甘蔗收獲機切割力影響因素試驗

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，整稈式甘蔗收獲機無法依據地勢實時有效控制切割器入土切割深度，導致甘蔗收獲機在工作過程中存在過切或者切深不足以致收割損失的現象。本文結合前期研究，利用切割試驗平臺，通過單因素試驗研究甘蔗簇株密度、切割器入土切割深度、土壤剪切強度、土壤硬度對切割力大小的影響程度和規律。結果表明，簇株密度、入土切割深度、土壤剪切強度、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、土壤剪切強度、土壤硬度。

關鍵詞 ? ?甘蔗收獲機;切割力;影響因素

中圖分類號 ? ?S225.5+3 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）16-0124-01

甘蔗是我國農業經濟作物之一，是重要的制糖原材料[1-2]。提高甘蔗收獲全程機械化以及收獲效率，對甘蔗產業發展具有重要意義。長期以來，我國甘蔗收獲仍依賴人工收獲，導致收獲效率低、人工成本居高不下，嚴重制約了我國制糖工業的發展。目前，國內引進的國外大型收獲機械，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，因而這些機械并不符合我國國情，而一款適應丘陵地區的小型甘蔗收獲機受到了廣大農戶的青睞。但是整稈式甘蔗收獲機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的發展。前課題組王增[3]通過試驗研究發現，切割器入土切割能有效降低破頭率，提高甘蔗來年繼續生長率。因此，設計一款能夠自動適應復雜地形的入土切割深度控制的收獲機顯得尤為重要。

針對切割器入土切割，國內外學者做了大量的研討。楊 ?望等[4]采用田間試驗方法針對國外凱斯A8000收割機進行了切割質量影響試驗研究，發現采用小深度的入土切割利于降低甘蔗破頭率。周建陽等[5]利用自主研發的甘蔗收獲機進行田間試驗發現，入土切割比不入土切割質量好60%。通過有限元仿真分析[6]發現，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入土切割深度自動系統的開發奠定了基礎。

本文利用前期開發的甘蔗收獲機試驗平臺，經過單因素試驗探究入土深度、甘蔗簇株密度、土壤剪切強度、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律，以期為后續入土切深自動控制系統的開發提供數據支持。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗材料

甘蔗收獲機切割力影響試驗研究主要是在課題組自主研發的甘蔗收獲機切割試驗平臺上進行的。切割試驗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。試驗平臺可以控制多個試驗因素，利用切割器液壓系統調節切割轉速和刀盤切割傾角[4];通過甘蔗夾持器控制一次輸送數量;通過電機轉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度以及土壤硬度。

試驗其他設備有土壤硬度計、土壤采樣環刀、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 ? ?試驗方法

試驗研討甘蔗簇株密度、切割器入土切割深度、土壤剪切強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律。為了盡可能減少其余因素對試驗的影響，統一設定切割器轉速為750 r/min、甘蔗輸送速度為0.4 m/s。單因素試驗進行4次，一共進行48次試驗。

1.2.1 ? ?甘蔗簇株密度單因素試驗。簇株密度設置為3、4、5根/簇，采用晴天天氣土壤環境。

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

1.2.3 ? ?土壤剪切強度單因素試驗。對應3種不同天氣狀況下的土壤剪切強度，設置水平為79、73、44 kPa，土壤硬度復現成晴天天氣環境，一次切割甘蔗3根/簇。

1.2.4 ? ?土壤硬度單因素試驗。對應3種不同天氣狀況下的土壤硬度，設置為6.4、3.8、2.3 kg/cm2，土壤剪切強度復現為晴天天氣環境，一次切割甘蔗3根/簇[5-6]。

2 ? ?結果與分析

如表1～4所示，根據試驗方法，在顯著性水平α=0.01的情況下，對結果進行有重復的單因素方差分析，F0.01（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、土壤剪切強度、土壤硬度。

3 ? ?結論與討論

通過查閱資料以及前期相關研究找到了影響切割力的因素，確定了試驗研究水平范圍。經過單因素試驗研究，發現簇株密度、入土切割深度、土壤剪切強度、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、土壤剪切強度、土壤硬度。

4 ? ?參考文獻

[1] 張長獻，魯華.廣西甘蔗機械化收獲現狀及建議[J].農業工程，2019，9（4）：5-9.

[2] 朱衛江.我國甘蔗機械化收獲現狀與發展路徑選擇[J].農機質量與監督，2019（10）：30-32.

[3] 王增.甘蔗收獲機入土切割控制的機理研究與設計仿真[D].南寧：廣西大學，2014.

[4] 楊望，王二朋，楊堅，等.凱斯A8000甘蔗聯合收割機切割質量影響因素的試驗[J].農機化研究，2017，39（5）：192-196.

[5] 周建陽，李尚平，潘宇晨，等.入土切割對砍蔗質量影響的研究[J].中國農機化學報，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.

基金項目 ? 欽州學院高層次人才科研啟動項目（2018KYQD45）。

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

收稿日期 ? 2020-05-05