甘蔗收获机切割器仿形机构研究现状与发展趋势

2021-03-14夏鼎宽何冯光邓干然李国杰覃双眉

现代农业装备 2021年1期

夏鼎宽，何冯光，邓干然，李国杰，李玲，覃双眉

（1.华中农业大学工学院，湖北武汉 430070；2.中国热带农业科学院农业机械研究所，广东湛江 524091；3.农业农村部热带作物农业装备重点实验室，广东湛江 524091）

0 引言

甘蔗是我国南方地区的主要经济作物，实现甘蔗收获机械化有提高甘蔗生产率、降低生产成本以及减小劳动强度等优点。甘蔗机械收获包括扶起、推倒、切割、传送以及断梢等环节，其中切断式甘蔗收获机还有切断过程。在实际生产过程中，切割是甘蔗收获所有工序中技术最难把握的工序之一。甘蔗切割器是保证甘蔗收获机连续有效工作、提高切割质量以及减小破头率的关键部件。甘蔗的切割质量主要由破头率决定[1]，破头率的大小直接影响宿根的发芽率。影响破头率的因素有很多，如切割方式、机车前进速度、刀盘转速、刀片形状和数量、地面平整度、土壤适度情况、振动频率和振幅等。由于我国南方地区的地形、种植模式以及制糖工艺的限制，国外引进的大型切断式甘蔗收获机不适用于蔗区生产。因此，我国目前研制的主要机型是小型整秆式甘蔗收获机。无论是国内还是国外，甘蔗收割的破头率一般是20%。因此，降低甘蔗破头率和提高切割质量是亟待解决的技术难题，而其中的难点是切割器与地面的距离控制和检测。

本文从研究国内外的甘蔗切割器研究现状出发，通过借鉴其它农业机械的仿形机构并运用于甘蔗切割器上，对比分析机械仿形机构与液压仿形机构的优缺点，选择一种适合于甘蔗切割器的仿形机构，为小型整秆式甘蔗收割机的切割器仿形机构设计提供参考。

1 甘蔗收获机切割器仿形机构研究现状

1.1 国内外甘蔗切割器研究现状

国外的甘蔗收获机械从19 世纪80 年代开始研究，甘蔗生产技术先进的国家已经实现了机械化[2,3]，对甘蔗收获机械的研究比较全面，技术成熟以及应用广泛。由于国外的糖厂生产工艺允许并接受成段的原料蔗，因此甘蔗收割机以切断式机型为主，田间广泛应用切断式甘蔗联合收割机[4]。美国、澳大利亚、巴西等国家由于地大平整、连续成片、劳动力缺乏等原因，主要采用大型切断式甘蔗联合收割机。典型的机型代表有：美国凯斯的A4000、A7000以及A8000系列的甘蔗联合收获机；澳大利亚AUSTOF工业公司的T7000和T7700系列甘蔗联合收获机等。而日本等国家地块小，主要采用小型切断式甘蔗联合收割机，主要机型有日本久保田公司的UT-70K型、松元机工株式会社的MCH-15等。

切割器是甘蔗收割机的重要部件之一，其好坏直接影响到甘蔗收割机的作业质量[5]。国外专家对切割器做了大量的理论和试验研究。如RAZAVI等[6]、RIPOLI[7]利用设计的摆动装置研究了刀片和种植因素对甘蔗收获机切割器茎秆切割质量的影响。KREOS等[8-10]针对单圆盘切割器和双圆盘切割器对宿根破头率的影响，从切割器的切割方式、刀片形状、刀盘倾角、刀片间隙角等因素对切割轨迹的影响以及茎秆劈裂问题做了一系列的研究。结果表明，冲击切割过程中出现茎秆劈裂是不可避免的，切割器是造成根茬破损的主要原因。同时试验数据分析表明最大切割阻力与甘蔗直径、品种以及纤维量有关。HARY等[11]对弯曲锯齿形刀切割做了试验分析，结果表明，锯齿刀片切割，切口整齐；锯齿刀片齿距不同，切割损失不同；锯齿刀片的弯曲角度约22°时切割损失最小；锯齿刀片的齿距对切割破损的影响显著，但是弯曲角度对切割破损的影响不显著，而光滑刀片破损最大。

然而，国外的蔗田广阔平坦，地面起伏变化程度极小，甘蔗收割机的作业环境好，切割器能很好地沿地面前进切割蔗秆，切割过程中造成的切割损失和破头率较低。因此，切割器对地面的仿形功能要求较低，且切割器仿形的相关文献较少。

