兩種形式甘蔗切割器對破頭率影響的因素分析

摘要：針對兩種形式甘蔗切割器在收獲甘蔗過程中造成的甘蔗破頭率大小不同的問題，對甘蔗切割器的工作參數和結構參數進行因素分析，探討相同影響因素與甘蔗破頭率之間的關系，以及兩種形式的甘蔗切割器與甘蔗破頭率的差異，為甘蔗切割器的設計提供理論和實際依據，具有重要的理論意義和指導價值。

關鍵詞：切割器 破頭率 影響因素 分析

Analysis study of Influencing Factors on the Rate of Broken Biennial Root of Two Types of Cutters

(Fu Qike )

(College of Electrical and Mechanical Engineering， HaiNan University Danzhou， 570228， China)

Abstract: Aiming at the difference of broken biennial root rate in process of sugarcane harvester ， conduct a analysis study of affecting factors about working parameters and structure parameters . The relation between the rate of broken biennial root and the same affecting factors was discussed ， as well as the two kinds of sugarcane cutters . These studies will supply more theoretical significances and practical values basis on cutter structural design of sugarcane harvester ， and it does have value for theoretical and practical research.

Key words: Cutters， Broken biennial root rate， Influencing factors ，Analysis

我國是世界甘蔗種植大國，采用機械化收獲是提高競爭力的關鍵。目前，國內甘蔗收割機存在的主要問題之一是在切割器切割甘蔗時，切割質量低，甘蔗破頭率高，影響了甘蔗產量。而切割器的工作參數是制約宿根破頭率直接因素[1]，國內研究成果實際應用于收割機后破頭率仍較高。本文通過建立其各自運動學模型，在工作參數與結構參數等因素作用下對破頭率的對比研究，得出較優的切割器模型參數。

1、甘蔗切割器影響因素分析

切割器切割甘蔗的運動狀態與甘蔗的質量有密切的關系，通過建立切割器切割甘蔗的運動學模型，刀片的運動軌跡由通過刀片刃線上的一個頂點和一個根點即(最低點)的運動軌跡來描述。

1.1 單、雙圓盤運動學結構模型

單、雙圓盤切割器都是由刀盤、刀片、刀軸3 部分組成，差異在于兩者的圓盤數目不同，當刀片數為4把時，單、雙圓盤切割器如圖a和b分別所示。設零時刻刀盤處于所示位置，z 方向均垂直紙面向外。

1.2 影響因素的確定

在甘蔗的切割過程中，各運動參數及結構參數的不同會導致運動方程的不同，從而對破頭率產生影響。由相關文獻[2]研究可知，其中前進速度、刀片數量、刀盤傾角、刀片切割角、頻率和振幅、刀片刃角對破頭率的影響顯著。

2、各單因素對甘蔗破頭率的影響和差異分析

目前國內對甘蔗切割器的研究主要分為實驗研究和計算機仿真研究，通過大型通用有限元分析軟件ANSYS和計算機仿真ADAMS技術，通過控制相關參數變量，選擇前進速度、刀片數量、刀盤傾角、刀片切割角、頻率和振幅、刀片刃角6個因素作為試驗因素， 以破頭率作為試驗指標進行研究分析。

2.1 前進速度對破頭率的影響和差異分析

對于單、雙圓盤切割器，都是隨著機車前進速度的增大，破頭率也增大[3]。刀片在切割時的前推線速度大，對甘蔗產生的沖擊力大所致。實際中要盡量減少機車的前進速度。對單圓盤切割器，前進速度取0.6m/s，刀盤轉速取650r/ min較好[3]，雙圓盤切割器，取0.6到1.5m/s之間的數值較好[4]，破頭率可在10%以內。可見，在同樣為了降低破頭率的情況下，單圓盤切割器對速度的要求為0.6m/s左右，而雙圓盤切割器可適用的速度范圍稍大一些，可以取0.6到1.5m/s之間的數值。

