甘蔗收割机物流堵塞影响因素的试验研究

赖　晓，郭文峰，黄海波，张　讯，胡子为，曾　沛，孙艺嘉

(广西大学 机械工程学院，南宁　530004)



甘蔗收割机物流堵塞影响因素的试验研究

赖晓，郭文峰，黄海波，张讯，胡子为，曾沛，孙艺嘉

(广西大学 机械工程学院，南宁530004)

摘要：为探讨甘蔗物流堵塞的成因与影响因素，在自制的小型甘蔗收割机上进行物流通畅性试验，通过正交试验分析了砍蔗刀盘转速、提升装置表面材料、喂入辊转速及喂入辊耙齿形状等因素对甘蔗通过堵塞关键节点(即砍蔗机构)的时间的影响。结果表明：提升装置表面材料、砍蔗刀盘转速及喂入辊耙齿形状对甘蔗物流通过时间有显著影响，提升装置表面材料的摩擦因数大则甘蔗通过砍蔗系统的时间缩短，在一定程度上提高刀盘转速和改进喂入辊耙齿形状也能提高甘蔗物流通畅性。

关键词：甘蔗；收割机；物流堵塞

0引言

甘蔗收割机物流堵塞问题是目前我国甘蔗收割机研究的瓶颈[1-4]。国内外不少学者已从机械收获甘蔗流程中的运动学、动力学方面对其展开了研究[5-6]。沈中华应用排队论的理论分析了甘蔗物流堵塞的成因，认为甘蔗物流的输送速度和物流通道宽度与生产效率不匹配是其主要原因[7]。李立新、解福祥等研究了螺旋状物流防堵机构以防止甘蔗在剥叶机构中堵塞[8-9]。在甘蔗收割机样机研制和试验中，甘蔗物流堵塞容易发生的关键点在砍蔗系统与喂入系统的交界处及剥叶系统入口处。物流通道宽度常受制于整机尺寸而难以改进，而调整物流输送速度需要先了解哪些因素是影响甘蔗物流输送的主要因素。为此，本文采用高速摄影的手段拍摄甘蔗通过砍蔗系统的过程[10-12]，通过 正交试验分析砍蔗刀盘转速、提升装置表面材料、喂入辊转速及喂入辊耙齿形状等因素对甘蔗物流通畅性的影响，以期进一步提出改进甘蔗物流堵塞的措施和方法。

1试验方案

1.1　试验材料

试验材料所用甘蔗为广西钦州产的桂柳1号，蔗根至蔗梢平均长度为2 000mm，无明显破损，蔗秆直径平均在17～23mm之间，直线度偏差小于10mm。

1.2　试验设备

试验采用的是本课题组与广西某农机企业合作研制的小型整杆式甘蔗联合收割机，其基本结构如下图1所示。

1.切顶器　2.扶蔗系统　3.压蔗辊

甘蔗在收割机内的物流通道主要由切割系统、喂入系统、剥叶系统和输送系统等组成。工作时，甘蔗被双圆盘切割系统切断根部,甘蔗由原来的直立状态往前倒下改变为水平状态,继而依靠收割机前行和刀盘提升装置作用进入物流通道,依次进入喂入系统和剥叶系统,最后经输出系统输出。其中，物流堵塞易发生在切割系统与喂入系统之间的节点。所以，本次试验主要测试甘蔗在切割系统物流段的通畅性。

1.3　试验方法

通过L273-7正交试验方法，测试砍蔗刀盘转速、提升装置表面材料、喂入辊转速及喂入辊耙齿形状4个因素3个水平；采用高速摄影的手段采集甘蔗在小型收割机中通过切割系统物流段的时长作为指标，时长越短则通畅性越好，从而分析各因素对甘蔗通过切割系统物流段通畅性的影响。

