甜菜切顶机的设计与试验研究

何磊，刘向新，李斌，胡斌，李阳

(1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子　832000；2.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子　832000)



甜菜切顶机的设计与试验研究

何磊1，刘向新1，李斌1，胡斌2，李阳2

(1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子832000；2.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子832000)

摘要：【目的】 针对甜菜分段收获过程中切顶作业切削损失大、效率低、效果不理想等问题，设计一种集切缨、仿形、切顶为一体的甜菜切顶机.【方法】 运用CAD软件设计整机结构及主要工作部件；采用L16(43)正交试验设计，对影响机具切顶性能的因素进行分析，确定最优参数组合，并进行田间试验验证.【结果】 弹簧预紧力对切顶合格率、少切率和多切率的影响极为显著；作业速度对切顶合格率影响较为显著，对少切率和多切率影响不大；滚筒转速对切顶合格率、少切率和多切率的影响最小.各因素对切顶性能影响程度依次为：弹簧预紧力>作业速度>滚筒转速.【结论】 当弹簧预紧力为250 N，作业速度为5 km/h，滚筒转速为1 100 r/min时，机具作业性能最佳，切顶合格率达到85%，少切率为5.8%，多切率为9.2%，能够满足生产要求.

关键词：甜菜；切顶机；CAD

甜菜是我国第二大糖料作物，不仅是制糖工业的主要原料，而且其茎叶和糖渣是家畜的优良饲料[1-3].甜菜收获机械是甜菜产业发展的重要环节，但国内甜菜的收获方式还是以人工为主，用工量大、成本高、效率低，收获机械化水平低，严重制约了甜菜产业的发展.国外甜菜收获采用联合作业，其机具的购买和维修成本较高，未能推广使用.我国现阶段甜菜收获都采用分段式收获，包括打缨、切顶、挖掘、输送等环节，工序长且复杂[4-6].目前的甜菜收获机普遍采用切平顶的方法去除根头部分，但是对大小不一的甜菜不能实现准确切顶，造成切削损失大、作业效果差等问题.针对上述问题，本试验设计了一种集切缨、仿形、切顶为一体作业的甜菜切顶机，能够适应我国甜菜的种植模式，满足切顶农艺要求，为甜菜机械化收获过程中提高切顶质量提供参考和科学依据.

1总体结构及工作原理

1.1总体结构

结合甜菜的种植模式、株行距、垄作高度、顶部物理特征、力学特性[7-8]等参数设计了一种集切缨、仿形、切顶一体作业的甜菜切顶机.主要由三点悬挂架、变速箱、主机架、中间轴、仿形机架、液压弹簧减震器、锯齿仿形滚筒、地面仿形装置等组成，其总体结构如图1所示，主要技术参数如表1所示.

1.三点悬挂架；2.变速箱；3.主机架；4.中间轴；5.仿形机架；6.液压弹簧减震器；7.锯齿仿形滚筒；8.地面仿形装置.图1　甜菜切顶机结构Fig.1　The structure of beet top cutting machine

参数数值外形尺寸(长×宽×高)/mm1420×2354×1310工作幅宽/mm2354整机质量/kg114挂接方式悬挂配套动力/kW33.1作业速度/(km·h-1)4～7可靠性/%≥95

1.2工作原理

甜菜切顶机与拖拉机通过三点悬挂架连接，拖拉机输出动力通过变速箱传递给由套筒、调心轴承固定于主机架上的中间轴，再通过带传动驱动锯齿仿形滚筒高速旋转.仿形机架后端设有地面仿形装置，可根据甜菜种植模式和生长状况调节整机作业高度，实现锯齿仿形滚筒及整机的地面仿形，当遇到小石块、土块等障碍物时起到保护切刀的作用.安装于主机架上的液压弹簧减震器，可通过调节弹簧预紧力控制甜菜顶端切削量，同时可起到缓冲减震作用，避免锯齿仿形滚筒上下起伏过大，造成机具震动损伤.机具随机车前进时，锯齿仿形滚筒表面的锯齿紧贴甜菜顶部并切入一定深度，滚筒上的切刀将甜菜顶部的青苔和茎叶迅速切除，实现仿形与切顶一体化作业.

