小型整秆式甘蔗收割机切割系统的改进与试验

切割器和喂入装置的衔接性是影响甘蔗通过 性的主要因素之一[21]。原样机为扶砍分离式台架机 构，切割器采用垂直提升的方式。在垄高较高时， 仅仅通过提升缸提升了切割器，由于后面输送辊的 位置是固定的，导致喂入机构与切割器的衔接性较 差，砍下的甘蔗不能顺利的进入喂入输送装置。改 进后的切割系统整体绕提升架后端旋转，并通过提 升缸来实现切割系统的升降以适应不同的垄高作 业。这种提升方式的优点在于，喂入输送辊总成和 切割器整体提升，结构紧凑，甘蔗在较大提升高度 时仍能顺利的输送至夹持通道。 1.4 增加辅助喂入装置
表 1 2 种不同安装方式结果分析
Table 1 Result analysis of two different installation methods
固有参数 Inherent parameter
静变形量 Static deflection /mm
自然频率 Natural frequency /Hz
甘蔗的同时能避免较多重叠甘蔗引起堵塞。如图 2 所示为改进后的切割输送装置。 1.2 切割系统布局的改进
切割器刀盘的振幅对破头率有显著影响，振动 越小，破头率越低[16]。原样机切割系统前置，切割 器悬挂在车架上方的 2 个油缸上，来自发动机及剥 叶系统等振源的激励传递到切割器后，由于局部质 量较小，所以被激起的振幅较大，加剧宿根的破头 率。汽车结构有限元分析表明，汽车整机的振动在 前后轮间最小[17]；Gupta C P 等[18]通过中置切割器 来改善其动态刚性。据此，改进后的切割系统布置 在收割机的前后轮之间。提升架上有 2 个铰链，前 面铰链与一端固定在机体上的提升缸连接，后面铰 链和车架铰接。
1.调节孔 2.提升缸 3.喂入辊 4.侧板 5.提升架 6.浮动辊 7.浮动 槽 8.连接板 1. Adjustment holes 2.Lifting cylinder 3.Feeding roller 4.Side plate 5.Lifting frame 6.Floating roller 7.Floating tank 8.Connecting plate
低为 4.7%，蔗茎合格率由原来的 51.0%提高到 82.5%，喂入量由原来 1.129 kg/s 提高到 1.894 kg/s。该文可为整秆
式小型甘蔗收获机的机械设计提供参考。
关键词：甘蔗；收割机；试验；切割系统；破头率
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.15.003
切割装置直接影响收割机的生产率、宿根破头 率、含杂率等主要性能指标和整机的可靠性[12-14]。 原样机采用双圆盘切割器，切断的甘蔗易堆积在喂 入口而不能顺利进入后续的物流通道。改进后（见 图 2）将切割器安装在提升架 5 的前端，在刀盘上 增加用橡胶包裹的螺旋提升秆以实现甘蔗的提升 和向后输送，还可防止高速旋转的螺旋秆对甘蔗的 损伤。另外，在螺旋上方和齿轮箱下方之间的刀轴 上增加橡胶拨片，限制甘蔗从两侧穿出。切割器刀 盘与蔗垄面的角度对割茬损失有较大影响[15]。原样 机刀盘角度是固定的，改进后在切割器两侧连接 2 块侧板，通过侧板上的调节孔可以方便的调整割刀 的角度。通过试验得到，当调节刀盘与蔗垄面成 10° 时切割质量最好。
响，设计切割器应该考虑减振措施。这些研究均取 得了很大进展，为甘蔗收获机的设计提供了依据。
本文从降低甘蔗收割机的破头率及提高甘蔗 的通过率出发，对原样机切割系统的切割输送装 置、布局和提升方式等进行改进，并在改进样机上 增加一个辅助喂入辊。通过振动测试系统对改进样 机刀盘的振动进行测试，并进行田间对比试验验证 该改进的合理性，以期为小型整秆式甘蔗收割机的 设计提供理论依据与技术支持。
第 15 期
麻芳兰等：小型整秆式甘蔗收割机切割系统的改进与试验
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一对输送辊 6、7 及提升缸 2 组成。切割器前置， 通过提升机构悬挂在车架前方。收割机工作时，割 台上的压蔗秆 1 将前方甘蔗压至一定角度后，由双 圆盘切割器切断根部，在机器前进和刀盘高速旋转 的作用下及固定在车架上的喂入输送辊的夹持输 送下将蔗秆传送到通道内。提升缸 2 固定在割台导 轨上，用于提升切割器来适应不同的垄高作业。田 间试验发现，该样机存在割台可调性差、喂入量低 和破头率高等缺陷[11]。本文针对所述问题对原样机 切割系统进行局部改进和优化，并增加辅助喂入装 置，使其在收获作业中满足机械化收获的要求。 1.1 切割和输送装置的改进
图 2 改进后的切割系统 Fig.2 Cutting system after improvement
输送装置由一对喂入辊和一对输送辊组成。原 样机上下 2 对辊间的间隙是固定的，不利于较粗直 径或重叠甘蔗的输送。改进后喂入输送辊总成装配 到侧板 4 上，侧板上有支座，通过螺栓把喂入输送 辊总成固定在提升架 5 上。第二对辊的上辊 6 采用 浮动设计，通过连接板 8 可绕喂入辊 3 中心沿浮动 槽 7 浮动，从而可以增大上下辊间隙，在夹持输送
