周敬輝，李尚平，楊代云，鐘家勤，莫翰寧，張 彪，鄧 雄

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甘蔗收獲機刀盤軸向振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響

周敬輝1,3，李尚平2,4※，楊代云4，鐘家勤5，莫翰寧1，張 彪4，鄧 雄4

（1. 廣西大學(xué)輕工學(xué)院，南寧 530004； 2. 廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院南寧 530006； 3. 桂林理工大學(xué)南寧分校，南寧 530001； 4. 廣西大學(xué)機械工程學(xué)院，南寧 530004； 5. 欽州學(xué)院機械與船舶工程學(xué)院，欽州 535099）

為了研究甘蔗收獲機刀盤軸向振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響，該文根據(jù)刀盤切割和傳輸甘蔗時的工作狀況，在試驗和理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了刀盤軸向振動及其對宿根切割質(zhì)量影響的系列相關(guān)試驗，即通過在切割試驗平臺刀盤上安裝不平衡質(zhì)量塊的方式實現(xiàn)刀盤軸向的可控振動，以模擬刀盤在切割和傳輸甘蔗過程中產(chǎn)生的軸向振動工況；并在刀盤軸向振動狀態(tài)下，通過進(jìn)行一系列的單因素試驗和正交試驗，探討了不平衡質(zhì)量大小、刀盤轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量等因素對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響規(guī)律。經(jīng)過方差分析和相關(guān)性分析，結(jié)果表明：1）可通過安裝不平衡質(zhì)量的方法實現(xiàn)刀盤軸向的可控振動；2）刀盤的軸向振動振幅與甘蔗宿根切割質(zhì)量之間具有較強的正相關(guān)性，其線性相關(guān)系數(shù)為0.87；3）在正交試驗條件下，不平衡質(zhì)量對刀盤軸向振幅及宿根切割質(zhì)量在顯著水平0.05下均具有顯著影響，各試驗因素對甘蔗宿根切割質(zhì)量影響的大小排序為刀盤的不平衡質(zhì)量、甘蔗輸送速度、刀盤轉(zhuǎn)速。該文初步揭示了刀盤軸向振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量具有顯著影響的規(guī)律，為深入研究復(fù)雜激勵下刀盤振動對甘蔗宿根破頭的影響機理、探索基于動態(tài)特性的甘蔗收獲機設(shè)計方法、開發(fā)適于丘陵地區(qū)的甘蔗收獲機械提供了參考。

機械化；振動；作物；切割質(zhì)量；刀盤；軸向振動；不平衡質(zhì)量

0 引 言

甘蔗是中國南方的主要經(jīng)濟(jì)作物。多年來，廣西甘蔗產(chǎn)量、種植面積一直居于全國首位，蔗糖業(yè)已成為廣西支柱產(chǎn)業(yè)[1]?，F(xiàn)階段廣西甘蔗機械化收獲水平不到0.1%[2]，在人工成本急劇上升的背景下，推廣甘蔗收獲機械化對廣西糖業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。甘蔗宿根切割質(zhì)量是影響甘蔗機械化收獲推廣應(yīng)用的一個重要因素。切割質(zhì)量差的甘蔗宿根在斷面處存在較多的裂紋和臺階，并產(chǎn)生甘蔗宿根的破頭，直接影響翌年甘蔗宿根的出芽率。據(jù)本課題組的調(diào)研，目前廣西所用的主要機型如凱斯4000、凱斯7000等，收獲作業(yè)時甘蔗宿根切割質(zhì)量仍存在較大的問題，具體表現(xiàn)為甘蔗宿根破頭率達(dá)20%～30%，有的甚至高達(dá)40%。低下的宿根切割質(zhì)量嚴(yán)重制約了甘蔗機械化收獲的大面積推廣應(yīng)用[3]。因此，提高機械收獲時甘蔗宿根切割質(zhì)量是一個迫在眉睫的問題。

針對上述問題國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量基礎(chǔ)研究。國外學(xué)者做了切割器運動學(xué)分析[4]，對切割力、切割能量以及不同的刃口形態(tài)對切割質(zhì)量的影響進(jìn)行了試驗研究[5-7]，分析了壓蔗輥和切割器及刀盤傾角與刀口鋸齒間距仿真模型[8-9]。國內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了甘蔗在拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷下破壞形態(tài)的研究[10]，并對甘蔗在光刃刀片下的破壞形態(tài)及破壞力學(xué)進(jìn)行了探討[11-13]；還有學(xué)者探討了田間因素和結(jié)構(gòu)因素對甘蔗宿根破頭的影響機理[14-15]，通過建立甘蔗-土壤-切割器系統(tǒng)仿真模型，探討了入土切割和非入土切割狀態(tài)對切割質(zhì)量的影響[16]。以上研究成果為提高甘蔗宿根切割質(zhì)量提供了研究基礎(chǔ)，但均未考慮收獲機刀盤工作時其軸向振動對切割質(zhì)量的影響。甘蔗收獲機作業(yè)時，由于刀盤在甘蔗切割和傳輸過程中受到多種激勵因素作用，高速旋轉(zhuǎn)的刀盤會產(chǎn)生較大的軸向振動。

