甘蔗收獲機(jī)切割器仿形機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

夏鼎寬，何馮光，鄧干然，李國杰，李 玲，覃雙眉

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524091）

0 引言

甘蔗是我國南方地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)作物，實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)械化有提高甘蔗生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本以及減小勞動強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。甘蔗機(jī)械收獲包括扶起、推倒、切割、傳送以及斷梢等環(huán)節(jié)，其中切斷式甘蔗收獲機(jī)還有切斷過程。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，切割是甘蔗收獲所有工序中技術(shù)最難把握的工序之一。甘蔗切割器是保證甘蔗收獲機(jī)連續(xù)有效工作、提高切割質(zhì)量以及減小破頭率的關(guān)鍵部件。甘蔗的切割質(zhì)量主要由破頭率決定[1]，破頭率的大小直接影響宿根的發(fā)芽率。影響破頭率的因素有很多，如切割方式、機(jī)車前進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀片形狀和數(shù)量、地面平整度、土壤適度情況、振動頻率和振幅等。由于我國南方地區(qū)的地形、種植模式以及制糖工藝的限制，國外引進(jìn)的大型切斷式甘蔗收獲機(jī)不適用于蔗區(qū)生產(chǎn)。因此，我國目前研制的主要機(jī)型是小型整稈式甘蔗收獲機(jī)。無論是國內(nèi)還是國外，甘蔗收割的破頭率一般是20%。因此，降低甘蔗破頭率和提高切割質(zhì)量是亟待解決的技術(shù)難題，而其中的難點(diǎn)是切割器與地面的距離控制和檢測。

本文從研究國內(nèi)外的甘蔗切割器研究現(xiàn)狀出發(fā)，通過借鑒其它農(nóng)業(yè)機(jī)械的仿形機(jī)構(gòu)并運(yùn)用于甘蔗切割器上，對比分析機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)與液壓仿形機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇一種適合于甘蔗切割器的仿形機(jī)構(gòu)，為小型整稈式甘蔗收割機(jī)的切割器仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 甘蔗收獲機(jī)切割器仿形機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外甘蔗切割器研究現(xiàn)狀

國外的甘蔗收獲機(jī)械從19 世紀(jì)80 年代開始研究，甘蔗生產(chǎn)技術(shù)先進(jìn)的國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化[2,3]，對甘蔗收獲機(jī)械的研究比較全面，技術(shù)成熟以及應(yīng)用廣泛。由于國外的糖廠生產(chǎn)工藝允許并接受成段的原料蔗，因此甘蔗收割機(jī)以切斷式機(jī)型為主，田間廣泛應(yīng)用切斷式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)[4]。美國、澳大利亞、巴西等國家由于地大平整、連續(xù)成片、勞動力缺乏等原因，主要采用大型切斷式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)。典型的機(jī)型代表有：美國凱斯的A4000、A7000以及A8000系列的甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)；澳大利亞AUSTOF工業(yè)公司的T7000和T7700系列甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)等。而日本等國家地塊小，主要采用小型切斷式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)，主要機(jī)型有日本久保田公司的UT-70K型、松元機(jī)工株式會社的MCH-15等。

切割器是甘蔗收割機(jī)的重要部件之一，其好壞直接影響到甘蔗收割機(jī)的作業(yè)質(zhì)量[5]。國外專家對切割器做了大量的理論和試驗(yàn)研究。如RAZAVI等[6]、RIPOLI[7]利用設(shè)計(jì)的擺動裝置研究了刀片和種植因素對甘蔗收獲機(jī)切割器莖稈切割質(zhì)量的影響。KREOS等[8-10]針對單圓盤切割器和雙圓盤切割器對宿根破頭率的影響，從切割器的切割方式、刀片形狀、刀盤傾角、刀片間隙角等因素對切割軌跡的影響以及莖稈劈裂問題做了一系列的研究。結(jié)果表明，沖擊切割過程中出現(xiàn)莖稈劈裂是不可避免的，切割器是造成根茬破損的主要原因。同時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明最大切割阻力與甘蔗直徑、品種以及纖維量有關(guān)。HARY等[11]對彎曲鋸齒形刀切割做了試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，鋸齒刀片切割，切口整齊；鋸齒刀片齒距不同，切割損失不同；鋸齒刀片的彎曲角度約22°時(shí)切割損失最?。讳忼X刀片的齒距對切割破損的影響顯著，但是彎曲角度對切割破損的影響不顯著，而光滑刀片破損最大。

