凯斯A8000甘蔗联合收割机切割质量影响因素的试验

杨 望，王二朋，杨 坚，李 杨，黄深闯，梁兆新

(1.广西大学 机械工程学院，南宁 530004;2. 广西蔗糖产业协同创新中心，南宁 530004)



凯斯A8000甘蔗联合收割机切割质量影响因素的试验

杨 望1,2，王二朋1，杨 坚1,2，李 杨1，黄深闯1，梁兆新2

(1.广西大学 机械工程学院，南宁 530004;2. 广西蔗糖产业协同创新中心，南宁 530004)

针对凯斯A8000甘蔗联合收获机实际操作参数对切割质量影响大的问题，采用二次回归通用旋转组合设计和田间物理试验方法，对其切割质量影响因素(实际操作参数)进行了研究，探明了各影响因素对切割质量的影响规律和影响机理，且优化了影响因素。结果表明：随刀盘转速x1增大，甘蔗破头率先减小后增大，随前进速度x2的增大，甘蔗破头率y增大；使用大的刀盘倾角时，小深度的入土切割有利于降低甘蔗破头率，但采用大深度的入土切割，甘蔗破头率增大；使用小的刀盘倾角时，贴地切割对降低甘蔗破头率最有利。使用小的刀盘倾角时，因素优组合为：刀盘转速为516.4r/min，前进速度为4km/h，刀盘的离地高度为0，相应可靠性为99%的甘蔗破头率预测区间为(3.9%～8.12%)。使用大的刀盘倾角时，因素优组合为：刀盘转速为544r/min，前进速度为4km/h，刀盘的离地高度为-2.78cm，相应可靠性为99%的甘蔗破头率预测区间为(5.85%～9.34%)。

甘蔗；联合收获机；切割质量；影响规律；因素优化

0 引言

甘蔗宿根切割质量影响到来年甘蔗的出苗率和产量，而目前凯斯A8000甘蔗联合收获机没有给出高切割质量的参数组合，导致实际甘蔗收割时宿根切割质量低下，严重阻碍了该收获机的推广使用。虽然国内外学者对甘蔗收获机的切割质量影响因素进行了较多的研究，取得了较多成果[1-7]，但关于凯斯A8000甘蔗联合收获机的切割质量影响因素的研究及影响因素的优化未见有报道。因此，本文采用二次回归通用旋转组合设计和田间物理试验方法，对凯斯A8000甘蔗联合收获机的切割质量影响因素进行研究，探索各影响因素对切割质量的影响规律和影响机理，优化影响因素，为凯斯A8000甘蔗联合收获机甘蔗收获的实际操作提供依据。

1 结构及作业流程

凯斯A8000为轮式自走型、切断式联合甘蔗收获机，配备功率260kW柴油机作动力，采用全液压系统控制，最高行驶速度为20km/h，主要由驾驶舱(操控系统)、喂入及切割系统、两级除杂系统、提升单元及液压控制系统等组成，如图1所示。收割机的前进速度、底切割刀盘(简称刀盘)的转速和离地高度可调，刀盘倾角有两个挡位。

1.甘蔗切顶器 2.驾驶舱 3.动力单元 4.一级除杂 5.二级除杂 6.提升单元 7.切割高度控制液压缸 8.扶蔗装置

凯斯A8000切断式甘蔗联合收割机具有功率大、功能齐全、作业效率高及自动化程度高等特点，其主要作业流程图如2所示。

图2 甘蔗收获机作业流程

2 试验设备及方法

2.1 试验设备

试验对象为凯斯A8000切断式甘蔗联合收获机，主要采用的设备有DT-2236B两用式转速表、TYD-1土壤硬度计、土壤烘干箱、秒表和皮带尺等。

试验地为广西柳州市桂中农场广西思源农机发展有限公司甘蔗种植基地。试验的甘蔗品种为桂糖31，宽窄行种植(宽行1.3m，窄行0.5m)，2012年种植的宿根蔗。甘蔗的倒伏程度为：0°～30°的占62%，30°～60°的占18.43%，60°～90°的占19.51%；基部平均直径为28mm；甘蔗生长密度约64株/10m。土壤平均含水率为25.37%，土壤平均硬度为3.74kg/cm2。试验日期：2016年1月3-9日。

2.2 试验方法

试验参照GB/T 5262-2008《农业机械试验条件-测定方案的一般规定》及JB/T 6275-1992《甘蔗收获机械试验方法》进行。每次甘蔗切割试验30m，重复试验3次；每切割试验后，测量切割的甘蔗总数量和宿根蔗蔸的破头数量，且算出每次切割试验的甘蔗宿根破头率。蔗蔸切口平面裂开超过一个蔗节或蔗蔸被推断、拔掉时视为破头。

联合收割机的前进速度采用实测其行走的距离和所用的时间，后通过计算获得。刀盘的转速用DT-2236B两用式转速表测量。刀盘的离地高度以地表为基准进行上下调节；刀盘的倾角分两挡进行。试验现场如图3所示。