悬壁梁式的安装方式下，悬伸端 A 点在切割器 重力作用下的静变形为：
δst = mgC3 / 3EI 系统的自然频率为：
（1）
ωn = 3EI / mC3 悬伸端点处的刚度为：
（2）
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农业工程学报
2014 年
K = 3EI / C3
（3）
式中：m 为切割器的质量，kg；C 为悬臂的长度，m；
E 为梁的弹性模量，GPa；I 为抗弯截面惯性矩，N/m。
从表 1 中可以看出，在相同条件下 A 点的变形 量大于 B 点，简支梁安装方式的自然频率和刚度均 高于悬臂梁的安装方式。改进后的布局提高了切割 器的动态刚性，降低刀盘振幅，有利于降低宿根破 头率。同时，切割系统中置使物流系统的高度不受 前桥的限制，既降低整机重心保持机器的平稳性， 又有利于物流的输送。 1.3 切割系统提升方式的改进
图 3 改进前后切割器的安装方式
Fig.3 Installation of cutter before and after improvement
改进前后 2 种布局方式可简化为如图 3 所示。 前后轮胎相当于 2 个支撑点，前者可视为悬壁梁式 的安装方式，后者可视为简支梁式的安装方式，根 据材料力学梁的弯曲与刚度理论[19]和机械振动理 论[20]分析可知：
注：a、b 分别为切割器安装位置距前后轮的距离，m；A、B 点为切割 器与车架作用点。 Note: a、b is respectively distance between the cutter position to the front and back of the tire, m; A、B are the point of action between cutter and frame.
1 切割系统的技术改进
广西大学研制的小型整秆式甘蔗收割机如图 1 所示，其切割系统由切割器 3、一对喂入辊 4、5 和
收稿日期：2013-11-16 修订日期：2014-07-01 基金项目：广西工信委项目（桂工信投资[2013]258 号）；广西制造系统 与先进制造技术重点实验室科研项目（13-051-09S02）。 作者简介：麻芳兰（1976－），女，副教授，主要从事先进制造技术、 CAD/CAE 研究。南宁 广西大学机械工程学院，530004。 Email: 247987750@
第 30 卷 第 15 期
农业工程学报
18 2014 年 8 月
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering
Vol.30 No.15 Aug. 2014
小型整秆式甘蔗收割机切割系统的改进与试验
麻芳兰，韦荣发，范志达，赵 静
中图分类号：S225.5+3
文献标志码：A
文章编号：1002-6819(2014)-15-0018-07
麻芳兰，韦荣发，范志达，等. 小型整秆式甘蔗收割机切割系统的改进与试验[J]. 农业工程学报，2014，30(15)： 18－24.
Ma Fanglan, Wei Rongfa, Fan Zhida, et al. Improvement and experiment on cutting system of small whole-stalk sugarcane harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(15): 18－24. (in Chinese with English abstract)
简支梁式的安装方式下，B 点在切割器重力作
用下的静变形为：
δst = mga2b2 / 3EIL 系统的自然频率为：
（4）
ωn = 3EIL / ma2b2 简支梁 B 点处的刚度为：
（5）
K = 3EIL / a2b2
（6）
式中：L 为前后轮的轮距，m。
将刀盘的安装尺寸代入以上公式，2 种不同安
装方式的结果对比如表 1 所示。
1.压蔗秆 2.提升缸 3.切割器 4、5.喂入辊 6、7.输送辊 1.Knock-down bar 2. Lifting cylinder 3. Cutter 4、5. Feeding roller 7. Conveyor roller
图 1 原样机简图 Fig.1 Schematic diagram of original prototype
4.9 ×10−9 EI
送速度，在割台前方增加一个辅助喂入辊。辊 1 的 圆周上等角度排列 8 组 V 形齿的喂入元件 2，喂入 元件通过螺栓固定在喂入辊上。辊筒圆周上喂入元 件间不规则的焊接分流片 3，当甘蔗根数较多或甘 蔗间相互缠绕严重时起到分流作用，整体结构如图 4 所示。喂入元件由橡胶制成，耐磨性好，增大了 与甘蔗间摩擦力的同时又避免损伤甘蔗。甘蔗直径 均值为 26.88 mm[22]，以此为参考设计截面尺寸。V 形截面齿保证了甘蔗和的齿间的对中性，不同直径 的甘蔗都能经齿间 V 形口的夹持往后输送。当切断 的甘蔗与主动喂入辊接触时，喂入辊产生的切向力 会促使甘蔗加快向后输送，有利于物流通道的顺 畅。通过试验得到，当辅助喂入辊转速为 550 r/min 时输送效果最好。