然而，國外的蔗田廣闊平坦，地面起伏變化程度極小，甘蔗收割機(jī)的作業(yè)環(huán)境好，切割器能很好地沿地面前進(jìn)切割蔗稈，切割過程中造成的切割損失和破頭率較低。因此，切割器對地面的仿形功能要求較低，且切割器仿形的相關(guān)文獻(xiàn)較少。

1.2 國內(nèi)外甘蔗切割器研究狀況

國內(nèi)的甘蔗收割機(jī)是從20 世紀(jì)60 年代末70年代初開始研究，研究初期主要是模仿國外引進(jìn)的大型切斷式甘蔗收獲機(jī)。由于我國蔗田環(huán)境以及制糖工藝等因素的限制，大型切斷式甘蔗收獲機(jī)并不適用，于是在模仿大型切斷式甘蔗收獲的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)和研究。目前的研究機(jī)型主要以小型整稈式甘蔗收割機(jī)為主[4]，典型機(jī)型有廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所開發(fā)的 4GZ-35 型等，但甘蔗切割破頭率高的問題依然存在。

為降低甘蔗的破頭率，研究人員對甘蔗切割進(jìn)行了研究，并取得一定的成果。蔡力等[12]針對控制切割器入土切割深度問題，利用單因素實(shí)驗(yàn)對影響切割力大小的諸多因素進(jìn)行了研究，研究表明入土剪切強(qiáng)度、土壤硬度、土切割深度、簇株密度對切割力存在明顯的影響。劉銀丁等[13]在原有的甘蔗收獲切割系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型基礎(chǔ)上，考慮了根系-土壤因素影響，建立了一種高精度甘蔗莖稈-根系-土壤-切割器系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型。鄧雄等[14]針對甘蔗宿根破頭率及甘蔗收獲機(jī)的切割質(zhì)量問題，通過分析切割喂入系統(tǒng)的動不平衡和切割器振動的影響因素，研究了切割器的動不平衡機(jī)理，研究表明，不平衡的刀盤質(zhì)量是引起切割器振動的重要因素之一。張彪等[15]針對小型甘蔗收獲機(jī)切割器振動會提高破頭率問題，針對切割器進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)平臺砍蔗試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明，當(dāng)切割力最大時(shí)，軸向切割力約占總切割力的92.6%；試驗(yàn)結(jié)果表明，軸向切割力的作用是盤振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量的主要影響因素。劉慶庭教授[16]對甘蔗的切割機(jī)理進(jìn)行了研究，確定了甘蔗切割器幾何參數(shù)、運(yùn)動參數(shù)和切割質(zhì)量的關(guān)系，推導(dǎo)出不漏割條件以及避免重割條件，并證明了機(jī)車前進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速和刀片數(shù)量是條件方程的主要參數(shù)。楊望等[17]進(jìn)行了入土切割對甘蔗切割過程影響的仿真試驗(yàn)，結(jié)果表明，入土切割更有利于降低甘蔗破頭率；甘蔗兩刀切斷比一刀切斷所需的切割力小。麻芳蘭等[18]對小型整稈式甘蔗收獲機(jī)切割系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)與試驗(yàn)，在原有切割系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了輔助喂入輥，改進(jìn)后，甘蔗宿根破頭率降低為4.7%，合格率提高到82.5%，喂入量提高到1.894 kg/s。戴小標(biāo)等[19]進(jìn)行了蔗地不平整對砍蔗系統(tǒng)影響的仿真分析，結(jié)果表明，工作前進(jìn)速度為0.4 m/s 時(shí),蔗地不平整頻率范圍在0.012 5～6.625 0 Hz，振幅范圍在25.7～544.4 mm；刀盤傾斜一定角度不利于提高切割質(zhì)量，會降低刀盤的使用壽命。

國內(nèi)的甘蔗機(jī)械科研人員對甘蔗切割做了大量的理論試驗(yàn)研究，在國外的基礎(chǔ)上，綜合考慮我國實(shí)際切割器工作環(huán)境條件，試驗(yàn)研究已無限接近實(shí)際環(huán)境。然而，國內(nèi)研究的切割器在實(shí)際應(yīng)用中還存在破頭率高、切割損失較大等問題。表明理論研究和試驗(yàn)研究與田間實(shí)際工作情況依然存在一定的差距。

