劉芳建 楊學(xué)軍 方憲法 劉赟東 吳儉敏 趙金輝

(1.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083； 2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

甘蔗收獲機(jī)切段裝置主要有滾切式和砍切式兩種結(jié)構(gòu)[1]，由于滾切式切割破頭率低，對(duì)不同形式莖稈適應(yīng)性好，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、便于維護(hù)保養(yǎng)，被主流機(jī)型普遍采用。但在切段過程中會(huì)造成一定的糖分損失，包括蔗段損失、斷口損失和糖液損失，若切段裝置設(shè)計(jì)不合理或裝配誤差較大，損失會(huì)急劇增加。有研究表明，澳大利亞每年因切段過程而造成的糖分損失高達(dá)3 500萬美元[2]。此外，滾切式切段裝置功耗較高、對(duì)整機(jī)振動(dòng)較大。國外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)早期開發(fā)的切段結(jié)構(gòu)，往往只改善某項(xiàng)性能，綜合作業(yè)性能不及滾切式結(jié)構(gòu)[3-4]。隨著蔗段運(yùn)輸成本逐步提高，國外對(duì)切段裝置的研究方向是在保證切段質(zhì)量的前提下，能有效調(diào)節(jié)控制切段長(zhǎng)度，以提高物料的容積密度，降低運(yùn)輸成本[5-9]。國內(nèi)還未見對(duì)切段裝置的研究文獻(xiàn)，主要甘蔗機(jī)生產(chǎn)企業(yè)立足于提高切段質(zhì)量、切段穩(wěn)定性，不斷對(duì)滾切式結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善[10]，隨著我國切段式甘蔗收獲機(jī)的規(guī)?；瘧?yīng)用，對(duì)滾切式切段裝置的切段機(jī)理、切段損失等方面加以研究很有必要。因此本文對(duì)此加以研究。

1 滾切式切段裝置結(jié)構(gòu)理論分析

滾切式切段裝置主要由上切段輥、下切段輥、切段刀片、慣性輪、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、對(duì)刀機(jī)構(gòu)等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 滾切式切段裝置示意圖Fig.1 Sketch of rolling-cut type chopper1.慣性輪 2.上切段輥 3.切段刀片 4.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5.下切段輥

上、下切段輥依靠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反，兩切段輥圓周方向通過夾持機(jī)構(gòu)安裝有2～4排切段刀片，為保持工況的穩(wěn)定性，切段裝置往往安裝有飛輪裝置，以提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。隨著切段輥高速旋轉(zhuǎn)，上下配合的切段刀片一起完成對(duì)蔗莖的擠壓、切入、拋送。根據(jù)切段工序在整機(jī)工作流程的位置，可分為前置切段式、中置切段式、后置切段式，其中中置式與后置式結(jié)構(gòu)為有夾持切段(圖2)，前置式結(jié)構(gòu)為無夾持切段(圖3)。后置切段式其切段工序前具有輸送工序，輸送工序由多對(duì)開放式的輸送輥完成，輸送輥轉(zhuǎn)速可調(diào)，蔗莖在輸送輥夾持下被喂入切段裝置，這種結(jié)構(gòu)能有效降低含雜率，并能調(diào)節(jié)蔗段長(zhǎng)度，蔗段長(zhǎng)度較為均勻，該種結(jié)構(gòu)被國外主流機(jī)型普遍采用；前置切段式的切段工序緊跟根切工序，將根切后蔗莖直接切段[11-12]，切段裝置起著喂入、切段、拋送的功能，這種結(jié)構(gòu)對(duì)彎曲甘蔗適應(yīng)性較好，不易堵塞，但雜土喂入量較大，含雜率偏高，其結(jié)構(gòu)如圖3所示；中置式切段裝置綜合了前兩者的優(yōu)點(diǎn)，在蔗莖完成根切后設(shè)有一個(gè)行程較短的輸送過程，利于排出雜土且不顯著影響其對(duì)彎曲甘蔗適應(yīng)性，但該種布局也增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜度。上、下切段刀片應(yīng)有嚴(yán)格的配合關(guān)系，刀尖軌跡應(yīng)有一定的交錯(cuò)深度，且運(yùn)動(dòng)過程中不發(fā)生干涉碰撞，其關(guān)系是決定切段質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