提升装置表面材料测试有3种：一是甘蔗收割机本身自带的钢筋；二是聚乙烯塑料薄膜；三是是轮胎内胎的剪切片。将材料覆贴好在提升装置上的图片如图2、图3所示。

图2　聚乙烯塑料薄膜

图3　轮胎内胎

整体试验方案如下表1所示。喂入辊耙齿形状测试锯齿形、梯形和带一定倒角的锯齿形3种水平，如图4所示。

表1　试验方案

图4矩形耙齿与梯形耙齿

1.4　试验仪器

仪器包括 ：强光感性的针孔式XTXSM电荷耦合摄像头、DH/DVR2104C-W/-AF-DVR-| |-A-4-0数字硬盘录像机、USB-1504X视频采集卡、PHILIPS显示器、摄像机专用电源及转接线。布置测点时，选取甘蔗收割机的切割器处、切割器与喂入辊交界处。试验仪器实景连接和原理如图5、图6所示。

图5　仪器布线实图

图6　仪器布线原理图

2试验结果与分析

通过高速摄影试验中甘蔗的运动情况如图7所示。

图7　甘蔗通过切割装置的高速摄影

图7(a)~(f)是收割机前进速度为530mm/s、每簇甘蔗数量为1株、每株甘蔗的间距为400mm时拍得的部分高速摄影截图。在图7(a)中,第1株甘蔗在第8s时被切断,在1.43s后图7(d)中显示已输送完毕；第2株甘蔗在15s时被切断,在1.88s后图7(f)中显示输送完毕。统计本次试验结果及进行方差分析，如表2和表3所示。

表2　试验结果

续表2

2.1　提升装置表面材料影响分析

从方差分析表可以看出：提升装置表面材料对甘蔗通过砍蔗系统物流段的时间有极其显著的影响。这是因为各材料的摩擦因数是各不相同的，轮胎胶皮的摩擦因数比无覆盖层裸露钢筋的摩擦因数更大，则甘蔗与提升装置表面的动摩擦力得到明显增大，那么就可以推动甘蔗向后输送得更快；而光滑薄膜的摩擦因数在三者中最小，甘蔗与提升装置间的摩擦力小，所以甘蔗在砍蔗系统中通过的时间最长。

可以进一步增加几组试验对比刀盘不同转速下(500～850r/min)3种提升装置表面材料对甘蔗通过砍蔗系统的影响，得到的结果如图8所示。

图8　不同摩擦系数下甘蔗滞留时间图

从图8可以看出：轮胎胶皮的提升机构表面材料能大大缩短甘蔗在切割器处的滞留时间；刀盘转速750~800r/min为最佳转速，在同为最佳转速下甘蔗滞留时间比在无覆盖层的钢筋提升装置条件下缩短16.4%。也就是说，甘蔗与机构间摩擦因数增大，甘蔗在切割器处的滞留时间缩短，有利于甘蔗的输送。

2.2　砍蔗刀盘转速影响分析

方差分析表同时也表明：提高砍蔗刀盘的转速对缩短甘蔗在砍蔗系统的滞留时间有显著影响。从图8可以看出：提升装置覆盖了塑料薄膜后甘蔗通过砍蔗系统的时间在刀盘转速达到700r/min之前都是随着该转速提高而逐渐减少的，但之后刀盘转速再提高，甘蔗通过砍蔗系统的时间却又逐渐增大了；无覆盖层裸露钢筋的提升装置和覆盖了轮胎胶皮的状态下，甘蔗通过砍蔗系统的时间在刀盘转速达到750r/min之前都是随着刀盘转速提高而逐渐减少的，但之后刀盘转速再提高，甘蔗通过砍蔗系统的时间却又逐渐增大了。所以，甘蔗通过砍蔗系统的时间最优的砍蔗刀盘转速为750r/min。

其原因在于：提高刀盘转速可以增大甘蔗与机构的动摩擦力，但是当切割器的转速达到一定的临界值时，甘蔗容易在螺旋提升机构上跳动，与提升机构的接触不充分，所以甘蔗滞留砍蔗系统时间亦会增加。因此，砍蔗刀盘的转动速度也不能无限制提高。