1.2 国内外甘蔗切割器研究状况

国内的甘蔗收割机是从20 世纪60 年代末70年代初开始研究，研究初期主要是模仿国外引进的大型切断式甘蔗收获机。由于我国蔗田环境以及制糖工艺等因素的限制，大型切断式甘蔗收获机并不适用，于是在模仿大型切断式甘蔗收获的基础上加以改进和研究。目前的研究机型主要以小型整秆式甘蔗收割机为主[4]，典型机型有广东省现代农业装备研究所开发的 4GZ-35 型等，但甘蔗切割破头率高的问题依然存在。

为降低甘蔗的破头率，研究人员对甘蔗切割进行了研究，并取得一定的成果。蔡力等[12]针对控制切割器入土切割深度问题，利用单因素实验对影响切割力大小的诸多因素进行了研究，研究表明入土剪切强度、土壤硬度、土切割深度、簇株密度对切割力存在明显的影响。刘银丁等[13]在原有的甘蔗收获切割系统动力学仿真模型基础上，考虑了根系-土壤因素影响，建立了一种高精度甘蔗茎秆-根系-土壤-切割器系统动力学仿真模型。邓雄等[14]针对甘蔗宿根破头率及甘蔗收获机的切割质量问题，通过分析切割喂入系统的动不平衡和切割器振动的影响因素，研究了切割器的动不平衡机理，研究表明，不平衡的刀盘质量是引起切割器振动的重要因素之一。张彪等[15]针对小型甘蔗收获机切割器振动会提高破头率问题，针对切割器进行了仿真和试验平台砍蔗试验。仿真结果表明，当切割力最大时，轴向切割力约占总切割力的92.6%；试验结果表明，轴向切割力的作用是盘振动对甘蔗宿根切割质量的主要影响因素。刘庆庭教授[16]对甘蔗的切割机理进行了研究，确定了甘蔗切割器几何参数、运动参数和切割质量的关系，推导出不漏割条件以及避免重割条件，并证明了机车前进速度、刀盘转速和刀片数量是条件方程的主要参数。杨望等[17]进行了入土切割对甘蔗切割过程影响的仿真试验，结果表明，入土切割更有利于降低甘蔗破头率；甘蔗两刀切断比一刀切断所需的切割力小。麻芳兰等[18]对小型整秆式甘蔗收获机切割系统进行了改进与试验，在原有切割系统的基础上增加了辅助喂入辊，改进后，甘蔗宿根破头率降低为4.7%，合格率提高到82.5%，喂入量提高到1.894 kg/s。戴小标等[19]进行了蔗地不平整对砍蔗系统影响的仿真分析，结果表明，工作前进速度为0.4 m/s 时,蔗地不平整频率范围在0.012 5～6.625 0 Hz，振幅范围在25.7～544.4 mm；刀盘倾斜一定角度不利于提高切割质量，会降低刀盘的使用寿命。

国内的甘蔗机械科研人员对甘蔗切割做了大量的理论试验研究，在国外的基础上，综合考虑我国实际切割器工作环境条件，试验研究已无限接近实际环境。然而，国内研究的切割器在实际应用中还存在破头率高、切割损失较大等问题。表明理论研究和试验研究与田间实际工作情况依然存在一定的差距。

为了解决这一难题，有不少研究工作者进行了甘蔗切割器的仿形系统研究，如李科等[20]设计了一种垄沟甘蔗割铺机仿形割台并对其进行了ADAMS仿真优化，通过仿真优化得出最佳工作参数范围。张亮等[21]为解决甘蔗收割机收割损失率和破头率高的问题，研制了一种甘蔗收割机刀盘仿形随动控制系统，该系统经过试验验证可满足作业要求。徐莉萍等[22]通过虚拟样机技术进行了刀盘仿形系统的研究和仿真，得出系统响应速度和稳定性基本能满足设计要求的结果。

但受实际工作环境条件的影响，切割器仿形技术与实际应用结合一直很难突破；而甘蔗切割器仿形技术的研究对降低破头率和减小切割损失具有重要意义，因此仍然是甘蔗收获技术的重点研究领域。

