5500探析整杆式小型甘蔗收割机喂入能力的提高试验

探析整杆式小型甘蔗收割机喂入能力的提高试验摘要:当前我国整杆式廿蔗收割机收获时存在的主要问题是堵塞严重、含杂率高、切割质量差、生产效率低等通过理论分析表明机收时廿蔗的重叠量与廿蔗喂入速度、廿蔗种植密度和廿蔗植株高度有直接关系，提高廿蔗的喂入速度可以减小廿蔗的重叠量，减少廿蔗收割机出现堵塞的概率为提高切断后廿蔗的喂入速度，该文对自制的整杆式廿蔗收割机的切割及喂入系统等进行了改进并进行了田间试验田间试验表明，改进后样机工作时廿蔗宿根破头率由原来的8.7%降低为4.7% ,蔗茎头部的完好率由原来的50.0%提高到了61.4%，含杂率由4.1%降低为2.9%.生产效率由原来S.St/h提高到9.8t/h。

一、引言甘蔗是中国南方种植的主要经济经济作物之一，2010年我国甘蔗种植而积为1.60MhmZ，是世界第三大甘蔗生产国，其种植区域主要分布在广西、云南、广东湛江地区、海南等地。

长期以来，我国的甘蔗收获主要以人工为主，随着中国经济的高速发展以及农村外出打工的人数增加，甘蔗的收获成本也在不断上涨，2012/2013榨季甘蔗的收获成本约为100120元/[，且还有每年上涨的趋势。

国外甘蔗种植大国，土地资源丰富，甘蔗连片种植，蔗园平整。

上世纪中期，国外也曾经发展过整杆式甘蔗收割机，但由于整杆式甘蔗收割机收割效率相对较低，含杂率较高，再加上国外糖厂接收切段式原料蔗，目前国外的甘蔗收割机主要以大型切段式甘蔗收割机为主。

中国南方甘蔗种植地形复杂，种植甘蔗的地块而积较小，且以丘陵地区为主，这就决定了国外的大型甘蔗收割机并不适合中国国情，在中国南方大力发展小型整杆式甘蔗收割机将在相当长一段时间内是甘蔗收割机发展的一个主流方向。

整杆式甘蔗收割机已在我国进行了多年的研制，并取得了一定成就。

但由于甘蔗生长的复杂性和种植的复杂性，市场上目前还没有一款比较成熟的整杆式甘蔗收割机，尚处在试验、示范阶段。

小型甘蔗收割机的切割系统位于整个收获系统的前端，切割后的甘蔗能否顺利输送到下一环节，直接关系到后续的剥叶、断尾(切断)功能的实现。

小型甘蔗收割机工作时，收割机前方的甘蔗植株被压蔗辊压至一定角度时，由双圆盘切割器切断甘蔗根部，切断后的甘蔗倒伏在刀盘上，在甘蔗收割机的前进速度和高速旋转刀盘的共同作用下，甘蔗依次被输送进喂入系统和剥叶系统，最后经输出系统输出。

当甘蔗被压蔗辊压到与地而的角度过小时，此时如果甘蔗不是被一刀切断时，蔗茎头部则容易出现撕裂现象;甘蔗被切断后如果不能及时向后输送则会出现蔗茎头部被切割器反复砍切，造成蔗茎头部损伤严重。

所有这些都会引起甘蔗产量下降和甘蔗头部破损。

压蔗辊和切割器是引起甘蔗损失和破损变质的主要原因。

目前我国的小型甘蔗收割机在收获过程普遍存在堵塞严重、效率过低、被切断的甘蔗头部出现撕裂或损伤严重等问题，严重阻碍了甘蔗收割机在我国的推广使用。

为了解决上述问题就要求甘蔗被切断后迅速倒在刀盘上并向后输送。

为提高甘蔗切割后的输送能力，各国学者进行了大量研究，当前普遍的做法是提高发动机的功率以及在切割器前方增加辅助喂入辊的方式来提高甘蔗的输送能力。

本文针对与广西某企业联合开发的整杆式收割机的作业工序出发，对小型甘蔗收割过程中甘蔗输送不畅、含杂率高、甘蔗头部破损严重等现象进行了分析和试验研究。

1甘蔗输送速度、机器前进速度与甘蔗重叠的关系小型整杆式甘蔗收割机主要由扶分蔗辊、压蔗辊、刀盘、套筒、螺旋提升机构、喂入系统、剥叶系统和输出系统等构成，如图1所示。

