甘蔗收獲機(jī)動態(tài)特性對宿根破頭率影響的試驗

周敬輝，李尚平，莫翰寧

(1. 廣西大學(xué) a.輕工學(xué)院；b.機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；2.桂林理工大學(xué) 南寧分校，南寧 530004；3.廣西民族大學(xué) 計算機(jī)與信息工程學(xué)院,南寧 530007)

0 引言

目前在用的甘蔗收獲機(jī)主流機(jī)型的宿根破頭率在20%～30%之間[1]，過高的破頭率影響了甘蔗翌年的出芽率，成為我國主要產(chǎn)糖區(qū)甘蔗機(jī)械化收割推廣的主要瓶頸之一。針對機(jī)械化收割甘蔗宿根破頭率高的問題，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進(jìn)行了大量的研究。S.Kroes等探討了刀片切割蔗莖時切割力的變化情況[2-5]。Gupta cp發(fā)現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)速小于600r/min時，甘蔗被折斷而不是砍斷[6]。劉慶庭等利用高速攝像機(jī)研究了不同切割模式下的蔗莖的破壞機(jī)理[7],并測定了甘蔗根部的剪切彈性模量、最大剪切應(yīng)力及甘蔗根部前三節(jié)的抗壓強(qiáng)度，以及蔗根蔗皮軸向、徑向拉伸強(qiáng)度和蔗芯軸向、徑向拉伸強(qiáng)度及彎曲彈性模量[8-9]。還有學(xué)者對甘蔗在光刃刀片下的破壞形態(tài)及破壞力學(xué)進(jìn)行了探討[10-11]。劉增漢等利用計算機(jī)仿真模型，獲得了甘蔗在切割過程中最大剪應(yīng)力曲線及單元的位移曲線[12-13]。楊堅等研究了車輛前進(jìn)速度等多個因素對砍蔗破頭率的影響[14-15]。以上研究成果為降低甘蔗宿根破頭率提供了研究基礎(chǔ)，但均未考慮收獲機(jī)工作時其動態(tài)特性對破頭率的影響。甘蔗收獲機(jī)作業(yè)時，受到多種外界激勵的影響，其車架、刀盤均會產(chǎn)生軸向振動，課題組前期研究表明，這種振動對甘蔗切割質(zhì)量具有較大的影響[16]。而振動與收獲機(jī)本身的動態(tài)特性有密切的聯(lián)系。因此，本文以自研的兩臺不同結(jié)構(gòu)的小型整桿式甘蔗收獲機(jī)為研究對象，進(jìn)行了田間砍蔗試驗和動態(tài)特性測試試驗，探討收獲機(jī)動態(tài)特性與甘蔗宿根破頭率之間的聯(lián)系，為甘蔗收獲機(jī)的設(shè)計提供一些有益的參考。

1 不同結(jié)構(gòu)甘蔗收獲機(jī)的田間試驗

1.1 兩臺甘蔗收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)對比

試驗測試對象為自行研發(fā)的兩代小型整桿式甘蔗聯(lián)合收割機(jī)，即樣機(jī)1(第一代)和樣機(jī)2(第二代),如圖1所示。兩臺樣機(jī)在結(jié)構(gòu)上最大的不同點在于樣機(jī)1的切割器置于車架前端(即前輪軸之前約1 000mm)，呈外伸梁結(jié)構(gòu)；發(fā)動機(jī)位于車架后部(如圖1(c)所示)，發(fā)動機(jī)功率為60kW。樣機(jī)2切割器置于車架中部靠前處(即前輪軸之后約700mm)，呈簡支梁結(jié)構(gòu)；發(fā)動機(jī)位于駕駛倉后部，發(fā)動機(jī)功率為93kW。兩臺樣機(jī)均配置雙刀盤，每個刀盤配置雙刀片，均安裝有螺旋提升裝置。