2. 2刀片數量對破頭率的影響和差異分析

對于單圓盤切割器，在硬土試驗下和軟土試驗條件下隨著刀片數目的增加而減少[5]，由于切割力減少，產生的彎矩和扭矩小，故破頭率降低。對于雙圓盤切割器，每個圓盤的刀片數目控制在4到6把效果較好[4]。可見兩者對刀片數目的要求不同，單圓盤切割器在符合生產要求的情況下，刀片越少越好，而雙圓盤切割器對刀片數目的要求比較固定，在8到12片之間，對稱安裝。

2.3刀盤傾角對破頭率的影響和差異分析

對單圓盤切割器，破頭率隨刀盤傾角的增大而減少，有兩方面原因，一方面，由于切割力受切割方向的影響，切割方向分為橫向與斜向及過渡切割，研究表明，甘蔗徑向纖維的抗拉強度遠大于機體間的結合強度。在3種基本切割中，橫向切割的切削力最大，其次是過渡切削，斜向切割的切割力最小[6]，過渡切削過渡量用ψ表示，即P=3.7985-0.0287ψ[7]。式中P-單位切割力。過渡切割角ψ即為刀盤傾角，故刀盤傾角大切割力減小有利于降低破頭率。另一方面，由于振動的存在，刀盤傾角大時切割后的甘蔗不易被刀盤壓破頭。對雙圓盤切割器，由實驗知，綜合考慮得出當刀盤前傾角在4°到8°[4]較為適宜。可以看出，雙圓盤切割器對刀盤前傾角的要求比較固定，為4°到8°之間，而單圓盤切割器則是在許可的情況下，前傾角越大越好，一般不超過15° 。

2.4刀片切割角對破頭率的影響和差異分析

對單圓盤切割器，由試驗知，破頭率隨刀片切割角的增大而增大 。按照滑切省力原則，切割力隨切割角的增大而減少，故切割角小時，有利于克服切割阻力。對雙圓盤切割器，綜合實驗數據得到在10°到25°為宜[4]。可以看出，對于單圓盤切割器，刀片切割角越小越好，而對于雙圓盤切割器，刀片切割角不能太大或太小，10°到25°較為合適。

2.5振動頻率和振幅對破頭率的影響和差異

在實際切割中，多數甘蔗需多刀才能被切斷 ，陰影部分為第一刀切割后的殘余截面即危險截面，假設第二刀完全切斷甘蔗，受力簡化如圖2所示，由于切割力隨深度而變化，當切割至總深度的1/2時切割力最大[9]，此時即Mmax=Fmax·△h，Tmax=Fmax·（x0-R）， ，設殘余部分對y0軸的慣性矩為Iy0，極慣性矩為Ip，則切口高度差為△h的第2刀對切割后的殘余截面，σ=M/Wz=Mx/Iy0，τ=T/Wp=TR/Ip，式中Wz和Wp為抗彎和扭轉截面系數。當頻率一定，振幅增大，△h增大，使σ和T增大，破頭率增大。對于單圓盤切割器，由于總的刀片數目少，故頻率要求要高一些，振幅則越小越好，接近于理想值0mm是最佳狀態，而雙圓盤切割器總刀片數多，切割次數也比同時間內單圓盤切割器的多，所以頻率相對要求低一些，而振幅也是越小越好，最小應不低于20mm。

2. 6刀片刃角對破頭率的影響和差異分析

對單圓盤切割器，破頭率與刀片刃角的關系呈拋物線關系，先隨刃角的增大而減小，達到最小值后，隨刃角的增大而增大[5]。從切割瞬間刀刃楔面的受力角度分析，切割瞬間刀刃楔面受到甘蔗的水平阻力F，N表現為刀片對甘蔗的擠壓作用力，T表現為摩擦阻力，如圖3所示，a為刀片刃角，ψ為刀盤傾角φ=a+ψ。