課題組前期針對切割器的剛性對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響進(jìn)行了一系列的試驗和分析[17]，但未進(jìn)一步研究在復(fù)雜激勵下刀盤軸向振動對切割質(zhì)量的影響規(guī)律。本文在前期調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，以課題組與廣西某企業(yè)聯(lián)合研發(fā)的小型整桿式甘蔗收獲機[18]為研究對象，通過試驗設(shè)計，實現(xiàn)刀盤的可控軸向振動，并在自行研制的砍蔗平臺上開展一系列刀盤軸向振動狀態(tài)下的甘蔗切割試驗研究，以期進(jìn)一步揭示切割器刀盤的軸向振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 收獲機刀盤軸向振動分析與試驗

1.1 收獲機刀盤質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的原因

甘蔗收獲機在田間作業(yè)時，刀盤的功能有2個：1）切割甘蔗：刀盤高速旋轉(zhuǎn)，刀片將甘蔗切斷；2）傳輸甘蔗：將切斷的甘蔗向后輸送，通過喂入輥將甘蔗送入物流通道，此時刀盤對甘蔗蔗體兼有向后輸送的功能。在甘蔗傳送過程中，由于甘蔗的質(zhì)量和摩擦力對刀盤的作用和動態(tài)沖擊，刀盤原有的靜平衡被打破，導(dǎo)致刀盤受到不平衡力的振動沖擊。

此外，通過現(xiàn)場調(diào)研考察發(fā)現(xiàn)，甘蔗收獲機的切割器在作業(yè)時不可避免的會產(chǎn)生入土切割，由于土壤的水分和蔗汁與泥土、雜質(zhì)的作用，在一段時間作業(yè)之后，切割器刀盤上會產(chǎn)生較多泥土和雜質(zhì)的固態(tài)堆積物，也導(dǎo)致刀盤質(zhì)量分布不平衡。上述情況表明，盡管收獲機刀盤事先通過靜、動平衡調(diào)整，由于上述原因，在收獲過程中刀盤的平衡狀態(tài)仍被打破。文獻(xiàn)[19-21]表明徑向不平衡質(zhì)量會影響轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的軸向振動。收獲機刀盤可視為一個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，刀盤在工作過程中產(chǎn)生質(zhì)量不平衡，可導(dǎo)致刀盤產(chǎn)生軸向振動。

1.2 刀盤輸送甘蔗產(chǎn)生不平衡振動試驗驗證

課題組自制的雙刀盤砍蔗試驗平臺（如圖1a所示），平臺由刀架、甘蔗輸送臺架、三相異步電機、變頻調(diào)速裝置（歐瑞F1000-G0055T3B）組成。刀盤與自研的小型甘蔗收獲機刀盤直徑相仿，為390 mm，刀片尺寸為150 mm× 65 mm×5 mm，刀片伸出長度90 mm，刀片數(shù)量為2片。

振動測量儀器為激光位移測量系統(tǒng)。系統(tǒng)由基恩士LK-G150A激光位移傳感器、基恩士LK-G3001A控制器、專用電源變壓器 (MS2-H50)、筆記本電腦及相關(guān)測試軟件（LK-H1W)組成。系統(tǒng)最大測量范圍為190 mm，重復(fù)精度為0.05m，采樣頻率設(shè)為20 kHz。刀盤轉(zhuǎn)速測試儀器為?，擜R926激光測速表，測量范圍2.5～99 999 r/min，精度±0.05%。試驗所用材料為廣西大學(xué)農(nóng)場的臺糖20號甘蔗。

采用單因素試驗，試驗因素為輸送甘蔗的質(zhì)量，取值范圍為0、0.5、1.02、1.13、2.23 kg。試驗指標(biāo)為刀盤邊緣的軸向振幅，驗證輸送甘蔗對刀盤軸向振動的影響。刀盤轉(zhuǎn)速為小型甘蔗收獲機常用的650 r/min，刀盤無任何附加質(zhì)量。試驗時人工喂入甘蔗，由旋轉(zhuǎn)的刀盤向后輸送，同時采用激光位移測量系統(tǒng)測量測點的振幅，每組重復(fù)試驗5次，結(jié)果取均值。刀盤軸向振動的測量示意圖如圖1b所示。

圖2為甘蔗輸送質(zhì)量對刀盤軸向振動影響試驗結(jié)果。由圖2可知，當(dāng)?shù)侗P旋轉(zhuǎn)向后輸送甘蔗時，甘蔗的質(zhì)量從0增至2.23 kg，刀盤邊緣軸向振幅從0.89增至1.68 mm，提高了89%。表1為單因素試驗方差分析結(jié)果。由表1可知，甘蔗輸送質(zhì)量對刀盤的軸向振幅有顯著影響（<0.01），證明了1.1節(jié)的初步分析是合理的。甘蔗在刀盤輸送的過程中改變了刀盤的質(zhì)量分布，使刀盤產(chǎn)生了動態(tài)不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致刀盤的軸向振動，且隨著喂入甘蔗質(zhì)量的增加，刀盤的軸向振幅增大。因此，有必要進(jìn)一步深入地探討刀盤工作過程中不平衡質(zhì)量對其軸向振動及甘蔗切割質(zhì)量的影響規(guī)律。

