凱斯A8000甘蔗聯合收割機切割質量影響因素的試驗

楊 望，王二朋，楊 堅，李 楊，黃深闖，梁兆新

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004;2. 廣西蔗糖產業協同創新中心，南寧 530004)

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凱斯A8000甘蔗聯合收割機切割質量影響因素的試驗

楊 望1,2，王二朋1，楊 堅1,2，李 楊1，黃深闖1，梁兆新2

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧 530004;2. 廣西蔗糖產業協同創新中心，南寧 530004)

針對凱斯A8000甘蔗聯合收獲機實際操作參數對切割質量影響大的問題，采用二次回歸通用旋轉組合設計和田間物理試驗方法，對其切割質量影響因素(實際操作參數)進行了研究，探明了各影響因素對切割質量的影響規律和影響機理，且優化了影響因素。結果表明：隨刀盤轉速x1增大，甘蔗破頭率先減小后增大，隨前進速度x2的增大，甘蔗破頭率y增大；使用大的刀盤傾角時，小深度的入土切割有利于降低甘蔗破頭率，但采用大深度的入土切割，甘蔗破頭率增大；使用小的刀盤傾角時，貼地切割對降低甘蔗破頭率最有利。使用小的刀盤傾角時，因素優組合為：刀盤轉速為516.4r/min，前進速度為4km/h，刀盤的離地高度為0，相應可靠性為99%的甘蔗破頭率預測區間為(3.9%～8.12%)。使用大的刀盤傾角時，因素優組合為：刀盤轉速為544r/min，前進速度為4km/h，刀盤的離地高度為-2.78cm，相應可靠性為99%的甘蔗破頭率預測區間為(5.85%～9.34%)。

甘蔗；聯合收獲機；切割質量；影響規律；因素優化

0 引言

甘蔗宿根切割質量影響到來年甘蔗的出苗率和產量，而目前凱斯A8000甘蔗聯合收獲機沒有給出高切割質量的參數組合，導致實際甘蔗收割時宿根切割質量低下，嚴重阻礙了該收獲機的推廣使用。雖然國內外學者對甘蔗收獲機的切割質量影響因素進行了較多的研究，取得了較多成果[1-7]，但關于凱斯A8000甘蔗聯合收獲機的切割質量影響因素的研究及影響因素的優化未見有報道。因此，本文采用二次回歸通用旋轉組合設計和田間物理試驗方法，對凱斯A8000甘蔗聯合收獲機的切割質量影響因素進行研究，探索各影響因素對切割質量的影響規律和影響機理，優化影響因素，為凱斯A8000甘蔗聯合收獲機甘蔗收獲的實際操作提供依據。

1 結構及作業流程

凱斯A8000為輪式自走型、切斷式聯合甘蔗收獲機，配備功率260kW柴油機作動力，采用全液壓系統控制，最高行駛速度為20km/h，主要由駕駛艙(操控系統)、喂入及切割系統、兩級除雜系統、提升單元及液壓控制系統等組成，如圖1所示。收割機的前進速度、底切割刀盤(簡稱刀盤)的轉速和離地高度可調，刀盤傾角有兩個擋位。

1.甘蔗切頂器 2.駕駛艙 3.動力單元 4.一級除雜 5.二級除雜 6.提升單元 7.切割高度控制液壓缸 8.扶蔗裝置

凱斯A8000切斷式甘蔗聯合收割機具有功率大、功能齊全、作業效率高及自動化程度高等特點，其主要作業流程圖如2所示。

圖2 甘蔗收獲機作業流程

2 試驗設備及方法

2.1 試驗設備

試驗對象為凱斯A8000切斷式甘蔗聯合收獲機，主要采用的設備有DT-2236B兩用式轉速表、TYD-1土壤硬度計、土壤烘干箱、秒表和皮帶尺等。

試驗地為廣西柳州市桂中農場廣西思源農機發展有限公司甘蔗種植基地。試驗的甘蔗品種為桂糖31，寬窄行種植(寬行1.3m，窄行0.5m)，2012年種植的宿根蔗。甘蔗的倒伏程度為：0°～30°的占62%，30°～60°的占18.43%，60°～90°的占19.51%；基部平均直徑為28mm；甘蔗生長密度約64株/10m。土壤平均含水率為25.37%，土壤平均硬度為3.74kg/cm2。試驗日期：2016年1月3-9日。

2.2 試驗方法

試驗參照GB/T 5262-2008《農業機械試驗條件-測定方案的一般規定》及JB/T 6275-1992《甘蔗收獲機械試驗方法》進行。每次甘蔗切割試驗30m，重復試驗3次；每切割試驗后，測量切割的甘蔗總數量和宿根蔗蔸的破頭數量，且算出每次切割試驗的甘蔗宿根破頭率。蔗蔸切口平面裂開超過一個蔗節或蔗蔸被推斷、拔掉時視為破頭。

