甜菜切頂機的設(shè)計與試驗研究

何磊，劉向新，李斌，胡斌，李陽

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆 石河子　832000；2.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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甜菜切頂機的設(shè)計與試驗研究

何磊1，劉向新1，李斌1，胡斌2，李陽2

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆 石河子832000；2.石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：【目的】 針對甜菜分段收獲過程中切頂作業(yè)切削損失大、效率低、效果不理想等問題，設(shè)計一種集切纓、仿形、切頂為一體的甜菜切頂機.【方法】 運用CAD軟件設(shè)計整機結(jié)構(gòu)及主要工作部件；采用L16(43)正交試驗設(shè)計，對影響機具切頂性能的因素進行分析，確定最優(yōu)參數(shù)組合，并進行田間試驗驗證.【結(jié)果】 彈簧預(yù)緊力對切頂合格率、少切率和多切率的影響極為顯著；作業(yè)速度對切頂合格率影響較為顯著，對少切率和多切率影響不大；滾筒轉(zhuǎn)速對切頂合格率、少切率和多切率的影響最小.各因素對切頂性能影響程度依次為：彈簧預(yù)緊力>作業(yè)速度>滾筒轉(zhuǎn)速.【結(jié)論】 當(dāng)彈簧預(yù)緊力為250 N，作業(yè)速度為5 km/h，滾筒轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時，機具作業(yè)性能最佳，切頂合格率達到85%，少切率為5.8%，多切率為9.2%，能夠滿足生產(chǎn)要求.

關(guān)鍵詞：甜菜；切頂機；CAD

甜菜是我國第二大糖料作物，不僅是制糖工業(yè)的主要原料，而且其莖葉和糖渣是家畜的優(yōu)良飼料[1-3].甜菜收獲機械是甜菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，但國內(nèi)甜菜的收獲方式還是以人工為主，用工量大、成本高、效率低，收獲機械化水平低，嚴重制約了甜菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.國外甜菜收獲采用聯(lián)合作業(yè)，其機具的購買和維修成本較高，未能推廣使用.我國現(xiàn)階段甜菜收獲都采用分段式收獲，包括打纓、切頂、挖掘、輸送等環(huán)節(jié)，工序長且復(fù)雜[4-6].目前的甜菜收獲機普遍采用切平頂?shù)姆椒ㄈコ^部分，但是對大小不一的甜菜不能實現(xiàn)準確切頂，造成切削損失大、作業(yè)效果差等問題.針對上述問題，本試驗設(shè)計了一種集切纓、仿形、切頂為一體作業(yè)的甜菜切頂機，能夠適應(yīng)我國甜菜的種植模式，滿足切頂農(nóng)藝要求，為甜菜機械化收獲過程中提高切頂質(zhì)量提供參考和科學(xué)依據(jù).

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

結(jié)合甜菜的種植模式、株行距、壟作高度、頂部物理特征、力學(xué)特性[7-8]等參數(shù)設(shè)計了一種集切纓、仿形、切頂一體作業(yè)的甜菜切頂機.主要由三點懸掛架、變速箱、主機架、中間軸、仿形機架、液壓彈簧減震器、鋸齒仿形滾筒、地面仿形裝置等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示.

1.三點懸掛架；2.變速箱；3.主機架；4.中間軸；5.仿形機架；6.液壓彈簧減震器；7.鋸齒仿形滾筒；8.地面仿形裝置.圖1　甜菜切頂機結(jié)構(gòu)Fig.1　The structure of beet top cutting machine

參數(shù)數(shù)值外形尺寸(長×寬×高)/mm1420×2354×1310工作幅寬/mm2354整機質(zhì)量/kg114掛接方式懸掛配套動力/kW33.1作業(yè)速度/(km·h-1)4～7可靠性/%≥95

