刀盘内倾式甘蔗切根装置设计与试验

刘芳建，刘立晶，郭家文，刘赟东，狄明利

(1.中国农业机械化科学研究院，北京100083； 2.农业生产机械装备国家工程实验室，北京100083；3.云南省农业科学院甘蔗研究所，云南 开远661600)

0 引言

切段式甘蔗收获机主要工序包括切梢、切根、输送、切段、排杂和升运等，其中切根工序作业质量直接影响到宿根破头率，也决定了蔗料中土壤杂质的含量。同时，由于甘蔗的密植和茎秆特性，切根工序也是耗能较大的工序之一[1-10]。根据长期实践及试验研究发现，甘蔗入土切割的入土深度为5～10 cm时，能显著降低宿根破头率，提高收获质量[9，11-13]。

目前，国内外主流切段式甘蔗收获机切根工序普遍采用双圆盘切根装置，其结构如图1所示。左右刀盘刀尖回转半径设计有交错深度，保证不漏割，传动装置保持左右刀盘联动，防止碰刀，两刀盘转向相反、转速相同，甘蔗由两刀盘中部喂入，切根后在刀盘带动下喂入至后部工序。该种装置具有结构简单、工作可靠的特点，在调整刀盘入土切根时，当工作参数与整机匹配后，可获得较好的破头率[14-21]。

图1 龙门式结构切根装置Fig.1 Gantry type base cutter

但该装置两刀盘处于同一平面，工作时整个装置依靠悬挂装置实现刀盘前倾入土切割，导致刀片最大入土深度位置位于刀盘正前方，与两刀盘中部切根位置即甘蔗生长行位置不重合。因此，在切根位置满足入土切根深度时，刀片最大入土深度已超过要求入土切割深度，会导致装置功耗大大增加，且随甘蔗喂入的杂土含量上升，此外，刀片磨损也会加快，降低刀片使用寿命。因此，开展改善切根刀盘含杂率和入土深度的相关理论与试验研究非常必要。

朱季华[22]发明了一种切根刀盘，刀盘本体为大角度的圆锥体，在刀盘外缘均布连接有内低外高的锥面刀座，刀片需靠锥形定位柱与刀座连接，该种刀盘解决了现有刀盘存在的蔗蔸切口与地面距离过大的问题。华南农业大学刘庆庭等[23]设计了一种具有漏土功能的甘蔗收割机根部切割器，其特点是刀盘中间均等镂空4个扇形槽，作业时通过4个扇形槽镂空处漏下甘蔗上带的泥土，减少切割时的甘蔗泥土带入量，进而提高出糖品质。简真等[24]设计了一种地面高度检测装置，配合检测装置进行了切割刀盘的仿地形自动升降测试，刀盘高度自动调节系统误差为9 mm，能够满足生产使用的精度要求。邹展曦等[25]设计了一种刀盘高度浮动控制系统，能够实现切割刀盘高度随地形变化，刀尖轨迹曲线与地面的轨迹曲线相同。

以上设计与研究，从刀盘整体入土深度调节方面考虑，着重于维持刀盘的切根质量，或提高了刀盘排土性能，降低收获含杂率。但都没有改变刀盘最大入土位置与切根位置不重合的问题，存在着功耗损失或含杂率上升的问题。

针对上述问题，本研究提出了内倾式切根刀盘，通过改进割台传动部件，实现刀盘内倾且内倾角度可调，通过试验检验刀盘内倾角对含杂率与功耗的影响，并优化作业参数，提升切根装置作业性能。

1 刀盘内倾式切根装置原理

1.1 入土深度差、刀盘半径和前倾角

现有切根装置普遍采用龙门式结构，原理如图1所示。两刀盘通过刀盘轴固定于上部箱体，箱体除了起支撑作用外，还内置传动齿轮，保证两刀盘转速同步。箱体以下至刀盘的空间为甘蔗喂入的通道。作业时，装置整体随液压油缸升降，实现切割高度调整。装置整体前倾，刀盘入土切割存在一个前倾角α，刀片最大入土深度位置位于刀盘正前方，如图2所示。

图2 刀盘切割前倾示意Fig.2 Working condition of base cutter

机组前进时，甘蔗行从两刀盘中间喂入，因此刀片切割位置位于刀盘内侧靠前部，与最大入土的前部不重合。根据入土切割甘蔗要求，若要保证切割位置的入土深度，则刀片的最大入土位置即正前部的入土深度远大于切割位置。两位置的入土深度差d可用式(1)表示。