2主要工作部件设计

2.1锯齿仿形滚筒的设计

锯齿仿形滚筒是甜菜切顶机的关键工作部件，主要由5个仿形辊、连接在仿形辊之间的切刀、旋转轴套筒组成.为了增加仿形可靠性，仿形辊的圆周外圆做成锯齿形.锯齿的轮廓应为圆滑曲线，是较大圆半径的渐开线齿廓，以防止工作时挂草.5个仿形辊组成一个完整的仿形滚筒，安装于同一轴上，仿形滚筒的宽度及仿形辊之间的间隙主要由甜菜块根的大小、块根相对中心线的偏离程度及工作时仿形滚筒的对行偏差来决定[9-10].仿形辊之间的间隙两边较宽，中间略窄，结构如图2所示.各锯齿仿形滚筒间的距离可根据甜菜的种植行距调节.

1.仿形辊；2.切刀；3.旋转轴套筒.图2　锯齿仿形滚筒Fig.2　The structure of sawtooth shape cutting roller

2.2液压弹簧减震器的设计

液压弹簧减震器是甜菜切顶机的核心部件，由预紧力调节器、压缩弹簧、活塞杆和液压油缸组成，液压油缸内加注液压油.机具工作时，在液压减震器压缩弹簧的预紧力和仿形滚筒的重力作用下，锯齿仿形滚筒紧贴甜菜顶部，通过高速旋转的切刀将顶部切除.液压减震器可使锯齿仿形滚筒始终与高矮不一的甜菜顶部紧密接触，保证切削量一致，起到较好的仿形作用，从而减少漏切和少切，提高作业效率.其活塞杆和液压缸可对弹簧伸缩起到一定缓冲作用，避免弹簧过度压缩引起疲劳损坏.通过预紧力调节器调节压缩弹簧的预紧力来调节锯齿仿形滚筒与甜菜顶部的接触高度，进而控制切削量.其结构如图3所示.

1.预紧力调节器；2.压缩弹簧；3.活塞杆；4.液压油缸.图3　液压弹簧减震器Fig.3　Hydraulic spring shock absorbers

2.3地面仿形装置的设计

地面仿形装置主要由预紧螺母、压缩弹簧、支杆、弧形仿形板等组成.机具作业时，弧形仿形板通过压缩弹簧作用力贴合地面前行，实现整机地面仿形.当遇到小石块、土块等障碍物时，依靠弧形仿形板前端的弧度滑过障碍物，提高了机具的田间通过性，从而达到较好的切顶作业效果.同时还可起到降低机械振动、保护切顶机的作用.根据甜菜生长情况、地面状况，通过调节弹簧预紧力调节整机作业高度(图4).

1：预紧螺母；2：压缩弹簧；3：支杆；4：弧形仿形板.图4　地面仿形装置Fig.4　The structure of ground copying device

3试验设计

3.1试验条件

试验地种植甜菜品种为‘KWS6138’，种植模式：一膜两行、膜宽90 cm、株距18 cm、50 cm等行距.甜菜均处于收获期，茎叶茂盛，生长状况良好.选用约翰迪尔454轮式拖拉机，配套动力为33.1 kW.

3.2试验因素与水平

为了确定影响切顶性能切顶合格率、少切率、多切率的各个因素及各因素对试验指标影响的主次关系，对切顶机进行正交试验，根据理论分析以及结合生产实际可知，影响切顶性能的主要因素有弹簧减震器预紧力A、机具作业速度B、锯齿仿形滚筒转速C.

正交试验设计是一种研究多因素多水平的设计方法，它能够根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，是一种高效率、快速、经济的试验设计方法[11-13].对切顶后的试验数据统计分析，计算甜菜的切顶合格率、少切率、多切率.综合各因素考虑，本次试验选择三因素四水平的正交试验，不考虑交互作用的影响选用L16(43)正交表进行统计，试验因素水平如表2所示.