1.2工作原理

甜菜切頂機與拖拉機通過三點懸掛架連接，拖拉機輸出動力通過變速箱傳遞給由套筒、調(diào)心軸承固定于主機架上的中間軸，再通過帶傳動驅(qū)動鋸齒仿形滾筒高速旋轉(zhuǎn).仿形機架后端設(shè)有地面仿形裝置，可根據(jù)甜菜種植模式和生長狀況調(diào)節(jié)整機作業(yè)高度，實現(xiàn)鋸齒仿形滾筒及整機的地面仿形，當(dāng)遇到小石塊、土塊等障礙物時起到保護切刀的作用.安裝于主機架上的液壓彈簧減震器，可通過調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力控制甜菜頂端切削量，同時可起到緩沖減震作用，避免鋸齒仿形滾筒上下起伏過大，造成機具震動損傷.機具隨機車前進時，鋸齒仿形滾筒表面的鋸齒緊貼甜菜頂部并切入一定深度，滾筒上的切刀將甜菜頂部的青苔和莖葉迅速切除，實現(xiàn)仿形與切頂一體化作業(yè).

2主要工作部件設(shè)計

2.1鋸齒仿形滾筒的設(shè)計

鋸齒仿形滾筒是甜菜切頂機的關(guān)鍵工作部件，主要由5個仿形輥、連接在仿形輥之間的切刀、旋轉(zhuǎn)軸套筒組成.為了增加仿形可靠性，仿形輥的圓周外圓做成鋸齒形.鋸齒的輪廓應(yīng)為圓滑曲線，是較大圓半徑的漸開線齒廓，以防止工作時掛草.5個仿形輥組成一個完整的仿形滾筒，安裝于同一軸上，仿形滾筒的寬度及仿形輥之間的間隙主要由甜菜塊根的大小、塊根相對中心線的偏離程度及工作時仿形滾筒的對行偏差來決定[9-10].仿形輥之間的間隙兩邊較寬，中間略窄，結(jié)構(gòu)如圖2所示.各鋸齒仿形滾筒間的距離可根據(jù)甜菜的種植行距調(diào)節(jié).

1.仿形輥；2.切刀；3.旋轉(zhuǎn)軸套筒.圖2　鋸齒仿形滾筒Fig.2　The structure of sawtooth shape cutting roller

2.2液壓彈簧減震器的設(shè)計

液壓彈簧減震器是甜菜切頂機的核心部件，由預(yù)緊力調(diào)節(jié)器、壓縮彈簧、活塞桿和液壓油缸組成，液壓油缸內(nèi)加注液壓油.機具工作時，在液壓減震器壓縮彈簧的預(yù)緊力和仿形滾筒的重力作用下，鋸齒仿形滾筒緊貼甜菜頂部，通過高速旋轉(zhuǎn)的切刀將頂部切除.液壓減震器可使鋸齒仿形滾筒始終與高矮不一的甜菜頂部緊密接觸，保證切削量一致，起到較好的仿形作用，從而減少漏切和少切，提高作業(yè)效率.其活塞桿和液壓缸可對彈簧伸縮起到一定緩沖作用，避免彈簧過度壓縮引起疲勞損壞.通過預(yù)緊力調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)壓縮彈簧的預(yù)緊力來調(diào)節(jié)鋸齒仿形滾筒與甜菜頂部的接觸高度，進而控制切削量.其結(jié)構(gòu)如圖3所示.

1.預(yù)緊力調(diào)節(jié)器；2.壓縮彈簧；3.活塞桿；4.液壓油缸.圖3　液壓彈簧減震器Fig.3　Hydraulic spring shock absorbers

2.3地面仿形裝置的設(shè)計

地面仿形裝置主要由預(yù)緊螺母、壓縮彈簧、支桿、弧形仿形板等組成.機具作業(yè)時，弧形仿形板通過壓縮彈簧作用力貼合地面前行，實現(xiàn)整機地面仿形.當(dāng)遇到小石塊、土塊等障礙物時，依靠弧形仿形板前端的弧度滑過障礙物，提高了機具的田間通過性，從而達到較好的切頂作業(yè)效果.同時還可起到降低機械振動、保護切頂機的作用.根據(jù)甜菜生長情況、地面狀況，通過調(diào)節(jié)彈簧預(yù)緊力調(diào)節(jié)整機作業(yè)高度(圖4).