1.2 田間砍蔗對比試驗

為了對比兩臺不同結(jié)構(gòu)的甘蔗收獲機(jī)作業(yè)時的甘蔗宿根破頭率，在廣西某農(nóng)場進(jìn)行了田間試驗。試驗所用甘蔗為一年宿根蔗，品種為粵糖159，試驗場地為平地。試驗時，收獲機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速恒定為650r/min,車輛前進(jìn)速度控制在0.4m/s，非入土切割。按照“《甘蔗收獲機(jī)械試驗方法》”(JB/T6275-2007 )[17]在其作業(yè)區(qū)間取10m壟長為一個樣本，統(tǒng)計指標(biāo)為甘蔗宿根破頭率，即統(tǒng)計10個樣本中甘蔗蔗根總數(shù)及裂紋過節(jié)蔗根總數(shù)。以樣本的過節(jié)蔗根總數(shù)與蔗根總數(shù)比值為破頭率，每種機(jī)型取10個樣本共計100m長度計算該機(jī)型的破頭率。所用設(shè)備為30m皮尺、秒表及激光測速儀。皮尺測量蔗壟長度，秒表測量收獲機(jī)行走一定距離的時間并以此計算車輛前進(jìn)速度；激光測速儀標(biāo)定刀盤的轉(zhuǎn)速。

(a) 樣機(jī)1 (b) 樣機(jī)2

(c) 樣機(jī)1結(jié)構(gòu)簡圖 (d) 樣機(jī)2結(jié)構(gòu)簡圖

1.3 田間試驗結(jié)果及分析

將田間統(tǒng)計結(jié)果作圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2 樣機(jī)1及樣機(jī)2田間作業(yè)甘蔗宿根破頭率

用SPSS對樣機(jī)1和樣機(jī)2的甘蔗宿根破頭率數(shù)據(jù)進(jìn)行獨立樣本t檢驗，結(jié)果表明：樣機(jī)1和樣機(jī)2 的10個樣本甘蔗宿根破頭率滿足齊次性要求(sig=0.087>0.05);t統(tǒng)計量的相伴概率值p小于0.01(sig=0.000 3<0.01),據(jù)此可以認(rèn)為樣機(jī)1和樣機(jī)2的破頭率存在顯著差異。

由圖2可知：樣機(jī)1甘蔗宿根平均破頭率為17.9%，樣機(jī)2平均破頭率為10.1%；樣機(jī)2甘蔗宿根破頭率低于樣機(jī)1，僅為后者的56%。在相同的工作參數(shù)下進(jìn)行的田間試驗，樣機(jī)1和樣機(jī)2甘蔗宿根破頭率出現(xiàn)了顯著差異且樣機(jī)2比樣機(jī)1要低。

2 不同結(jié)構(gòu)甘蔗收獲機(jī)的動態(tài)特性測試

甘蔗田間切割試驗結(jié)果表明：兩臺樣機(jī)的甘蔗宿根破頭率存在顯著差異，為找出其動態(tài)特性與破頭率之間的關(guān)系，對兩臺樣機(jī)進(jìn)行了一系列的動態(tài)測試試驗。

2.1 試驗設(shè)備和試驗方法

2.1.1 試驗設(shè)備

試驗由動態(tài)響應(yīng)測試及車架模態(tài)測試兩部分試驗組成，目的是研究不同結(jié)構(gòu)的兩臺樣機(jī)的動態(tài)響應(yīng)及車架模態(tài)頻率，并與上述田間試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，找出樣機(jī)動態(tài)特性與甘蔗宿根破頭率之間的聯(lián)系。動態(tài)響應(yīng)測試試驗的測試設(shè)備為東華公司的DH5938動態(tài)振動測試分析系統(tǒng)；車架模態(tài)測試試驗的測試設(shè)備為LMS的便攜式數(shù)采前端(Scadas Mobile)，兩者的最高采樣頻率均為20kHz;三軸加速度傳感器(PCB:356A16)10個，靈敏度為2.99PC/m.s-2，測量頻率范圍為1～5 000Hz，最大測量范圍為500m/s2； 086D05型激振器兩臺；激光轉(zhuǎn)速儀測量(AR926，測量范圍1～29 999r/min)。

