甘蔗收割機物流堵塞影響因素的試驗研究

賴　曉，郭文峰，黃海波，張　訊，胡子為，曾　沛，孫藝嘉

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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甘蔗收割機物流堵塞影響因素的試驗研究

賴曉，郭文峰，黃海波，張訊，胡子為，曾沛，孫藝嘉

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：為探討甘蔗物流堵塞的成因與影響因素，在自制的小型甘蔗收割機上進行物流通暢性試驗，通過正交試驗分析了砍蔗刀盤轉速、提升裝置表面材料、喂入輥轉速及喂入輥耙齒形狀等因素對甘蔗通過堵塞關鍵節點(即砍蔗機構)的時間的影響。結果表明：提升裝置表面材料、砍蔗刀盤轉速及喂入輥耙齒形狀對甘蔗物流通過時間有顯著影響，提升裝置表面材料的摩擦因數大則甘蔗通過砍蔗系統的時間縮短，在一定程度上提高刀盤轉速和改進喂入輥耙齒形狀也能提高甘蔗物流通暢性。

關鍵詞：甘蔗；收割機；物流堵塞

0引言

甘蔗收割機物流堵塞問題是目前我國甘蔗收割機研究的瓶頸[1-4]。國內外不少學者已從機械收獲甘蔗流程中的運動學、動力學方面對其展開了研究[5-6]。沈中華應用排隊論的理論分析了甘蔗物流堵塞的成因，認為甘蔗物流的輸送速度和物流通道寬度與生產效率不匹配是其主要原因[7]。李立新、解福祥等研究了螺旋狀物流防堵機構以防止甘蔗在剝葉機構中堵塞[8-9]。在甘蔗收割機樣機研制和試驗中，甘蔗物流堵塞容易發生的關鍵點在砍蔗系統與喂入系統的交界處及剝葉系統入口處。物流通道寬度常受制于整機尺寸而難以改進，而調整物流輸送速度需要先了解哪些因素是影響甘蔗物流輸送的主要因素。為此，本文采用高速攝影的手段拍攝甘蔗通過砍蔗系統的過程[10-12]，通過 正交試驗分析砍蔗刀盤轉速、提升裝置表面材料、喂入輥轉速及喂入輥耙齒形狀等因素對甘蔗物流通暢性的影響，以期進一步提出改進甘蔗物流堵塞的措施和方法。

1試驗方案

1.1　試驗材料

試驗材料所用甘蔗為廣西欽州產的桂柳1號，蔗根至蔗梢平均長度為2 000mm，無明顯破損，蔗稈直徑平均在17～23mm之間，直線度偏差小于10mm。

1.2　試驗設備

試驗采用的是本課題組與廣西某農機企業合作研制的小型整桿式甘蔗聯合收割機，其基本結構如下圖1所示。

1.切頂器　2.扶蔗系統　3.壓蔗輥

甘蔗在收割機內的物流通道主要由切割系統、喂入系統、剝葉系統和輸送系統等組成。工作時，甘蔗被雙圓盤切割系統切斷根部,甘蔗由原來的直立狀態往前倒下改變為水平狀態,繼而依靠收割機前行和刀盤提升裝置作用進入物流通道,依次進入喂入系統和剝葉系統,最后經輸出系統輸出。其中，物流堵塞易發生在切割系統與喂入系統之間的節點。所以，本次試驗主要測試甘蔗在切割系統物流段的通暢性。

1.3　試驗方法

通過L273-7正交試驗方法，測試砍蔗刀盤轉速、提升裝置表面材料、喂入輥轉速及喂入輥耙齒形狀4個因素3個水平；采用高速攝影的手段采集甘蔗在小型收割機中通過切割系統物流段的時長作為指標，時長越短則通暢性越好，從而分析各因素對甘蔗通過切割系統物流段通暢性的影響。

提升裝置表面材料測試有3種：一是甘蔗收割機本身自帶的鋼筋；二是聚乙烯塑料薄膜；三是是輪胎內胎的剪切片。將材料覆貼好在提升裝置上的圖片如圖2、圖3所示。

圖2　聚乙烯塑料薄膜

圖3　輪胎內胎

整體試驗方案如下表1所示。喂入輥耙齒形狀測試鋸齒形、梯形和帶一定倒角的鋸齒形3種水平，如圖4所示。

表1　試驗方案

圖4矩形耙齒與梯形耙齒

1.4　試驗儀器

儀器包括 ：強光感性的針孔式XTXSM電荷耦合攝像頭、DH/DVR2104C-W/-AF-DVR-| |-A-4-0數字硬盤錄像機、USB-1504X視頻采集卡、PHILIPS顯示器、攝像機專用電源及轉接線。布置測點時，選取甘蔗收割機的切割器處、切割器與喂入輥交界處。試驗儀器實景連接和原理如圖5、圖6所示。

圖5　儀器布線實圖

圖6　儀器布線原理圖

2試驗結果與分析

通過高速攝影試驗中甘蔗的運動情況如圖7所示。

圖7　甘蔗通過切割裝置的高速攝影

圖7(a)~(f)是收割機前進速度為530mm/s、每簇甘蔗數量為1株、每株甘蔗的間距為400mm時拍得的部分高速攝影截圖。在圖7(a)中,第1株甘蔗在第8s時被切斷,在1.43s后圖7(d)中顯示已輸送完畢；第2株甘蔗在15s時被切斷,在1.88s后圖7(f)中顯示輸送完畢。統計本次試驗結果及進行方差分析，如表2和表3所示。

