甘蔗收割機(jī)切刀入土切割壓力影響因素的試驗(yàn)分析

賴 曉，秦志文，張 彪，蔡 力

（1.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣西南寧530004；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

設(shè)計(jì)技術(shù)

甘蔗收割機(jī)切刀入土切割壓力影響因素的試驗(yàn)分析

賴 曉1，秦志文2，張 彪1，蔡 力1

（1.廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室，廣西南寧530004；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

甘蔗收割機(jī)的切割器不能根據(jù)地形變化作出高度的自動(dòng)調(diào)整，切割位置過高或過低都嚴(yán)重影響甘蔗收獲質(zhì)量和刀具的經(jīng)濟(jì)壽命。為了實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)械的入土切割深度自動(dòng)控制，首先需要了解甘蔗密度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度等因素對切割壓力的影響。通過以切割壓力為指標(biāo)，蔗株密度、刀盤切割深度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度為影響因素的正交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)甘蔗密度、刀盤入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度以及土壤剪切強(qiáng)度與土壤硬度交互作用對于入土切割壓力有顯著的影響。同時(shí)通過回歸分析，建立了切割負(fù)載壓力與各個(gè)因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，為研制入土切割自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究作了鋪墊。

甘蔗收割機(jī)；入土切割；切割壓力

廣西是中國制糖業(yè)的重要生產(chǎn)基地，研發(fā)出適合廣西丘陵地區(qū)的小型甘蔗收獲機(jī)械是具有現(xiàn)實(shí)的意義[1-4]。當(dāng)前甘蔗收獲過程中，由于甘蔗地面高度不一，而駕駛員憑經(jīng)驗(yàn)將切割器固定某個(gè)高度，因此在收割過程中存在著較高的收割損失以及宿根破頭率，這就影響了國民經(jīng)濟(jì)收入和來年甘蔗宿根的發(fā)芽率。所以設(shè)計(jì)制造相應(yīng)的入土切割深度自動(dòng)控制系統(tǒng)勢在必行。因此首先需要了解入土切割時(shí)影響切割器所受切割壓力的各個(gè)因素以及其變化規(guī)律。

本文通過正交試驗(yàn)分析甘蔗密度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度等因素對切割壓力的影響，為研制甘蔗收獲機(jī)自動(dòng)深度控制系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案

本次正交試驗(yàn)選取蔗株密度A、刀盤切割深度B、土壤剪切強(qiáng)度C、土壤硬度D四個(gè)因素，各個(gè)因素水平選取如表1所示。以切割器負(fù)載壓力和破頭率作為考察指標(biāo)，選取L27（313）正交表共進(jìn)行27次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)進(jìn)行2次采樣，取其平均值。

表1 正交試驗(yàn)水平選取

1.2 試驗(yàn)材料

由于本次試驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行，所以切割器入土切割時(shí)所接觸的土壤模型必須擬合出真實(shí)的蔗地土壤特性。用土壤硬度計(jì)，土壤剪切強(qiáng)度測定儀以及土壤含水率測定儀分別測定室內(nèi)土槽內(nèi)土壤的硬度、剪切強(qiáng)度、含水率以及土壤密度[5-8]（如圖1所示），通過調(diào)整含水量與壓緊程度不斷調(diào)整，讓其符合典型蔗地土壤特性，達(dá)到試驗(yàn)要求。

圖1 制備土壤的硬度測定

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)是在自主研發(fā)的切割實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行，如圖2所示。試驗(yàn)入土切割的土壤裝載在土槽里，土槽裝置如圖3所示。

圖2 切割試驗(yàn)平臺

圖3 土槽裝置

1.4 試驗(yàn)參數(shù)標(biāo)定

由于試驗(yàn)中切割器轉(zhuǎn)速及甘蔗的輸送速度需要調(diào)整到指定的數(shù)值，所以需要對兩者先進(jìn)行標(biāo)定。

1.4.1 切割器轉(zhuǎn)速的標(biāo)定

對切割器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整和測量，得到砍蔗刀盤的轉(zhuǎn)速標(biāo)定如表2所示。

表2 刀盤的轉(zhuǎn)速標(biāo)定

根據(jù)上表可以得到切割器的轉(zhuǎn)速標(biāo)定曲線如圖4所示。

圖4 切割器轉(zhuǎn)速標(biāo)定曲線

1.4.2 甘蔗輸送速度的標(biāo)定

甘蔗的輸送裝置中由變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過蝸桿蝸輪減速器，最后帶動(dòng)鏈輪，轉(zhuǎn)化成裝置的前進(jìn)速度，甘蔗輸送速度標(biāo)定的曲線如圖5所示。

圖5 甘蔗輸送速度標(biāo)定曲線

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所得結(jié)果及其直觀分析如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及直觀分析