表1 甘蔗輸送質(zhì)量對刀盤軸向振動影響方差分析

2 不平衡質(zhì)量對刀盤軸向振動理論分析與試驗

2.1 不平衡質(zhì)量對刀盤軸向振動理論分析

圖3a為切割器結(jié)構(gòu)（刀軸和刀盤）裝配簡圖。刀軸為外伸梁結(jié)構(gòu)，減速箱體與機架固結(jié)。為分析簡化起見，做如下假定：1）將軸承視為剛性支承，不考慮阻尼影響；2）由于刀軸懸伸較長，將刀軸簡化為懸臂梁；3）將圓盤視為剛體，且只考慮圓盤質(zhì)量而忽略軸的質(zhì)量。

切割器簡化后的模型如圖3b所示，忽略圓盤寬度的影響。設(shè)整個刀軸長度為，建立空間靜止坐標(biāo)系，原點為靜止?fàn)顟B(tài)下的圓盤形心，軸與靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)子的軸線重合。同時建立動坐標(biāo)系，原點位于轉(zhuǎn)動狀態(tài)下的園盤形心，軸沿旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子軸線的方向，分別沿轉(zhuǎn)盤直徑方向。

1.上軸承 2.下軸承 3.減速箱 4.機架

1.Upper bearing 2.Lower bearing 3.Reducing box 4.Body frame

注：為刀軸長度。

Note:is the length of cutter shaft.

圖3 切割器結(jié)構(gòu)示意圖及簡化模型

Fig.3 Structure diagram and simplify model of cutter

假設(shè)圓盤的質(zhì)心與圓盤形心有偏心距，在旋轉(zhuǎn)的過程中，由于離心力的作用，軸將發(fā)生彎曲產(chǎn)生動撓曲變形，圓盤傾斜導(dǎo)致其在繞′軸旋轉(zhuǎn)的同時產(chǎn)生一個繞軸回轉(zhuǎn)的運動。則有

設(shè)刀盤逆時針繞x軸轉(zhuǎn)動，則有

=（2）

式中為橫向振動固有頻率，Hz；為圓盤質(zhì)量，kg；為軸的抗彎剛度，N·mm2；為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，rad/s；為偏心距，mm；ρ為轉(zhuǎn)子動撓度，mm；為刀盤在某一時刻質(zhì)心和旋轉(zhuǎn)中心1的連線與軸的夾角，rad。

圖4為刀盤旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)中心1、形心和質(zhì)心的相對位置。由圖4可知

式中y為質(zhì)心的軸坐標(biāo)，mm；z為為質(zhì)心的軸坐標(biāo)，mm；y為形心的軸坐標(biāo)，mm；z為形心的軸坐標(biāo)，mm；為偏心距，mm。

注：1為刀盤旋轉(zhuǎn)時的旋轉(zhuǎn)中心；為圓盤形心；為圓盤質(zhì)心；y為形心的軸坐標(biāo)，w為形心的軸坐標(biāo)；s為質(zhì)心的軸坐標(biāo)，s為質(zhì)心的軸坐標(biāo)；為偏心距；ρ為轉(zhuǎn)子動撓度，mm；為刀盤在某一時刻質(zhì)心和旋轉(zhuǎn)中心1的連線與軸的夾角，rad。

Note: Point1is rotational center of rotating cutterhead; point w is center figure of cutterhead; pointis centroid of cutterhead;wis y position of,wisposition of;yis y position of,sis z position of;is ecentricity of cutterhead.ρis dynamic deflection of rotor, mm;is included angle between connecting line to the center of massand the center of rotation1and-axis at one pointof knife dish, rad.

圖4 刀盤旋轉(zhuǎn)時旋轉(zhuǎn)中心1、形心和質(zhì)心的相對位置

Fig.4 Mutual alignment of rotation center1, center of figureand centroid of cutterheadwhen cutterhead is rotating

刀盤質(zhì)心的運動方程

式中為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻和轉(zhuǎn)子橫向振動固有頻率之比，無量綱。

刀盤質(zhì)心與支承點的連線與軸的夾角在平面和平面的投影分別為β和β，由于轉(zhuǎn)角β和β均為微小量，所以有

式中為刀軸的長度，mm。

可求出刀盤對于支承點的3個動量矩分量：

式中L、L、L分別為刀盤對于點的動量矩分量，kg·mm2/s；J為刀盤繞轉(zhuǎn)子軸線的轉(zhuǎn)動慣量，kg·mm2；o為刀盤繞支承點的轉(zhuǎn)動慣量，kg·mm2；=，rad/s。

對動量矩分量進(jìn)行求導(dǎo)，即求得力矩

而力矩即為支承點上所受的力與力臂之積，則有

式中M、M、M分別為作用于軸上的力矩，N·mm。式（8）的各力在靜止坐標(biāo)系中的位置見圖5。

將力F、F投影到軸上得F

式（9）中F即為刀盤在離心力作用下繞支承點回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的軸向簡諧力，使刀盤產(chǎn)生軸向簡諧振動。上述理論分析和前節(jié)的驗證試驗說明：刀盤在工作中產(chǎn)生的不平衡會造成刀盤的軸向振動，因此，可進(jìn)行試驗設(shè)計，通過在刀盤上安裝不平衡質(zhì)量的方法實現(xiàn)對刀盤軸向振動的控制，以模擬刀盤的實際工作狀況，研究各相關(guān)影響因素對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響。