表2　因素水平表

3.3试验指标

根据《中华人民共和国机械行业标准》JB/T 6276-2007甜菜收获机械试验方法[14]、《中华人民共和国农业行业标准》NY/T 1412-2007甜菜收获机作业质量[15]以及《中华人民共和国国家标准》GB/T

10469-2002[16]糖料甜菜，甜菜的收割标准为:当青苔垂直高度大于1.5 cm时，从第一片叶痕处(甜菜根头第一对真叶的叶痕处)上1.5 cm至尾根直径1 cm以上的部分；当青苔高度小于1.5 cm时，从第一片叶痕上0.5 cm至尾根直径1 cm以上的部分.满足上述切顶条件的为切顶合格，通过根头切削机构后未切的根头为漏切，甜菜根头被切削后的断面位置高于切顶位置为少切，甜菜根头被切削后的断面位置低于切顶位置为多切.

在试验地随机选取了16个取样点，每个点选择连续的100株甜菜进行切顶合格数、少切数、多切数的测定，相对应的切顶合格率、少切率、多切率按公式(1)、(2)、(3)进行计算.

(1)

(2)

(3)

式中：Ya、Yb、Yc分别为切顶合格率、少切率、多切率；a、b、c分别为切顶合格、少切、多切的块根数；n为每组试验的块根总数.

4结果与分析

4.1试验结果

正交试验结果见表3.

表3　试验结果

4.2极差分析

由表4可知，对甜菜切顶合格率影响最小的因素组合为A2B2C3，对少切率影响最小的因素组合为A1B2C3或 A1C3B2，对多切率影响最小的因素组合为A2B2C3，因为弹簧预紧力A1、A2对少切率的影响相差不大，综合考虑三者的最优组合为A2B2C3.

为了便于综合分析各因素水平对试验设定的相关指标的影响规律，应用图表法考察切顶性能指标弹簧预紧力、作业速度、滚筒转速三因素四水平的变化情况，如图5所示.随着弹簧预紧力、作业速度和滚筒转速的增大，切顶合格率先增大后减小，均有一个最优值使切顶合格率能够达到最高；对于少切率而言，随着弹簧预紧力的增大，少切率也随之增大，但随作业速度和滚筒转速的增大，少切率逐渐降低而后又增大；多切率随着弹簧预紧力、作业速度、滚筒转速的增大先减小后增大，都有一个最优值使多切率最小.

4.3方差分析

由图5和表5可知，弹簧预紧力对切顶合格率、少切率和多切率的影响极为显著，第二水平为最优水平；作业速度对切顶合格率影响较为显著，对少切率和多切率影响不大，选择第二水平为最优水平；滚筒转速对切顶性能指标的影响最小，选择第三水平为最优水平.

综合上述分析可知，各因素对试验结果的影响程度依次为A>B >C，即弹簧预紧力>作业速度>滚筒转速，最优组合为A2B2C3，即弹簧预紧力为250 N，作业速度为5 km/h，滚筒转速为1 100 r/min.通过采用方案A2B2C3多次试验，得到机具切顶合格率达到85%，少切率为5.8%，多切率为9.2%.

表4　极差分析

表5　切割性能方差分析

图5　参数与性能指标的关系Fig.5　The relationship between parameters and performance indicators

5结论

针对甜菜分段收获过程中切顶作业效率低、切削损失大、效果不理想等问题，设计了一种集切缨、仿形、切顶为一体的甜菜切顶机，并介绍了机具基本结构、工作原理及主要技术参数.通过试验优化设计分析，得到弹簧预紧力对切顶合格率、少切率和多切率的影响极为显著；作业速度对切顶合格率影响较为显著，对少切率和多切率影响不大；滚筒转速对切顶合格率、少切率和多切率的影响最小.各因素对切顶性能影响程度依次为：A>B>C，即弹簧预紧力>作业速度>滚筒转速.当甜菜切顶机弹簧预紧力为250 N，作业速度为5 km/h，滚筒转速为1 100 r/min时，机具作业性能最佳，切顶合格率达到85%，少切率为5.8%，多切率为9.2%，能够满足生产要求.