收获中，前后甘蔗的重叠量是影响整杆式甘蔗收割机工作质量和生产效率的一个重要因素。

如重叠量过大，则容易产生剥叶不干净和堵塞等问题，从而影响机器的正常工作[a,。

重叠量主要取决于收割机前进速度、甘蔗输送速度、甘蔗的株间距、甘蔗的高度和物流通道的宽度。

为便于分析，特做如下假设:(1)甘蔗被切断后以相同的速度向后输送;(2)甘蔗的高度一致。

第一种情况，此时前一株的甘蔗的尾部已完全通过切割系统，而后一株甘蔗的根部还没到达切割系统，此时前后两株甘蔗完全没有重叠，前后两株甘蔗能顺利通过喂入口。

第二种情况，此时前一株的甘蔗的尾部刚好通过切割系统，后一株甘蔗的根部正好被切割器切断，此时前后两株的甘蔗的重叠量为0，前后两株甘蔗也能顺利通过喂入口。

第三种情况，见图1。

此时前一株的甘蔗的尾部还没有完全通过切割系统，后一株甘蔗的根部已被切断，后一株甘蔗的前段部分便与前一株甘蔗的尾部重叠在一起。

以第一株切断时为计时点，在时间为t时，第一株甘蔗头部输送的距离为:分析式4可知，收割机工作时，收割时前后两株甘蔗的重叠量与甘蔗的高度H、收割机前进速度Vn-甘蔗株间距S和甘蔗输送速度V}有关。

当甘蔗的高度增加或株间距减小时，要想减少重叠量，就必须减少收割机的前进速度或提高甘蔗向后的输送速度。

当重叠的甘蔗数量大于一定值时，则会有多株以上的甘蔗积聚在切割系统中，此时如果喂入系统的通道不足时就会出现堵塞现象，这也就是实际工作过程中，遇到较高的甘蔗或甘蔗的株间距较小时，收割机需降低作业速度的原因。

根据现有的甘蔗种植农艺、甘蔗品种、土壤、施用肥料不同以及是新植蔗还是宿根蔗等因素的影响，新植蔗的甘蔗种植密度通常为5}7株/m，宿根蔗的种植密度则在6}9株/m之间ful，收割机在不同甘蔗地工作时就需要根据不同甘蔗生长密度选择不同的前进速度。

通常不同蔗地的甘蔗种植密度是不一样的，需要通过收割前小块采样来确定甘蔗的平均密度拜(株/m)和标准差二。

蔗地甘蔗平均种植密度拜和标准差二确定后，要减少甘蔗收割机工作时出现堵塞的概率，就需要保证甘蔗密度在},+3}(株/m}时，甘蔗能顺利通过物流通道。

根据甘蔗收割机的额定喂入量和甘蔗平均生长密度就可确定甘蔗收割机的前进速度，此时甘蔗重叠量则取决于甘蔗向后的输送速度。

重叠进入物流通道的甘蔗蔗叶会相互缠绕，甘蔗与甘蔗相互发生摩擦，阻碍甘蔗向后运动，当依次进入物流通道的甘蔗超过一定数量时，由于甘蔗收割机的物流通道是一定，甘蔗收割机便容易发生阻塞。

为了减少堵塞的几率，就需要提高甘蔗向后的输送速度，但甘蔗向后的输送速度又不能提高太多，当甘蔗输送速度超过夹持输送的速度时，则甘蔗则也会在夹持输入口出现堵塞。

计算实例:甘蔗的平均种植密度为8株/m，标准差二=2株/m，甘蔗的平均高度为2.4m }"}，小型甘蔗收割机的最佳喂入量为3株/、，极限为8株/、U41根据甘蔗的平均种植密度和小型甘蔗收割机的最佳喂入量计算得甘蔗收割机的前进速度为0.4m/s，此时},+3二为14株/m。

假设甘蔗的间距为平均分布，则甘蔗间距为76.9mm，为保证同时进入甘蔗收割机物流通道的甘蔗数量不大于8株，则收割机前进到第9株甘蔗时，第一株甘蔗至少要完全通过切割系统，即第1株和第9株甘蔗的重叠量为0，此时第1株甘蔗到9株甘蔗的间距S为:将H,=0，H=2 400mm，Vn,=400mm/s，5=615.2mm代入式5得卜=1.56m/s。

即切断后的甘蔗输送速度至少要达1.56m/s才能保证同时进入切割及输送系统的甘蔗数量不大于8株，到此时甘蔗的输送速度低于甘蔗的夹持输送速度1.7m/s Us.u}，甘蔗同时也不会在夹持输送通道前出现堵塞。