2.2 刀盤不平衡的軸向振動試驗

依上分析，設(shè)計了刀盤不平衡的軸向振動試驗，研究不平衡質(zhì)量對刀盤軸向振動影響規(guī)律，進(jìn)一步驗證上述理論分析的結(jié)果，為后續(xù)的砍蔗試驗提供依據(jù)。

2.2.1 試驗設(shè)備和材料

試驗臺架及檢測儀器與上節(jié)的驗證試驗相同。不平衡質(zhì)量塊的材料為45號鋼圓片，每片質(zhì)量為0.1 kg，外徑=114 mm，寬度=5 mm，中心孔徑=10 mm。試驗前在刀盤預(yù)制3個10 mm通孔，孔與刀盤中心的偏心距分別為100、130、160 mm，試驗時用螺栓將不同數(shù)量的圓片固定在刀盤圓孔的位置上，以獲得試驗所需的不平衡質(zhì)量。

2.2.2 試驗方法

刀盤不平衡軸向振動試驗分為2組，第一組為試驗裝置可靠性試驗，采用單因素試驗，試驗因素為刀盤轉(zhuǎn)速，取值范圍為500、550、600、650、700 r/min，不平衡質(zhì)量取最大值0.4 kg，與刀盤中心偏心距取最大值160 mm。測點為刀盤邊緣、刀盤中心和上軸承座3個測點（如圖1b所示），試驗指標(biāo)為測點的軸向振幅，考察試驗裝置在試驗最極端條件下的可靠性。

第二組為不平衡質(zhì)量對刀盤振動影響試驗，由兩個試驗組成，記為試驗1及試驗2，仍采用單因素試驗。試驗1的試驗因素為不平衡質(zhì)量，取值范圍為0、0.1、0.2、0.3、0.4 kg，與刀盤中心偏心距為100 mm，刀盤轉(zhuǎn)速650 r/min。試驗2的試驗因素為不平衡質(zhì)量偏心距，取值范圍為100、130、160 mm，不平衡質(zhì)量為0.4 kg，刀盤轉(zhuǎn)速為650 r/min。試驗指標(biāo)均為刀盤邊緣測點的軸向振幅（如圖1b所示）。每個水平的重復(fù)試驗為5次，結(jié)果取均值。刀盤轉(zhuǎn)速測量同1.2節(jié)。

2.2.3 結(jié)果與分析

第一組試驗結(jié)果如圖6a所示，在試驗條件下，3個測點的軸向振動數(shù)據(jù)均隨著刀盤轉(zhuǎn)速的提高而上升。其中，刀盤邊緣測點最大值為2.64 mm、軸承座測點最大值為0.67 mm、刀盤中心測點最大值為0.61 mm。在每種轉(zhuǎn)速水平下，各測點軸向振幅的排序均為刀盤邊緣>軸承座>刀盤中心。軸承座和刀盤中心振幅相差不大，兩者比值約為1.1；刀盤邊緣與軸承座、刀盤中心振幅的比值分別為3.9、4.3，這說明刀盤邊緣處的軸向振動是一種組合振動，即刀盤系統(tǒng)在不平衡力作用下的軸向振動與刀盤的彈性變形疊加而成。由于軸承座的軸向振幅在試驗條件下影響較小，可以認(rèn)為在該試驗條件下，試驗裝置是可靠的。

第二組的試驗結(jié)果如圖6b和表2所示，將不平衡質(zhì)量對刀盤軸向振動影響的試驗1結(jié)果（圖6b）及試驗2結(jié)果（表2）與前述驗證試驗結(jié)果（圖2）進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)在不平衡質(zhì)量及偏心距作用下引起的刀盤軸向振動幅值變化趨勢與由輸送甘蔗質(zhì)量所引起的刀盤軸向振幅變化趨勢相同，且圖2中振幅大小（0.89～1.68 mm）基本處于圖6b及表2中由不平衡質(zhì)量及偏心距所引起的振幅范圍內(nèi)（0.91～2.59 mm），表明所選用的試驗方法能較好的模擬實際工況。

從圖6b可知，在試驗1中，當(dāng)不平衡質(zhì)量安裝偏心距和刀盤轉(zhuǎn)速不變，不平衡質(zhì)量從0增加到0.4 kg時，刀盤振幅由0.91增至1.86 mm，提高了近100%。由表2可知，在試驗2中，在不平衡質(zhì)量和刀盤轉(zhuǎn)速不變的情況下，當(dāng)偏心距由100增加到160 mm時，刀盤振幅由1.86提高至2.59 mm，振幅提高了40%。通過分別改變不平衡質(zhì)量和安裝偏心距，均可使不平衡作用力遞增，導(dǎo)致刀盤軸向振幅也隨之遞增，試驗結(jié)果與理論分析吻合。試驗結(jié)果分析表明，通過安裝不平衡質(zhì)量塊的方法，可以實現(xiàn)刀盤軸向振動的控制。

表2 偏心距對刀盤振動影響試驗結(jié)果

注：不平衡質(zhì)量為0.4 kg，刀盤轉(zhuǎn)速為650 r·min-1。

Note: Unbalance mass is 0.4 kg and the rotating speed of cutterhead is 650 r·min-1.