2.1.2 試驗方法

2.1.2.1 動態(tài)響應(yīng)測試

兩臺樣機(jī)采用相同的測試方案，即分別進(jìn)行兩組單因素測試，對應(yīng)兩種激勵狀態(tài)：

1)單獨發(fā)動機(jī)激勵。該組試驗的試驗因素為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，共設(shè)置3個水平，分別為1 700、1 900、2 100r/min，對應(yīng)的測點為刀尖及車架前端，試驗指標(biāo)為兩處測點的軸向振動加速度峰峰值。

2)發(fā)動機(jī)+刀盤轉(zhuǎn)動激勵。該組試驗中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 900r/min，刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置3個水平，分別為為600、650、700r/min。對應(yīng)的測點為齒輪箱，試驗指標(biāo)為測點的軸向振動加速度峰峰值。試驗中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速表直接讀取，刀盤轉(zhuǎn)速由激光轉(zhuǎn)速儀標(biāo)定。

測點布置如圖3所示。圖3(a)為樣機(jī)1的測點布置，共有3個測點，測點1為刀尖測點，測點3為車架前端測點，測點2為齒輪箱測點；圖3(b)為樣機(jī)2 的測點布置，與樣機(jī)1相同，便于對比。其中，測點1和測點3在每臺樣機(jī)的第1組測試試驗中使用，即測量在單獨發(fā)動機(jī)激勵下，刀尖點和車架前端的振動加速度；測點2在第2組測試試驗中使用。因為第2組測試試驗中存在刀盤的轉(zhuǎn)動，試驗所使用的傳感器為有線式傳感器，無法在轉(zhuǎn)動的刀盤上使用，因此將測點布置在齒輪箱上，間接表示刀尖的振動。

(a) 樣機(jī)1測點布置

(b) 樣機(jī)2測點布置

2.1.2.2 車架模態(tài)測試

采用兩臺激振器對樣機(jī)進(jìn)行掃頻激振，激振頻率范圍為1～500Hz。測點布置在車架上，測點的布置采用均勻布置的方式[18]，采取每隔400mm布置一個的方法，兩臺樣機(jī)車架測點約為34個。采用移動傳感器的方法進(jìn)行測量，每臺樣機(jī)共需進(jìn)行3次測試。采集測點響應(yīng)信號后進(jìn)行處理分析，得出測試對象的各階約束模態(tài)振型和模態(tài)頻率。

圖4 樣機(jī)的整機(jī)模態(tài)測試

2.2 試驗結(jié)果與分析

2.2.1 動態(tài)響應(yīng)測試的結(jié)果與分析

2.2.1.1 刀尖測點振動

發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，樣機(jī)1及樣機(jī)2刀尖(測點1)的部分振動加速度時域信號如圖5所示。

圖5中，發(fā)動機(jī)單獨激勵，轉(zhuǎn)速1 900r/min；由于篇幅所限，這里只列出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為1 900r/min時的時域信號圖。

(a) 樣機(jī)1 1900r/min刀尖時域信號

(b) 樣機(jī)2 1900r/min刀尖振動時域信號

讀取樣機(jī)1及樣機(jī)2刀尖測點在不同轉(zhuǎn)速下的加速度峰峰值，做出對比折線圖如圖6所示。由圖6可知：兩臺樣機(jī)刀尖軸向振動加速度幅值均隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大；在刀尖處測點，樣機(jī)1的振動加速度遠(yuǎn)比樣機(jī)2大；在發(fā)動轉(zhuǎn)速分別為1 700、1 900、2 100r/min時，樣機(jī)1的振動加速度分別是樣機(jī)2的163%、266%及150%。

