入土切割对甘蔗切割过程影响的仿真试验

采用ANSYS/LS-DYNA显式动力学仿真软件及反求技术,建立甘蔗-切割器系统仿真模型,进行甘蔗材料参数反求,获得了适用于动力学仿真的甘蔗材料模型,且进行了物理试验验证;通过建立土壤-甘蔗-切割器系统的动力学仿真模型,进行动力学仿真试验,建立相关数学模型,研究了土壤的软、硬程度及切割状态对甘蔗最大切割力及切割破头的影响,结果表明,土壤的软硬程度对甘蔗的最大切割力影响小,对甘蔗轴向剪应力影响大;甘蔗两刀切断比一刀切断的最大切割力小,甘蔗入土切割比非入土切割的最大切割力大,但轴向剪应力小,甘蔗入土一刀切断的平均轴向剪应力比非入土一刀切断的小43.3%,甘蔗入土两刀切断的轴向剪应力比非入土两刀切断的小49%,入土切割是降低甘蔗切割破头的有效途径。     

刀盘轴向振动和切割参数对甘蔗收获机切割质量的影响

甘蔗切割质量差会导致宿根破头,造成第二年宿根发芽率降低,极大影响甘蔗产量和经济效益。该研究围绕刀盘轴向振动和切割参数对甘蔗收获机切割质量的影响开展研究,利用自主研发的甘蔗收获机试验平台进行砍蔗试验,以甘蔗的裂纹总数、最大裂纹深度、最大裂纹长度和宿根破头数作为评价指标,采用改进熵值法计算各指标的综合评价值,通过单因素试验、正交试验和二次回归正交旋转组合试验,分析以刀盘轴向振幅和频率表征的刀盘轴向振动以及刀盘转速、甘蔗收获机行走速度和刀盘倾角及其交互作用对甘蔗切割质量的影响。试验结果表明,甘蔗切割质量和刀盘轴向振幅以及频率之间呈线性负相关关系;刀盘轴向振幅和频率对甘蔗切割质量具有显著的影响,P值分别为0.002和0.035。刀盘转速、甘蔗收获机行走速度和刀盘倾角对甘蔗切割质量的影响不显著,P值都大于0.05。刀盘轴向振幅和频率的交互作用以及刀盘轴向振幅和刀盘转速的交互作用对甘蔗切割质量具有显著的影响,P值分别为0.045和0.036。其他因素交互作用对甘蔗切割质量的影响不显著,P值都大于0.05。对甘蔗切割质量影响的显著程度大小为刀盘轴向振幅、频率、甘蔗收获机行走速度、刀盘倾角、刀盘转速;刀盘轴向振幅和频率越大,甘蔗切割质量的综合评价值越大,切割质量越差;刀盘轴向振幅和刀盘转速同时增大,甘蔗切割质量的综合评价值增大,切割质量变差。用高速摄像机观察砍蔗过程发现,甘蔗需经历1次以上的切割才会被砍断,且不同的切入位置之间存在高度差。应采取减振措施降低切割系统的振幅,同时提高车架和切割系统的固有频率,避免出现共振现象。研究结果可为研发具有高切割质量的甘蔗收获机提供参考。     

滑剪组合式甘蔗根切装置的设计与试验

针对甘蔗切割过程中存在的宿根破头率高的问题，该研究通过分析甘蔗茎秆与刀具之间的相互作用关系，设计了一种基于“滑切+剪切”相组合的甘蔗根切装置，旨在提高根切作业质量。首先，通过分析传统圆盘式根切器的无支撑切割与滑剪组合式根切器的有支撑切割的作用原理，表明有支撑切割可以有效降低茎秆的弯曲阻力和惯性力，因此一定程度上阻止了茎秆产生较大的变形，有效保证了茎秆的切割质量，而滑切可有效降低切割阻力。并通过建立茎秆的根切受力模型，对根切器关键零部件的参数进行确定，采用等滑切角式刀片曲线进行滑切作业，滑切角和刀片刃口角分别为40°和45°。基于 ANSYS/ Workbench对根切器进行了静力学分析及模态分析，得到刀具的屈服强度为450～650 MPa，大于刀具所受最大应力102 MPa，最大变形量为4.94×10^-5 m，满足使用性能要求。切割电机和喂入电机对应的激振频率分别为 0~6.667 Hz 和 0~11.667 Hz，模态分析结果表明两电机的激振频率远小于根切器的一阶固有频率（60.89 Hz），因此不会引起共振现象，能够保障室内试验的顺利进行。搭建了可调刀盘转速、喂入速度及切割倾角的根切试验台，台架单因素试验结果表明当切割倾角、刀盘转速和喂入速度分别在10°～15°、140～220 r/min、1.1～1.7 m/s时，综合评价值较小，切割质量较优。正交试验方差分析结果表明各因素对综合评价值y均有显著影响；正交试验极差分析表明当切割倾角为15°，刀盘转速180r/min，喂入速度为1.4m/s时为最佳试验水平。经试验验证，此时综合评价值为0.256和0.298，切割质量较优。参考DG/T 117-2021 甘蔗收获机械试验方法对甘蔗破头率进行检验，剪切合格率高达90.4%，破头率降低至10%以下，滑剪组合式甘蔗根切器作业质量满足行业要求。本研究可为新型甘蔗根切器的设计与研制提供理论参考。     