圖2 有夾持切段示意圖Fig.2 Diagram of gripping chopper1、5.輸送輥 2.甘蔗 3.切段輥 4.已切蔗段

圖3 前置切段式收獲流程示意圖Fig.3 Diagram of chopper without gripping1.壓倒輥 2.甘蔗 3.根切刀盤 4.切段裝置 5.輸送刮板

刀輥直徑、喂入輥直徑及圓周方向刀片排數(shù)是影響切段長(zhǎng)度的重要參數(shù)[13]，對(duì)于切段裝置后置式收獲機(jī)，相關(guān)關(guān)系可近似用公式表達(dá)為[1]

(1)

式中L——蔗段長(zhǎng)度，m

d——輸送輥直徑，m

Z——切段輥周向刀的排數(shù)

n2——喂入輥轉(zhuǎn)速，r/min

n1——切段輥轉(zhuǎn)速，r/min

K——直徑修正系數(shù)，取1.1～1.2

由式(1)可以看出，當(dāng)裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，切段長(zhǎng)度取決于喂入輥與切段輥的轉(zhuǎn)速比。后置式切段裝置可以通過調(diào)節(jié)喂入輥的轉(zhuǎn)速，方便地調(diào)節(jié)蔗段長(zhǎng)度，且由于切段過程中輸送輥的夾持作用，蔗莖在此過程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，切段長(zhǎng)度較為均勻。

對(duì)于前置式切段裝置，由于切段工序緊跟根切工序，可依靠根切刀盤的螺旋提升作用和整機(jī)前進(jìn)速度將蔗莖喂入至切段刀作用區(qū)域。在切段過程中，蔗莖沒有前方輸送輥的夾持喂入作用，僅靠上下切段刀的咬合作用進(jìn)行自行喂入，據(jù)此推導(dǎo)出表達(dá)公式為

(2)

式中R——切段刀輥半徑(刀尖至軸心距離)

δ——長(zhǎng)度系數(shù)

由式(2)可看出，切段長(zhǎng)度主要受切段刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)影響，與刀輥圓周方向相鄰兩刀尖落在其軌跡圓弧上的長(zhǎng)度呈正相關(guān)關(guān)系，受工作參數(shù)影響并不顯著。但要保證切段質(zhì)量及切段過程的連續(xù)性，工作參數(shù)應(yīng)有一個(gè)最優(yōu)化范圍。長(zhǎng)度系數(shù)δ受莖稈喂入狀態(tài)、喂入量、甘蔗莖稈間拖滯作用等因素交互影響，其具體機(jī)理還有待于深入研究。

切段過程與根切過程原理不同，根切刀片依靠慣性將蔗段切斷，屬于無支撐切割，切割質(zhì)量受轉(zhuǎn)速、切割角等因素影響較大，其切斷機(jī)理、切根質(zhì)量控制研究已較為成熟[14-17]，而切段過程中刀片對(duì)蔗段產(chǎn)生滾切作用，上下刀片互為支撐，其切段機(jī)理研究較少。切段過程中發(fā)生的損失形式多樣，有研究按其斷口形式將其分類[18]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)加權(quán)量化，可以方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)的優(yōu)化。由于切段輥轉(zhuǎn)速較高，單次切段過程往往只需要幾毫秒至十幾毫秒，因此，運(yùn)用高速攝像機(jī)對(duì)切段過程進(jìn)行觀察，分析上下刀片對(duì)蔗莖的滾切過程，在此過程中分析蔗段的斷口成型、成因，以及蔗段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2 切段裝置試驗(yàn)臺(tái)與整機(jī)割臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)

綜合以上分析并結(jié)合前期研究，試驗(yàn)臺(tái)切段刀輥采用圓周方向3排刀片布置，刀片軌跡半徑最大167 mm的結(jié)構(gòu)參數(shù)。前期研究表明，上下配合刀輥刀尖應(yīng)有一定的交錯(cuò)深度，可保證蔗段與蔗葉的有效切段，若無交錯(cuò)深度或者交錯(cuò)深度過小，當(dāng)?shù)镀l(fā)生一定的磨損后，切段質(zhì)量將嚴(yán)重下滑，蔗段含雜率也隨之上升，因此兩輥中心距設(shè)為318 mm，刀尖交錯(cuò)深度最大為12 mm。相互作用的上、下刀片有較嚴(yán)格的配合關(guān)系，圖4為裝配后上、下刀片實(shí)物圖。因此上、下刀輥依靠支架外側(cè)第二級(jí)減速箱體內(nèi)齒輪傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向相反、轉(zhuǎn)速相同、傳動(dòng)比準(zhǔn)確。

