引言
物理樣機切割系統主要由切割器、提升機構、夾緊裝置組成，如圖 1 所示。其主要作用就是砍倒甘蔗，并且把甘蔗順利輸送到后面的剝葉斷尾機構中去，這是小型甘蔗收獲機收割甘蔗的基礎。通過課題組自主研發的物理樣機進行物流輸送試驗研究發現，甘蔗的未通過率達到 40% 左右，多根甘蔗不能由切割器切割后順利輸送到物流輸送通道，更不能進入剝葉斷尾裝置，甚至出現堵塞情況。試驗發現，切割系統中提升裝置和切割器設計存在缺陷，需改進切割系統并進行物流輸送驗證研究?！緢D1略】
1 物理樣機切割系統物流輸送試驗分析
對物理樣機進行甘蔗地田間試驗研究，結果顯示物流系統出現嚴重堵塞現象，如圖 2 所示。由圖 2 可見，所砍甘蔗都從切割器通過螺旋裝置進入到剝葉斷尾物流系統，并且這行走過程中后面沒有漏割的甘蔗，第 1 級物流輸送的通過性還好，但是物流通道較小，發生堵塞?！緢D2略】
第 2 種試驗情況是模擬甘蔗的生長狀況，把甘蔗直接插在地上，試驗物理樣機的砍蔗以及物流的輸送功能。試驗結果不理想，通過率很低，多根甘蔗輸送不到物流系統。
通過蔗地砍蔗試驗研究發現:
1\\) 物流通道太小，切割器刀軸外套筒之間甘蔗通過的有效寬度太小\\( l=240mm\\) 。在工作過程中，切割器兩邊的螺旋同時把甘蔗往切割器中間推打，使甘蔗不容易進入后面物流。
2\\) 切割器提升裝置結構存在問題。物理樣機切割臺架的提升僅僅提升的是切割器，后面甘蔗輸送裝置和剝葉斷尾裝置都是固定的，當壟高超過 200mm時，甘蔗不能順利輸送到物流通道。課題組前期做過統計，廣西大部分蔗地壟高普遍在 0 ～ 250mm 范圍內，因此必須對提升方案進行改進。
2 切割系統結構改進設計
2． 1 切割器改進設計
物理樣機試驗研究存在物流通道堵塞現象，其主要原因是切割器上兩套筒的間距是 240mm，通道太小。按甘蔗直接 30mm 計算，在甘蔗不重疊的情況下最多通過的甘蔗只能是 240/30 = 8 根; 但是切割器上還有螺旋提升裝置，工作的時候兩切割器上的螺旋提升裝置把切割的甘蔗往兩刀軸的中間位置推打，實際能并排同時推進的甘蔗根數很少。間距太小，當切割多根甘蔗時，容易在切割器的位置出現甘蔗的重疊，對輸送有一定的堵塞影響，因此要加大兩滾筒之間的間距。對甘蔗地的統計表明，最多的一簇甘蔗有 10根，所以在此基礎上初步確定套筒之間間距按 300 ～350mm 設計。滾筒的尺寸參考物理樣機的尺寸不變，d = 165mm，如圖 3 所示?！緢D 3 】
切割器設計時，首先確定刀軸之間的距離 L 才能確定傳動齒輪的型號參數。為了便于加工以及圓整齒輪的齒數和兩套筒之間的距離 l，取 L =480mm，則 l=L－d = 315mm。
參照前面選擇小排量的馬達，齒輪箱必須按照降速設計，因此可采用兩小兩大齒輪傳動。根據液壓馬達的選擇，要求降速比≥2，在此選擇降速比為 2，z1/ z2= 1 /2 ，則 L = 2d1+ d2，d =mz 。其中，d1為小齒輪分度圓直徑; d2為大齒輪分度圓直徑; z1為小齒輪齒數; z2為大齒輪齒數。選取 m = 4，把 L = 480mm 帶入上式得: z1= 30，d1= 120mm，z2= 60，d2= 240mm。
另外，物理樣機上刀軸安裝采用三軸承定位，上面兩個軸承相距太近，刀軸懸臂太長，剛性不高，需拉開兩軸承間距提高剛性?；诶碚摲治?，改進切割器機構設計如圖 4 所示?！緢D 4 】
2． 2 提升機構改進設計
試驗分析表明: 物理樣機僅僅提升切割器，不能適用所有的工況，特別是壟高超過 200mm 的情況。
試驗研究發現，甘蔗不能順利輸送到剝葉裝置; 原物理樣機提升切割器后夾緊裝置采用人工夾緊，效率很低且不能及時調整在不同壟高切割的情況?；诖?，考慮改進提升方案，采用切割器和喂入輸送輥以繞斷尾稍提升的方式。這種提升方案需要把切割器和喂入輸送輥總成固定在提升架上，提升架的前端要連接切割器，另一端要安裝鉸鏈，通過鉸鏈把提升架和車架連接起來。根據前面分析，原有樣機切割系統存在的問題是甘蔗在物流輸送時通過性不好，這是由于切割器提升而喂入輸送輥不固定，提升切割器過程中兩組件差距增大造成的。所以，把喂入輸送成也組裝成一個整體，固定在提升架上面，整體提升?；谏鲜鲅芯?，確定切割系統最終方案如圖 5 所示?！緢D 5 】