2.3 试验方案

根据凯斯A8000切断式甘蔗联合收获机的实际情况，选取联合收割机的刀盘的转速x1、前进速度x2、刀盘的离地高度x3作为试验因素，刀盘的倾角作为条件因素，甘蔗切割破头率y作为试验指标。

试验采用二次回归通用旋转组合设计进行。试验的因素水平编码表如表1所示。

图3 试验现场图

编码值刀盘转速x1/r·min-1前进速度x2/km·h-1切割深度x3/cm上星号臂(+1．682)630．012．9610．0上水平(+1)583．410．775．9零水平(0)515．07．560．0下水平(-1)446．64．35-5．9下星号臂(-1．682)400．02．16-10．0

3 结果与分析

3.1 试验结果

试验结果如表2所示。其中，刀盘倾角2的倾角大于刀盘倾角1的倾角。

表2 试验结果

续表2

3.2 回归分析

运用SPSS 软件对表2试验数据进行回归分析。回归分析时，甘蔗破头率取平均值进行，分别得出两种刀盘倾角条件下的甘蔗破头率与刀盘的转速x1、前进速度x2、刀盘的离地高度x3数学模型，有

(1)

(2)

其中，式(1)是刀盘倾角1条件下的甘蔗破头率数学模型；式(2)是刀盘倾角2条件下的甘蔗破头率数学模型。对回归数学模型及系数进行显著性检验，结果表明：回归数学模型在0.000 1水平上显著，各系数在0.048～0.000 1之间显著，数学模型拟合得好，精度高。

3.3 因素影响分析

应用MathCAD 软件对式(1)、式(2)进行模拟计算，除考虑的因素外，其它因素取零水平值，得出的各因素与甘蔗破头率关系如图4所示。其中，图4(a)是刀盘的转速x1与甘蔗破头率关系图；图4(b)是前进速度x2与甘蔗破头率关系图；图4(c)是刀盘离地高度x3与甘蔗破头率关系图。图中的实线为刀盘倾角1条件下的甘蔗破头率曲线，虚线为刀盘倾角2条件下的甘蔗破头率曲线。

(a)

(b)

(c)

Fig.4 Relationship of factors and the broken biennial root rate of sugarcane

由图4(a)可知：甘蔗破头率y随刀盘转速x1的增大，呈凹面向上的抛物线变化，甘蔗破头率先减小后增大。其原因是：刀盘转速相对较小时，随着刀盘转速的增大，刀片线速度增大，刀片切割甘蔗的速度增大，甘蔗易被切断，甘蔗不易被拉裂而破头；但刀盘转速较大时，随着刀盘转速的增大，刀片线速度过大，刀片对甘蔗的切割速度过大，刀片对甘蔗的冲击增大，甘蔗易被撞裂，故甘蔗破头率随刀盘转速的增大，呈先减小后增大的变化。且由图4(a)可知：刀盘倾角小时，甘蔗破头率大。

由图4(b)可知：随着前进速度x2的增大，甘蔗破头率y增大。其原因是：前进速度大,刀片切割甘蔗时,前推甘蔗的速度大，甘蔗切割时易被推裂。且由图4(b)可知，前进速度小于7.5km/h时，刀盘倾角小时，甘蔗破头率小；但前进速度大于7.5km/h时，刀盘倾角小时，甘蔗破头率大。

由图4(c)可知：甘蔗破头率y随刀盘的离地高度x3的增大，呈凹面向上的抛物线变化，甘蔗破头率先减小后增大。其原因是：当刀片入土较深切割甘蔗时，蔗蔸易被刀片带出；但在非入土切割时，随着刀盘离地高度的增大，切割支持作用变弱，切割时甘蔗易弯曲变形，被刀片拉裂而破头，故甘蔗破头率随刀盘离地高度的增大，甘蔗破头率呈先减小后增大变化。且由图4(c)可知：入土切割时，刀盘倾角小时，甘蔗破头率大，但非入土切割时，刀盘倾角小时，甘蔗破头率小。

4 影响因素的优化

分析表明：前进速度大，甘蔗破头率大。试验表明：前进速度大于4.5km/h时，含杂率增大，且大于7.6km/h后含杂率严重增大，糖厂不接受；但前进速度过低，收获效率低，达不到机械收获提高收获效率的目的。因此，综合考虑，本文选取前进速度4km/h作为其优化结果，其余因素的优化采用求极小值的方法进行，结果获得的因素优组合为：刀盘倾角1条件时：刀盘转速x1为516.4r/min，前进速度x2为4km/h，刀盘的离地高度x3为0，相应可靠性为99%的预测区间为(3.9%～8.12%)。刀盘倾角2条件时：刀盘转速x1为544r/min，前进速度x2为4km/h，刀盘的离地高度x3为-2.78cm，相应可靠性为99%的预测区间为(5.85%～9.34%)。