参考文献

[1]蔡葆，张文彬.中国甜菜糖业发展的策略[J].2008(3)：24

[2]苟爱梅.甜菜切顶机的研究与设计[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2011

[3]LichtF O.Crop protection in sugar beet[J].Sugar Beet,2007(10):189-191

[4]计福来,张会娟,胡志超,等.甜菜种植与机械化收获概况[J].农机化研究，2009，31(4)：234-236

[5]韩长杰，尹文庆，杨宛章，等.甜菜机械化收获方式分析与探讨[J].中国农机化，2012(1):71-72

[6]王申莹，胡志超，张会娟，等.国内外甜菜生产与机械化收获分析[J]．中国农机化学报，2013,34(3):20-24

[7]王芳艳，张东兴.糖用甜菜物理特性试验分析[J].农业工程学报，2012,28(2):297-303

[8]李阳，陈玉龙，胡斌，等.甜菜顶部物理机械特性的测定研究[J].农机化研究，2015(1)：201-204

[9]王堔，王进华，陈佰杰，等.甜菜打缨切顶机的研究[J].农机化研究，2013,35(3)：157-159

[10]张海琨，卢宏宇，王宏章.甜菜切顶装置的研究与实验[J].农村牧区机械化，2008(2):29-30

[11]陈魁.试验设计与分析[M].2版.北京：清华大学出版社，2009：72-73

[12]何义川，王序俭，王吉亮，等.4SZ-3.0型收膜整地联合作业机的设计与试验[J].甘肃农业大学学报,2013,48(4):149-154

[13]马少辉.滚筒删条式红枣分级装置优化设计与试验研究[J].甘肃农业大学学报，2012,47(2):152-154

[14]中华人民共和国国家发展和改革委员会.JB/T 6276-2007甜菜收获机械试验方法[S].北京:中国标准出版社，2007

[15]中华人民共和国农业部.NY/T 1412-2007甜菜收获机作业质量[S].北京：中国国家标准出版社，2007

[16]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 10496-2002糖料甜菜[S].北京：中国标准出版社，2002

(责任编辑赵晓倩)

Design and experimental on beet top cutting machine

HE Lei1,LIU Xiang-xin1,LI Bin1,HU Bin2,LI Yang2

(1.Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi 832000,China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

Abstract：【Objective】 In order to solve large losses and low working efficiency in the beet segment harvest process,a set of cutting tassel,copying,cutting the top was designed for one of the beet top cutting machine.【Method】 Computer aided design software was used to design the overall structure and the main working components;the factors which affected on cutting top performance were analyzed,the optimal parameter combination were determined by L16(43) orthogonal design,and the field experiment was carried out to verify.【Result】 Spring preload had significantly effect on top cutting qualified rate,less cutting rate and multi cutting rate.Working speed significantly affected on top cutting qualified rate;however,little effect on less cutting rate and multi cutting rate.Roller speed had less effect on top cutting qualified rate,less cutting rate and multi cutting rate.The influence of factors on the performance of the top cutting were as spring preload > working speed > roller speed.【Conclusion】 When the spring preload was 250 N,working speed was 5 km/h,roller speed was 1 100 r/min,working performance of the machines the optimum,top cutting qualified rate reached 85%,less cutting rate was 5.8%,multi cutting rate was 9.2%,which could satisfy the production requirements.

Key words：beet；top cutting machine；CAD

通信作者：刘向新，男，副研究员，硕士，主要从事农业机械设计方面的研究.E-mail:nkynjslxx@163.com

基金项目：新疆生产建设兵团2014年“兵团英才”人才培养工程资助项目.

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2016-01-13

中图分类号：S225.7

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)02-0149-06

第一作者：何磊(1985-)，男，助理研究员，硕士，研究方向为农业机械设计及性能.E-mail:hl_sdjd@sohu.com