3 甘蔗通過輸送機構的仿真分析
為了驗證改進后的切割系統是否能夠把甘蔗順利提升以及輸送到剝葉斷尾機構，通過使用 ADAMS虛擬仿真分析的方法來分析不同壟高情況下收獲機在切割過程中的輸送情況。
3． 1 甘蔗柔性體的創建
為了真實地模擬甘蔗的輸送情況，對甘蔗建立柔性體，應用 ANSYS 劃分網格建立 mnf 文件，在 ADAMS中導入 mnf 文件，再添加啞物體，將甘蔗進行柔性化處理。由于甘蔗建立柔性體的理論研究已經很成熟，在這里不加以論述。
3． 2 切割系統模型的建立
根據上節分析，最終確定甘蔗收獲機切割系統如圖 5 所示。同時，建立三維模型。仿真分析軟件Adams 的建模功能較弱，過程比較繁瑣，但是可以導入 x_t 文件進行仿真。本文采用 SolidWorks 三維軟件建模，導出 x_t 文件，最后導入到 Adams 中進行仿真分析。由于切割系統中部件較多，分析仿真要加很多約束，因此要簡化切割系統的結構，如圖 6 所示?！緢D6】
3． 3 切割系統物流輸送仿真分析
通過對物理樣機的試驗研究與理論分析，切割系統出現的問題是甘蔗在切割系統的物流通過性不好，在壟高較高的時候甘蔗不能被順利地輸送到物流通道。因此，通過理論分析確定了切割系統的提升方案。本仿真分析就是針對此種修改方案，驗證分析甘蔗在不同壟高的情況下甘蔗的提升輸送效果以及本方案的合理性。
本仿真分析了在壟高 0 ～250mm 范圍時甘蔗的輸送通過情況。如果甘蔗在壟高的兩個極限位置可以順利通過，就能夠驗證改進的切割系統的合理性。仿真分析模型如圖 7 所示。當甘蔗在地面位置時\\( 即壟高為 0mm 時\\) ，切割系統完成壓蔗—切割—提升—輸送整個工作過程的情況，如圖 8 所示?！緢D7-8】
以甘蔗切口段為測試對象，分析切割點被切割后整個物流輸送過程的運動軌跡，如圖 9 所示。在甘蔗被砍斷前，甘蔗受到 Bushing 的作用，測試點的被提升的位移很小; 當甘蔗被砍斷后，受到螺旋的提升作用迅速提升到 300mm，達到最高位置時由于重力作用又有下落的趨勢，甘蔗再次接觸到螺旋的時候又迅速地提升到 300mm 以上的位置; 此時甘蔗處于傾斜狀態，尾部落在地面上，隨著切割系統向前行走，甘蔗的切口段逐漸被提升，進入喂入輸送輥。由于喂入輸送輥具有夾持輸送的作用，并且喂入輸送輥的物流輸送通道和地面有 25°存在，甘蔗繼續被提升，進入了剝葉輥。由圖 9 可以看出: 甘蔗切口端的位移被提升900mm 左右，可以實現甘蔗在物流系統的順利輸送。
因此，甘蔗在壟高為 0mm\\( 即在地面位置被切割\\)時，甘蔗物流輸送能夠順利地輸送提升，實現切割系統物流輸送的功能?！緢D9】
當甘蔗生長的壟高為 250mm 時，切割系統完成壓蔗—切割—提升—輸送整個工作過程。切割系統在提升 250mm 時的仿真模型如圖 10 所示。由圖 11 所示分解過程可以得出，甘蔗在整個物流輸送的過程中，順利地輸送到并通過了剝葉輥，通過性較好，能夠保證物流的通暢性。如圖 12 所示，把甘蔗切割切口端作為測試對象，切口端 Marker 點的提升位移軌跡是一平滑的曲線; 把甘蔗切割切口端作為測試對象，切口端 Marker 點的提升位移軌跡是一平滑的曲線，較平穩地把甘蔗切口段提升到 1 300mm 左右，同時驗證了切割系統在壟高 250mm 的情況下依然能夠保證甘蔗在物流通道的通暢性?！緢D10-11略.圖12】
3\\) 甘蔗被砍倒后提升輸送與螺旋提升裝置的螺距有關。課題組成員前期仿真和試驗是在垂直提升切割器的基礎上做的，與螺距大小有很大關系。但是本人提出了繞斷尾稍旋轉的提升方式，通過上述仿真分析，選擇螺距為 150mm 的螺旋提升裝置能夠順利地把甘蔗在壟高 0 ～250mm 地況下提升輸送。
4 結論
通過對改進的切割系統進行仿真分析表明，其能夠適應壟高 0 ～250mm 的情況，甘蔗在物流通道的通暢性較好，能順利輸送到剝葉斷尾等物流通道。該研究能夠為新物理樣機切割系統的設計提供依據，且可以應用到新物理樣機的試制中。
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