2提高输送速度的技术改进1)压蔗辊的技术改进。

改进前样机的压蔗辊外表而为锯齿状结构，收割机工作时甘蔗在被切断的瞬间会被压倾至与地而成45。

左右，被压倾的甘蔗会挤成一团，蔗叶相互缠绕，被切割的甘蔗很难倒下，从而影响甘蔗向后的输送速度。

由于压蔗角度较小，且收割时多数甘蔗要经历多次切割才能切断[l6]，50%左右的甘蔗会在切口处出现严重撕裂现象。

为解决上述问题，重新调整了压蔗辊位置，甘蔗被切断的瞬间甘蔗与地而的夹角增大到了600左右;将原有的锯齿状结构改为由两侧对称螺旋橡胶组成，当甘蔗与压蔗螺旋接触时，甘蔗可以向压蔗辊两侧分散开来;同时在切割器增加一级辅助喂入辊，辅助喂入辊在甘蔗被切断前与甘蔗是不接触的，仅在甘蔗被切断后给甘蔗提供向后输送的动力。

2)切割装置的改进。

原双刀盘切割器上方是由两个半螺旋而组成，以实现切断后甘蔗的提升和向后输送。

收割时，螺旋而会将大量的泥土和地而的杂物带入物流通道，大量的泥土和杂物会阻碍甘蔗向后运动的速度。

改进后的双刀盘切割装置上方的两个螺旋而重新设计为由两段优质螺纹钢构成的螺旋，在螺旋上方和齿轮箱下方之间的刀轴上增加橡胶拨片。

收割机工作时，大量的泥土和杂物可以顺着螺旋和刀轴之间的空间向地而掉落，螺旋采用螺纹钢制作可以增大甘蔗和螺旋的摩擦力，从而提高甘蔗向后的输送速度，随刀轴高速旋转的橡胶与甘蔗接触也会提高甘蔗向后输送的速度。

3)增加切顶装置。

甘蔗的蔗梢部分含糖量低，在榨糖时蔗梢还会吸收部分糖液随蔗渣和废物排出，造成蔗糖损失，降低出糖率。

基于上述原因，在收割机前加装了一个切顶装置，切顶装置由两个旋转方向相反的切割器组成，蔗梢被切断后可以掉进两侧的垄沟，可避免蔗梢进入物流系统。

4)扶分蔗装置的改进。

原有扶分蔗器由两段旋向相反的螺旋组成，甘蔗收割机在收割被扶正的甘蔗的过程中，甘蔗经常在两段旋向相反的螺旋交接处被卡，最极端的情况是扶分蔗器被卡死。

改进的扶分蔗器的螺旋旋向相同，避免了扶分蔗器被甘蔗卡死的现象。

改进后的切割及输送系统如图2所示，由扶分蔗辊、压蔗辊、辅助喂入辊、切顶装置、刀盘、套筒、橡胶等组成。

3田间试验结果与分析3.1试验材料试验是在广西钦州某农场进行，甘蔗品种为粤糖159，为上一年的宿根蔗，甘蔗密度为5}6株/m，甘蔗直径在20}30mm范围之间的为90%以上，甘蔗倒伏的较少，垄距为1.2m ,垄高在150}220mm之间，蔗垄长度为SOm左右，选择晴朗的天气进行试验。

3.2试验设备及方法试验样机选用改进前后的机型进行对比试验.该机型的配套动力为91kW、轮距 1 200mm。

试验参数为:前进速度为0.4m/s，压蔗装置转速为200r/min,剥叶装置转速为770r/min，切割器转速为750r/min,喂入辊转速为200r/min试验仪器有游标卡尺、照相机、皮尺、电子称(精度2g)、转速测试议、公斤称、压力传感器等。

试验方法主要是参照JB/T6275 -2007《甘蔗收获机械试验方法》mo标准方法进行测试，分别测试改进前后的含杂率、宿根破头率、断尾率和生产效率。

每次测试距离为1 Om，各测试5次，取5次测试的平均值作为测试结果，切割方式为入土切割[ 1A-20]。

改进前机型于2012年12月曾在该蔗地进行了多次试验，试验结果以自测为主;改进后机型于2013年6月20日再一次在同一蔗地进行了测试。

此次测试依托广西壮族自治区农机鉴定站进行。

3.3高速摄影试验目前高速摄影技术已广泛应用于甘蔗收获机械领域[}z}-zz}，通过高速摄影可以观察甘蔗在切断后输送的运动情况，得到甘蔗的运动状态和运动轨迹，为提高小型甘蔗收割机的喂入能力提供理论依据。