连续回转式甘蔗收割机集堆机构设计与试验

陈连飞，梁宇达，邹小平，杨丹彤，刘庆庭※

（1.广东省农业机械试验鉴定站，广州 510515；2.华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

连续回转式甘蔗收割机集堆机构设计与试验

陈连飞1，梁宇达2，邹小平2，杨丹彤2，刘庆庭2※

（1.广东省农业机械试验鉴定站，广州 510515；2.华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）

集堆是整秆式甘蔗收割机的重要作业工序之一，集堆性能影响到收割机作业质量。本文在分析现有的几种甘蔗收割机集堆机构的基础上，设计了一种连续回转式集堆机构，并试制了样机。田间试验结果表明，该机构能够有效实现甘蔗集堆功能，达到了设计要求。

甘蔗 整秆收割 集堆机构 设计

0 引言

近年来，随着农业机械化的发展以及制糖产业的需要，出现了不同型式的甘蔗收割机。在甘蔗的机械化收获生产中，用于甘蔗收集的终端系统称之为集堆机构，它的功能主要有两个：一是对剥叶后输送出来的甘蔗进行收集；二是将收集好的甘蔗进行卸载。据相关资料统计，清理打捆等相关甘蔗收集工作的工作量占整个甘蔗收获过程的10.9%[1]。因此，在蔗糖生产量日益提升的今天，研制高效、可靠的集堆机构对于提高甘蔗收割机作业效率和降低作业成本，及实现甘蔗收获全程机械化都具有重大的意义。

1 现有集堆机构的局限性

1.1 一侧倾卸集堆机构

一侧倾卸平行集堆机构是一种传统的集蔗机构，具有结构简单、造价低廉的特点[2]。其集堆过程是：剥叶后的甘蔗带着一定的初速度从输送口抛出，随即接触到向一侧倾斜的滑板，在重力作用下滑落至滑板的底端，受挡板的限制而形成甘蔗堆。卸载甘蔗时，底端的挡板打开，甘蔗从一侧卸至地面。

在甘蔗收割机田间作业时，为了实现收割机从垄头到垄尾、从垄尾到垄头收割作业时收集的甘蔗均能卸载至地面上，集堆机构需要实现向两侧均能倾翻，因此一侧倾卸式集堆机构具有一定的局限性。同时，该集堆机构尺寸较大，对整机的田间行驶灵活性造成影响，因此主要用于大型整秆式甘蔗收割机上。

1.2 三角集堆机构

针对上述集堆机构尺寸过大的问题，广西大学研制了一种长度较短的三角形集堆机构[3]。该机构工作时集堆箱向上倾斜，甘蔗倾斜朝上放置，这在一定程度上解决了甘蔗较长带来的整机长度方向尺寸过大的问题。三角集堆机构可以把收获好的甘蔗收集至一定数量，到指定卸载甘蔗的位置后，通过集堆箱前部底下的液压缸伸长，使集堆箱向后倾斜，甘蔗从集堆箱后部的开口卸载至地面上。

三角集堆机构结构简单，在长度方向上的尺寸得到了一定的减小，从而对整机行走性能有一定的提高作用。但是，三角集堆机构所采用的后倾的卸载方式需要使用液压缸推动集堆箱向后翻转一定的角度，让甘蔗在重力作用下滑出集堆箱。由于甘蔗长度较大、长短不一致等因素的影响，这种卸载方式经常会使卸在地上的甘蔗排放不整齐甚至错乱，不利于打捆。

1.3 双侧倾卸式集堆机构

双侧倾卸式集堆机构就是使集堆箱能够在液压缸的驱动下实现左右翻转，当翻转超过90°时使甘蔗滑出集堆箱。目前有人工调整型斜集双侧倾倒的集堆机构和自动斜集双侧倾倒的集堆机构两种形式[4]。

