劉芳建，劉立晶，郭家文，劉赟東，狄明利

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083； 2.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南 開遠(yuǎn)661600)

0 引言

切段式甘蔗收獲機(jī)主要工序包括切梢、切根、輸送、切段、排雜和升運(yùn)等，其中切根工序作業(yè)質(zhì)量直接影響到宿根破頭率，也決定了蔗料中土壤雜質(zhì)的含量。同時(shí)，由于甘蔗的密植和莖稈特性，切根工序也是耗能較大的工序之一[1-10]。根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)踐及試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗入土切割的入土深度為5～10 cm時(shí)，能顯著降低宿根破頭率，提高收獲質(zhì)量[9，11-13]。

目前，國(guó)內(nèi)外主流切段式甘蔗收獲機(jī)切根工序普遍采用雙圓盤切根裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。左右刀盤刀尖回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)有交錯(cuò)深度，保證不漏割，傳動(dòng)裝置保持左右刀盤聯(lián)動(dòng)，防止碰刀，兩刀盤轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速相同，甘蔗由兩刀盤中部喂入，切根后在刀盤帶動(dòng)下喂入至后部工序。該種裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的特點(diǎn)，在調(diào)整刀盤入土切根時(shí)，當(dāng)工作參數(shù)與整機(jī)匹配后，可獲得較好的破頭率[14-21]。

圖1 龍門式結(jié)構(gòu)切根裝置Fig.1 Gantry type base cutter

但該裝置兩刀盤處于同一平面，工作時(shí)整個(gè)裝置依靠懸掛裝置實(shí)現(xiàn)刀盤前傾入土切割，導(dǎo)致刀片最大入土深度位置位于刀盤正前方，與兩刀盤中部切根位置即甘蔗生長(zhǎng)行位置不重合。因此，在切根位置滿足入土切根深度時(shí)，刀片最大入土深度已超過要求入土切割深度，會(huì)導(dǎo)致裝置功耗大大增加，且隨甘蔗喂入的雜土含量上升，此外，刀片磨損也會(huì)加快，降低刀片使用壽命。因此，開展改善切根刀盤含雜率和入土深度的相關(guān)理論與試驗(yàn)研究非常必要。

朱季華[22]發(fā)明了一種切根刀盤，刀盤本體為大角度的圓錐體，在刀盤外緣均布連接有內(nèi)低外高的錐面刀座，刀片需靠錐形定位柱與刀座連接，該種刀盤解決了現(xiàn)有刀盤存在的蔗蔸切口與地面距離過大的問題。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)劉慶庭等[23]設(shè)計(jì)了一種具有漏土功能的甘蔗收割機(jī)根部切割器，其特點(diǎn)是刀盤中間均等鏤空4個(gè)扇形槽，作業(yè)時(shí)通過4個(gè)扇形槽鏤空處漏下甘蔗上帶的泥土，減少切割時(shí)的甘蔗泥土帶入量，進(jìn)而提高出糖品質(zhì)。簡(jiǎn)真等[24]設(shè)計(jì)了一種地面高度檢測(cè)裝置，配合檢測(cè)裝置進(jìn)行了切割刀盤的仿地形自動(dòng)升降測(cè)試，刀盤高度自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差為9 mm，能夠滿足生產(chǎn)使用的精度要求。鄒展曦等[25]設(shè)計(jì)了一種刀盤高度浮動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)切割刀盤高度隨地形變化，刀尖軌跡曲線與地面的軌跡曲線相同。

以上設(shè)計(jì)與研究，從刀盤整體入土深度調(diào)節(jié)方面考慮，著重于維持刀盤的切根質(zhì)量，或提高了刀盤排土性能，降低收獲含雜率。但都沒有改變刀盤最大入土位置與切根位置不重合的問題，存在著功耗損失或含雜率上升的問題。

針對(duì)上述問題，本研究提出了內(nèi)傾式切根刀盤，通過改進(jìn)割臺(tái)傳動(dòng)部件，實(shí)現(xiàn)刀盤內(nèi)傾且內(nèi)傾角度可調(diào)，通過試驗(yàn)檢驗(yàn)刀盤內(nèi)傾角對(duì)含雜率與功耗的影響，并優(yōu)化作業(yè)參數(shù)，提升切根裝置作業(yè)性能。