(1)

式中R——刀盘半径(刀尖回转半径)

α——装置前倾角

S——两刀盘轨迹交错深度

两刀盘轨迹交错深度S如图3所示。

图3 现有刀盘与内倾式刀盘轨迹线Fig.3 Trajectory of cutter of two types

由式(1)可以看出，两位置入土深度差分别跟刀盘前倾角α和刀盘半径R成正相关，二者越大，则入土深度差越大。该部分作用不参与切割，仅作用于土壤，因而引起功耗徒增，且旋切后的土壤，随刀盘高速抛至后方，同甘蔗一起喂入输送通道，会引起蔗料的含杂率上升。此外，较大的入土量会加速刀片磨损，降低了刀片使用寿命。

1.2 内倾角

若使刀盘在前倾的基础上有一定的内倾角，则最大入土位置由刀盘正前方向内侧偏移，靠近甘蔗切割位置。通过结构参数计算可推导出，当两位置重合时，内倾角β符合式(2)。

(2)

式中β——刀具内倾角

d——甘蔗偏离刀盘中心线距离

由式(2)可以看出，刀具内倾角β跟刀盘前倾角α和刀盘半径R成正相关，二者越大，则就需要越大的内倾角β，使得最大入土位置与切根位置重合。

2 刀盘内倾式切根装置设计

2.1 结构原理

刀盘实现内倾且角度可调，则应考虑两刀盘传动及运动干涉。采用刀盘及刀盘传动箱体固定铰接于割台支架上，角度调节机构位于刀盘传动箱体的布局方式。根据原切根装置，对其传动系统进行改进，装置机构如图4所示。

1.上部传动箱(马达端) 2.中间箱体 3.上传动轴 4.上部传动箱 5.侧壁 6.切根刀盘 7.传动箱转轴 8.刀盘传动箱9.调节丝杠 10.万向传动轴 11.液压马达图4 刀盘内倾式切根装置Fig.4 Base cutter with inward-leaning angle

如图4可以看出，两切根刀盘与刀盘传动箱作为整体，通过转轴铰接于机架左右侧壁上，刀盘传动箱体外端轴端与万向传动轴下端通过花键连接，万向传动轴上端与上部传动箱通过花键连接，实现动力传递。在上部传动箱内部，有一对锥齿轮啮合，可改变传动方向。在中间箱体内部，装有上传动轴，上传动轴两端分别与上部传动箱和侧面轴端通过花键套连接，实现动力传递。在上部传动箱中，有一个外侧面留设动力输入接口，与液压马达轴端通过花键固定连接。万向传动轴可轴向伸缩，以抵消刀盘传动箱的转动引起的轴端位[26]。

2.2 内倾角调节

刀盘传动箱一端铰接于侧壁并可绕传动箱转轴转动，另一端铰接于调节丝杠下端，调节丝杠另一端铰接于侧壁，通过缩短调节丝杠的长度，拉动刀盘传动箱外端上移，从而使刀盘传动箱绕传动箱转轴转动，刀盘传动箱的转动带动切根刀盘整体转动，产生内倾角。

改进原前置切段式割台，刀盘半径458 mm，刀盘轨迹交错深度146 mm，入土前倾角约15°。根据入土深度差公式可得，刀盘内倾后，可使刀盘入土深度减少54.6 mm，由此可见，刀盘内倾对减少不必要刀盘入土，从而减少功耗和刀片磨损有显著作用。

由内倾角推导公式可知，当d=0时，内倾角β≈22.73°，此时β为最大值；当d=50 mm时，β≈16.15°；若收获宽窄行种植时，按窄行行距400 mm计算，β≈6.84°。因此，装置内倾角β值设计取值为0～23°，相应丝杠调节长度为377～438 mm。

3 性能试验与优化

3.1 试验设备

将设计的切根装置挂接在中国农业机械化科学研究院开发的4GL260型切段式甘蔗收获机上，进行性能试验。装备为履带式全静液压工作方式，采用全电控化操控，可方便性能试验参数调节与数据保存。

在割台试制中，应在侧壁减速箱体上预留霍尔式转速传感器安装口，刀盘转速控制通过调节柱塞泵电控比例阀输入信号来实现，传感器信号均输送至整机控制器，整机电控系统设有该部分数据显示和存储功能。