聯合收割機的前進速度采用實測其行走的距離和所用的時間，后通過計算獲得。刀盤的轉速用DT-2236B兩用式轉速表測量。刀盤的離地高度以地表為基準進行上下調節；刀盤的傾角分兩擋進行。試驗現場如圖3所示。

2.3 試驗方案

根據凱斯A8000切斷式甘蔗聯合收獲機的實際情況，選取聯合收割機的刀盤的轉速x1、前進速度x2、刀盤的離地高度x3作為試驗因素，刀盤的傾角作為條件因素，甘蔗切割破頭率y作為試驗指標。

試驗采用二次回歸通用旋轉組合設計進行。試驗的因素水平編碼表如表1所示。

圖3 試驗現場圖

編碼值刀盤轉速x1/r·min-1前進速度x2/km·h-1切割深度x3/cm上星號臂(+1．682)630．012．9610．0上水平(+1)583．410．775．9零水平(0)515．07．560．0下水平(-1)446．64．35-5．9下星號臂(-1．682)400．02．16-10．0

3 結果與分析

3.1 試驗結果

試驗結果如表2所示。其中，刀盤傾角2的傾角大于刀盤傾角1的傾角。

表2 試驗結果

續表2

3.2 回歸分析

運用SPSS 軟件對表2試驗數據進行回歸分析。回歸分析時，甘蔗破頭率取平均值進行，分別得出兩種刀盤傾角條件下的甘蔗破頭率與刀盤的轉速x1、前進速度x2、刀盤的離地高度x3數學模型，有

(1)

(2)

其中，式(1)是刀盤傾角1條件下的甘蔗破頭率數學模型；式(2)是刀盤傾角2條件下的甘蔗破頭率數學模型。對回歸數學模型及系數進行顯著性檢驗，結果表明：回歸數學模型在0.000 1水平上顯著，各系數在0.048～0.000 1之間顯著，數學模型擬合得好，精度高。

3.3 因素影響分析

應用MathCAD 軟件對式(1)、式(2)進行模擬計算，除考慮的因素外，其它因素取零水平值，得出的各因素與甘蔗破頭率關系如圖4所示。其中，圖4(a)是刀盤的轉速x1與甘蔗破頭率關系圖；圖4(b)是前進速度x2與甘蔗破頭率關系圖；圖4(c)是刀盤離地高度x3與甘蔗破頭率關系圖。圖中的實線為刀盤傾角1條件下的甘蔗破頭率曲線，虛線為刀盤傾角2條件下的甘蔗破頭率曲線。

(a)

(b)

(c)

Fig.4 Relationship of factors and the broken biennial root rate of sugarcane

由圖4(a)可知：甘蔗破頭率y隨刀盤轉速x1的增大，呈凹面向上的拋物線變化，甘蔗破頭率先減小后增大。其原因是：刀盤轉速相對較小時，隨著刀盤轉速的增大，刀片線速度增大，刀片切割甘蔗的速度增大，甘蔗易被切斷，甘蔗不易被拉裂而破頭；但刀盤轉速較大時，隨著刀盤轉速的增大，刀片線速度過大，刀片對甘蔗的切割速度過大，刀片對甘蔗的沖擊增大，甘蔗易被撞裂，故甘蔗破頭率隨刀盤轉速的增大，呈先減小后增大的變化。且由圖4(a)可知：刀盤傾角小時，甘蔗破頭率大。

由圖4(b)可知：隨著前進速度x2的增大，甘蔗破頭率y增大。其原因是：前進速度大,刀片切割甘蔗時,前推甘蔗的速度大，甘蔗切割時易被推裂。且由圖4(b)可知，前進速度小于7.5km/h時，刀盤傾角小時，甘蔗破頭率小；但前進速度大于7.5km/h時，刀盤傾角小時，甘蔗破頭率大。

由圖4(c)可知：甘蔗破頭率y隨刀盤的離地高度x3的增大，呈凹面向上的拋物線變化，甘蔗破頭率先減小后增大。其原因是：當刀片入土較深切割甘蔗時，蔗蔸易被刀片帶出；但在非入土切割時，隨著刀盤離地高度的增大，切割支持作用變弱，切割時甘蔗易彎曲變形，被刀片拉裂而破頭，故甘蔗破頭率隨刀盤離地高度的增大，甘蔗破頭率呈先減小后增大變化。且由圖4(c)可知：入土切割時，刀盤傾角小時，甘蔗破頭率大，但非入土切割時，刀盤傾角小時，甘蔗破頭率小。