1：預(yù)緊螺母；2：壓縮彈簧；3：支桿；4：弧形仿形板.圖4　地面仿形裝置Fig.4　The structure of ground copying device

3試驗設(shè)計

3.1試驗條件

試驗地種植甜菜品種為‘KWS6138’，種植模式：一膜兩行、膜寬90 cm、株距18 cm、50 cm等行距.甜菜均處于收獲期，莖葉茂盛，生長狀況良好.選用約翰迪爾454輪式拖拉機，配套動力為33.1 kW.

3.2試驗因素與水平

為了確定影響切頂性能切頂合格率、少切率、多切率的各個因素及各因素對試驗指標影響的主次關(guān)系，對切頂機進行正交試驗，根據(jù)理論分析以及結(jié)合生產(chǎn)實際可知，影響切頂性能的主要因素有彈簧減震器預(yù)緊力A、機具作業(yè)速度B、鋸齒仿形滾筒轉(zhuǎn)速C.

正交試驗設(shè)計是一種研究多因素多水平的設(shè)計方法，它能夠根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的試驗設(shè)計方法[11-13].對切頂后的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，計算甜菜的切頂合格率、少切率、多切率.綜合各因素考慮，本次試驗選擇三因素四水平的正交試驗，不考慮交互作用的影響選用L16(43)正交表進行統(tǒng)計，試驗因素水平如表2所示.

表2　因素水平表

3.3試驗指標

根據(jù)《中華人民共和國機械行業(yè)標準》JB/T 6276-2007甜菜收獲機械試驗方法[14]、《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準》NY/T 1412-2007甜菜收獲機作業(yè)質(zhì)量[15]以及《中華人民共和國國家標準》GB/T

10469-2002[16]糖料甜菜，甜菜的收割標準為:當(dāng)青苔垂直高度大于1.5 cm時，從第一片葉痕處(甜菜根頭第一對真葉的葉痕處)上1.5 cm至尾根直徑1 cm以上的部分；當(dāng)青苔高度小于1.5 cm時，從第一片葉痕上0.5 cm至尾根直徑1 cm以上的部分.滿足上述切頂條件的為切頂合格，通過根頭切削機構(gòu)后未切的根頭為漏切，甜菜根頭被切削后的斷面位置高于切頂位置為少切，甜菜根頭被切削后的斷面位置低于切頂位置為多切.

在試驗地隨機選取了16個取樣點，每個點選擇連續(xù)的100株甜菜進行切頂合格數(shù)、少切數(shù)、多切數(shù)的測定，相對應(yīng)的切頂合格率、少切率、多切率按公式(1)、(2)、(3)進行計算.

(1)

(2)

(3)

式中：Ya、Yb、Yc分別為切頂合格率、少切率、多切率；a、b、c分別為切頂合格、少切、多切的塊根數(shù)；n為每組試驗的塊根總數(shù).

4結(jié)果與分析

4.1試驗結(jié)果

正交試驗結(jié)果見表3.

表3　試驗結(jié)果

4.2極差分析

由表4可知，對甜菜切頂合格率影響最小的因素組合為A2B2C3，對少切率影響最小的因素組合為A1B2C3或 A1C3B2，對多切率影響最小的因素組合為A2B2C3，因為彈簧預(yù)緊力A1、A2對少切率的影響相差不大，綜合考慮三者的最優(yōu)組合為A2B2C3.

為了便于綜合分析各因素水平對試驗設(shè)定的相關(guān)指標的影響規(guī)律，應(yīng)用圖表法考察切頂性能指標彈簧預(yù)緊力、作業(yè)速度、滾筒轉(zhuǎn)速三因素四水平的變化情況，如圖5所示.隨著彈簧預(yù)緊力、作業(yè)速度和滾筒轉(zhuǎn)速的增大，切頂合格率先增大后減小，均有一個最優(yōu)值使切頂合格率能夠達到最高；對于少切率而言，隨著彈簧預(yù)緊力的增大，少切率也隨之增大，但隨作業(yè)速度和滾筒轉(zhuǎn)速的增大，少切率逐漸降低而后又增大；多切率隨著彈簧預(yù)緊力、作業(yè)速度、滾筒轉(zhuǎn)速的增大先減小后增大，都有一個最優(yōu)值使多切率最小.

