甘蔗收割机切刀入土切割压力影响因素的试验分析

赖 晓，秦志文，张 彪，蔡 力

（1.广西制造系统与先进制造技术重点试验室，广西南宁530004；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

设计技术

甘蔗收割机切刀入土切割压力影响因素的试验分析

赖 晓1，秦志文2，张 彪1，蔡 力1

（1.广西制造系统与先进制造技术重点试验室，广西南宁530004；2.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

甘蔗收割机的切割器不能根据地形变化作出高度的自动调整，切割位置过高或过低都严重影响甘蔗收获质量和刀具的经济寿命。为了实现甘蔗收获机械的入土切割深度自动控制，首先需要了解甘蔗密度、土壤剪切强度、土壤硬度等因素对切割压力的影响。通过以切割压力为指标，蔗株密度、刀盘切割深度、土壤剪切强度、土壤硬度为影响因素的正交试验，发现甘蔗密度、刀盘入土切割深度、土壤剪切强度以及土壤剪切强度与土壤硬度交互作用对于入土切割压力有显著的影响。同时通过回归分析，建立了切割负载压力与各个因素之间关系的数学模型，为研制入土切割自动控制系统的研究作了铺垫。

甘蔗收割机；入土切割；切割压力

广西是中国制糖业的重要生产基地，研发出适合广西丘陵地区的小型甘蔗收获机械是具有现实的意义[1-4]。当前甘蔗收获过程中，由于甘蔗地面高度不一，而驾驶员凭经验将切割器固定某个高度，因此在收割过程中存在着较高的收割损失以及宿根破头率，这就影响了国民经济收入和来年甘蔗宿根的发芽率。所以设计制造相应的入土切割深度自动控制系统势在必行。因此首先需要了解入土切割时影响切割器所受切割压力的各个因素以及其变化规律。

本文通过正交试验分析甘蔗密度、土壤剪切强度、土壤硬度等因素对切割压力的影响，为研制甘蔗收获机自动深度控制系统打下基础。

1 试验设计

1.1 试验方案

本次正交试验选取蔗株密度A、刀盘切割深度B、土壤剪切强度C、土壤硬度D四个因素，各个因素水平选取如表1所示。以切割器负载压力和破头率作为考察指标，选取L27（313）正交表共进行27次试验，每次试验进行2次采样，取其平均值。

表1 正交试验水平选取

1.2 试验材料

由于本次试验是在室内进行，所以切割器入土切割时所接触的土壤模型必须拟合出真实的蔗地土壤特性。用土壤硬度计，土壤剪切强度测定仪以及土壤含水率测定仪分别测定室内土槽内土壤的硬度、剪切强度、含水率以及土壤密度[5-8]（如图1所示），通过调整含水量与压紧程度不断调整，让其符合典型蔗地土壤特性，达到试验要求。

图1 制备土壤的硬度测定

1.3 试验设备

试验是在自主研发的切割实验平台上进行，如图2所示。试验入土切割的土壤装载在土槽里，土槽装置如图3所示。

图2 切割试验平台

图3 土槽装置

1.4 试验参数标定

由于试验中切割器转速及甘蔗的输送速度需要调整到指定的数值，所以需要对两者先进行标定。

1.4.1 切割器转速的标定

对切割器的转速进行调整和测量，得到砍蔗刀盘的转速标定如表2所示。

表2 刀盘的转速标定

根据上表可以得到切割器的转速标定曲线如图4所示。

图4 切割器转速标定曲线

1.4.2 甘蔗输送速度的标定

甘蔗的输送装置中由变频器控制电机的转速，经过蜗杆蜗轮减速器，最后带动链轮，转化成装置的前进速度，甘蔗输送速度标定的曲线如图5所示。

图5 甘蔗输送速度标定曲线

2 试验结果

试验所得结果及其直观分析如表3所示。

表3 正交实验结果以及直观分析

3 试验结果分析

3.1 因素对负载力的影响

从因素效应曲线（图6）中看出B的影响最大，其次是A因素，然后是C因素以及C与D的交互作用对指标的影响较大。从直观分析表中可以看出空列的极差值比较小，可以认为是误差引起的，以空列为误差项进行方差分析，得到方差分析表如表4所示。