甘蔗切割过程的有限元仿真

为了提高微型甘蔗切割器的性能,需要得到刀具倾角与切割速度对切割力,切割耗功,破头率等的影响。该文利用ANSYS/LS-DYNA对甘蔗切割过程进行有限元仿真。在仿真中建立了不同的刀具倾角以及切割速度组成的有限元模型,并使用LS-DYNA提供的MAT_WOOD材料模型以及接触侵蚀算法进行数值计算。仿真结果表明,切割速度变化对切割过程中的切割力,能量损耗和刀具最大应力的影响较为显著,倾角变化对切割力的影响较为显著。动刀倾角为0°时,切割力最小,动刀速度在0.5～0.9 m/s范围内,切割速度越大切割力越大。通过与试验的对比,发现在仿真中速度的变化对切割力大小趋向的影响与试验结果吻合,切割力最大值的相对误差小于20%。甘蔗切割的有限元仿真能降低试验成本,缩短试验时间,为样机的设计提供了依据。     

小型甘蔗收获机切割器试验研究

小型甘蔗收割机切割器必须具有切割功耗(切割扭矩)和切割损失小的特点。通过正交试验，对影响这两个评价指标的切割参数进行单、多因素试验，得出切割参数的主次顺序，即刀盘转速、刀盘倾角、刀刃滑切角。进而采用正交多项式回归分析方法对试验数据进行处理，获得影响这两个评价指标的数学模型。利用该模型对切割参数进行优化，获得切割损失和切割功耗均较小的最佳切割参数组合：刀盘转速为685 r/min，刀盘倾角为9°，刀刃滑切角为26°，从而为小型甘蔗收割机切割器设计提供依据。     

小型整秆式甘蔗收割机切割系统的改进与试验

针对小型整秆式甘蔗收割机工作时破头率高,容易堵塞等缺陷,该文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了改进,在原样机切割系统前增加一个辅助喂入辊。对改进样机刀盘的振动测试结果表明:改进后切割装置动态刚性得到提高,刀盘振动小。田间对比试验表明:改进后甘蔗宿根破头率由原来的15.9%降低为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。     

甘蔗收获机刀盘轴向振动对甘蔗宿根切割质量的影响

为了研究甘蔗收获机刀盘轴向振动对甘蔗宿根切割质量的影响,该文根据刀盘切割和传输甘蔗时的工作状况,在试验和理论分析的基础上,设计了刀盘轴向振动及其对宿根切割质量影响的系列相关试验,即通过在切割试验平台刀盘上安装不平衡质量块的方式实现刀盘轴向的可控振动,以模拟刀盘在切割和传输甘蔗过程中产生的轴向振动工况;并在刀盘轴向振动状态下,通过进行一系列的单因素试验和正交试验,探讨了不平衡质量大小、刀盘转速、进给量等因素对甘蔗宿根切割质量的影响规律。经过方差分析和相关性分析,结果表明:1)可通过安装不平衡质量的方法实现刀盘轴向的可控振动;2)刀盘的轴向振动振幅与甘蔗宿根切割质量之间具有较强的正相关性,其线性相关系数为0.87;3)在正交试验条件下,不平衡质量对刀盘轴向振幅及宿根切割质量在显著水平0.05下均具有显著影响,各试验因素对甘蔗宿根切割质量影响的大小排序为刀盘的不平衡质量、甘蔗输送速度、刀盘转速。该文初步揭示了刀盘轴向振动对甘蔗宿根切割质量具有显著影响的规律,为深入研究复杂激励下刀盘振动对甘蔗宿根破头的影响机理、探索基于动态特性的甘蔗收获机设计方法、开发适于丘陵地区的甘蔗收获机械提供了参考。     

小型整秆式甘蔗收割机改进设计与试验

为满足甘蔗收获作业中减少原料蔗夹杂物,提高原料蔗质量,满足糖厂对机械化收获时原料蔗的进厂要求,该文在分析已有SL-1600型整杆式甘蔗收割机工作时存在问题基础上优化了切割装置、剥叶刷装置,增加了碎叶装置、断尾装置等,形成了新型的4ZL-1型整杆式甘蔗收割机,并进行了对比试验。与SL-1600型整杆式甘蔗收割机相比,4ZL-1型整杆式甘蔗收割机的切茬合格率提高了5.9个百分点、宿根破头率降低了6.3个百分点、蔗茎合格率提高了3.2个百分点、断尾合格率提高了5.1个百分点、总损失率降低了2.6个百分点、未剥净率提高了3.0个百分点。切割刀上增加了扶接板,减少破头率;设计了碎叶装置,让甘蔗先碎叶后剥叶,提高了剥叶效果;增设了断尾装置,解决了以前甘蔗高度不一、切尾损失多的问题。     