3 刀盤軸向振動對宿根切割質(zhì)量影響試驗

在上述試驗基礎(chǔ)上，進(jìn)行刀盤軸向振動狀態(tài)下的單因素和正交砍蔗試驗，分別研究刀盤軸向振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響規(guī)律及軸向振動、刀盤轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等因素對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響程度。砍蔗試驗所用試驗臺架和儀器設(shè)備與前述相同。所用材料為廣西大學(xué)農(nóng)場的臺糖20號新鮮甘蔗。

3.1 試驗方法

3.1.1 甘蔗宿根切割質(zhì)量綜合評定方式

研究發(fā)現(xiàn)甘蔗切割過程中甘蔗的破損主要是蔗皮與蔗芯的徑向撕裂[22]，裂紋的寬度、裂紋長度及裂紋數(shù)決定了蔗根的撕裂程度；蔗根產(chǎn)生裂紋后，裂紋越長、裂紋個數(shù)越多，水分越易浸入導(dǎo)致病菌感染，蔗芽易死亡[23]。綜合前期研究并結(jié)合文獻(xiàn)[24-25]所采用的甘蔗宿根切割質(zhì)量評價指標(biāo)，本次試驗的切割質(zhì)量評價指標(biāo)包括：宿根裂紋數(shù)、裂紋寬度和裂紋長度，各評價指標(biāo)值用x表示。對這3種指標(biāo)采用改進(jìn)熵值法計算宿根切割質(zhì)量的綜合評定值[26-28]并作為試驗指標(biāo)，值越高表示切割質(zhì)量越差。綜合評定值計算式如式（10）。

式中′為指標(biāo)隸屬度，x為第項評價指標(biāo)第次試驗值，1,2,3，分別對應(yīng)裂紋數(shù)、裂紋寬度、裂紋長度；1,2,…,，試驗次數(shù)，為試驗總次數(shù)；xmax為第評價指標(biāo)中的最大值；xmin為第評價指標(biāo)中的最小值；p為各個指標(biāo)值的比例；為熵值系數(shù)；e為第項評價指標(biāo)的熵值；g第項評價指標(biāo)的差異性系數(shù)；w第項評價指標(biāo)的權(quán)重；R為第次試驗的甘蔗宿根綜合切割質(zhì)量評定值（簡稱綜合切割質(zhì)量評定值）。

3.1.2 試驗設(shè)計

該試驗采用單因素試驗和正交試驗，研究在加入刀盤軸向振動因素的情況下，考慮刀盤轉(zhuǎn)速、收獲機前進(jìn)速度等因素對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響情況。

單因素試驗以不平衡質(zhì)量為試驗因素，取值范圍為0、0.1、0.2、0.3、0.4 kg，試驗指標(biāo)為刀盤邊緣軸向振幅及綜合切割質(zhì)量評定值，在轉(zhuǎn)速550 r/min、不平衡質(zhì)量偏心距160 mm、輸送速度0.3 m/s的條件下進(jìn)行。每個水平的重復(fù)試驗為5次，結(jié)果取均值。

小型整稈式甘蔗收獲機工作時刀盤轉(zhuǎn)速范圍為500～700 r/min，常用的轉(zhuǎn)速范圍為600～700 r/min；行走速度范圍為0.2～0.4 m/s。試驗水平在其常用工況范圍內(nèi)選??；表3中刀盤轉(zhuǎn)速600 r/min對應(yīng)甘蔗切割線速度為17.90 m/s，650 r/min為19.39 m/s，700 r/min為20.88 m/s。正交試驗的試驗變量為刀盤轉(zhuǎn)速、不平衡質(zhì)量、進(jìn)給速度，各選取3個水平，因素水平如表3所示。試驗指標(biāo)為刀盤邊緣軸向振幅及綜合切割質(zhì)量評定值，選用L9（34）正交表設(shè)計試驗方案，每個水平組合重復(fù)試驗5次，結(jié)果取均值。

表3 正交試驗因素與水平

試驗時刀盤旋轉(zhuǎn)，甘蔗插入圖7所示夾持裝置，每次1根，夾持裝置固定在圖1a所示輸送臺架上，由電機驅(qū)動，用游標(biāo)卡尺測量蔗根裂紋長度及寬度，記錄裂紋個數(shù)，并按綜合評定方法計算出綜合切割質(zhì)量評定值。甘蔗進(jìn)給速度由變頻調(diào)速裝置控制。用1.2節(jié)所述激光位移測量系統(tǒng)測量刀盤邊緣的軸向振幅，刀盤轉(zhuǎn)速測量同1.2節(jié)。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 單因素試驗結(jié)果分析

圖8為單因素砍蔗試驗結(jié)果。如圖8所示，刀盤軸向振幅隨不平衡質(zhì)量增大而遞增，綜合切割質(zhì)量評定值隨不平衡質(zhì)量增大而遞增。用SPSS對試驗結(jié)果進(jìn)行相關(guān)分析可知：1）不平衡質(zhì)量與刀盤軸向振幅之間具有較強的正相關(guān)性（Person相關(guān)系數(shù)為0.95，=0.008，顯著水平為0.01）；2）不平衡質(zhì)量與綜合切割質(zhì)量評定值之間也具有較強的正相關(guān)性（Person相關(guān)系數(shù)為0.945，=0.008，顯著水平為0.01）。