1 刀盤內(nèi)傾式切根裝置原理

1.1 入土深度差、刀盤半徑和前傾角

現(xiàn)有切根裝置普遍采用龍門式結(jié)構(gòu)，原理如圖1所示。兩刀盤通過刀盤軸固定于上部箱體，箱體除了起支撐作用外，還內(nèi)置傳動(dòng)齒輪，保證兩刀盤轉(zhuǎn)速同步。箱體以下至刀盤的空間為甘蔗喂入的通道。作業(yè)時(shí)，裝置整體隨液壓油缸升降，實(shí)現(xiàn)切割高度調(diào)整。裝置整體前傾，刀盤入土切割存在一個(gè)前傾角α，刀片最大入土深度位置位于刀盤正前方，如圖2所示。

圖2 刀盤切割前傾示意Fig.2 Working condition of base cutter

機(jī)組前進(jìn)時(shí)，甘蔗行從兩刀盤中間喂入，因此刀片切割位置位于刀盤內(nèi)側(cè)靠前部，與最大入土的前部不重合。根據(jù)入土切割甘蔗要求，若要保證切割位置的入土深度，則刀片的最大入土位置即正前部的入土深度遠(yuǎn)大于切割位置。兩位置的入土深度差d可用式(1)表示。

(1)

式中R——刀盤半徑(刀尖回轉(zhuǎn)半徑)

α——裝置前傾角

S——兩刀盤軌跡交錯(cuò)深度

兩刀盤軌跡交錯(cuò)深度S如圖3所示。

圖3 現(xiàn)有刀盤與內(nèi)傾式刀盤軌跡線Fig.3 Trajectory of cutter of two types

由式(1)可以看出，兩位置入土深度差分別跟刀盤前傾角α和刀盤半徑R成正相關(guān)，二者越大，則入土深度差越大。該部分作用不參與切割，僅作用于土壤，因而引起功耗徒增，且旋切后的土壤，隨刀盤高速拋至后方，同甘蔗一起喂入輸送通道，會(huì)引起蔗料的含雜率上升。此外，較大的入土量會(huì)加速刀片磨損，降低了刀片使用壽命。

1.2 內(nèi)傾角

若使刀盤在前傾的基礎(chǔ)上有一定的內(nèi)傾角，則最大入土位置由刀盤正前方向內(nèi)側(cè)偏移，靠近甘蔗切割位置。通過結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算可推導(dǎo)出，當(dāng)兩位置重合時(shí)，內(nèi)傾角β符合式(2)。

(2)

式中β——刀具內(nèi)傾角

d——甘蔗偏離刀盤中心線距離

由式(2)可以看出，刀具內(nèi)傾角β跟刀盤前傾角α和刀盤半徑R成正相關(guān)，二者越大，則就需要越大的內(nèi)傾角β，使得最大入土位置與切根位置重合。

2 刀盤內(nèi)傾式切根裝置設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)原理

刀盤實(shí)現(xiàn)內(nèi)傾且角度可調(diào)，則應(yīng)考慮兩刀盤傳動(dòng)及運(yùn)動(dòng)干涉。采用刀盤及刀盤傳動(dòng)箱體固定鉸接于割臺(tái)支架上，角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于刀盤傳動(dòng)箱體的布局方式。根據(jù)原切根裝置，對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，裝置機(jī)構(gòu)如圖4所示。

1.上部傳動(dòng)箱(馬達(dá)端) 2.中間箱體 3.上傳動(dòng)軸 4.上部傳動(dòng)箱 5.側(cè)壁 6.切根刀盤 7.傳動(dòng)箱轉(zhuǎn)軸 8.刀盤傳動(dòng)箱9.調(diào)節(jié)絲杠 10.萬向傳動(dòng)軸 11.液壓馬達(dá)圖4 刀盤內(nèi)傾式切根裝置Fig.4 Base cutter with inward-leaning angle