图6 因素效应曲线

表4 正交试验结果方差分析

由以上的方差分析可以得出：

（1）因素A（甘蔗密度）、因素B（刀盘入土切割深度）、因素C（土壤剪切强度）以及因素CD（土壤剪切强度与土壤硬度交互作用）对于切割压力有显著的影响；

（2）根据以上的方差分析，A、B、C还有CD交互作用因素对切割负载压力影响较大，选取的切割负载压力最小的组合是A1B1C1D3，在正交试验结果中，看到此时的甘蔗宿根破头率为50%，这是不能接受的。综合破头率与切割负载压力指标，在较低的破头率下，得到较小的切割负载压力，选取的较优组合为A1B2C1D2.

3.2 各因素对破头率的影响分析

以破头率为指标对试验结果进行方差分析如表5所示。

表5 正交试验结果方差分析

由以上方差分析可以知道：

（1）因素A（甘蔗密度）、因素B（入土切割深度）、因素C（土壤剪切强度）对于破头率有显著的影响；

（2）根据方差分析表以及正交试验的结果，可以得出在以甘蔗宿根破头率为指标的情况下较优组合为A3B2C1D1.

4 试验结果回归模型

根据以上的正交试验结果，通过回归分析可以得到甘蔗密度、刀盘入土切割深度、土壤剪切强度、土壤硬度和切割压力的数学表达式，从而更清楚地看出各因素与切割压力之间的关系。

设甘蔗密度、刀盘入土切割深度、土壤剪切强度、土壤硬度分别用x1、x2、x3、x4来表示；切割压力用y1来表示。根据回归分析原理，采用多元回归的基本方法对试验数据进行回归分析，可以得到回归方程为：

y1=9.523x1+0.865x2+2.568x3+5.719x4

-0.02x3x4-0.827x21-0.011x22-0.021x23

-0.483x24-102.287

R2=0.92，回归方程的拟合度较高。

5 结束语

本文在自主研发的切割试验平台上进行入土切割压力的影响因素正交试验，以室内土槽模拟出蔗地土壤特性，分析了甘蔗密度、入土切割深度、土壤剪切强度、土壤硬度四个因素对切割压力与甘蔗宿根破头率的影响规律，发现甘蔗密度、刀盘入土切割深度、土壤剪切强度以及土壤剪切强度与土壤硬度交互作用对于切割压力有显著的影响。同时通过回归分析，建立了切割负载压力与各个因素之间关系的数学模型，为研制入土切割自动控制系统的研究作了铺垫。

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Experimental Research on the Effect Factors of the Underground Cutting Pressureof the Sugarcane Harvester Base Cutter

LAI Xiao1，QIN Zhi-wen2，ZHANG Biao1，CAI Li1
（1.Key Laboratory of Guangxi Manufacture System and Advance Manufacture Technology，Nanning 530004，China；2.SGMW，Liuzhou Guangxi 545007，China）

As the hight of the base cutter of sugarcane harvester isunadjustable automaticallyaccording to the up and down of the field，cutting quality of the sugarcane and the economy lifetime of the cutter can not meet the satisfaction.Therefore，it is important to build up a cutting depth autocontrol system of the base cutter.The first step is to make a research on the effect factors of the underground cutting pressure，such as planting desity，cutting depth，shear strength and the hardness of soil.This paper make a research through orthogonal test，with cutting pressure as the index，planting desity，cutting depth，shear strength and the hardness of soil as the effect factors.It is found that the planting desity，cutting depth，shear strength，interaction between the shear strength and the hardness of soil have obvious effectment to it.Simutaniously，a mathmatical model of the relationship between cutting pressure and the effect factors is built.All these make a good preparation for the research of the cutting depth autocontrol system of the base cutter of the sugarcane harvester.

sugarcane harvester；underground cutting；cutting pressure

S225.5.3

A

1672-545X（2016）11-0006-03

2016-08-11

广西制造系统与先进制造技术重点试验室2014年项目（编号：14-045-15S01）；广西高校临海机械装备设计制造及控制重点实验室项目（编号：GXLH2014KF-04）；广西大学实验室建设与实验教学改革项目（编号：20140111）；2016年广西教育厅中青年教师基础能力提升项目

赖晓（1979-），女，广西北流人，博士，讲师，研究方向：先进制造技术和CAD/CAE。