圖4 上下刀片配合示意圖Fig.4 Photograph of blades in assembly

試驗(yàn)臺(tái)由一臺(tái)額定功率15 kW的變頻電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，電動(dòng)機(jī)由變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同的刀輥轉(zhuǎn)速。電動(dòng)機(jī)與切段裝置支架一側(cè)第一級(jí)減速箱體實(shí)現(xiàn)動(dòng)力對(duì)接。第一級(jí)減速箱體通過支架中間箱體內(nèi)傳動(dòng)軸與支架另一端第二級(jí)減速箱體連接。中間箱體既起到對(duì)整個(gè)裝置的支撐作用，還能防止蔗段飛離預(yù)定拋送軌跡，避免對(duì)試驗(yàn)人員造成傷害。為使高速攝像機(jī)觀察切段過程，應(yīng)在支架另一側(cè)上下刀輥交錯(cuò)區(qū)域開設(shè)有探視口，為防止蔗段等異物飛出傷人，應(yīng)在探視口固定有機(jī)玻璃。試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示。

圖5 切段裝置試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Photograph of chopper experimental device

2.2 整機(jī)割臺(tái)

圖6 切段裝置前置式割臺(tái)縱向剖視圖Fig.6 Cutaway view of header charactered by front-load chopper1.壓倒輥 2.根切刀盤 3.切段裝置 4.伸縮油缸掛耳

由中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的切段式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)，采用了切段裝置前置式結(jié)構(gòu)，收獲流程為切梢—壓倒—根切—切段—輸送—排雜—升運(yùn)。其中位于整機(jī)前部的割臺(tái)(圖6)一次完成壓倒、根切、切段，將蔗段拋送至整機(jī)腹部輸送通道，割臺(tái)由液壓油缸控制切割高度。輸送通道將蔗段和切碎蔗葉混合物輸送至整機(jī)后部并拋送至排雜艙。割臺(tái)切段裝置基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與試驗(yàn)臺(tái)相同。根切刀盤與切段輥均由液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，可通過電磁比例閥調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，二者轉(zhuǎn)速信息由傳感器采集，并通過數(shù)字顯示器在駕駛室實(shí)時(shí)顯示。

上、下刀片的交錯(cuò)深度可通過改變刀片與安裝座相對(duì)位置來調(diào)節(jié)。在切段裝置傳動(dòng)部件上，設(shè)有調(diào)刀機(jī)構(gòu)，可通過改變齒輪與刀軸安裝角度對(duì)上、下刀的相位配合關(guān)系進(jìn)行微調(diào)，可在刀片出現(xiàn)一定磨損后進(jìn)行調(diào)節(jié)以繼續(xù)保證最佳工況。

3 試驗(yàn)

3.1 高速攝像試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備及材料包括：FASTEC IMAGING公司生產(chǎn)的TS3型高速攝像機(jī)一臺(tái)，日本精工AVENIR LENS2.5mm-F1.4型鏡頭一個(gè)、切段裝置試驗(yàn)臺(tái)、新聞燈2臺(tái)、相機(jī)支架、盒尺等。試驗(yàn)用甘蔗為3年生宿根蔗，人工收割，均帶有葉梢。

3.1.2試驗(yàn)與結(jié)果分析

用支架將高速攝像機(jī)固定于探視口處，為防止機(jī)架振動(dòng)影響攝像機(jī)的拍攝，應(yīng)注意使支架、攝像機(jī)避免與機(jī)架接觸。試驗(yàn)前應(yīng)根據(jù)光源強(qiáng)度和甘蔗喂入位置預(yù)調(diào)節(jié)好攝像機(jī)光圈和焦距，使成像盡可能清晰。成像視野應(yīng)能觀察到切段前后整個(gè)過程，在此基礎(chǔ)上應(yīng)盡量使快門速度提高。錄像完畢后可同時(shí)保存成視頻與照片兩種格式。

