楊曉珍，周繼續(xù)

（1.雅安職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造與信息工程學(xué)院，四川 雅安 625000；2.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島 266071）

中國(guó)是全球甘蔗種植面積較大的國(guó)家之一，主要分布在北緯24°以南的廣西、四川、云南等地，大面積甘蔗種植基地亟需機(jī)械化以提升作業(yè)效率。在國(guó)外，澳大利亞、巴西、美國(guó)等甘蔗種植面積大、田園平整地區(qū)基本實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)械化，英國(guó)SERRANA公司、巴西SAHTAL公司、德國(guó)CLASS和美國(guó)CAMECO等均研發(fā)出應(yīng)用廣泛的甘蔗收獲機(jī)［1］。在國(guó)內(nèi)，因甘蔗種植區(qū)域存在田園不平整等因素及傳統(tǒng)的小型整桿式甘蔗收獲機(jī)存在破頭率較高、切割質(zhì)量不穩(wěn)定、刀盤振動(dòng)大等問(wèn)題，進(jìn)而限制了甘蔗收獲機(jī)的推廣、應(yīng)用和工作效率［2］。因此，如何降低甘蔗收獲機(jī)破頭率、解決收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中切割質(zhì)量不穩(wěn)定、刀盤振動(dòng)大等問(wèn)題對(duì)于甘蔗收獲機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用至關(guān)重要?；诖?，國(guó)內(nèi)外科研工作者以多種方法和不同形式開展研究，并取得了較好的研究成果。在國(guó)外，甘蔗收獲機(jī)的研究與應(yīng)用已經(jīng)較為成熟，Razavi等［3］、Ripol等［4］以甘蔗收獲機(jī)切割器對(duì)甘蔗收獲的質(zhì)量影響入手，采用擺動(dòng)裝置研究了相關(guān)影響機(jī)理并提出應(yīng)對(duì)措施。Kreos等［5］以單圓盤和多圓盤切割器為嵌入點(diǎn)，從甘蔗收獲機(jī)的切割形式、刀片形狀和傾角著手，研究了甘蔗切割器對(duì)甘蔗破頭率的影響及預(yù)防措施。Hary等［6］通過(guò)對(duì)甘蔗收獲機(jī)不同刀片進(jìn)行甘蔗切割研究，得出鋸齒刀片在安裝角度約22°時(shí)，對(duì)甘蔗切割造成的損失最小。在國(guó)內(nèi)，陳少江等［7］針對(duì)小型甘蔗收獲機(jī)刀架振動(dòng)大問(wèn)題，指出路面激勵(lì)與電動(dòng)機(jī)激勵(lì)的共同作用是振動(dòng)過(guò)大的原因，并對(duì)臺(tái)架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。李尚平等［8］針對(duì)甘蔗宿根破頭率偏高問(wèn)題，提出降低切割系統(tǒng)振動(dòng)可有效降低破頭率。麻芳蘭等［9］基于小型甘蔗收獲機(jī)的切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)開展研究，提出刀盤轉(zhuǎn)速為800 r/min、甘蔗進(jìn)給速度為0.4 m/s時(shí)砍蔗質(zhì)量最好。賴曉等［10］、吳劍鋒［11］、謝盧鑫［12］基于小型整桿式收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾存在的問(wèn)題，通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)提出增加耙葉輥的優(yōu)化方法。林嘉豪［13］針對(duì)小型甘蔗收獲機(jī)物流架振動(dòng)過(guò)大導(dǎo)致的甘蔗破頭率高問(wèn)題，通過(guò)靜力學(xué)和模態(tài)分析設(shè)計(jì)出了隔振機(jī)構(gòu)，可有效降低Z向振動(dòng)幅值，降低甘蔗收獲破頭率。劉芳建等［14］針對(duì)刀盤傾角對(duì)甘蔗收獲機(jī)破頭率、含雜率影響較大問(wèn)題，通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化措施，設(shè)計(jì)出內(nèi)傾式甘蔗收獲機(jī)切根裝置，降低含雜率。

本研究針對(duì)小型整桿式甘蔗收獲機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)的破頭率高、切割質(zhì)量不穩(wěn)定、刀盤振動(dòng)大等問(wèn)題，基于傳感器與數(shù)據(jù)處理原理，分析甘蔗收獲機(jī)不同測(cè)試點(diǎn)位振動(dòng)對(duì)刀盤影響，綜合考慮收獲機(jī)切割質(zhì)量、穩(wěn)定性因素，對(duì)刀盤、剝?nèi)~器、車架、齒輪箱的裝配提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可為小型整桿式甘蔗收獲機(jī)的改良提供參考依據(jù)。

