甘蔗收割機切刀入土切割壓力影響因素的試驗分析

賴 曉，秦志文，張 彪，蔡 力

（1.廣西制造系統與先進制造技術重點試驗室，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）

設計技術

甘蔗收割機切刀入土切割壓力影響因素的試驗分析

賴 曉1，秦志文2，張 彪1，蔡 力1

（1.廣西制造系統與先進制造技術重點試驗室，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）

甘蔗收割機的切割器不能根據地形變化作出高度的自動調整，切割位置過高或過低都嚴重影響甘蔗收獲質量和刀具的經濟壽命。為了實現甘蔗收獲機械的入土切割深度自動控制，首先需要了解甘蔗密度、土壤剪切強度、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，蔗株密度、刀盤切割深度、土壤剪切強度、土壤硬度為影響因素的正交試驗，發現甘蔗密度、刀盤入土切割深度、土壤剪切強度以及土壤剪切強度與土壤硬度交互作用對于入土切割壓力有顯著的影響。同時通過回歸分析，建立了切割負載壓力與各個因素之間關系的數學模型，為研制入土切割自動控制系統的研究作了鋪墊。

甘蔗收割機；入土切割；切割壓力

廣西是中國制糖業的重要生產基地，研發出適合廣西丘陵地區的小型甘蔗收獲機械是具有現實的意義[1-4]。當前甘蔗收獲過程中，由于甘蔗地面高度不一，而駕駛員憑經驗將切割器固定某個高度，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，這就影響了國民經濟收入和來年甘蔗宿根的發芽率。所以設計制造相應的入土切割深度自動控制系統勢在必行。因此首先需要了解入土切割時影響切割器所受切割壓力的各個因素以及其變化規律。

本文通過正交試驗分析甘蔗密度、土壤剪切強度、土壤硬度等因素對切割壓力的影響，為研制甘蔗收獲機自動深度控制系統打下基礎。

1 試驗設計

1.1 試驗方案

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

表1 正交試驗水平選取

1.2 試驗材料

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

圖1 制備土壤的硬度測定

1.3 試驗設備

試驗是在自主研發的切割實驗平臺上進行，如圖2所示。試驗入土切割的土壤裝載在土槽里，土槽裝置如圖3所示。

圖2 切割試驗平臺

圖3 土槽裝置

1.4 試驗參數標定

由于試驗中切割器轉速及甘蔗的輸送速度需要調整到指定的數值，所以需要對兩者先進行標定。

1.4.1 切割器轉速的標定

對切割器的轉速進行調整和測量，得到砍蔗刀盤的轉速標定如表2所示。

表2 刀盤的轉速標定

根據上表可以得到切割器的轉速標定曲線如圖4所示。

圖4 切割器轉速標定曲線

1.4.2 甘蔗輸送速度的標定

甘蔗的輸送裝置中由變頻器控制電機的轉速，經過蝸桿蝸輪減速器，最后帶動鏈輪，轉化成裝置的前進速度，甘蔗輸送速度標定的曲線如圖5所示。

圖5 甘蔗輸送速度標定曲線

2 試驗結果

試驗所得結果及其直觀分析如表3所示。

表3 正交實驗結果以及直觀分析

3 試驗結果分析

3.1 因素對負載力的影響

從因素效應曲線（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，可以認為是誤差引起的，以空列為誤差項進行方差分析，得到方差分析表如表4所示。

圖6 因素效應曲線

表4 正交試驗結果方差分析

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（土壤剪切強度）以及因素CD（土壤剪切強度與土壤硬度交互作用）對于切割壓力有顯著的影響；

（2）根據以上的方差分析，A、B、C還有CD交互作用因素對切割負載壓力影響較大，選取的切割負載壓力最小的組合是A1B1C1D3，在正交試驗結果中，看到此時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載壓力指標，在較低的破頭率下，得到較小的切割負載壓力，選取的較優組合為A1B2C1D2.

3.2 各因素對破頭率的影響分析

以破頭率為指標對試驗結果進行方差分析如表5所示。

表5 正交試驗結果方差分析

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（土壤剪切強度）對于破頭率有顯著的影響；

（2）根據方差分析表以及正交試驗的結果，可以得出在以甘蔗宿根破頭率為指標的情況下較優組合為A3B2C1D1.

4 試驗結果回歸模型

根據以上的正交試驗結果，通過回歸分析可以得到甘蔗密度、刀盤入土切割深度、土壤剪切強度、土壤硬度和切割壓力的數學表達式，從而更清楚地看出各因素與切割壓力之間的關系。

設甘蔗密度、刀盤入土切割深度、土壤剪切強度、土壤硬度分別用x1、x2、x3、x4來表示；切割壓力用y1來表示。根據回歸分析原理，采用多元回歸的基本方法對試驗數據進行回歸分析，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 結束語

本文在自主研發的切割試驗平臺上進行入土切割壓力的影響因素正交試驗，以室內土槽模擬出蔗地土壤特性，分析了甘蔗密度、入土切割深度、土壤剪切強度、土壤硬度四個因素對切割壓力與甘蔗宿根破頭率的影響規律，發現甘蔗密度、刀盤入土切割深度、土壤剪切強度以及土壤剪切強度與土壤硬度交互作用對于切割壓力有顯著的影響。同時通過回歸分析，建立了切割負載壓力與各個因素之間關系的數學模型，為研制入土切割自動控制系統的研究作了鋪墊。

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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

廣西制造系統與先進制造技術重點試驗室2014年項目（編號：14-045-15S01）；廣西高校臨海機械裝備設計制造及控制重點實驗室項目（編號：GXLH2014KF-04）；廣西大學實驗室建設與實驗教學改革項目（編號：20140111）；2016年廣西教育廳中青年教師基礎能力提升項目

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