由高速攝像可觀察到：蔗莖喂入至切段裝置工作區(qū)域內(nèi)時(shí)，首先會(huì)受到上刀片或者下刀片的打擊，這取決于蔗莖的喂入位置，對(duì)于前置式切段裝置而言，該位置具有很大的隨機(jī)性。當(dāng)蔗莖受到打擊后，運(yùn)動(dòng)至上下輥中性面附近，在該位置上、下刀片一起接觸蔗莖，開始對(duì)蔗莖形成滾切作用。蔗莖由兩刀片夾持后，在軸向方向會(huì)發(fā)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，但其蔗莖方向基本與輥間中性面重合。隨著輥的旋轉(zhuǎn)，上、下刀片迅速擠壓、切入蔗莖內(nèi)部，同時(shí)上、下刀片帶動(dòng)蔗莖運(yùn)動(dòng)，保證了甘蔗的持續(xù)喂入。當(dāng)喂入帶梢部甘蔗時(shí)，可觀察到包裹在蔗莖上的蔗葉在刀片的滾切作用下隨蔗段一起被切斷，并在隨后刀片拋送作用下與蔗段分散，但當(dāng)梢部末端葉片喂入時(shí)，由于葉片自身物理性質(zhì)，加之缺少有效支撐，葉片會(huì)有一定量通過上下刀片交錯(cuò)間隙(圖7)。

圖7 梢末端蔗葉未被切斷Fig.7 Tail end of cane tip

上、下刀片從開始切入蔗莖到運(yùn)動(dòng)至兩刀片最大交錯(cuò)深度位置過程中，隨著刀輥旋轉(zhuǎn)，刀片切入蔗莖深度加大，照片顯示刀片被前后蔗段緊緊夾裹，當(dāng)?shù)镀\(yùn)動(dòng)接近最大交錯(cuò)深度時(shí)，蔗莖已完成切段，上、下刀片在喂入方向的位差是產(chǎn)生臺(tái)階斷口的主要原因。當(dāng)?shù)镀^續(xù)旋轉(zhuǎn)越過最大交錯(cuò)位置，被切下的蔗段由于受刀片擠壓釋放，往往會(huì)發(fā)生上翹，并在刀片的推動(dòng)下被拋出切段裝置，后續(xù)未切段蔗莖依靠慣性繼續(xù)喂入至切段裝置，但運(yùn)動(dòng)方向表現(xiàn)出隨機(jī)性，若撞擊到刀座則造成速度迅速降低(圖8)，進(jìn)而使后續(xù)蔗莖切段大大減短。

圖8 切段過程中蔗段撞擊刀輥Fig.8 Impact between cane and chopper drum during chopping process

自刀片接觸蔗莖到刀片將蔗段拋出的整個(gè)過程，都可觀察到大量莖稈纖維碎屑飛出(圖9)，碎屑直徑從不到一毫米到十幾毫米不等，經(jīng)分析認(rèn)為，較小的碎屑為高速旋轉(zhuǎn)刀片切入蔗莖后，斷口附近維管束組織受擠壓發(fā)生破壞并在沖擊下飛出，而直徑較大的碎屑則是由于蔗莖內(nèi)部組織的不均勻性，當(dāng)其受到?jīng)_擊時(shí)發(fā)生斷裂破損；當(dāng)甘蔗以簇喂入時(shí)，蔗莖間會(huì)在刀片的作用下發(fā)生擠壓，擠壓區(qū)域易發(fā)生劈裂，糖液損失較大。以上兩種情況為切斷過程糖分損失的主要原因。

圖9 切段過程產(chǎn)生的碎屑Fig.9 Chippings produced during chopping process

3.2 田間性能試驗(yàn)

考慮到試驗(yàn)臺(tái)的局限性，進(jìn)行了割臺(tái)性能田間試驗(yàn)(圖10)，考核前置切段式結(jié)構(gòu)的切段質(zhì)量與切段長(zhǎng)度。試驗(yàn)于2017-2018年榨季在廣西金光農(nóng)場(chǎng)青年分場(chǎng)進(jìn)行，所用甘蔗為3年生宿根蔗。

圖10 田間試驗(yàn)及切段質(zhì)量評(píng)估Fig.10 Field experiment and quality evaluation

3.2.1切段質(zhì)量試驗(yàn)