圖9為刀盤軸向振幅對甘蔗切割質(zhì)量影響的關(guān)系圖，該圖表明綜合切割質(zhì)量評定值隨刀盤軸向振幅增大而遞增。對綜合切割質(zhì)量評定值與刀盤軸向振幅的相關(guān)分析表明，兩者之間呈較強的正相關(guān)性（Person相關(guān)系數(shù)為0.87，=0.028，顯著水平為0.05）。分析不平衡質(zhì)量與綜合切割質(zhì)量評定值具有較強正相關(guān)性的原因，可認(rèn)為由不平衡質(zhì)量與刀盤軸向振幅間存在較強正相關(guān)性，而刀盤軸向振幅與綜合切割質(zhì)量評定值間也存在較強正相關(guān)性所致。不平衡質(zhì)量通過影響振幅從而影響了切割質(zhì)量，刀盤軸向振幅是切割質(zhì)量的直接影響原因。

對試驗結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，得到以振動幅值X為自變量、綜合切割質(zhì)量評定值為因變量的線性回歸方程，如式（11）所示。方程的決定系數(shù)為2=0.9。用方程對試驗結(jié)果進(jìn)行擬合（如圖9所示），可以看出方程對試驗值的擬合程度較高。

=0.2034+0.0814X（11）

圖9的線性擬合結(jié)果及式（11）表明，綜合切割質(zhì)量評定值隨刀盤軸向振幅變化呈單調(diào)的增長，甘蔗宿根綜合切割質(zhì)量評定值對刀盤軸向振幅具有較顯著的線性相關(guān)關(guān)系。

3.2.2 正交試驗結(jié)果分析

表4為正交砍蔗試驗結(jié)果。對表4分別以綜合切割質(zhì)量評定值、刀盤邊緣軸向振幅為指標(biāo)在顯著水平0.05下進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明：1）不平衡質(zhì)量2、甘蔗輸送速度3對綜合切割質(zhì)量評定值具有顯著影響(<0.05)，刀盤轉(zhuǎn)速1影響不顯著(>0.05)，3個因素對綜合切割質(zhì)量評定值影響程度的排序為2>3>1。2）不平衡質(zhì)量2對刀盤軸向振幅具有顯著影響(<0.05)，刀盤轉(zhuǎn)速1、甘蔗輸送速度3的影響不顯著，3個因素對振幅影響程度的排序為2>1>3。分析不平衡質(zhì)量對綜合切割質(zhì)量評定值有顯著影響的原因，可認(rèn)為由不平衡質(zhì)量與刀盤軸向振幅間具有較強的正相關(guān)性，而刀盤軸向振幅對綜合切割質(zhì)量評定值也具有顯著影響所導(dǎo)致。不平衡質(zhì)量對綜合切割質(zhì)量評定值的影響通過刀盤軸向振幅對綜合切割質(zhì)量評定值的作用來體現(xiàn)。在試驗條件下，以綜合切割質(zhì)量評定值為指標(biāo)的最優(yōu)水平組合為刀盤轉(zhuǎn)速650 r/min，不平衡質(zhì)量0.4 kg，甘蔗輸送速度0.2 m/s。

表4 砍蔗正交試驗結(jié)果

注：正交試驗中通過改進(jìn)熵值法計算出的裂紋數(shù)、裂紋寬度、裂紋長度所對應(yīng)的權(quán)重分別為0.380、0.291、0.328。

Note: The weight of crack number, crack width and crack length, which are calculated by improved entropy method, are 0.380, 0.291 and 0.328.

表5 不同評價指標(biāo)的方差分析結(jié)果

4 討 論

1）由于刀盤在甘蔗傳輸過程會產(chǎn)生質(zhì)量不平衡，理論分析表明，此時不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的簡諧軸向力會導(dǎo)致刀盤產(chǎn)生軸向振動。為模擬工作過程中刀盤所產(chǎn)生的軸向振動，本文通過改變刀盤上不平衡質(zhì)量大小及其偏心距的方法造成刀盤質(zhì)量分布不平衡，試驗結(jié)果表明該方法可在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對刀盤軸向振動的控制，且其規(guī)律與甘蔗傳輸過程中刀盤軸向振動規(guī)律基本相同。試驗方法可以較好地模擬和實現(xiàn)刀盤的軸向振動。

2）單因素砍蔗試驗分析結(jié)果表明刀盤軸向振動幅值與甘蔗宿根綜合切割質(zhì)量間具有較強正相關(guān)性?？痴徇^程中甘蔗往往經(jīng)過多刀切斷。由于甘蔗的結(jié)構(gòu)類似于橫向同性的單向復(fù)合材料，沿甘蔗纖維方向的縱向抗拉強度遠(yuǎn)大于垂直于纖維方向的橫向抗拉強度[29-30]。刀片第一次切入導(dǎo)致甘蔗產(chǎn)生裂口并破壞甘蔗的整體強度，第二次切入時，由于刀盤存在軸向振動，兩次切入位置存在高度差，其差值與刀盤振幅相關(guān)。刀片的橫向切割力對蔗體的裂口產(chǎn)生一個力矩1；同時刀盤的軸向振動導(dǎo)致了刀片對甘蔗軸向沖擊力，在軸向沖擊力作用下，刀片運動時產(chǎn)生的摩擦力加大，該摩擦力對蔗體的裂口產(chǎn)生一個摩擦力矩2。當(dāng)在1和2的共同作用下，當(dāng)蔗體裂口產(chǎn)生的應(yīng)力大于甘蔗的橫向抗拉強度時，甘蔗沿纖維方向產(chǎn)生縱向裂紋。振幅增大導(dǎo)致兩次切入位置高度差及軸向沖擊力增大，1及2增大，蔗體產(chǎn)生縱向裂紋的概率也增大，這是導(dǎo)致刀盤軸向振幅對砍蔗質(zhì)量具有較強正相關(guān)性的原因。