圖6 兩臺樣機(jī)的刀尖振動

2.2.1.2 車架前端測點振動

發(fā)動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下，部分樣機(jī)1及樣機(jī)2車架前端(測點2)振動加速度時域信號如圖7所示。讀取樣機(jī)1及樣機(jī)2車架前端測點軸向振動加速度峰峰值并作對比折線圖，如圖8所示。由圖8可知：兩臺樣機(jī)車架前端振動加速度均隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大；在車架前端測點(測點2)，樣機(jī)1的軸向振動加速度幅值遠(yuǎn)比比樣機(jī)2大；在發(fā)動轉(zhuǎn)速分別為1 700 、1 900、2 100r/min時，樣機(jī)1的軸向振動加速度幅值分別是樣機(jī)2的162%、404%及813%。

(a) 樣機(jī)1 1900r/min車架前端時域信號

(b) 樣機(jī)2 1900r/min車架前端時域信號

Fig.7 Time-domain signal of vibration of frame front end of prototype1and 2

圖8 樣機(jī)1及樣機(jī)2車架前端測點振動加速度對比

2.2.1.3 齒輪箱測點振動

樣機(jī)1及樣機(jī)2齒輪箱測點的部分振動時域信號如圖9所示。兩臺樣機(jī)齒輪箱軸向振動加速度峰峰值對比如圖10所示。由圖10可知：當(dāng)發(fā)動轉(zhuǎn)速為1 900r/min，對應(yīng)刀盤轉(zhuǎn)速分別為600、650、700r/min時，樣機(jī)1齒輪箱測點振動加速度分別為樣機(jī)2的1 581%、1 021%、1 395%。隨著刀盤轉(zhuǎn)速的提高，齒輪箱測點軸向振動加速度隨刀盤轉(zhuǎn)速的提高而增大。

圖9為發(fā)動機(jī)+刀盤轉(zhuǎn)動混合激勵，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 900r/min，刀盤轉(zhuǎn)速為600r/min。由于篇幅所限，這里只列出刀盤轉(zhuǎn)速為600r/min時的時域信號圖。

(a) 樣機(jī)1齒輪箱振動信號

(b) 樣機(jī)2齒輪箱振動信號

圖10 兩臺樣機(jī)齒輪箱測點振動加速度

通過兩臺樣機(jī)的動態(tài)響應(yīng)測試結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)：在相同的工作參數(shù)下，在3個測點所測得的軸向振動加速度均呈現(xiàn)出樣機(jī)1比樣機(jī)2大的勢態(tài)。

2.2.2 模態(tài)測試的結(jié)果與分析

兩臺樣機(jī)的部分模態(tài)振型如圖11所示。模態(tài)測試中其坐標(biāo)系X方向沿車輛前進(jìn)方向，Z方向垂直向上，Y方向按右手螺旋定則確定。樣機(jī)1及樣機(jī)2前6階模態(tài)頻率如表1所示。

從模態(tài)測試結(jié)果可知：樣機(jī)2的前6階模態(tài)頻率均比樣機(jī)1要高，其前6階模態(tài)頻率分別是樣機(jī)1的312.8%、193.4%、178.4%、139.6%、137.2%、149.1%。這說明樣機(jī)2的動態(tài)剛度遠(yuǎn)比樣機(jī)1要高。

(a) 樣機(jī)1一階模態(tài)

(b) 樣機(jī)2一階模態(tài)

階次模態(tài)頻率/Hz樣機(jī)1樣機(jī)216.38619.98214.11927.31322.43240.02432.28845.10537.50651.47644.73166.67