由圖3可知，N=Fsinφ，T=Fcosφ。在N和T兩者的綜合作用下，因此刀片刃角取較大較小均易破頭，在15°左右破頭率最小[8]。對雙圓盤切割器，綜合文獻[4]可知，角度在7.5°到16°為宜。可以得知，對于單圓盤切割器，刀片刃角的取值有一個理想的數據，即15°左右，再大或再小都將導致破頭率的增加，而雙圓盤切割器對刀片刃角的要求有一個范圍，取7.5°到16°為宜，根據不同的實際情況，可以在此范圍內找到理想的數值，它不固定，可以取不同的值而得到同樣好的效果。

3.結論與展望

（1）2006年廣西大學陳國晶在考慮地面不平引起的振動情況下得出的最優參數組合為，刀片刃角為21°，刀片切割角為30.5°，刀數為4把，刀盤傾角為11.5°，圓盤轉速為650 r/min，機車前進速度為0.6m/s，綜合優化組合下破頭率可小于11%[2]；2006年廣西大學林茂在考慮地面隨機振動的條件下，得出雙圓盤切割器較優參數組合為，刀片刃角為12°，刀片切割角為14°，刀數為5把，刀盤前傾角為5°，圓盤轉速為669r/min，機車前進速度為0.9m/s，此組合下破頭率較小，可降低到8.18%[4]。

（2）在實際的甘蔗收割中，切割器轉速大、前進速度小、刀片數目多、刀片刃角小有利于減少破頭率。由于切割器高速旋轉，不僅存在田間地面凹凸不平的影響，還有如切割器的材料，對切割器的設計采取動態設計，按一定原則進行參數補償，綜合考慮更多影響因素會在實際應用中得到更好的效果。在理想的狀況下，如田地地面平整，田地形狀規則，土壤質地較硬，天氣狀況較好，機器本身運作良好的情況下，單、雙圓盤切割器的工作參數可以達到最佳狀態，切割甘蔗的破頭率可以得到有效的減少。

（3）對甘蔗切割器機器參數的研究，可以使甘蔗切割機在實際應用中更加的滿足生產的需求，提高生產效率。近幾年隨著甘蔗切割機應用的廣泛推廣，甘蔗的收割效率提高了數倍，甘蔗的種植面積也因此而提擴大了許多。而另一方面，甘蔗切割器參數的優化研究可以為其他切割機器，比如樹木切割器、小麥水稻收割機等的優化設計提供參照，而甘蔗切割器本身也能不斷進化，更好的服務于生產。

參考文獻：

[1]王汝貴．甘蔗收割機圓盤式切割器工作參數優化研究[D] ．南寧：廣西大學， 2004: 45-46.

[2]陳國晶．單圓盤甘蔗收割機切割器切割破頭率影響因素的試驗研究與機理分析[D] ．南寧：廣西大學，2006， I-III.

[3]楊堅，梁兆新等．甘蔗切割器切割質量影響因素的試驗研究[J] ．農業工程學報，2005，21(5):60-64.

[4]林茂．雙圓盤切割器切割甘蔗破頭率影響因素的優化及機理研究[D] ．南寧：廣西大學，2006.27-30，50-51.

[5]陳國晶，趙冰．單圓盤甘蔗切割器切割破頭率影響機理研究[J] ．農機化研究，2010，10(10):47-50.

[6]鎮江農業機械學院.農業機械學( 下冊)［M］．北京：中國農業出版社，1985．

[7]劉慶庭．甘蔗切割機理[D] ．廣州:華南農業大學，2003．

[8]楊堅，陳國晶等．單圓盤甘蔗切割器切割破頭率影響因素的試驗[J] ．農業機械學報，2007，38(3):69-74.

[9]Kroess， Harris HD.1996a. Cutting Forces and Energy During an Impact Cut of Sugarcane Stalks[R].Madrid:Eurageng’ ，1995，62(11):163-172.