4.3方差分析

由圖5和表5可知，彈簧預(yù)緊力對切頂合格率、少切率和多切率的影響極為顯著，第二水平為最優(yōu)水平；作業(yè)速度對切頂合格率影響較為顯著，對少切率和多切率影響不大，選擇第二水平為最優(yōu)水平；滾筒轉(zhuǎn)速對切頂性能指標的影響最小，選擇第三水平為最優(yōu)水平.

綜合上述分析可知，各因素對試驗結(jié)果的影響程度依次為A>B >C，即彈簧預(yù)緊力>作業(yè)速度>滾筒轉(zhuǎn)速，最優(yōu)組合為A2B2C3，即彈簧預(yù)緊力為250 N，作業(yè)速度為5 km/h，滾筒轉(zhuǎn)速為1 100 r/min.通過采用方案A2B2C3多次試驗，得到機具切頂合格率達到85%，少切率為5.8%，多切率為9.2%.

表4　極差分析

表5　切割性能方差分析

圖5　參數(shù)與性能指標的關(guān)系Fig.5　The relationship between parameters and performance indicators

5結(jié)論

針對甜菜分段收獲過程中切頂作業(yè)效率低、切削損失大、效果不理想等問題，設(shè)計了一種集切纓、仿形、切頂為一體的甜菜切頂機，并介紹了機具基本結(jié)構(gòu)、工作原理及主要技術(shù)參數(shù).通過試驗優(yōu)化設(shè)計分析，得到彈簧預(yù)緊力對切頂合格率、少切率和多切率的影響極為顯著；作業(yè)速度對切頂合格率影響較為顯著，對少切率和多切率影響不大；滾筒轉(zhuǎn)速對切頂合格率、少切率和多切率的影響最小.各因素對切頂性能影響程度依次為：A>B>C，即彈簧預(yù)緊力>作業(yè)速度>滾筒轉(zhuǎn)速.當(dāng)甜菜切頂機彈簧預(yù)緊力為250 N，作業(yè)速度為5 km/h，滾筒轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時，機具作業(yè)性能最佳，切頂合格率達到85%，少切率為5.8%，多切率為9.2%，能夠滿足生產(chǎn)要求.

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(責(zé)任編輯趙曉倩)

Design and experimental on beet top cutting machine

HE Lei1,LIU Xiang-xin1,LI Bin1,HU Bin2,LI Yang2

(1.Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi 832000,China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

Abstract：【Objective】 In order to solve large losses and low working efficiency in the beet segment harvest process,a set of cutting tassel,copying,cutting the top was designed for one of the beet top cutting machine.【Method】 Computer aided design software was used to design the overall structure and the main working components;the factors which affected on cutting top performance were analyzed,the optimal parameter combination were determined by L16(43) orthogonal design,and the field experiment was carried out to verify.【Result】 Spring preload had significantly effect on top cutting qualified rate,less cutting rate and multi cutting rate.Working speed significantly affected on top cutting qualified rate;however,little effect on less cutting rate and multi cutting rate.Roller speed had less effect on top cutting qualified rate,less cutting rate and multi cutting rate.The influence of factors on the performance of the top cutting were as spring preload > working speed > roller speed.【Conclusion】 When the spring preload was 250 N,working speed was 5 km/h,roller speed was 1 100 r/min,working performance of the machines the optimum,top cutting qualified rate reached 85%,less cutting rate was 5.8%,multi cutting rate was 9.2%,which could satisfy the production requirements.

Key words：beet；top cutting machine；CAD

通信作者：劉向新，男，副研究員，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計方面的研究.E-mail:nkynjslxx@163.com

基金項目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團2014年“兵團英才”人才培養(yǎng)工程資助項目.

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2016-01-13

中圖分類號：S225.7

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)02-0149-06

第一作者：何磊(1985-)，男，助理研究員，碩士，研究方向為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計及性能.E-mail:hl_sdjd@sohu.com