3 討論

在兩臺樣機(jī)的動態(tài)響應(yīng)測試試驗中，發(fā)現(xiàn)樣機(jī)1刀尖、齒輪箱、車架前端的振幅在相同條件下均比樣機(jī)2大。模態(tài)測試試驗結(jié)果表明：樣機(jī)2車架的前6階模態(tài)頻率均比樣機(jī)1的要高，即樣機(jī)2車架的動剛度比樣機(jī)1的高。這表明：從樣機(jī)2的結(jié)構(gòu)(切割器安裝位置處于前后輪之間呈簡支梁結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)位于駕駛艙后)動態(tài)特性角度來說優(yōu)于樣機(jī)1的結(jié)構(gòu)(切割器位于車架前端呈外伸梁結(jié)構(gòu)，發(fā)動機(jī)后置)。尤其是樣機(jī)1車架的1階固有頻率僅為6.386Hz。有文獻(xiàn)表明：當(dāng)收獲機(jī)的前進(jìn)速度為0.2～0.8m/s時，蔗地路面的激勵頻率在1～10Hz之間[19]。樣機(jī)1車架的1階固有頻率正處于蔗地路面的激勵頻率范圍之內(nèi)，導(dǎo)致樣機(jī)1在田間作業(yè)時車架產(chǎn)生共振從而加大了刀盤的軸向振幅；而樣機(jī)2 的1階固頻為19.98Hz，遠(yuǎn)離路面的激勵頻率，所以在路面激勵作用下其振動遠(yuǎn)比樣機(jī)1小。收獲機(jī)作業(yè)時切割器刀盤的轉(zhuǎn)速為600～700r/min,其對應(yīng)的頻率為10～11.67Hz，樣機(jī)1的2階固頻為14.119Hz，與刀盤的轉(zhuǎn)動頻率較為接近；樣機(jī)2的1階頻率為19.98Hz,遠(yuǎn)離切割器刀盤的轉(zhuǎn)動頻率。由于制造誤差的原因，兩臺樣機(jī)刀盤上所安裝的螺旋提升裝置均有不同程度的不平衡現(xiàn)象，轉(zhuǎn)動時其不平衡力激振頻率接近于樣機(jī)1 的2階固有頻率，很好地解釋了動態(tài)響應(yīng)測試中，在相同的刀盤轉(zhuǎn)速下，樣機(jī)1振動加速度遠(yuǎn)大于樣機(jī)2的原因。同時，收獲機(jī)刀盤在田間作業(yè)時由于泥土堆積、甘蔗輸送等原因，不可避免的產(chǎn)生質(zhì)量不平衡[20]，加上刀盤本身存在的不平衡，與上述理由相同，在田間試驗時樣機(jī)1刀盤軸向振動也遠(yuǎn)大于樣機(jī)2。

兩臺不同結(jié)構(gòu)的收獲機(jī)田間試驗結(jié)果表明：在相同的工作參數(shù)下(刀盤轉(zhuǎn)速、車輛前進(jìn)速度下)對相同品種的甘蔗進(jìn)行切割，樣機(jī)1和樣機(jī)2的甘蔗宿根破頭率存在顯著差異，樣機(jī)2的甘蔗宿根破頭率僅為樣機(jī)1的56%。結(jié)合以上分析，可以初步做出推論：樣機(jī)1甘蔗宿根破頭率遠(yuǎn)大于樣機(jī)2的原因為樣機(jī)2的動態(tài)剛度比樣機(jī)1大，導(dǎo)致作業(yè)時其刀盤軸向振動小于樣機(jī)1。因此，樣機(jī)2破頭率遠(yuǎn)比樣機(jī)1為小，兩臺樣機(jī)甘蔗宿根破頭率存在顯著差異，本質(zhì)上源自于兩者由于動態(tài)剛度不同而導(dǎo)致的切割器軸向振動的顯著差異。

4 結(jié)論

1)從結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的角度出發(fā)，可以認(rèn)為樣機(jī)2結(jié)構(gòu)優(yōu)于樣機(jī)1。