1 小型甘蔗收獲機(jī)高破頭率原因分析

為進(jìn)一步研究小型甘蔗收獲機(jī)在甘蔗切割過(guò)程中高破頭率的原因，本研究以30簇甘蔗為統(tǒng)計(jì)樣本，通過(guò)調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速，記錄不同刀盤轉(zhuǎn)速條件下甘蔗切割過(guò)程中蔗根的破損情況，并對(duì)30簇甘蔗切割情況統(tǒng)計(jì)，最后進(jìn)行回歸分析，蔗根切割后的破損情況見表1。

表1 蔗根切割后破損情況

一般情況，蔗根裂紋長(zhǎng)度超過(guò)15 mm時(shí)即判定蔗根損壞。從表1可以看出，小型甘蔗收獲機(jī)破頭率較高，均在15%以上，且隨著刀盤轉(zhuǎn)速的降低，甘蔗破頭率、裂紋數(shù)、長(zhǎng)度、厚度均有不同程度上升。因此，甘蔗收獲機(jī)的切割質(zhì)量隨刀盤轉(zhuǎn)速和振動(dòng)幅度的增大而降低，刀盤振動(dòng)幅值是引起破頭率過(guò)高的原因（圖1）。程志青［15］、張立彬等［16］的研究成果也間接論證了該結(jié)論。

刀盤振動(dòng)幅度很大程度上受刀盤轉(zhuǎn)速的影響，一般刀盤轉(zhuǎn)速越大，刀盤振動(dòng)幅度相應(yīng)增加幅度越大。為進(jìn)一步分析甘蔗收獲機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響原因，采用對(duì)刀盤及同一刀盤兩片刀片振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集處理，如圖1所示。從刀盤振動(dòng)幅值及刀片振動(dòng)幅值高度差（約3 mm）分析可知，影響甘蔗收割質(zhì)量的主要原因?yàn)榈侗P振動(dòng)及刀片振動(dòng)高度差，當(dāng)甘蔗受到多個(gè)刀片切割力時(shí)，同一刀盤不同刀片的切割力不同，形成階梯力矩，影響甘蔗收割質(zhì)量。

圖1 刀盤及刀片振動(dòng)信號(hào)對(duì)比

2 刀盤振動(dòng)測(cè)試分析

2.1 測(cè)試方案

以小型整桿式甘蔗收獲機(jī)為測(cè)試對(duì)象，采用測(cè)試振動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速（1 700、1 900、2 100 r/min），進(jìn)而測(cè)定剝?nèi)~機(jī)工作與非工作、切割臺(tái)工作與非工作等工況下的振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)測(cè)定刀盤和振源處加速度幅值進(jìn)而確定振動(dòng)強(qiáng)度，再進(jìn)一步將采集到的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉（FFT）變換，以確定甘蔗收獲機(jī)刀盤連接處的剛性，最后找出刀盤振動(dòng)的主要頻率，并基于數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)甘蔗收獲機(jī)的刀盤安裝與最優(yōu)轉(zhuǎn)速提出改進(jìn)建議。

2.2 測(cè)試原理分析

為更好地采集甘蔗收獲機(jī)在作業(yè)過(guò)程中刀盤振動(dòng)信號(hào)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析，本研究采用DH-5938動(dòng)態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)集成輸出信號(hào)調(diào)理、預(yù)處理與采樣為一體的壓電式加速度傳感器作為甘蔗收獲機(jī)刀盤振動(dòng)數(shù)據(jù)采集裝置，該裝置可精確地采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)的實(shí)時(shí)傳輸與處理，進(jìn)而實(shí)時(shí)對(duì)刀盤振動(dòng)的加速度、速度與位移信號(hào)進(jìn)行采樣與分析，測(cè)試系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)的工作原理

2.3 測(cè)試點(diǎn)位

分別在發(fā)動(dòng)機(jī)、剝?nèi)~機(jī)的最佳拾振點(diǎn)構(gòu)建測(cè)試點(diǎn)位1和點(diǎn)位2，以采集發(fā)動(dòng)機(jī)和剝?nèi)~機(jī)處振源的激振信號(hào)。其次，在切割器處構(gòu)建測(cè)試點(diǎn)位3、點(diǎn)位4和點(diǎn)位5，以采集刀盤與安裝的振動(dòng)信號(hào)。確定測(cè)試點(diǎn)位后，將傳感器接入振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試點(diǎn)位與振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)連接設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 測(cè)試點(diǎn)位與振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)連接表