2.3　喂入辊耙齿形状影响分析

喂入辊耙齿形状对改善甘蔗从砍蔗系统通过的通畅性也有较显著影响，梯形齿形的喂入辊使得甘蔗在砍蔗系统的滞留时间相对最短。比较前述正交试验中所得在3种耙齿状态下甘蔗在砍蔗系统滞留时间，取3次重复试验均值，结果如图9所示。

图9　不同耙齿形状下甘蔗滞留时间图

当喂入辊转速为200r/min时，梯形耙齿相对矩形耙齿能让甘蔗滞留时间减少约28%。梯形耙齿对不同直径的甘蔗有一定的调节作用，相对矩形耙齿能减少对大直径甘蔗的阻碍，所以甘蔗通过砍蔗系统的时间也得到缩短。

喂入辊转速对提高甘蔗在砍蔗系统的通畅性无显著影响，在于3个水平之间速度差别不是很大。

3结论

1)砍蔗机构的提升装置表面材料对甘蔗通过砍蔗系统时间有显著影响。有利于增大甘蔗与机构间摩擦力的材料能明显提高甘蔗从砍蔗系统通过的通畅性，在刀盘以750r/min转动下轮胎胶皮材料比裸露钢筋有利于缩短16.4%的时间。

2)砍蔗刀盘转速提高对缩短甘蔗通过时间也有显著影响，但转速过高易引起甘蔗与机构接触不充分，所以不宜提速太大。

3)耙蔗辊齿形对改善甘蔗物流通过性有明显作用，梯形齿形比矩形齿形更有利于甘蔗通过。

参考文献：

[1]程绍明,王俊,王水维.我国整杆式甘蔗联合收割机的现状和问题[J].现代农业科技,2013(20):193-194.

[2]梁伟,王斌武.甘蔗收割机发展现状与前景展望[J]. 科技信息，2011(5)：31-33.

[3]Ou yinggang, Malcolm Wegener, Yang Dantong, et al. Mechanization technology: The key to sugarcane production in China[J].Int J Agric& Biol Eng,2003,6(1):1-27.

[4]李明,黄晖.甘蔗收获机械的研究现状与进展分析[J].农业机械,2008(1):54-64.

[5]解福祥,区颖刚,刘庆庭,等.甘蔗收获机物流虚拟试验[J].农业机械学报, 2010,41(9):90-94.

[6]傅隆正,蒙艳玫,董政,等.整秆式甘蔗联合收获机整机物流设计与仿真[J].农机化研究,2012,34(2):19-23.

[7]沈中华，李尚平，麻芳兰，等.基于FLEXSIM 和ADAMS 的小型甘蔗收获机喂入能力的仿真及试验[J].农业机械学报,2014,41(9):90-94.

[8]李立新,陈伟叙,程志清,等.小型甘蔗收获机物流防堵机构的设计与仿真分析[J].农机化研究,2008(11):84-87.

[9]莫肈福,区颖刚,刘盛,等.整秆式甘蔗收割机割防堵装置的设计[C]//纪念中国农业工程学会成立30周年暨中国农业工程学会2009年学术年会(CSAE 2009)论文集.太原:中国农业工程学会,2009.

[10]程蕾.转镜式高速摄影光学系统设计与研究[D].西安:中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)，2011.

[11]R. R. Price, R. M. Johnson, R. P. Viator,et al. Fiber optic yield monitor for a sugarcane harvester [J].Transactions of the ASABE, 2011,54(1):31-39.

[12]刘庆庭,区颖刚,卿上乐，等.光刃刀片切割甘蔗茎秆破坏过程高速摄像分析[J].农业机械学报, 2007,38(10):31-35.

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

中图分类号：225.5+3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)10-0155-05

作者简介：赖晓(1979-),女，广西北流人，博士，(E-mail)dawnlx1979@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465006)；广西制造系统与先进制造技术重点试验室项目 (14-045-15S01)；广西大学科研基金项目(XBZ120838)；广西大学“大学生创新创业训练计划”项目(20141059309062)

收稿日期：2015-09-30