2)兩臺樣機(jī)動態(tài)響應(yīng)的顯著差異，源自于兩臺樣機(jī)動剛度的差異，即在收獲機(jī)各個激勵源的頻率范圍內(nèi)，由于樣機(jī)1的固有頻率較低而與激勵源的激勵頻率產(chǎn)生了共振，導(dǎo)致樣機(jī)1的各個測點的軸向振動遠(yuǎn)大于樣機(jī)1。

3)兩臺樣機(jī)田間試驗時，破頭率存在顯著差異的原因可以認(rèn)為源自于兩者車架及刀盤的軸向振動的顯著差異，車架及刀盤的軸向振動是破頭率產(chǎn)生顯著差異的直接原因。

4)甘蔗收獲機(jī)的設(shè)計應(yīng)充分考慮作業(yè)時刀盤軸向振動對甘蔗宿根破頭率的影響，采取有效措施抑制刀盤的軸向振動。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張上游,張?zhí)鞎?蔡宗壽,等.甘蔗收獲機(jī)械發(fā)展策略探討[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2010,32(1):249-252.

[2] Kroes S, Harris HD．Cutting forces and energy during an impact cut of sugarcane stalks[C]//EurAgEng’96 Madrid,1996:1-8．

[3] Kroes-S,Harris-H D.Variation of cutting energies along a sugarcane internode[J].Agricultural-Engineering-Australia,1996,25:3-55．

[4] Spinaze,Subramanian-C,Hogarth-DW.1999.Surface engineering of base cutter blades to reduce wear[C]//Proceedings of the 1999 Conference of the Austral Jan Society of Sugarcane Technologists,Townsville,Queensland,1999:191-195．

[5] Chang.-CS. Measuring cutting resistance of sugarcane stalk with pendulum[J]．Technical-Information-Digest(Phi1ippines),1982,24:1-11

[6] Gupta Cp. Design of the Revolving Knife-type Sugarcane Basecutter[J].American Society of Agriculture Engineer， 2002，35(6)：1747-1752.

[7] 劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂.光刃刀片切割甘蔗莖稈破壞過程高速攝像分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2007,38(10):31-35.

[8] 劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂，等.甘蔗莖稈在扭轉(zhuǎn)、壓縮、拉伸荷載下的破壞試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2006,22(6):201-204.

[9] 劉慶庭,區(qū)穎剛,袁納新.甘蔗莖在彎曲荷載下破壞研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004,20(3):6-9.

[10] 劉慶庭,區(qū)穎剛,卿上樂,等.甘蔗莖稈在光刃刀片切割下根茬破壞試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(3):103-107.

[11] 劉慶廷,區(qū)穎剛,卿上樂，等. 光刃刀片切割甘蔗莖稈時根茬破壞力學(xué)分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2007,38(9):70-73.

[12] 劉增漢，楊堅. 基于LS-DYNA的土壤-甘蔗-切割器系統(tǒng)的動力學(xué)仿真研究[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2010(5):29-31.

[13] 楊望,楊堅,劉增漢.入土切割對甘蔗切割過程影響的仿真試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(8):150-156.

[14] 麻芳蘭,何玉林,李尚平,等．甘蔗收獲機(jī)切割性能的模糊綜合評價與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2006,37(12):79-82．

[15] 林茂,楊堅,梁兆新,等．雙刀盤甘蔗切割器工作參數(shù)的試驗優(yōu)化研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究,2006(12):146-150.

[16] 戴小標(biāo).小型甘蔗收獲機(jī)切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)分析及試驗研究 [D].南寧:廣西大學(xué),2009.

[17] 中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). JB/T6275-2007《甘蔗收獲機(jī)械試驗方法》[S].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[18] 海倫.模態(tài)分析理論與試驗[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001:211-300.

[19] 楊代云.復(fù)雜激勵下甘蔗收獲機(jī)刀架振動特性試驗研究[D].南寧：廣西大學(xué),2016.

[20] 周敬輝，李尚平.甘蔗收獲機(jī)刀盤軸向振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2017,33(2):16-24.