表2　試驗結果

續表2

2.1　提升裝置表面材料影響分析

從方差分析表可以看出：提升裝置表面材料對甘蔗通過砍蔗系統物流段的時間有極其顯著的影響。這是因為各材料的摩擦因數是各不相同的，輪胎膠皮的摩擦因數比無覆蓋層裸露鋼筋的摩擦因數更大，則甘蔗與提升裝置表面的動摩擦力得到明顯增大，那么就可以推動甘蔗向后輸送得更快；而光滑薄膜的摩擦因數在三者中最小，甘蔗與提升裝置間的摩擦力小，所以甘蔗在砍蔗系統中通過的時間最長。

可以進一步增加幾組試驗對比刀盤不同轉速下(500～850r/min)3種提升裝置表面材料對甘蔗通過砍蔗系統的影響，得到的結果如圖8所示。

圖8　不同摩擦系數下甘蔗滯留時間圖

從圖8可以看出：輪胎膠皮的提升機構表面材料能大大縮短甘蔗在切割器處的滯留時間；刀盤轉速750~800r/min為最佳轉速，在同為最佳轉速下甘蔗滯留時間比在無覆蓋層的鋼筋提升裝置條件下縮短16.4%。也就是說，甘蔗與機構間摩擦因數增大，甘蔗在切割器處的滯留時間縮短，有利于甘蔗的輸送。

2.2　砍蔗刀盤轉速影響分析

方差分析表同時也表明：提高砍蔗刀盤的轉速對縮短甘蔗在砍蔗系統的滯留時間有顯著影響。從圖8可以看出：提升裝置覆蓋了塑料薄膜后甘蔗通過砍蔗系統的時間在刀盤轉速達到700r/min之前都是隨著該轉速提高而逐漸減少的，但之后刀盤轉速再提高，甘蔗通過砍蔗系統的時間卻又逐漸增大了；無覆蓋層裸露鋼筋的提升裝置和覆蓋了輪胎膠皮的狀態下，甘蔗通過砍蔗系統的時間在刀盤轉速達到750r/min之前都是隨著刀盤轉速提高而逐漸減少的，但之后刀盤轉速再提高，甘蔗通過砍蔗系統的時間卻又逐漸增大了。所以，甘蔗通過砍蔗系統的時間最優的砍蔗刀盤轉速為750r/min。

其原因在于：提高刀盤轉速可以增大甘蔗與機構的動摩擦力，但是當切割器的轉速達到一定的臨界值時，甘蔗容易在螺旋提升機構上跳動，與提升機構的接觸不充分，所以甘蔗滯留砍蔗系統時間亦會增加。因此，砍蔗刀盤的轉動速度也不能無限制提高。

2.3　喂入輥耙齒形狀影響分析

喂入輥耙齒形狀對改善甘蔗從砍蔗系統通過的通暢性也有較顯著影響，梯形齒形的喂入輥使得甘蔗在砍蔗系統的滯留時間相對最短。比較前述正交試驗中所得在3種耙齒狀態下甘蔗在砍蔗系統滯留時間，取3次重復試驗均值，結果如圖9所示。

圖9　不同耙齒形狀下甘蔗滯留時間圖

當喂入輥轉速為200r/min時，梯形耙齒相對矩形耙齒能讓甘蔗滯留時間減少約28%。梯形耙齒對不同直徑的甘蔗有一定的調節作用，相對矩形耙齒能減少對大直徑甘蔗的阻礙，所以甘蔗通過砍蔗系統的時間也得到縮短。

喂入輥轉速對提高甘蔗在砍蔗系統的通暢性無顯著影響，在于3個水平之間速度差別不是很大。

3結論

1)砍蔗機構的提升裝置表面材料對甘蔗通過砍蔗系統時間有顯著影響。有利于增大甘蔗與機構間摩擦力的材料能明顯提高甘蔗從砍蔗系統通過的通暢性，在刀盤以750r/min轉動下輪胎膠皮材料比裸露鋼筋有利于縮短16.4%的時間。

2)砍蔗刀盤轉速提高對縮短甘蔗通過時間也有顯著影響，但轉速過高易引起甘蔗與機構接觸不充分，所以不宜提速太大。

3)耙蔗輥齒形對改善甘蔗物流通過性有明顯作用，梯形齒形比矩形齒形更有利于甘蔗通過。

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Experiment Study on Sugarcane Harvester Logistics

Lai Xiao, Guo Wenfeng, Huang Haibo, Zhang Xun, Hu Ziwei, Zeng Pei, Sun Yijia

(Collee of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：As to uncover the cause and the influence factors of the Sugarcane harvester logistics clogging, orthogonal experiment of the sugarcane logistics is carried out on self-made small type sugarcane harvester. This experiment takes rolling speed of the cutting disc, materials on the uplift device surface, rolling speed of the feeding rollers and their brushes shades as factors, the going-through time of the cutting system of the sugarcane as the index. The result shows that rolling speed of the cutting disc, materials on the uplift device surface, brushes shades of the feeding rollers have magnificent influence on the going-through time of the cutting system of sugarcane. Increase the friction coefficient of the materials on the uplift device surface can shorten the going-through time, so does improving the rolling speed of the cutter disc and modifying the brushes shade of the feeding rollers.

Key words：sugarcane; harvester; logistics clogging

中圖分類號：225.5+3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0155-05

作者簡介：賴曉(1979-),女，廣西北流人，博士，(E-mail)dawnlx1979@126.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465006)；廣西制造系統與先進制造技術重點試驗室項目 (14-045-15S01)；廣西大學科研基金項目(XBZ120838)；廣西大學“大學生創新創業訓練計劃”項目(20141059309062)

收稿日期：2015-09-30