牟向偉，解福祥，區(qū)穎剛，龔劍華

(南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點實驗室，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州 510642）

我國甘蔗種植受地域影響，倒伏嚴重［1］，對甘蔗整稈式機械化收獲造成很大影響［2-3］.根據(jù)文獻［4-5］可將甘蔗的倒伏狀態(tài)設(shè)定為倒伏角θ和側(cè)偏角Ψ.其中，θ為甘蔗軸線與地面之間的夾角，主要用來判斷甘蔗的倒伏程度;Ψ為甘蔗軸線在地面上的投影與機器前進方向所在直線的夾角，主要用來判斷側(cè)倒伏的情況.根據(jù)倒伏角大小將倒伏甘蔗分為嚴重倒伏(倒伏角為0～30°)、一般倒伏(倒伏角為30～60°)和輕微倒伏(倒伏角為60°以上)3類，廣東湛江蔗田調(diào)查表明，3類倒伏甘蔗分別占總甘蔗量的20%、50%和30%左右;根據(jù)側(cè)偏角大小將倒伏甘蔗分為順向倒伏(側(cè)偏角為0～30°)、側(cè)順向倒伏(側(cè)偏角為30～60°)和側(cè)向倒伏(側(cè)偏角為60～90°)3類.目前國內(nèi)外扶蔗器主要有螺旋式和撥指鏈式2 種［6-8］.本課題組此前設(shè)計了撥指鏈式扶蔗器［9-10］，但對嚴重倒伏甘蔗的扶起效果不能滿足甘蔗整稈收獲的要求，在此基礎(chǔ)上結(jié)合文獻［11］，改進設(shè)計了分蔗靴－螺旋滾筒－撥指鏈組合式扶蔗器.通過對比試驗研究改進的組合式扶蔗器與撥指鏈式扶蔗器對于不同類別倒伏甘蔗的扶蔗效果，重點分析組合式扶蔗器對于嚴重倒伏甘蔗的扶起過程.

1 材料與方法

1.1 材料及試驗設(shè)備

試驗用甘蔗取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)寧西實驗基地，品種為YT(粵糖)79-177，2年生宿根蔗，土槽土壤和試驗用甘蔗的基本物理參數(shù)如表1所示.

試驗在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽實驗室進行.將甘蔗按試驗要求埋在土槽土壤中.分別將撥指鏈式扶蔗器和組合式扶蔗器懸掛在臺車上，由液壓設(shè)備提供動力，進行扶蔗試驗.高速攝影試驗采用日本PHOTRON公司生產(chǎn)的FASTCAM-Super 10 KC型高速攝影儀，其記錄速度最高可達3000幀/s(FPS)，記錄容量為128 M.

撥指鏈式扶蔗器的參數(shù)設(shè)定為前進速度0.25 m/s、下鏈輪轉(zhuǎn)速250 r/min、扶蔗器導(dǎo)軌偏角10°、扶蔗器導(dǎo)軌傾角60°;組合式扶蔗器的參數(shù)設(shè)定為前進速度0.25 m/s、下鏈輪轉(zhuǎn)速250 r/min、螺旋轉(zhuǎn)速為125 r/min、扶蔗器導(dǎo)軌偏角 10°、扶蔗器導(dǎo)軌傾角 60°.

1.2 扶蔗器的改進設(shè)計

室內(nèi)試驗表明，撥指鏈式扶蔗器(圖1)對于一般倒伏狀態(tài)甘蔗有良好的扶蔗效果，但對于嚴重倒伏的甘蔗扶蔗效果不理想.主要原因是撥指在最低點時仍有一定的離地高度，致使撥指與嚴重倒伏的甘蔗相對距離較大，無法有效接觸甘蔗.因此，應(yīng)加裝分蔗器，將甘蔗向上提升.