如圖4可以看出，兩切根刀盤與刀盤傳動(dòng)箱作為整體，通過轉(zhuǎn)軸鉸接于機(jī)架左右側(cè)壁上，刀盤傳動(dòng)箱體外端軸端與萬向傳動(dòng)軸下端通過花鍵連接，萬向傳動(dòng)軸上端與上部傳動(dòng)箱通過花鍵連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。在上部傳動(dòng)箱內(nèi)部，有一對(duì)錐齒輪嚙合，可改變傳動(dòng)方向。在中間箱體內(nèi)部，裝有上傳動(dòng)軸，上傳動(dòng)軸兩端分別與上部傳動(dòng)箱和側(cè)面軸端通過花鍵套連接，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞。在上部傳動(dòng)箱中，有一個(gè)外側(cè)面留設(shè)動(dòng)力輸入接口，與液壓馬達(dá)軸端通過花鍵固定連接。萬向傳動(dòng)軸可軸向伸縮，以抵消刀盤傳動(dòng)箱的轉(zhuǎn)動(dòng)引起的軸端位[26]。

2.2 內(nèi)傾角調(diào)節(jié)

刀盤傳動(dòng)箱一端鉸接于側(cè)壁并可繞傳動(dòng)箱轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一端鉸接于調(diào)節(jié)絲杠下端，調(diào)節(jié)絲杠另一端鉸接于側(cè)壁，通過縮短調(diào)節(jié)絲杠的長(zhǎng)度，拉動(dòng)刀盤傳動(dòng)箱外端上移，從而使刀盤傳動(dòng)箱繞傳動(dòng)箱轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤傳動(dòng)箱的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)切根刀盤整體轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生內(nèi)傾角。

改進(jìn)原前置切段式割臺(tái)，刀盤半徑458 mm，刀盤軌跡交錯(cuò)深度146 mm，入土前傾角約15°。根據(jù)入土深度差公式可得，刀盤內(nèi)傾后，可使刀盤入土深度減少54.6 mm，由此可見，刀盤內(nèi)傾對(duì)減少不必要刀盤入土，從而減少功耗和刀片磨損有顯著作用。

由內(nèi)傾角推導(dǎo)公式可知，當(dāng)d=0時(shí)，內(nèi)傾角β≈22.73°，此時(shí)β為最大值；當(dāng)d=50 mm時(shí)，β≈16.15°；若收獲寬窄行種植時(shí)，按窄行行距400 mm計(jì)算，β≈6.84°。因此，裝置內(nèi)傾角β值設(shè)計(jì)取值為0～23°，相應(yīng)絲杠調(diào)節(jié)長(zhǎng)度為377～438 mm。

3 性能試驗(yàn)與優(yōu)化

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

將設(shè)計(jì)的切根裝置掛接在中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院開發(fā)的4GL260型切段式甘蔗收獲機(jī)上，進(jìn)行性能試驗(yàn)。裝備為履帶式全靜液壓工作方式，采用全電控化操控，可方便性能試驗(yàn)參數(shù)調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)保存。

在割臺(tái)試制中，應(yīng)在側(cè)壁減速箱體上預(yù)留霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器安裝口，刀盤轉(zhuǎn)速控制通過調(diào)節(jié)柱塞泵電控比例閥輸入信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，傳感器信號(hào)均輸送至整機(jī)控制器，整機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)有該部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)功能。

圖5 轉(zhuǎn)速傳感器Fig.5 Rotating speed sensor

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以刀盤轉(zhuǎn)速n、刀盤內(nèi)傾角β為影響因素，以破頭率和含雜率為指標(biāo)開展試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速的取值范圍根據(jù)之前割臺(tái)作業(yè)參數(shù)確定，內(nèi)傾角的取值范圍由前文公式確定。采用二次回歸正交試驗(yàn)，參考JB/T 6275—2007《甘蔗收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定，進(jìn)行整機(jī)作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)因素p=2，選取中心點(diǎn)重復(fù)次數(shù)m0=8，查表得γ=1.414，從而確定因素編碼，如表1所示[27-29]。

表1 試驗(yàn)因素編碼

試驗(yàn)于2019/2020榨季在云南省西雙版納州進(jìn)行，試驗(yàn)地塊選取地勢(shì)平坦、土壤條件和甘蔗長(zhǎng)勢(shì)較為一致的蔗區(qū)。每組試驗(yàn)測(cè)定區(qū)長(zhǎng)度為30 m。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。根據(jù)所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用計(jì)算軟件進(jìn)行分析，得到各指標(biāo)隨兩因素變化關(guān)系的二次回歸方程模型。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1破頭率回歸分析

破頭率隨各因素變化的二次回歸方程如式(3)所示。

y1=10.68+1.58x1-0.65x2+0.11x1x2

(3)