為了解決這一難題，有不少研究工作者進(jìn)行了甘蔗切割器的仿形系統(tǒng)研究，如李科等[20]設(shè)計(jì)了一種壟溝甘蔗割鋪機(jī)仿形割臺并對其進(jìn)行了ADAMS仿真優(yōu)化，通過仿真優(yōu)化得出最佳工作參數(shù)范圍。張亮等[21]為解決甘蔗收割機(jī)收割損失率和破頭率高的問題，研制了一種甘蔗收割機(jī)刀盤仿形隨動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證可滿足作業(yè)要求。徐莉萍等[22]通過虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了刀盤仿形系統(tǒng)的研究和仿真，得出系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性基本能滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)果。

但受實(shí)際工作環(huán)境條件的影響，切割器仿形技術(shù)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合一直很難突破；而甘蔗切割器仿形技術(shù)的研究對降低破頭率和減小切割損失具有重要意義，因此仍然是甘蔗收獲技術(shù)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。

2 甘蔗切割器仿形機(jī)構(gòu)的主要實(shí)現(xiàn)模式

對于甘蔗收割機(jī)而言，切割器隨地形的起伏而運(yùn)動稱為仿形。根據(jù)工作部件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的方式，仿形又分為機(jī)械仿形和液壓仿形兩種模式。

2.1 機(jī)械模式仿形機(jī)構(gòu)

機(jī)械仿形，是目前我國農(nóng)業(yè)機(jī)械采用最多的仿形形式，仿形拖板直接靠壓在地面上進(jìn)行仿形。其主要是采用平行四連桿機(jī)構(gòu)[23]實(shí)現(xiàn)仿形功能，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、安裝調(diào)整方便、經(jīng)濟(jì)性好、仿形效果好等特點(diǎn)。呂金慶等[24]設(shè)計(jì)了一種馬鈴薯播種機(jī)播深調(diào)控裝置，通過對播深調(diào)控裝置進(jìn)行動力學(xué)分析，建立了播深穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型。確定試驗(yàn)因素和試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在設(shè)定的參數(shù)下作業(yè)，開溝深度變異系數(shù)為 8.9%，開溝深度合格指數(shù)為 96.6%，滿足作業(yè)要求。李濤等[25]研制了一種根莖類作物收獲機(jī)自動對行系統(tǒng)，采用地壟仿形機(jī)構(gòu)對壟面進(jìn)行仿形，角度傳感器采集數(shù)據(jù)發(fā)送到液壓控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)行進(jìn)過程中的自動對行功能。趙淑紅等[26]設(shè)計(jì)了小麥播種機(jī)開溝器雙向平行四桿仿形機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了運(yùn)動仿真，仿真結(jié)果表明，仿形機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)雙向仿形，上下仿形量可達(dá)到170 mm,左右仿形量可達(dá)到100 mm。

借鑒播種機(jī)單體的機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)，并與甘蔗切割器結(jié)合運(yùn)用，現(xiàn)應(yīng)用廣泛的機(jī)械模式仿形機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

主要工作原理：根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性，桿AB 和桿CD 做平行運(yùn)動，保證切割器上升下降的平行運(yùn)動，保證切割深度的一致性。切割器工作時(shí)，仿形輪貼地前進(jìn)，割刀入土切割，仿形輪隨地形的起伏變化而前進(jìn)；由于切割器連同仿形輪一起安裝在同一機(jī)構(gòu)上，仿形輪隨地面的起伏作上下運(yùn)動時(shí)，切割器也隨之一起上升下降，完成仿形工作。

圖1 平行四連桿仿形機(jī)構(gòu)Fig.1 Parallel four-bar linkage profiling mechanism

但由于其效率低，實(shí)時(shí)性和精確性較差，且不能直接得到仿形量的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果等缺點(diǎn)，機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)難以滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)要求以及甘蔗切割的農(nóng)藝要求，而且往往存在仿形提前和滯后的問題。雖然仿形輪能有效地降低提前和滯后的影響，但仍舊無法實(shí)現(xiàn)精量控制并使機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜。工作時(shí)，仿形輪受到雜草和蔗葉影響，切割器上升幅度變大，切割深度變小，增大切割損失。

2.2 液壓模式仿形機(jī)構(gòu)