圖1 撥指鏈式扶蔗器的設(shè)計圖Fig.1 Design sketch of finger-chain type sugarcane-lifter

改進設(shè)計的分蔗靴－螺旋滾筒－撥指鏈組合式扶蔗器如圖2所示，簡稱組合式扶蔗器，主要由靴式分蔗器(簡稱分蔗靴)、變螺距圓錐形螺旋滾筒［8］(簡稱螺旋滾筒)和撥指鏈式扶蔗器組成.其工作原理是由分蔗靴將倒伏纏繞在一起的甘蔗分離，并向上推扶至螺旋滾筒，通過變螺距葉片的旋轉(zhuǎn)將甘蔗提升至撥指處，由撥指接住甘蔗向上扶起.分蔗靴的三角形底板貼地運行，能夠保護螺旋滾筒，避免螺旋滾筒與地面接觸，降低機器前進的阻力.

圖2 分蔗靴－螺旋滾筒－撥指鏈組合式扶蔗器Fig.2 Design sketch of divider-spiral roller-finger chain combined sugarcane-lifter

主要設(shè)計參數(shù)為(1)靴式分蔗器:底板為等腰三角形，底邊長度250 mm、高846 mm，靴由半圓錐和契形體組成，靴中心線與底板夾角30°、靴中心線最高點至底板間距200 mm;(2)螺旋滾筒:長度500 mm、大端直徑250 mm、小端的直徑50 mm、變螺距30～100 mm、螺旋葉片的高度30 mm.

1.3 對比扶蔗試驗

按照倒伏角和側(cè)偏角將甘蔗分成不同的倒伏狀態(tài)，利用2種扶蔗器進行對比扶蔗試驗.倒伏甘蔗的倒伏角取0～15°、15 ～30°、30 ～45°、45 ～60°等 4 個水平，倒伏甘蔗的側(cè)偏角取 0～15°、15～30°、30～45°、45 ～60°、60 ～90°等 5 個水平.試驗中埋設(shè)甘蔗采取壟作形式，壟高200 mm.每組試驗重復(fù)10次，取平均值.

1.4 高速攝影對比試驗

用高速攝影儀拍攝2種扶蔗器對倒伏角為15～30°的嚴重倒伏甘蔗的扶起過程，分析2種扶蔗器的扶蔗效果.試驗選擇的記錄速度為125幀/s(FPS)，將撥指第1次與甘蔗接觸的時刻定義為t=0時刻.

2 結(jié)果與分析

2.1 2種扶蔗器的扶蔗試驗結(jié)果

由表2可知，對于倒伏角小于15°、側(cè)偏角大于15°的嚴重倒伏甘蔗，組合式扶蔗器可以產(chǎn)生一定的扶蔗效果，扶起后甘蔗的倒伏角為61.4～74.4°，而撥指鏈式扶蔗器無法產(chǎn)生扶蔗作用;對于倒伏角為15～30°、側(cè)偏角大于15°這種嚴重倒伏的甘蔗，組合式扶蔗器扶蔗結(jié)果為66.7～75.5°，撥指鏈式扶蔗器的扶蔗結(jié)果為64.7～75.1°.此時組合式扶蔗器的扶蔗效果優(yōu)于撥指鏈式扶蔗器.

表2 不同倒伏狀態(tài)甘蔗扶蔗試驗結(jié)果1)Tab.2 The result of sugarcane-lifting for different lodged sugarcane (°)

對于倒伏角大于30°、側(cè)偏角大于15°的一般倒伏甘蔗，2種扶蔗器扶起后甘蔗的倒伏角一致，扶起后甘蔗的倒伏角為69.4～76.8°.

對于側(cè)偏角小于15°、倒伏角為0～60°的順向倒伏的甘蔗，2種扶蔗器都無法接觸到甘蔗，不能產(chǎn)生扶蔗效果.

觀察圖3可得出撥指鏈式和組合式扶蔗器在可以產(chǎn)生扶蔗效果的情況下，均具有以下特點:當(dāng)?shù)狗收岬牡狗且欢〞r，甘蔗扶起后的倒伏角隨著倒伏甘蔗的側(cè)偏角的增大而增大，側(cè)偏角越大扶蔗效果越好;當(dāng)?shù)狗收岬膫?cè)偏角一定時，甘蔗扶起后的倒伏角隨著倒伏甘蔗的倒伏角的增大而增大，倒伏角越大扶蔗效果越好.