4 影響因素的優化

分析表明：前進速度大，甘蔗破頭率大。試驗表明：前進速度大于4.5km/h時，含雜率增大，且大于7.6km/h后含雜率嚴重增大，糖廠不接受；但前進速度過低，收獲效率低，達不到機械收獲提高收獲效率的目的。因此，綜合考慮，本文選取前進速度4km/h作為其優化結果，其余因素的優化采用求極小值的方法進行，結果獲得的因素優組合為：刀盤傾角1條件時：刀盤轉速x1為516.4r/min，前進速度x2為4km/h，刀盤的離地高度x3為0，相應可靠性為99%的預測區間為(3.9%～8.12%)。刀盤傾角2條件時：刀盤轉速x1為544r/min，前進速度x2為4km/h，刀盤的離地高度x3為-2.78cm，相應可靠性為99%的預測區間為(5.85%～9.34%)。

優化結果的驗證采用同上的試驗方法進行，結果為：刀盤傾角1條件下，甘蔗破頭率為8%；刀盤傾角2條件下，甘蔗破頭率為9.2%。其結果均在99%的預測區間內，表明優化結果合理，可用于指導凱斯A8000甘蔗聯合收獲機的實際甘蔗收獲操作。

5 結論

1)采用二次回歸通用旋轉組合設計和回歸分析方法，建立的甘蔗破頭率與刀盤轉速x1、前進速度x2、刀盤離地高度x3的數學模型精度較高，可用于切割質量的影響分析。

2)甘蔗破頭率y隨刀盤轉速x1、前進速度x2的增大，呈凹面向上的拋物線變化，隨刀盤轉速x1增大，甘蔗破頭率先減小后增大，隨前進速度x2的增大，甘蔗破頭率y增大。使用大的刀盤傾角時，小深度的入土切割有利于降低甘蔗破頭率；但采用大深度的入土切割時，甘蔗破頭率增大。使用小的刀盤傾角時，貼地切割有利于降低甘蔗破頭率。

3)使用小刀盤傾角時，因素優組合為：刀盤轉速為516.4r/min，前進速度為4km/h，刀盤的離地高度為0，相應可靠性為99%的甘蔗破頭率預測區間為(3.9%～8.12%)。使用大刀盤傾角時，因素優組合為：刀盤轉速為544r/min，前進速度為4km/h，刀盤的離地高度為-2.78cm，相應可靠性為99%的甘蔗破頭率預測區間為(5.85%～9.34%)。

[1] Bianchini A, Magalhaes P S G.Evaluation of coulters for cutting sugarcane residue in a soil bin[J].Biosystems Engineering, 2008,100(3): 370-375.

[2] 楊堅,梁兆新,莫建霖,等.甘蔗切割器切割質量影響因素的試驗研究[J].農業工程學報,2005,21(5):60-64.

[3] 向家偉,楊連發,李尚平.小型甘蔗收獲機切割器試驗研究[J].農業工程學報,2007,23(11):158-163.

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Test on Influencing Factors of Cutting Sugarcane Quality of Case A8000 Sugarcane Combine Harvester

Yang Wang1,2, Wang Erpeng1, Yang Jian1,2, Li Yang1, Huang Shenchuang1, Liang Zhaoxin2

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Collaborative Innovation Center for Sugar Industry of Guangxi, Nanning 530004, China)

Due to the large effect of actual operating parameters of Case A8000 sugarcane combine harvester on cutting sugarcane quality, the affecting factors of cutting quality (the actual operating parameters) are studied by quadratic regression general rotational combination design and field physical test method.The influencing law and mechanism of influence factors on cutting quality were discovered,and then the influence factors were optimized.Results show that with the increasing of cutter speed,the broken biennial root rate of sugarcane increase first and then decrease. With the increasing of forward speed,the broken biennial root rate of sugarcane increase.When cutter inclination is large, sugarcane cutting beneath surface soil which the cutting depth is small is beneficial to decrease the broken biennial root rate of sugarcane, but the rate increased when the cutting depth is large.When cutter inclination is small, sugarcane ground cutting is beneficial to decrease the broken biennial root rate of sugarcane.When cutter inclination is small, optimal combination of operating parameters is as followed: rotating speed of cutter is 516.4 RPM,forward speed is 4 km/h,height of cutter above ground is 0,prediction interval of the broken biennial root rate of sugarcane which has 99% reliability is 3.9% ～ 8.12%.When cutter inclination is large, optimal combination of operating parameters is as followed: rotating speed of cutter is 544 RPM,forward speed is 4 km/h, height of cutter above ground is -2.78cm,prediction interval of the broken biennial root rate of sugarcane which has 99% reliability is 5.85% ～ 9.34%.

sugarcane; harvester; cutting quality; influencing law; factor optimization

2016-04-20

國家自然科學基金項目(51565003)；廣西自然科學基金項目(2014GXNSFBA118279)；廣西教育廳高?？蒲许椖?YB 2014002)；廣西大學青年博士科研啟動基金項目(XBZ1601 11)

楊 望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，博士，碩士生導師，(E-mail)yanghope@163.com。

楊 堅(1957-)，男，廣西合浦人，教授。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)05-0192-05