人工调整型斜集双侧倾倒的集堆机构在作业过程中需增加人工配合动作，当集堆机构向左倾卸甘蔗时，用销子将箱体和底座连接处的左侧的销孔销住，这样箱体就可以绕此销轴旋转；向右卸甘蔗时就把右侧的销孔销住来实现右侧倾倒。人工调整型斜集侧倒集堆机构在以斜集的方式缩小长度尺寸的同时，还实现了在左右两侧都能卸载甘蔗，且其结构简单，只需要一个液压缸，成本低廉。但该集堆机构最大的局限在于卸蔗的时候需要人工配合锁定一侧的插销，操作比较麻烦，不能直接方便地通过机器改变集堆箱的倾卸方向而实现全程自动化；而且倾卸翻转时集堆箱转动半径较大，重心位置位移量大，影响了整个运动的稳定性。

自动斜集双侧倾倒的集堆机构收集甘蔗的原理与三角集堆机构相同，其不同之处在于向侧面卸载甘蔗。卸载过程为：向上倾斜25°的集堆箱收集到一定的甘蔗后，在液压缸的驱动下以集堆箱底的中轴为转轴向一侧翻转，当翻转角度大于90°时，甘蔗滑出箱体被倾卸到一侧地面上；然后集堆箱还原，继续收集甘蔗；当整机转弯后反向行走时，集堆箱往另一侧翻转倾卸甘蔗。该机构结构简单，操作简便，可实现全自动化左右两侧卸载甘蔗。但采用了2个液压缸，质量大，成本稍高。

上述几种集堆机构共同的局限性在于，当集堆装置进行卸蔗作业时，需要收割机暂时停止收割作业，这样影响了收割机的作业效率。

2 连续回转式甘蔗收割机集堆机构设计

2.1 集堆机构的功能要求

综合考虑以上几种典型的甘蔗集堆机构的优缺点，所设计的甘蔗集堆机构应满足以下几个要求：

1）顺利收集剥叶后的甘蔗，不漏集；

2）实现把收集好的甘蔗全部平稳倾卸，不造成甘蔗杂乱堆砌和大量损伤；

3）双侧均能倾卸甘蔗；

4）收集甘蔗的速度与收割机收割甘蔗的速度相匹配，满足实际生产需要；

5）卸出甘蔗时不需要收割机暂时停止收割作业。

2.2 建立集堆机构的模型

根据上述甘蔗集堆机构的功能要求，设计出一种新型甘蔗集堆机构，如图1所示。

图1 甘蔗集堆机构模型Fig.1 Model of Stalk collector

该机构主要构件为刮板、底板、传动轴、链轮、链条。图2是集堆机构的主视图。

该甘蔗集堆机构固定在收割机后部，其最高处（刮板顶端）比输送装置出口的最低处要低300～500 mm。其在甘蔗收割机上的安装位置如图3所示。

甘蔗集堆机构卸载过程如下：

图2 集堆机构主视图Fig.2 Main view of stalk collector

1）剥叶后的甘蔗从输送通道中带一定的初速度飞出，在重力作用下落在集堆机构的底板上；

2）每两块刮板与底板形成一个长槽状的空间，甘蔗在此空间内形成集堆。在刮板的导向作用下，大部分甘蔗纵向落入长槽中，少数由于甘蔗之间的相互作用成不规则分布；

3）刮板在链条的带动下不间断地回转，相当于长槽沿链条轨迹不间断地做回转运动。长槽内的甘蔗堆在刮板的带动下也随之移动，当甘蔗堆移动至底板两侧边缘时，甘蔗离开底板，在重力的作用下滑落至滑板上（滑板固定在收割机的纵梁上，与水平方向成45°向下倾斜）；