图5 转速传感器Fig.5 Rotating speed sensor

3.2 试验设计

以刀盘转速n、刀盘内倾角β为影响因素，以破头率和含杂率为指标开展试验。转速的取值范围根据之前割台作业参数确定，内倾角的取值范围由前文公式确定。采用二次回归正交试验，参考JB/T 6275—2007《甘蔗收获机械 试验方法》中相关规定，进行整机作业试验。试验因素p=2，选取中心点重复次数m0=8，查表得γ=1.414，从而确定因素编码，如表1所示[27-29]。

表1 试验因素编码

试验于2019/2020榨季在云南省西双版纳州进行，试验地块选取地势平坦、土壤条件和甘蔗长势较为一致的蔗区。每组试验测定区长度为30 m。

3.3 试验结果

试验结果如表2所示。根据所得试验数据，使用计算软件进行分析，得到各指标随两因素变化关系的二次回归方程模型。

表2 试验结果

3.3.1破头率回归分析

破头率随各因素变化的二次回归方程如式(3)所示。

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

(3)

剔除模型不显著项，转化得到以试验因素实际量表示的回归方程如式(4)所示。

y1=2.85+0.09n-0.12β-1×10-4n2

(4)

3.3.2含杂率回归分析

含杂率随各因素变化的二次回归方程如式(5)所示。

y2=6.11-0.02x1-0.17x2

(5)

剔除模型不显著项，转化得到以试验因素实际量表示的回归方程如式(6)所示。

y2=16.75-1.33β-0.3n

+0.04β2+0.005n2

(6)

3.3.3破头率响应面分析

破头率响应曲面和等高线如图6所示。破头率最小值在n=250 r/min、β=20.6°时取得，回归方程在图示定义区内并未取得极小值点。破头率最大值在n=350 r/min、β=9.4°时取得。分析可知，内倾角的存在，改变了刀片切割蔗茎的角度，且使得刀片最大入土深度减小，减小了刀盘的振动，从而使得原刀盘最佳转速区间减小。过大的内倾角使得刀片最大入土位置与切根位置偏离，且减小了两刀盘重合作用区域，使得破头率上升。

图6 两因素对破头率的影响Fig.6 Influence of two factors on broken head rate

3.3.4含杂率响应面分析

含杂率响应曲面和等高线如图7所示。含杂率最小值在n=300 r/min、β=15°时取得，回归方程在图示定义区内并未取得极大值点。分析可知，含杂率与转速有较强的正相关性，转速越高，切根时杂土受惯性影响越大，含杂率随之升高，但随着转速降低至一定范围，含杂率下降趋于平缓；当取合适的内倾角时，土壤扰动最小，随之喂入的杂土也较少，但内倾角过大时，刀盘抛土方向与甘蔗喂入方向重合，造成含杂率有上升趋势。

图7 两因素对含杂率的影响Fig.7 Influence of two factors on impurity content

3.3.5参数优化

采用多目标优化方法，以破头率、含杂率的回归方程作为响应变量函数，确定因子变量和响应约束条件进行模型优化，得到满足响应变量范围的因素优化参数组合为(-0.62，0.25)，即n=269 r/min，β=16.4°，此时理论响应值为(9.45%，6.61%)，验证结果为(9.66%，6.88%)，表明回归方程与实际情况符合较好。通过与无倾角刀盘对比试验可得出，破头率保持基本相同的情况下，含杂率可降低约10.6%。

4 结论

(1)针对现有甘蔗收获机切根装置存在刀盘最大入土位置与切根位置不重合的问题，提出了一种刀盘可内倾且内倾角可调的切根装置，通过调整刀盘内倾角，可使刀片最大入土位置尽量贴近甘蔗行位置，减小了刀片入土量，尤其适用于大直径刀盘。

(2)以刀盘转速和刀盘内倾角为影响因素，以破头率、含杂率为指标开展试验，分析了各因素对试验指标的影响规律，结果显示，转速和内倾角均对含杂率影响显著，转速对破头率影响显著。

(3)应用回归分析优化，得到最佳工作参数为刀盘转速269 r/min、刀盘内倾角16.4°；在该参数组合下期望结果为破头率9.45%、含杂率6.61%，该参数组合下的验证性试验结果为破头率9.66%、含杂率6.88%。

(4)对比试验结果表明，在维持破头率基本不变的前提下，内倾式刀盘与原刀盘相比含杂率降低10.6%。