3）在課題組前期的研究中，當(dāng)只考慮以刀盤轉(zhuǎn)速、甘蔗輸送速度、刀盤傾角等切削用量的影響進(jìn)行甘蔗切割試驗時，其結(jié)果表明三者均對切割質(zhì)量有顯著影響[23]，同時相關(guān)研究也表明刀盤轉(zhuǎn)速及甘蔗輸送速度對切割質(zhì)量均有顯著影響[22]，而本次試驗結(jié)果表明在顯著水平0.05下，刀盤轉(zhuǎn)速對切割質(zhì)量無顯著影響（在顯著水平0.10下顯著）。在刀盤轉(zhuǎn)速的影響上本文與前期研究存在差異。本次試驗在考慮切割參數(shù)的基礎(chǔ)上增加了刀盤軸向振動這一因素，重點研究了刀盤軸向振動因素的影響。在前期的不平衡振動條件下的切割試驗中，通過測量切削力發(fā)現(xiàn)，在刀盤軸向振動時，切割甘蔗的軸向切削力約占切削合力的80%，軸向切削力導(dǎo)致刀片對蔗體產(chǎn)生較強的軸向壓力，加劇了甘蔗沿軸向的破損。如前分析，刀盤切割過程中的軸向振動對甘蔗產(chǎn)生較大的橫向力矩和摩擦力矩，容易造成甘蔗沿軸向的撕裂，導(dǎo)致刀盤軸向振動振幅對砍蔗質(zhì)量具有顯著影響及較強的敏感性（顯著性水平為=0.05）。

在正交試驗中，不平衡質(zhì)量所引起的刀盤振幅的變化范圍為1.01～1.18 mm,其變化幅度約為16%，且不平衡質(zhì)量在方差分析中影響最顯著，而刀盤轉(zhuǎn)速的變化范圍為600～700 r/min，變化幅度約為16%，方差分析表明其影響不顯著，這說明在試驗條件下，相對而言，由不平衡質(zhì)量引起的振幅對切割質(zhì)量的影響大于轉(zhuǎn)速。為進(jìn)一步分析試驗中刀盤轉(zhuǎn)速作用不顯著的原因，比較前期有關(guān)切割用量對切割質(zhì)量的影響試驗，可以發(fā)現(xiàn)在本次試驗設(shè)定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，刀盤線切割速度變化不大（變化幅度為16%），而文獻(xiàn)[22]及課題組前期試驗[23]所設(shè)置的刀盤線切割速度變化幅度分別為133%及47%，因此可以認(rèn)為該試驗結(jié)果與刀盤線切割速度變化幅度較小有關(guān)，在較小的變化范圍里，轉(zhuǎn)速對切割質(zhì)量的變化作用不能充分體現(xiàn)，所以在方差分析中轉(zhuǎn)速的偏差平方和較小，據(jù)此可以認(rèn)為試驗結(jié)果與前期的相關(guān)研究結(jié)論并不矛盾。在表5方差分析中不平衡質(zhì)量影響最顯著，由于不平衡質(zhì)量與刀盤軸向振幅較強的正相關(guān)性，可以認(rèn)為在試驗條件下由不平衡質(zhì)量所引起的刀盤振幅對切割質(zhì)量的影響最大。

5 結(jié) 論

1）試驗表明：由于切割甘蔗過程中，刀盤同時兼有傳輸甘蔗的功能，改變了刀盤的質(zhì)量分布；且由于泥土在刀盤上的堆積，均使刀盤受到不平衡力的影響，直接導(dǎo)致刀盤的軸向振動。

2）理論分析和試驗結(jié)果表明，在切割器刀盤安裝不平衡質(zhì)量塊可模擬不平衡力的作用，實現(xiàn)刀盤振動幅值的控制，在本文試驗條件下刀盤振幅的可控范圍為0.91～2.59 mm。與甘蔗傳輸過程的振動趨勢與規(guī)律基本相同；在不平衡質(zhì)量的作用下，刀盤的振動由切割器的軸向振動與刀盤本身在不平衡力作用下的彈性變形疊加而成，且刀盤邊沿的振動變形影響較大。

3）在本文試驗條件下，單因素砍蔗試驗表明刀盤的軸向振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量存在高度顯著的正相關(guān)性，在顯著水平0.05下其相關(guān)系數(shù)為0.87；甘蔗宿根砍蔗質(zhì)量對刀盤軸向振動的變化較為敏感。

4）在本文試驗條件下，在刀盤不平衡質(zhì)量、刀盤轉(zhuǎn)速、甘蔗輸送速度的影響因素中，對甘蔗宿根切割質(zhì)量影響程度排序為刀盤不平衡質(zhì)量、甘蔗輸送速度、刀盤轉(zhuǎn)速。由于不平衡質(zhì)量和刀盤軸向振幅之間的較強正相關(guān)性，可認(rèn)為在試驗條件下，刀盤軸向振幅對甘蔗宿根切割質(zhì)量具有顯著影響。