4）滑板的引导作用使甘蔗顺利滑落至地面，避免卸载过程中甘蔗相互影响导致卸载不顺畅、卸载后摆放杂乱等问题；

5）刮板可根据甘蔗需要卸载的方向顺时针或逆时针回转。

2.3 集堆机构的结构参数

甘蔗收割机的作业效率与集堆机构收集、卸载甘蔗的效率密切相关。本文设计的集堆机构，最大的特点在于能无间断地把收集到的甘蔗卸载至地面上，卸载时收割机无需暂停作业，同时也实现了集堆、卸蔗两个作业阶段的无缝连接，提高了收割机的作业效率。

为了作业过程的顺利进行，设计集堆机构时重点考虑了如何使甘蔗在集堆机构上达到良好的铺放效果。根据甘蔗从剥叶通道中出来后的运动轨迹，可知大多数甘蔗的运动范围，以此确定集堆机构的主要尺寸：底板长、宽；刮板长、高；传动轴长度及两轴间距；两侧挡板的长、宽、高。

图3 集堆机构在整秆式甘蔗收割机上的安装Fig.3 Position of stalk collector on sugarcane harvester

2.3.1 刮板的结构参数

刮板在甘蔗集堆和卸载的过程中均发挥作用，是本集堆机构的一个重要部件。每组刮板由两块矩形钢板相互垂直焊接而成，其中底部的钢板为竖直的钢板提供支撑，竖直的钢板起两个作用，一是集堆，二是甘蔗卸载时为蔗堆提供动力。钢板两端面辅以梯形状钢板，为刮板与链条的连接提供装配位置。

假设甘蔗集堆时均沿集堆机构前后方向纵向铺放。为了保证甘蔗收割机的效率，集堆机构应尽可能多地收集甘蔗，但甘蔗集堆过多会导致甘蔗卸载不顺畅，影响集堆机构的效率。因此铺放时应把甘蔗重叠数控制在2～3层，如图4所示。

图4 甘蔗在集堆机构上集堆局部图Fig.4 Stack of sugarcane on stalk collector

根据对台糖F66甘蔗的测量数据：

甘蔗蔗茎平均长度2 600 mm、甘蔗蔗茎平均直径30 mm。确定2块矩形钢板尺寸为长2 090 mm、厚6 mm，其中竖直钢板的高度84 mm，如图5所示。

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

2.3.2 底板的结构参数

底板应为甘蔗的铺放和集堆留有足够的空间。底板的尺寸很大程度上决定了集堆机构的整体尺寸，因此在满足集堆效率的前提下应采用相对紧凑的设计。根据与刮板与底板的装配关系，底板总长为2 083 mm，总宽1 322 mm。为便于甘蔗卸载，底板两侧边缘处设计成1/4圆弧状，圆弧半径108 mm，如图6所示。

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

2.3.3 传动轴与链轮的结构参数

传动轴既是刮板回转运动的传动部件，又是集堆机构安装在甘蔗收割机底盘上的支承部件。传动轴工作时转速不高，但卸载甘蔗时蔗堆较多，刮板负载较大，因此传动轴应具有足够的硬度、弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限，如图7所示。

2.3.4 挡板与滑板

甘蔗从剥叶通道出来后具有一定的初速度，部分甘蔗向后被抛至集堆机构以外的范围，少数甘蔗会向集堆机构的两侧窜出。为保证甘蔗从剥叶通道出来后全部落到集堆机构上，在集堆机构后方与两侧分别布置挡板，如图8所示。挡板用钢板剪裁而成，作用是限制甘蔗的运动范围，使绝大多数甘蔗落在集堆机构上。其中后挡板直接固定在收割机底盘纵梁上，两侧挡板通过轴承座与立柱实现轴承连接，可绕轴承座旋转一定的角度。当收割机作业时，卸蔗一侧的挡板向外旋转一个角度，以不影响甘蔗卸载为准。