剔除模型不顯著項(xiàng)，轉(zhuǎn)化得到以試驗(yàn)因素實(shí)際量表示的回歸方程如式(4)所示。

y1=2.85+0.09n-0.12β-1×10-4n2

(4)

3.3.2含雜率回歸分析

含雜率隨各因素變化的二次回歸方程如式(5)所示。

y2=6.11-0.02x1-0.17x2

(5)

剔除模型不顯著項(xiàng)，轉(zhuǎn)化得到以試驗(yàn)因素實(shí)際量表示的回歸方程如式(6)所示。

y2=16.75-1.33β-0.3n

+0.04β2+0.005n2

(6)

3.3.3破頭率響應(yīng)面分析

破頭率響應(yīng)曲面和等高線如圖6所示。破頭率最小值在n=250 r/min、β=20.6°時(shí)取得，回歸方程在圖示定義區(qū)內(nèi)并未取得極小值點(diǎn)。破頭率最大值在n=350 r/min、β=9.4°時(shí)取得。分析可知，內(nèi)傾角的存在，改變了刀片切割蔗莖的角度，且使得刀片最大入土深度減小，減小了刀盤的振動(dòng)，從而使得原刀盤最佳轉(zhuǎn)速區(qū)間減小。過大的內(nèi)傾角使得刀片最大入土位置與切根位置偏離，且減小了兩刀盤重合作用區(qū)域，使得破頭率上升。

圖6 兩因素對(duì)破頭率的影響Fig.6 Influence of two factors on broken head rate

3.3.4含雜率響應(yīng)面分析

含雜率響應(yīng)曲面和等高線如圖7所示。含雜率最小值在n=300 r/min、β=15°時(shí)取得，回歸方程在圖示定義區(qū)內(nèi)并未取得極大值點(diǎn)。分析可知，含雜率與轉(zhuǎn)速有較強(qiáng)的正相關(guān)性，轉(zhuǎn)速越高，切根時(shí)雜土受慣性影響越大，含雜率隨之升高，但隨著轉(zhuǎn)速降低至一定范圍，含雜率下降趨于平緩；當(dāng)取合適的內(nèi)傾角時(shí)，土壤擾動(dòng)最小，隨之喂入的雜土也較少，但內(nèi)傾角過大時(shí)，刀盤拋土方向與甘蔗喂入方向重合，造成含雜率有上升趨勢(shì)。

圖7 兩因素對(duì)含雜率的影響Fig.7 Influence of two factors on impurity content

3.3.5參數(shù)優(yōu)化

采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，以破頭率、含雜率的回歸方程作為響應(yīng)變量函數(shù)，確定因子變量和響應(yīng)約束條件進(jìn)行模型優(yōu)化，得到滿足響應(yīng)變量范圍的因素優(yōu)化參數(shù)組合為(-0.62，0.25)，即n=269 r/min，β=16.4°，此時(shí)理論響應(yīng)值為(9.45%，6.61%)，驗(yàn)證結(jié)果為(9.66%，6.88%)，表明回歸方程與實(shí)際情況符合較好。通過與無傾角刀盤對(duì)比試驗(yàn)可得出，破頭率保持基本相同的情況下，含雜率可降低約10.6%。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)現(xiàn)有甘蔗收獲機(jī)切根裝置存在刀盤最大入土位置與切根位置不重合的問題，提出了一種刀盤可內(nèi)傾且內(nèi)傾角可調(diào)的切根裝置，通過調(diào)整刀盤內(nèi)傾角，可使刀片最大入土位置盡量貼近甘蔗行位置，減小了刀片入土量，尤其適用于大直徑刀盤。

(2)以刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤內(nèi)傾角為影響因素，以破頭率、含雜率為指標(biāo)開展試驗(yàn)，分析了各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)果顯示，轉(zhuǎn)速和內(nèi)傾角均對(duì)含雜率影響顯著，轉(zhuǎn)速對(duì)破頭率影響顯著。

(3)應(yīng)用回歸分析優(yōu)化，得到最佳工作參數(shù)為刀盤轉(zhuǎn)速269 r/min、刀盤內(nèi)傾角16.4°；在該參數(shù)組合下期望結(jié)果為破頭率9.45%、含雜率6.61%，該參數(shù)組合下的驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果為破頭率9.66%、含雜率6.88%。

(4)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，在維持破頭率基本不變的前提下，內(nèi)傾式刀盤與原刀盤相比含雜率降低10.6%。