本文為進(jìn)一步探索基于切割器結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的甘蔗收獲機設(shè)計方法、開發(fā)適于丘陵地區(qū)的甘蔗收獲機械、提高甘蔗收獲機砍蔗質(zhì)量提供了參考。

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Influence of sugarcane harvester cutterhead axial vibration on sugarcane ratoon cutting quality

Zhou Jinghui1,3, Li Shangping2,4※, Yang Daiyun4, Zhong Jiaqin5, Mo Hanning1, Zhang Biao4, Deng Xiong4

(1.,530004,; 2.530006,; 3.530001, China; 4.,530004,; 5.535099,)

In view of the problems of the low cutting quality of sugarcane ratoon, literatures at home and abroad mostly focus on the study of machine structures and movement parameters of harvester, neglecting possible influence of cutterhead’s vibration on sugarcane cutting. Research team discovered in the earlier research stage that there were certain connections between cutterhead vibration of sugarcane harvester and ratoon cutting quality. Based on early theoretical analysis, research team gave further studies on their relationship by controlling the axial vibration of cutterhead triggered by different weights of sugarcanes on cutterhead. To realize controllable axial amplitudes of cutterhead, we analyzed the mechanism of axial vibration generated by rotor dynamics. It was concluded that during the cutting movement an eccentric mass on the cutterhead produced axial vibration: owing to the existence of eccentricity, dynamic deflection was created under the action of centrifugal force when the cutterhead was rotating, and then the axial harmonic force which related to the eccentric distance was produced, forcing the cutterhead to generate axial vibrations. This suggestion was verified by a series of single factor experiments. An unbalanced mass, the position and mass of which could be varied, was installed on the cutterhead of the self-developed laboratory platform to achieve controllable axial vibrations and measurable vibrations produced when sugarcane roots were cut and transferred on the simulating cutterhead. In this series of single factor experiments, the amplitudes at a fixed point on the edge of cutterhead on axial direction were measured by the laser displacement sensor in terms of changing unbalanced mass. The experiments also realized controllable axial vibrations of cutterhead. Based on the above results, under the controllable axial vibration conditions, a series of single-factor and orthogonal experiments of sugarcane ratoon cutting were carried out. Taking the length and width of sugarcane ratoon crack and the number of experimental ratoons as experiment indices, we completed the comprehensive evaluation on sugarcane ratoon cutting quality with the improved entropy method, and further carried out the variance analysis, correlation analysis and regression analysis. Experiment results showed that: 1) The cutter’s axial vibrations could be controlled by various weights and positions of unbalanced mass. The controllable range was 0.91-2.59 mm under the experiment conditions and there is a strong positive correlation between unbalanced mass and cutterhead amplitude.2) With the statistics, the linear regression equation of sugarcane ratoon cutting quality and cutterhead axial vibration was made. It was found that there was a strong positive correlation between the axial amplitude of cutterhead and the sugarcane ratoon cutting quality, and the correlation coefficient was 0.87. The regression equation suggested the sugarcane cutting quality was sensitive to the changes of cutterhead axial amplitude. 3) Under the orthogonal test condition, unbalanced mass had the significant influence on ratoon cutting quality and axial vibration of cutterhead at the significant level of 0.05; and it was suggested that among the 3 factors i.e. cutterhead unbalanced mass, cutterhead rotation speed and sugarcane conveying speed, the first one had the most significant effect on cutting quality, the sugarcane conveying speed ranked the second, and the cutterhead rotation speed had the least influence. Due to the strong positive correlation between cutterhead unbalanced mass and cutterhead amplitude, the significant influence on cutting quality brought by cutterhead axial amplitude could be confirmed. This paper preliminarily reveals the impact rule of cutterhead axial vibration on sugarcane ratoon cutting quality, and provides the reference for further studying the breaking mechanism of root caused by cutterhead vibration during the cutting, exploring the sugarcane harvester’s design method based on dynamic characteristics, and developing the sugarcane harvester suitable for hilly area.

mechanization; vibrations; crops; cutting quality; cutterhead; axial vibration; unbalance mass

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.003

S225.5+3

A

1002-6819(2017)-02-0016-09

2016-04-03

2016-12-20

國家自然科學(xué)基金資助項目（51465006）；2015年度廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項目（KY2015YB568）。

周敬輝，講師，博士生，主要從事CAD/CAE、智能化農(nóng)業(yè)機械方面的研究。南寧 廣西大學(xué)輕工學(xué)院，530004。Email：254870993@qq.com

李尚平，教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事先進(jìn)制技術(shù)、CAD/CAE、制造技術(shù)信息化及智能農(nóng)業(yè)機械研究。南寧 廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，530007。Email：spli501@vip.sina.com

周敬輝，李尚平，楊代云，鐘家勤，莫翰寧，張 彪，鄧 雄. 甘蔗收獲機刀盤軸向振動對甘蔗宿根切割質(zhì)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(2)：16－24. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.003 http://www.tcsae.org

Zhou Jinghui, Li Shangping, Yang Daiyun, Zhong Jiaqin , Mo Hanning, Zhang Biao, Deng Xiong. Influence of sugarcane harvester cutterhead axial vibration on sugarcane ratoon cutting quality[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 16－24. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.003 http://www.tcsae.org