甘蔗收获机切割力影响因素试验

蔡力　付钰　乐欣荣　陈金鑫　钟家勤

摘要    我国甘蔗多种植在丘陵地带，地势崎岖变化大，整秆式甘蔗收获机无法依据地势实时有效控制切割器入土切割深度，导致甘蔗收获机在工作过程中存在过切或者切深不足以致收割损失的现象。本文结合前期研究，利用切割试验平台，通过单因素试验研究甘蔗簇株密度、切割器入土切割深度、土壤剪切强度、土壤硬度对切割力大小的影响程度和规律。结果表明，簇株密度、入土切割深度、土壤剪切强度、土壤硬度对切割力的影响特别明显，对切割力影响的主次因素依次是入土切割深度、簇株密度、土壤剪切强度、土壤硬度。

关键词    甘蔗收获机;切割力;影响因素

中图分类号    S225.5+3        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）16-0124-01

甘蔗是我国农业经济作物之一，是重要的制糖原材料[1-2]。提高甘蔗收获全程机械化以及收获效率，对甘蔗产业发展具有重要意义。长期以来，我国甘蔗收获仍依赖人工收获，导致收获效率低、人工成本居高不下，嚴重制约了我国制糖工业的发展。目前，国内引进的国外大型收获机械，收获效率高，但是只适合平坦的路面。由于我国甘蔗多种植在丘陵地区，因而这些机械并不符合我国国情，而一款适应丘陵地区的小型甘蔗收获机受到了广大农户的青睐。但是整秆式甘蔗收获机存在着较高的切割压力损失以及较高的破头率，一直制约着甘蔗收获机的发展。前课题组王增[3]通过试验研究发现，切割器入土切割能有效降低破头率，提高甘蔗来年继续生长率。因此，设计一款能够自动适应复杂地形的入土切割深度控制的收获机显得尤为重要。

针对切割器入土切割，国内外学者做了大量的研讨。杨  望等[4]采用田间试验方法针对国外凯斯A8000收割机进行了切割质量影响试验研究，发现采用小深度的入土切割利于降低甘蔗破头率。周建阳等[5]利用自主研发的甘蔗收获机进行田间试验发现，入土切割比不入土切割质量好60%。通过有限元仿真分析[6]发现，入土切割加速度越大切割阻力也越大。这些研究均为甘蔗收获机入土切割深度自动系统的开发奠定了基础。

本文利用前期开发的甘蔗收获机试验平台，经过单因素试验探究入土深度、甘蔗簇株密度、土壤剪切强度、土壤硬度对切割力大小的影响程度，探究各个因素对切割力影响的规律，以期为后续入土切深自动控制系统的开发提供数据支持。

1    材料与方法

1.1    试验材料

甘蔗收获机切割力影响试验研究主要是在课题组自主研发的甘蔗收获机切割试验平台上进行的。切割试验平台主要由高刚性切割器、喂入辊、输送辊、土槽装置、甘蔗夹持器、甘蔗输送带等组成。试验平台可以控制多个试验因素，利用切割器液压系统调节切割转速和刀盘切割倾角[4];通过甘蔗夹持器控制一次输送数量;通过电机转速控制甘蔗输送带的输送速度;土槽装置可以模拟不通的土壤剪切强度以及土壤硬度。

试验其他设备有土壤硬度计、土壤采样环刀、CT涡轮流量传感器、LERO智能测试仪和笔记本。

使用的甘蔗是没有进行处理的带有蔗叶的新鲜甘蔗，甘蔗品种是新台糖22号，甘蔗大小形状基本一致。

1.2    试验方法

试验研讨甘蔗簇株密度、切割器入土切割深度、土壤剪切强度以及土壤硬度对切割力大小的影响程度，从而找到各个因素对切割力的影响规律。为了尽可能减少其余因素对试验的影响，统一设定切割器转速为750 r/min、甘蔗输送速度为0.4 m/s。单因素试验进行4次，一共进行48次试验。

1.2.1    甘蔗簇株密度单因素试验。簇株密度设置为3、4、5根/簇，采用晴天天气土壤环境。

1.2.2    切割深度单因素试验。设置切割深度为0、20、40 mm，一次切割甘蔗3根/簇。

1.2.3    土壤剪切强度单因素试验。对应3种不同天气状况下的土壤剪切强度，设置水平为79、73、44 kPa，土壤硬度复现成晴天天气环境，一次切割甘蔗3根/簇。

1.2.4    土壤硬度单因素试验。对应3种不同天气状况下的土壤硬度，设置为6.4、3.8、2.3 kg/cm2，土壤剪切强度复现为晴天天气环境，一次切割甘蔗3根/簇[5-6]。

2    结果与分析

如表1～4所示，根据试验方法，在显著性水平α=0.01的情况下，对结果进行有重复的单因素方差分析，F0.01（2，9）=8.02。综合分析可知，簇株密度、入土切割深度、土壤剪切强度、土壤硬度对切割力的影响特别明显。各个因素中，对切割力影响最大的因素是入土切割深度，其余依次是簇株密度、土壤剪切强度、土壤硬度。

3    结论与讨论

通过查阅资料以及前期相关研究找到了影响切割力的因素，确定了试验研究水平范围。经过单因素试验研究，发现簇株密度、入土切割深度、土壤剪切强度、土壤硬度对切割力的影响特别显著。在影响切割力大小的因素中，对切割力影响的主次因素依次是入土切割深度、簇株密度、土壤剪切强度、土壤硬度。

4    参考文献

[1] 张长献，鲁华.广西甘蔗机械化收获现状及建议[J].农业工程，2019，9（4）：5-9.

[2] 朱卫江.我国甘蔗机械化收获现状与发展路径选择[J].农机质量与监督，2019（10）：30-32.

[3] 王增.甘蔗收获机入土切割控制的机理研究与设计仿真[D].南宁：广西大学，2014.

[4] 杨望，王二朋，杨坚，等.凯斯A8000甘蔗联合收割机切割质量影响因素的试验[J].农机化研究，2017，39（5）：192-196.

[5] 周建阳，李尚平，潘宇晨，等.入土切割对砍蔗质量影响的研究[J].中国农机化学报，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.

基金项目   钦州学院高层次人才科研启动项目（2018KYQD45）。

作者简介   蔡力（1990-），男，湖北武汉人，硕士。研究方向：智能设计、CAD/CAE/CAM、虚拟样机技术等。

收稿日期   2020-05-05