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 因素對負(fù)載力的影響

從因素效應(yīng)曲線（圖6）中看出B的影響最大，其次是A因素，然后是C因素以及C與D的交互作用對指標(biāo)的影響較大。從直觀分析表中可以看出空列的極差值比較小，可以認(rèn)為是誤差引起的，以空列為誤差項(xiàng)進(jìn)行方差分析，得到方差分析表如表4所示。

圖6 因素效應(yīng)曲線

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

由以上的方差分析可以得出：

（1）因素A（甘蔗密度）、因素B（刀盤入土切割深度）、因素C（土壤剪切強(qiáng)度）以及因素CD（土壤剪切強(qiáng)度與土壤硬度交互作用）對于切割壓力有顯著的影響；

（2）根據(jù)以上的方差分析，A、B、C還有CD交互作用因素對切割負(fù)載壓力影響較大，選取的切割負(fù)載壓力最小的組合是A1B1C1D3，在正交試驗(yàn)結(jié)果中，看到此時(shí)的甘蔗宿根破頭率為50%，這是不能接受的。綜合破頭率與切割負(fù)載壓力指標(biāo)，在較低的破頭率下，得到較小的切割負(fù)載壓力，選取的較優(yōu)組合為A1B2C1D2.

3.2 各因素對破頭率的影響分析

以破頭率為指標(biāo)對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

由以上方差分析可以知道：

（1）因素A（甘蔗密度）、因素B（入土切割深度）、因素C（土壤剪切強(qiáng)度）對于破頭率有顯著的影響；

（2）根據(jù)方差分析表以及正交試驗(yàn)的結(jié)果，可以得出在以甘蔗宿根破頭率為指標(biāo)的情況下較優(yōu)組合為A3B2C1D1.

4 試驗(yàn)結(jié)果回歸模型

根據(jù)以上的正交試驗(yàn)結(jié)果，通過回歸分析可以得到甘蔗密度、刀盤入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度和切割壓力的數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而更清楚地看出各因素與切割壓力之間的關(guān)系。

設(shè)甘蔗密度、刀盤入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度分別用x1、x2、x3、x4來表示；切割壓力用y1來表示。根據(jù)回歸分析原理，采用多元回歸的基本方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，可以得到回歸方程為：

y1=9.523x1+0.865x2+2.568x3+5.719x4

-0.02x3x4-0.827x21-0.011x22-0.021x23

-0.483x24-102.287

R2=0.92，回歸方程的擬合度較高。

5 結(jié)束語

本文在自主研發(fā)的切割試驗(yàn)平臺上進(jìn)行入土切割壓力的影響因素正交試驗(yàn)，以室內(nèi)土槽模擬出蔗地土壤特性，分析了甘蔗密度、入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度、土壤硬度四個(gè)因素對切割壓力與甘蔗宿根破頭率的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)甘蔗密度、刀盤入土切割深度、土壤剪切強(qiáng)度以及土壤剪切強(qiáng)度與土壤硬度交互作用對于切割壓力有顯著的影響。同時(shí)通過回歸分析，建立了切割負(fù)載壓力與各個(gè)因素之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，為研制入土切割自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究作了鋪墊。

[1]陳宏.廣西甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展戰(zhàn)略研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

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Experimental Research on the Effect Factors of the Underground Cutting Pressureof the Sugarcane Harvester Base Cutter

LAI Xiao1，QIN Zhi-wen2，ZHANG Biao1，CAI Li1
（1.Key Laboratory of Guangxi Manufacture System and Advance Manufacture Technology，Nanning 530004，China；2.SGMW，Liuzhou Guangxi 545007，China）

As the hight of the base cutter of sugarcane harvester isunadjustable automaticallyaccording to the up and down of the field，cutting quality of the sugarcane and the economy lifetime of the cutter can not meet the satisfaction.Therefore，it is important to build up a cutting depth autocontrol system of the base cutter.The first step is to make a research on the effect factors of the underground cutting pressure，such as planting desity，cutting depth，shear strength and the hardness of soil.This paper make a research through orthogonal test，with cutting pressure as the index，planting desity，cutting depth，shear strength and the hardness of soil as the effect factors.It is found that the planting desity，cutting depth，shear strength，interaction between the shear strength and the hardness of soil have obvious effectment to it.Simutaniously，a mathmatical model of the relationship between cutting pressure and the effect factors is built.All these make a good preparation for the research of the cutting depth autocontrol system of the base cutter of the sugarcane harvester.

sugarcane harvester；underground cutting；cutting pressure

S225.5.3

A

1672-545X（2016）11-0006-03

2016-08-11

廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)試驗(yàn)室2014年項(xiàng)目（編號：14-045-15S01）；廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計(jì)制造及控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（編號：GXLH2014KF-04）；廣西大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革項(xiàng)目（編號：20140111）；2016年廣西教育廳中青年教師基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目

賴曉（1979-），女，廣西北流人，博士，講師，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)和CAD/CAE。