图7 传动轴与链轮组件Fig.7 Shaft and sprocket wheel

图8 整机三维示意图Fig.8 3D diagram of machine

滑板安装在收割机两侧纵梁上，位于集堆机构下方，与水平方向成45°向下倾斜。卸蔗过程中甘蔗离开集堆底板时落在滑板上，在滑板的导向作用下整齐地滑落至地面。

2.4 集堆机构驱动与控制方式

集堆机构的回转运动由液压马达提供动力，经减速器减速后带动一侧转轴转动，通过链条带动另一侧转轴同步转动。作业过程中可通过液压油路中的换向阀实现顺时针、逆时针回转方向的切换。

3 整秆式甘蔗收割机集堆机构的试验

3.1 试验目的

本试验目的是通过甘蔗收割机实地作业，检验本文所设计的集堆机构能否达到设计要求，即顺利

收集剥叶后的甘蔗、把收集好的甘蔗全部平稳卸载、卸载的甘蔗整齐排放在地面上、双侧均能倾卸甘蔗、能较长时间工作、工作效率较高等。

3.2 试验设备

本试验采用的甘蔗收割机为HN 4GZL-132型整秆式甘蔗收割机样机，发动机功率132 kW，采用液压马达驱动集堆装置的刮板做回转运动，如图9所示。

图9 整秆式甘蔗收割机田间作业情况Fig.9 Operation of sugarcane harvester

3.3 试验对象

实验对象为本课题组设计的一种新型整秆式甘蔗收割机集堆机构，见图10。

图10 集堆机构Fig.10 Stalk collecter

3.4 试验材料

本试验在湛江农垦田间进行，甘蔗品种为台糖F66，甘蔗倒伏严重，如图11所示。

图11 台糖F66甘蔗Fig.11 Taisugar F66

图12 工作中的甘蔗集堆机构Fig.12 Operation of stalk collecter

3.5 试验结果

图12为整秆式甘蔗收割机集堆机构进行田间试验的现场。

试验选取向甘蔗收割机前进方向的右侧倾卸甘蔗。在试验过程中，剥叶后的甘蔗从剥叶通道被抛出，大部分直接落在集堆机构上，少数抛出速度较高或向左侧抛出的甘蔗分别被后挡板和左侧挡板挡住后仍落在集堆机构上。集堆刮板的导向作用使甘蔗纵向排列，在刮板间的长槽中形成集堆。刮板连续回转，长槽中的蔗堆被刮板推至集堆底板两侧边缘，在重力作用下滑落至地面。滑板在甘蔗滑落过程中起到导向作用，使甘蔗落地后与收割机保持一定距离，避免被压坏。

收割机田间收割作业表明，本文设计的集堆机

构可实现甘蔗集堆、倾卸过程的无缝连接，把收集好的甘蔗平稳、整齐地倾卸到地面上，满足预想的设计要求。

4 结论与讨论

本文设计的整秆式甘蔗收割机集堆机构实现了双向连续回转，甘蔗集堆与倾卸过程无缝连接且配合良好，倾卸甘蔗时不需要暂停收割作业，从而使得收割机作业过程流畅，提高了收割机的连续作业时长和作业效率。

下一步将重点研究该集堆机构作业参数对集堆效果的影响。

[1]吕焕培，梁式，张正中，等.一种新型集蔗器的结构设计及其有限元分析[J].农机化研究，2010（4）：60-64.

[2]赖晓.小型甘蔗收获机剥叶与集蔗机构虚拟仿真分析及试验研究[D].南宁：广西大学，2008.

[3]麻芳兰，刘海，杨冰心，等.整秆式甘蔗收获机集蔗机构的设计与仿真[J].农机化研究，2013（1）：94-97.

[4]蒲明辉，刘玉婷，刘先杰，等.小型甘蔗收获机集蔗机构的设计与仿真[J].农机化研究，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

公益性行业科研专项“甘蔗全程机械化生产技术与装备开发（201003009）”，国家甘蔗产业技术体系（CARS-20-4-1）资助

陈连飞（1981-），男，广东省农业机械试验鉴定站，工程师，硕士。

※通讯作者：刘庆庭（1967-），男，华南农业大学农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，教授，博士。