2.4 測(cè)試結(jié)果

以小型整桿式甘蔗收獲機(jī)為測(cè)試樣機(jī)，分別測(cè)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 700、1 900、2 100 r/min時(shí)刀盤振動(dòng)信號(hào)、車架前端振動(dòng)信號(hào)，其振動(dòng)信號(hào)如圖3、圖4所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的刀盤振動(dòng)信號(hào)

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的車架前端振動(dòng)信號(hào)

從圖3、圖4可以得出，小型整桿式甘蔗收獲機(jī)正常作業(yè)時(shí)，在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，刀盤振動(dòng)強(qiáng)度明顯高于車架前端，且隨著轉(zhuǎn)速的提升而增強(qiáng)。從甘蔗收獲機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)分析，切割器、懸掛油缸、夾緊裝置間緊密相連，油缸懸掛在切割器上方并經(jīng)過(guò)夾緊裝置固定于車架前端，因此發(fā)動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速條件下，不同的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)信號(hào)沿著車架、油缸渠道傳遞給切割器。同時(shí)，切割器與車架的剛性連接處存在剛性不足現(xiàn)象，則來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)振動(dòng)傳遞給切割器，增大振動(dòng)強(qiáng)度，降低甘蔗切割質(zhì)量。

圖5給出了小型整桿式甘蔗收割機(jī)剝?nèi)~機(jī)在空載和負(fù)載條件下的刀片振動(dòng)信號(hào)，正常工作條件下的剝?nèi)~機(jī)對(duì)甘蔗剝?nèi)~作業(yè)時(shí)，其對(duì)切割器的振動(dòng)影響也比較明顯，引起的切割器振動(dòng)幅值也較大，因此，對(duì)剝?nèi)~機(jī)的工況設(shè)計(jì)仍需優(yōu)化，以降低其對(duì)切割器的振動(dòng)影響，提高切割質(zhì)量。

圖5 空載與負(fù)載時(shí)刀片振動(dòng)信號(hào)對(duì)比分析

在測(cè)試中采用有線加速度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)后加速度傳感器無(wú)法對(duì)刀片處拾振，因此測(cè)試點(diǎn)位4處的齒輪箱振動(dòng)強(qiáng)度引起注意，為進(jìn)一步分析齒輪箱對(duì)刀盤振動(dòng)的影響，建立了刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)、不轉(zhuǎn)動(dòng)兩種工況下的齒輪箱振動(dòng)對(duì)比分析，如圖6所示。

圖6 齒輪箱振動(dòng)信號(hào)

從圖6可知，刀盤不同工況下齒輪箱振動(dòng)強(qiáng)度差異較大，得出影響切割質(zhì)量的因素除發(fā)動(dòng)機(jī)、刀盤、剝?nèi)~機(jī)振動(dòng)因素外，切割器自身振動(dòng)也是主要原因，且影響強(qiáng)度遠(yuǎn)大于剝?nèi)~機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)切割器振動(dòng)影響?？紤]切割器裝配時(shí)與車架形成傾角進(jìn)而存在力矩影響因素。若切割器安裝的夾緊力不足，加上切割器高速旋轉(zhuǎn)、連接剛性等因素，極易引起受力不平衡，進(jìn)而引起刀片振動(dòng)加大，降低切割質(zhì)量，造成甘蔗收獲的高破頭率。

3 小結(jié)

1）小型整桿式甘蔗收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中的高破頭率主要受切割器振動(dòng)影響，其次是發(fā)動(dòng)機(jī)，再者是剝?nèi)~機(jī)。切割器自身的快速旋轉(zhuǎn)會(huì)加速齒輪箱振動(dòng)，促使切割器自身產(chǎn)生晃動(dòng)，影響甘蔗切割質(zhì)量。在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速工況條件下，刀片振幅不同，且隨著轉(zhuǎn)速增大，刀片振幅增大。剝?nèi)~機(jī)作業(yè)時(shí)，其剝?nèi)~刷受力不平衡，進(jìn)而引起刀盤振動(dòng)增大。

2）切割器自身轉(zhuǎn)動(dòng)引起齒輪箱振動(dòng)，自身產(chǎn)生的受力不平衡反饋給切割器，影響切割質(zhì)量的原因主要為夾緊力不夠，因此需增加切割器的夾緊裝置的夾緊力設(shè)計(jì)；刀片振幅強(qiáng)度受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響大于收獲機(jī)車架前端，切割器與車架的連接剛度不夠，需對(duì)甘蔗收獲機(jī)各連接處增加連接剛性設(shè)計(jì)；剝?nèi)~機(jī)作業(yè)時(shí)對(duì)甘蔗的不平衡施加力引起刀盤振動(dòng)進(jìn)而影響切割質(zhì)量，需增加對(duì)剝?nèi)~機(jī)的減震設(shè)計(jì)。