combine Harvester

Yang Wang1,2, Wang Erpeng1, Yang Jian1,2, Li Yang1, Huang Shenchuang1, Liang Zhaoxin2

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Collaborative Innovation Center for Sugar Industry of Guangxi, Nanning 530004, China)

Due to the large effect of actual operating parameters of Case A8000 sugarcane combine harvester on cutting sugarcane quality, the affecting factors of cutting quality (the actual operating parameters) are studied by quadratic regression general rotational combination design and field physical test method.The influencing law and mechanism of influence factors on cutting quality were discovered,and then the influence factors were optimized.Results show that with the increasing of cutter speed,the broken biennial root rate of sugarcane increase first and then decrease. With the increasing of forward speed,the broken biennial root rate of sugarcane increase.When cutter inclination is large, sugarcane cutting beneath surface soil which the cutting depth is small is beneficial to decrease the broken biennial root rate of sugarcane, but the rate increased when the cutting depth is large.When cutter inclination is small, sugarcane ground cutting is beneficial to decrease the broken biennial root rate of sugarcane.When cutter inclination is small, optimal combination of operating parameters is as followed: rotating speed of cutter is 516.4 RPM,forward speed is 4 km/h,height of cutter above ground is 0,prediction interval of the broken biennial root rate of sugarcane which has 99% reliability is 3.9% ～ 8.12%.When cutter inclination is large, optimal combination of operating parameters is as followed: rotating speed of cutter is 544 RPM,forward speed is 4 km/h, height of cutter above ground is -2.78cm,prediction interval of the broken biennial root rate of sugarcane which has 99% reliability is 5.85% ～ 9.34%.

sugarcane; harvester; cutting quality; influencing law; factor optimization

2016-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51565003)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014GXNSFBA118279)；廣西教育廳高?？蒲许?xiàng)目(YB 2014002)；廣西大學(xué)青年博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(XBZ1601 11)

楊 望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)yanghope@163.com。

楊 堅(jiān)(1957-)，男，廣西合浦人，教授。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)05-0192-05