优化结果的验证采用同上的试验方法进行，结果为：刀盘倾角1条件下，甘蔗破头率为8%；刀盘倾角2条件下，甘蔗破头率为9.2%。其结果均在99%的预测区间内，表明优化结果合理，可用于指导凯斯A8000甘蔗联合收获机的实际甘蔗收获操作。

5 结论

1)采用二次回归通用旋转组合设计和回归分析方法，建立的甘蔗破头率与刀盘转速x1、前进速度x2、刀盘离地高度x3的数学模型精度较高，可用于切割质量的影响分析。

2)甘蔗破头率y随刀盘转速x1、前进速度x2的增大，呈凹面向上的抛物线变化，随刀盘转速x1增大，甘蔗破头率先减小后增大，随前进速度x2的增大，甘蔗破头率y增大。使用大的刀盘倾角时，小深度的入土切割有利于降低甘蔗破头率；但采用大深度的入土切割时，甘蔗破头率增大。使用小的刀盘倾角时，贴地切割有利于降低甘蔗破头率。

3)使用小刀盘倾角时，因素优组合为：刀盘转速为516.4r/min，前进速度为4km/h，刀盘的离地高度为0，相应可靠性为99%的甘蔗破头率预测区间为(3.9%～8.12%)。使用大刀盘倾角时，因素优组合为：刀盘转速为544r/min，前进速度为4km/h，刀盘的离地高度为-2.78cm，相应可靠性为99%的甘蔗破头率预测区间为(5.85%～9.34%)。

[1] Bianchini A, Magalhaes P S G.Evaluation of coulters for cutting sugarcane residue in a soil bin[J].Biosystems Engineering, 2008,100(3): 370-375.

[2] 杨坚,梁兆新,莫建霖,等.甘蔗切割器切割质量影响因素的试验研究[J].农业工程学报,2005,21(5):60-64.

[3] 向家伟,杨连发,李尚平.小型甘蔗收获机切割器试验研究[J].农业工程学报,2007,23(11):158-163.

[4] 周仕城，杨望，杨坚，等.一刀切断甘蔗动力学仿真试验[J].农业机械学报,2011,42(1):68-73.

[5] 杨望，杨坚，刘增汉，等.入土切割对甘蔗切割影响的仿真试验[J].农业工程学报，2011，27(8)：150-156.

[6] 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.

[7] 刘庆庭,区颖刚,卿上乐,等.甘蔗茎秆在光刃刀片切割下根茬破坏试验[J].农业工程学报,2007,23(3):103-107.

Test on Influencing Factors of Cutting Sugarcane Quality of Case A8000 Sugarcane Combine Harvester

Yang Wang1,2, Wang Erpeng1, Yang Jian1,2, Li Yang1, Huang Shenchuang1, Liang Zhaoxin2

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Collaborative Innovation Center for Sugar Industry of Guangxi, Nanning 530004, China)

Due to the large effect of actual operating parameters of Case A8000 sugarcane combine harvester on cutting sugarcane quality, the affecting factors of cutting quality (the actual operating parameters) are studied by quadratic regression general rotational combination design and field physical test method.The influencing law and mechanism of influence factors on cutting quality were discovered,and then the influence factors were optimized.Results show that with the increasing of cutter speed,the broken biennial root rate of sugarcane increase first and then decrease. With the increasing of forward speed,the broken biennial root rate of sugarcane increase.When cutter inclination is large, sugarcane cutting beneath surface soil which the cutting depth is small is beneficial to decrease the broken biennial root rate of sugarcane, but the rate increased when the cutting depth is large.When cutter inclination is small, sugarcane ground cutting is beneficial to decrease the broken biennial root rate of sugarcane.When cutter inclination is small, optimal combination of operating parameters is as followed: rotating speed of cutter is 516.4 RPM,forward speed is 4 km/h,height of cutter above ground is 0,prediction interval of the broken biennial root rate of sugarcane which has 99% reliability is 3.9% ～ 8.12%.When cutter inclination is large, optimal combination of operating parameters is as followed: rotating speed of cutter is 544 RPM,forward speed is 4 km/h, height of cutter above ground is -2.78cm,prediction interval of the broken biennial root rate of sugarcane which has 99% reliability is 5.85% ～ 9.34%.

sugarcane; harvester; cutting quality; influencing law; factor optimization

2016-04-20

国家自然科学基金项目(51565003)；广西自然科学基金项目(2014GXNSFBA118279)；广西教育厅高校科研项目(YB 2014002)；广西大学青年博士科研启动基金项目(XBZ1601 11)

杨 望(1984-)，男，广西合浦人，副教授，博士，硕士生导师，(E-mail)yanghope@163.com。

杨 坚(1957-)，男，广西合浦人，教授。

S225.5+3

A

1003-188X(2017)05-0192-05