弧型往复双动式采茶切割器优化与试验

针对往复双动式采茶切割器碎茶率高的问题，该研究优化了切割器，并进行了切割质量多因素二次回归正交旋转组合试验研究。首先，分析了切割器的结构及工作原理，通过切割图分析表明影响采摘质量的主因子为刀片平均速度、刀机速比、刀齿高度、往复运动行程。并基于设计的轨道式采茶试验台，进行了采摘质量因素二次回归正交旋转中心组合试验，建立了以芽叶完整率、漏采率、割茬不平度为评价指标的参数优化模型。运用遗传算法解得最佳参数分别为机速0.4 m/s，刀机速比1.2，行程23 mm，齿高25 mm，芽叶完整率模型的估计值为86.89%。根据优化结果设计刀具，试验验证得：芽叶完整率82.6%，漏采率0.24%，割茬不平度2.8 mm，与优化结果相符合。优化后采茶完整率提高了20%以上，提升了茶叶采摘质量，为"机采＋分级"的名、优质茶叶高效采收技术奠定了基础。     

棉花秸秆双支撑切割性能试验

针对现有往复式切割器切割收获棉花秸秆过程中存在切割质量差与切割刀片易损坏等问题,该文利用自制的棉花秸秆切割试验台和高速摄影系统,以棉秆单位直径最大切割力和单位面积切割功为目标值,对平均切割速度、切割倾角和切割速比等影响因素进行了棉秆往复式双支撑切割条件下的单因素试验、中心组合试验和验证试验。利用响应面法对中心组合试验数据进行了处理,建立了目标值与各影响因素之间的回归模型,优化了往复式双支撑切割器切割棉花秸秆时的工作参数。试验结果表明,平均切割速度和切割倾角对棉花秸秆单位直径最大切割力和单位面积切割功的影响显著(P0.01),切割速比影响不显著(P0.05),但切割速比对棉秆切割截面的质量具有重要影响;当切割速比为1.25和1.5时棉秆一次切断率为85%,比切割速比为1、1.75和2时高出10%~15%,割茬高度比切割速比为1、1.75和2时低10~30 mm;利用往复式双支撑切割器切割棉花秸秆时的工作参数的最佳组合是:平均切割速度为0.9 m/s、切割倾角为12.7°、切割速比在1.25~1.5之间,该条件下的棉秆切割性能目标值的平均实测值与预测值的误差均小于7%,表明棉花秸秆往复式双支撑切割器工作参数的优化结果可靠。该研究为高效、低耗的棉花秸秆切割收获机械装备及其切割器的研制和使用提供参考。     

基于切割压力的甘蔗收割机刀盘高度自动调节装置

甘蔗收割机在丘陵山地收割过程中,切割刀盘无法随蔗垄高度变化自动调节是甘蔗宿根破损和甘蔗浪费的主要原因。针对此问题,研制了切割刀盘液压马达压力数据采集装置和刀盘切割高度随垄高变化自动调节装置。将切割液压马达压力数据采集装置安装在4GZQ-260型甘蔗收割机上,采集甘蔗机收过程中切割液压马达压力数据,测量表明,当甘蔗种植密度和物理特性、土壤物理性质、甘蔗收割机刀盘转速及前行速度一定时,收割机刀盘入土和不入土切割甘蔗液压压力有较大差异,由此设计了一种基于切割系统液压压力的刀盘切深自动调节装置,并进行模拟试验研究了当甘蔗地垄高度变化时该系统刀盘入土切割深度的自动控制情况。试验表明,在土壤物理性质、甘蔗种植密度和物理特性相同时,当切割刀盘前进速度为0.25 m/s、转速700 r/min时,入土切割与设计深度的最大误差为0.7 cm;当切割刀盘前进速度为0.4 m/s、转速700 r/min时,入土切割与设计深度最大误差为0.8 cm。该装置实现了刀盘入土切割深度随蔗垄高度变化自动调节,且入土切割保持在设计深度内,符合甘蔗收获机械国家标准中关于甘蔗割茬高度的相关规定,达到设计要求。该研究可为丘陵山地甘蔗收割机刀盘切割高度自动控制调节提供技术参考。     