2 甘蔗切割器仿形机构的主要实现模式

对于甘蔗收割机而言，切割器随地形的起伏而运动称为仿形。根据工作部件实现运动的方式，仿形又分为机械仿形和液压仿形两种模式。

2.1 机械模式仿形机构

机械仿形，是目前我国农业机械采用最多的仿形形式，仿形拖板直接靠压在地面上进行仿形。其主要是采用平行四连杆机构[23]实现仿形功能，具有结构简单、成本低、安装调整方便、经济性好、仿形效果好等特点。吕金庆等[24]设计了一种马铃薯播种机播深调控装置，通过对播深调控装置进行动力学分析，建立了播深稳定性数学模型。确定试验因素和试验指标进行试验，试验结果表明，在设定的参数下作业，开沟深度变异系数为 8.9%，开沟深度合格指数为 96.6%，满足作业要求。李涛等[25]研制了一种根茎类作物收获机自动对行系统，采用地垄仿形机构对垄面进行仿形，角度传感器采集数据发送到液压控制系统以实现收获机行进过程中的自动对行功能。赵淑红等[26]设计了小麦播种机开沟器双向平行四杆仿形机构并进行了运动仿真，仿真结果表明，仿形机构可以实现双向仿形，上下仿形量可达到170 mm,左右仿形量可达到100 mm。

借鉴播种机单体的机械仿形机构，并与甘蔗切割器结合运用，现应用广泛的机械模式仿形机构如图1 所示。

主要工作原理：根据四连杆机构的运动特性，杆AB 和杆CD 做平行运动，保证切割器上升下降的平行运动，保证切割深度的一致性。切割器工作时，仿形轮贴地前进，割刀入土切割，仿形轮随地形的起伏变化而前进；由于切割器连同仿形轮一起安装在同一机构上，仿形轮随地面的起伏作上下运动时，切割器也随之一起上升下降，完成仿形工作。

图1 平行四连杆仿形机构Fig.1 Parallel four-bar linkage profiling mechanism

但由于其效率低，实时性和精确性较差，且不能直接得到仿形量的数据和分析结果等缺点，机械仿形机构难以满足精准农业技术要求以及甘蔗切割的农艺要求，而且往往存在仿形提前和滞后的问题。虽然仿形轮能有效地降低提前和滞后的影响，但仍旧无法实现精量控制并使机构变得复杂。工作时，仿形轮受到杂草和蔗叶影响，切割器上升幅度变大，切割深度变小，增大切割损失。

2.2 液压模式仿形机构

根据信号收集的方式不同，液压仿形又分为电液仿形、气液仿形、光电仿形等。电液仿形[27]在播种机和联合收获机领域应用广泛，甘蔗切割可以借鉴精播机的电液仿形技术为其服务。电液仿形系统主要由电气控制系统（电传感器、信号处理器）和液压系统（电液伺服阀、液压缸或者液压马达等元件）组成。电气系统收集信息并进行信息处理，将处理完的信息传递给液压系统；液压信号驱动控制液压油缸运动，控制工作台的调节装置；实现工作台与地面随动，实现地面仿形。

在播种机中[23]，通过电传感器与地面的距离变化产生的位移信号来实现播种深度的控制。其仿形精度高，误差精度＜1 mm，最大仿形量大约为200 mm；仿形灵敏度高，全程下降时间为1.9 s，上升时间为2.9 s。但是，电液仿形的结构复杂，成本高。典型的液压模式仿形机构如图2 所示。

图2 甘蔗切割器电液仿形机构简图Fig.2 Schematic diagram of electro-hydraulic profiling mechanism of sugarcane cutter

仿形系统存在的难点主要是传感器的地形检测，蔗田的复杂性为传感器的种类选择增加了难度。目前几乎所有的切割器研究工作者都是选用压力反馈式传感器。然而压力反馈式传感器有精度低、稳定性差、容易受到地表杂物影响等缺点，受外界因素影响大，因此，本仿形机构中采用超声波传感器[28～30]。与其它测距技术相比较，超声波测距有以下几个优点。

1）超声波传感器结构简单，体积小，成本低，信息处理简单可靠。

2）超声波不受色彩、光照度、外界光线以及电磁场等外界因素的影响，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强等恶劣环境中。

3）超声波具有穿透能力，根据选择的波长不同可以穿透不同的物体，这也是本系统选择超声波传感器的关键。

地面上的杂物是考虑的重点。由于地面状况复杂多变，给距离探测带来了很大困难。但是在甘蔗收割机作业过程中遇到的杂物多是蔗叶、杂草藤蔓等，所以选用的传感器能够区分蔗叶杂草等就能够满足要求。根据超声波传播理论，当障碍物的尺寸小于超声波波长的 1/2 时，超声波将发生绕射；当障碍物的尺寸大于超声波波长的 1/2 时，才能发生反射。在蔗田里，蔗叶的直径最大，一般的蔗叶直径在60 mm 之内，所以采用波长大于120 mm 的超声波传感器就能满足要求。

通过对比以上两种仿形机构，电液仿形技术明显优于机械仿形。通过超声波传感器收集信号，电液控制能够实现甘蔗切割器的精量控制。