基于前述理論分析，試驗(yàn)以刀片交錯(cuò)深度、切段輥轉(zhuǎn)速、整機(jī)行駛速度為影響因素，以蔗段合格率為指標(biāo)進(jìn)行考核，通過正交試驗(yàn)[19]研究三因素對(duì)切段質(zhì)量的影響規(guī)律。表1為試驗(yàn)因素與水平。

表1 試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Test factors and levels

試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)工況下，選取同一地塊單行100 m長(zhǎng)度蔗地進(jìn)行整機(jī)收獲，試驗(yàn)設(shè)置與結(jié)果見表2，A、B、C列分別表示交錯(cuò)深度、切段輥轉(zhuǎn)速、行駛速度的水平值。蔗段合格率Cdh[20]計(jì)算公式為

(3)

式中Wdh——合格蔗段的質(zhì)量，kg

Wdz——測(cè)定區(qū)內(nèi)接取的蔗段總質(zhì)量，kg

統(tǒng)計(jì)蔗段時(shí)，每個(gè)工況隨機(jī)抽取100根蔗段。試驗(yàn)結(jié)果分析見表3。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 Experiment design and result

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

由極差分析結(jié)果(RA=0.08,RB=0.02,RC=0.06)可看出，三因素對(duì)蔗段合格率的影響由大到小為A、C、B，由方差分析結(jié)果：FA>FC>F0.95(2,2),FB

將割臺(tái)參數(shù)設(shè)置成交錯(cuò)深度4 mm,行駛速度2 km/h,切段輥轉(zhuǎn)速300 r/min時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，蔗段合格率為93%。由此可見通過正交試驗(yàn)優(yōu)化了影響蔗段合格率的影響因數(shù)，取得了最佳工作參數(shù)。

3.2.2切段長(zhǎng)度試驗(yàn)

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，切段輥轉(zhuǎn)速對(duì)前置式切段裝置的切段長(zhǎng)度影響并不顯著，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定范圍后，即可實(shí)現(xiàn)蔗段的連續(xù)喂入，切段長(zhǎng)度穩(wěn)定在一定區(qū)間，轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，裝置工作效率提升，可適應(yīng)較大的喂入量，但切段長(zhǎng)度變化不明顯?，F(xiàn)將切段輥轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在300 r/min，對(duì)切段長(zhǎng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求證式(2)中的長(zhǎng)度系數(shù)δ。

根據(jù)蔗段長(zhǎng)度，以20 mm為一區(qū)間，將長(zhǎng)度分級(jí)，隨機(jī)抽取500根蔗段作為樣本，對(duì)蔗段長(zhǎng)度總體進(jìn)行估計(jì)。統(tǒng)計(jì)落在每級(jí)的蔗段數(shù)量。

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入SPSS軟件進(jìn)行K-S單樣本檢驗(yàn)，并繪制直方圖(圖11)。由直方圖可知切段長(zhǎng)度近似符合正態(tài)分布，將其樣本均值代入式(2)，得長(zhǎng)度系數(shù)δ=0.7。

圖11 長(zhǎng)度分布直方圖Fig.11 Histogram of billet length

4 結(jié)論

(1)對(duì)比分析了切段裝置前置式、中置式、后置式3種收獲流程的優(yōu)點(diǎn)與不足。指出切段裝置上、下刀片的配合關(guān)系是決定切段質(zhì)量的重要因素，其交錯(cuò)深度決定段口質(zhì)量、蔗葉分離等效果。

(2)通過高速攝像試驗(yàn)，觀察到切段過程刀片對(duì)蔗莖、蔗葉的滾切過程，蔗段運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以及切段損失形成過程，為裝置優(yōu)化提供了依據(jù)。

(3)通過田間正交試驗(yàn)，證明了交錯(cuò)深度、行駛速度對(duì)蔗段合格率影響顯著，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化的參數(shù)組合下，蔗段合格率達(dá)到93%。

(4)基于前置切段式結(jié)構(gòu)理論分析，推導(dǎo)了前置切段式切段長(zhǎng)度公式，并基于統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)求得長(zhǎng)度系數(shù)δ為0.7，其長(zhǎng)度符合正態(tài)分布規(guī)律。