2.2 2種扶蔗器高速攝影試驗結(jié)果

觀察圖4a可以得出撥指鏈式扶蔗器接觸甘蔗時，由于撥指尖與甘蔗的相對距離較大，撥指無法有效地插入到甘蔗下部起到支撐作用，而且此時撥指處于圓弧軌道旋轉(zhuǎn)打開階段，容易將甘蔗彈起，t為0.072和0.240 s甘蔗2次被處于圓弧軌道的撥指彈起并回落，這個階段甘蔗始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，影響最終的扶蔗效果.直到t為0.456s甘蔗被進入直線軌道的撥指托住，才被穩(wěn)定扶起.

圖3 不同扶蔗器的扶蔗結(jié)果Fig.3 Sugarcane-lifting result of the different sugarcane-lifters

觀察圖4b可以看出，組合式扶蔗器首先由分蔗靴和螺旋滾筒提升甘蔗，t=0.157 s時，甘蔗被螺旋滾筒提升到與撥指交界處;t=0.285 s時，撥指與甘蔗接觸，可以插入到甘蔗下部托住甘蔗，這個過程甘蔗處于穩(wěn)定上升狀態(tài);t=0.308 s時，甘蔗被直線軌道中的撥指接住并穩(wěn)定扶起.

圖4 高速攝影試驗結(jié)果Fig.4 Sugarcane-lifting result in high-speed photographs

3 結(jié)論

1)對于倒伏角小于15°、側(cè)偏角大于15°的嚴重倒伏甘蔗，撥指鏈式扶蔗器無法扶起甘蔗的原因是撥指到達最低點時仍具有一定的離地高度，不能有效接觸到嚴重倒伏的甘蔗，而組合式扶蔗器的分蔗靴是貼地行走，可以將甘蔗向上推扶，再通過螺旋滾筒將甘蔗提升至撥指處，由撥指接住并扶起.對于倒伏角為15～30°、側(cè)偏角大于15°這種嚴重倒伏的甘蔗，撥指鏈式扶蔗器的撥指在圓弧軌道接觸到甘蔗，但此時撥指處于旋轉(zhuǎn)打開的階段容易將甘蔗彈起.因此對于嚴重倒伏的甘蔗分蔗靴和螺旋滾筒對甘蔗的提升作用對于改善扶蔗效果具有重要作用.

2)對于倒伏角大于30°、側(cè)偏角大于15°的一般倒伏甘蔗，由于甘蔗離地高度增大，超過了螺旋滾筒的高度，滾筒不再接觸甘蔗，同時也避免了處于圓弧軌道的撥指接觸甘蔗，而是由處于直線軌道的撥指接住甘蔗向上扶起，所以2種扶蔗器的扶蔗效果一致.因此，可以將分蔗靴和螺旋滾筒設(shè)計為易拆卸式的，田間工作時可以視實際倒伏情況決定是否安裝.

3)對于側(cè)偏角小于15°的倒伏甘蔗扶蔗效果差的原因是此時甘蔗倒伏接近扶蔗器的中心線，由于兩撥指之間存在一定的間距，這種情況下?lián)苤笩o法接觸到甘蔗，因此無法產(chǎn)生扶蔗作用.

4)倒伏甘蔗的側(cè)偏角(15～90°)越大，扶蔗效果越好，這是因為扶蔗器可以較早接觸甘蔗，對甘蔗產(chǎn)生一個向前向上推扶的作用，甘蔗易于被撥指接住;倒伏甘蔗的倒伏角越大扶蔗效果越好則是因為甘蔗與撥指接觸時，撥指處于直線軌道的穩(wěn)定運行狀態(tài)，此時甘蔗彈跳幅度小，易于扶起.

5)嚴重倒伏的甘蔗在扶起過程中受到撥指的擊打和推扶，作大幅度的彈跳和翻轉(zhuǎn)運動，推斷會有折斷的情況發(fā)生，但是在試驗中較多出現(xiàn)的是甘蔗根部土壤被嚴重破壞，而較少出現(xiàn)甘蔗折斷的現(xiàn)象.主要原因是在土槽模擬甘蔗種植時，將土壤壓實也無法達到田間土壤的堅實度，較為疏松的土壤緩沖了扶蔗器對甘蔗的沖擊力.因此有必要進行田間試驗來研究扶蔗過程甘蔗的折損情況.

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