根據(jù)信號收集的方式不同，液壓仿形又分為電液仿形、氣液仿形、光電仿形等。電液仿形[27]在播種機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，甘蔗切割可以借鑒精播機(jī)的電液仿形技術(shù)為其服務(wù)。電液仿形系統(tǒng)主要由電氣控制系統(tǒng)（電傳感器、信號處理器）和液壓系統(tǒng)（電液伺服閥、液壓缸或者液壓馬達(dá)等元件）組成。電氣系統(tǒng)收集信息并進(jìn)行信息處理，將處理完的信息傳遞給液壓系統(tǒng)；液壓信號驅(qū)動控制液壓油缸運(yùn)動，控制工作臺的調(diào)節(jié)裝置；實(shí)現(xiàn)工作臺與地面隨動，實(shí)現(xiàn)地面仿形。

在播種機(jī)中[23]，通過電傳感器與地面的距離變化產(chǎn)生的位移信號來實(shí)現(xiàn)播種深度的控制。其仿形精度高，誤差精度＜1 mm，最大仿形量大約為200 mm；仿形靈敏度高，全程下降時(shí)間為1.9 s，上升時(shí)間為2.9 s。但是，電液仿形的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。典型的液壓模式仿形機(jī)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 甘蔗切割器電液仿形機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 Schematic diagram of electro-hydraulic profiling mechanism of sugarcane cutter

仿形系統(tǒng)存在的難點(diǎn)主要是傳感器的地形檢測，蔗田的復(fù)雜性為傳感器的種類選擇增加了難度。目前幾乎所有的切割器研究工作者都是選用壓力反饋式傳感器。然而壓力反饋式傳感器有精度低、穩(wěn)定性差、容易受到地表雜物影響等缺點(diǎn)，受外界因素影響大，因此，本仿形機(jī)構(gòu)中采用超聲波傳感器[28～30]。與其它測距技術(shù)相比較，超聲波測距有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

1）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，信息處理簡單可靠。

2）超聲波不受色彩、光照度、外界光線以及電磁場等外界因素的影響，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)等惡劣環(huán)境中。

3）超聲波具有穿透能力，根據(jù)選擇的波長不同可以穿透不同的物體，這也是本系統(tǒng)選擇超聲波傳感器的關(guān)鍵。

地面上的雜物是考慮的重點(diǎn)。由于地面狀況復(fù)雜多變，給距離探測帶來了很大困難。但是在甘蔗收割機(jī)作業(yè)過程中遇到的雜物多是蔗葉、雜草藤蔓等，所以選用的傳感器能夠區(qū)分蔗葉雜草等就能夠滿足要求。根據(jù)超聲波傳播理論，當(dāng)障礙物的尺寸小于超聲波波長的 1/2 時(shí)，超聲波將發(fā)生繞射；當(dāng)障礙物的尺寸大于超聲波波長的 1/2 時(shí)，才能發(fā)生反射。在蔗田里，蔗葉的直徑最大，一般的蔗葉直徑在60 mm 之內(nèi)，所以采用波長大于120 mm 的超聲波傳感器就能滿足要求。

通過對比以上兩種仿形機(jī)構(gòu)，電液仿形技術(shù)明顯優(yōu)于機(jī)械仿形。通過超聲波傳感器收集信號，電液控制能夠?qū)崿F(xiàn)甘蔗切割器的精量控制。

3 結(jié)語

1）國外蔗田地形平整，不需要仿形機(jī)構(gòu)也能滿足甘蔗的切割質(zhì)量要求；相反，我國蔗田主要是在南方的丘陵地區(qū)，環(huán)境復(fù)雜，切割器采用仿形機(jī)構(gòu)能有效提高作業(yè)質(zhì)量，但目前是處于研究起步階段，發(fā)展空間廣，研究價(jià)值大，甘蔗切割器的仿形具有推廣價(jià)值。

2）液壓仿形應(yīng)用廣泛，更適用于甘蔗切割器仿形機(jī)構(gòu)，能提高甘蔗切割精度，仿形效率高，能實(shí)現(xiàn)理想的仿形效果。選擇超聲波傳感器能有效解決蔗葉雜草干擾傳感器收集信號困難的問題。

3）應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)要求，未來甘蔗切割器仿形機(jī)構(gòu)發(fā)展趨向于電液仿形，符合機(jī)電一體化發(fā)展趨勢，電液仿形的運(yùn)用對提高甘蔗收獲機(jī)作業(yè)效率具有重要意義。