斜置式甘蔗切割喂入装置设计及试验

为了提高甘蔗收割机的作业质量,该文设计了一种斜置式甘蔗切割喂入装置,并进行了装置性能的试验和对不同生长状态甘蔗的适应性试验。性能试验结果表明,切割喂入装置在机器前进速度为0.43m/s、刀盘转速为450r/min、刀盘倾角为8°时,甘蔗的破头率为20%、整秆率为60%、喂入率为100%、损失率为12.6%;适应性试验结果表明,甘蔗与双刀盘中心相对位置为-100mm("-"表示沿机器前进方向,甘蔗位于蔗行中心线右侧)、倒伏姿态角为40°、侧偏角为30°和甘蔗与双刀盘中心相对位置为-100mm、倒伏姿态角为60°、侧偏角为0的甘蔗适应性好。     

大蒜联合收获切根试验台设计与试验

为了提高大蒜联合收获切根作业性能,解决大蒜切根过程中根系一次清除率低、蒜头损伤率高等问题,该文设计了一种大蒜联合收获切根试验台,该试验台主要由毛刷辊、前旋转切刀、夹持输送机构、排序-对齐机构、浮动切根机构等组成,可一次性完成蒜株的根系清理和预切、蒜株排序和对齐、根系浮动切割等作业工序。该文确定了切根装置关键结构参数和作业参数,并对影响切根作业质量的主要因素开展了试验研究。试验结果表明,影响切根作业质量的主次作用因素为夹持输送速度、夹持角度、浮动切刀转速,较优参数组合方案为夹持输送速度1.05 m/s、夹持角度79°、浮动切刀转速2 200 r/min(切割线速度为17.3 m/s),此时根系去净率为96.1%,蒜头伤损率为2.39%,满足大蒜切根作业质量要求。该文研究结果可为大蒜联合收获切根装置的设计提供参考。     

甘蔗地路谱对切割质量影响的仿真分析与试验

小型甘蔗收割机在坡地上行走过程中,切割器会受地面等各种因素的影响产生剧烈振动,影响切割质量。该文利用测量加速度的方法,采集田间路谱,并运用虚拟样机的仿真分析验证了路面的不平度会引起刀盘的振动,经试验分析,最后得出当刀盘转速为600和1 000 r/min时切割质量最好。该研究可为样机的开发提供理论依据。     

基于感应计数的甘蔗种切割防伤芽系统的设计与试验

针对目前甘蔗种植机切种伤芽率高的难题,该文设计了一种基于感应计数的甘蔗种切割防伤芽系统。在甘蔗种输送过程中,该系统利用自行设计的电阻式感应计数装置将相对于甘蔗茎秆凸起的甘蔗种芽信号转换为可识别的电信号后,利用单片机对其执行种芽计数操作;根据农艺要求及其计数结果,进而控制甘蔗种切断刀切断甘蔗种。为优化该系统性能,以保证蔗种和种芽的完好性为前提,对系统的切割过程进行受力及防伤芽分析,进而确定感应计数装置与切刀的最佳安装距离,以确保计数达到要求后切刀完全避开种芽,从而实现蔗种切割防伤芽功能。试验表明:该系统对种芽的计数准确率达98.87%,平均伤芽率为1.57%,较无防伤芽系统的2Cz-2甘蔗种植机的伤芽率低6.3%,系统的防伤芽性能显著,满足设计要求。该研究为甘蔗种植机械的设计提供了参考。     

甘蔗收获机切割系统轴向振动的试验研究

为了验证不同结构布局对甘蔗切割系统轴向振动的影响,该研究设计了甘蔗收获机激振试验台及其激振特性试验;并在理论分析的基础上,通过试验研究了液压油缸、发动机和物流架等构件的安装位置对切割系统轴向振动的影响规律。试验结果表明:1)液压油缸安装在车架上的位置HP3时,即在X轴正向,距离前轮正上方535 mm附近时,刀盘的轴向振幅达到最小值1.28 mm;2)发动机安装在车架上的位置EP2时,即安装在X轴正向,距离前轮正上方1 055 mm附近时,刀盘轴向振幅达到最小值0.92 mm;3)物流架安装在在车架上的位置LP3时,即安装在X轴正向,距离前轮正上方1 615 mm附近时,刀盘轴向振幅达到最小值1.51 mm;4)最优安装布局为HP3、EP2和LP3,相比最劣布局,最优布局的刀盘轴向振动幅值降低40.8%,综合切割质量评定值R_0降低16.9%。液压油缸安装位置,发动机安装位置和物流架安装位置对刀盘轴向振幅影响的显著程度从大到小依次为物流架安装位置,液压油缸安装位置,发动机安装位置。综上,在研发适于丘陵地区的甘蔗收获机械时,液压油缸、发动机和物流架的安装位置应尽可能避开前后轮正上方位置,同时应加装隔振或减振装置,这对降低切割系统振动,提高甘蔗切割质量有重要的指导意义。