《Industrial Crops and Products》：Kinematic modelling and experimental validation of a dual finger-chain windrowing mechanism for sugarcane cutter-windrower harvester
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為解決現有甘蔗切段集鋪收割機在甘蔗稈姿態控制不佳和根部長度偏差大等問題，研究人員對一種雙指鏈集條機構的結構參數與作業條件進行了優化，通過整合運動學建模、多體動力學仿真與田間試驗驗證，建立了一套完整的運動學描述。結果表明，該優化顯著提升了集鋪均勻性與根部對齊精度，預測誤差低于10%，為提升我國甘蔗機械化收割質量提供了理論框架與參數集。
甘蔗是全球主要糖料作物之一，在中國廣西、廣東和云南等地廣泛種植，是制糖和生物乙醇產業的重要原料。然而，由于我國甘蔗多種植在丘陵和山地，機械化收割的推廣受到嚴重制約。據統計，中國的甘蔗機械化收割率仍低于6%，遠低于美國、澳大利亞等國家近100%的水平。隨著勞動力成本的不斷上升，傳統人工收割方式效率低下，進一步降低了種植戶的收益和積極性。因此，開發適合復雜地形、分步收割的高效模式，成為推動我國甘蔗產業可持續發展的關鍵方向。
甘蔗切段鋪放收割機需要完成“基部切斷”和“成條鋪放”兩項核心作業。以往的研究重心大多放在“切斷”環節，而對決定后續收集成敗的“鋪放”過程關注不足。鋪放質量直接影響到后續人工或機械集運的效率，其性能的提升需求迫切。現有的單指鏈集條機構或弧面導向機構，在輸送過程中對甘蔗稈的姿態約束能力有限，尤其在釋放階段易導致甘蔗稈滑動、翻滾，姿態失穩，進而造成鋪放角度不一、根部參差不齊，大大影響了后續作業的順暢度。因此，如何實現對甘蔗稈從收割、輸送到鋪放全過程的精確、穩定控制，成為了一個亟待解決的工程難題。
為了突破這一瓶頸，一項發表在《Industrial Crops and Products》上的研究，對一種新型雙指鏈集條機構的運動學特性進行了深入探究，并成功通過多體動力學仿真與田間試驗驗證了其優化效果。
研究人員為了探究雙指鏈機構對鋪放性能的影響，主要采用了以下幾種關鍵技術方法：首先，建立了甘蔗稈在輸送、拋擲和著陸后旋轉三個階段完整的運動學模型，明確了機器前進速度Vt、指鏈速度Va、鏈條傾角θ和拋擲垂直速度等參數對最終輸送速度、釋放角度和落點軌跡的決定性作用。其次，結合力學分析，確定了上下指鏈間合理的垂直間距與長度偏移，以增強輸送過程中的姿態穩定性。在此基礎上，在ADAMS軟件中建立了甘蔗收割機與甘蔗稈的多體動力學模型，用于模擬多接觸相互作用并評估集鋪過程中的姿態演變。最后，通過田間試驗量化了機器前進速度、指鏈鏈輪轉速和切刀轉速對鋪放角度和根部長度偏差的影響，并利用響應面分析揭示了顯著的主效應和交互效應，最終通過多目標優化得到了最優參數組合。
2.2. 集鋪機構結構及工作原理分析
研究詳細闡述了雙指鏈甘蔗切段鋪放收割機的整體結構。該機主要由基部切刀、雙指鏈集條機構、導向輪、傳動系統、機架和動力單元組成。其工作流程是：高速旋轉的圓盤式切刀將甘蔗稈在近地表切斷后，在機器前進運動與切刀前推力的協同作用下，甘蔗稈被引導進入由上下兩根指鏈形成的夾持區。兩根指鏈平行布置并保持固定垂直間距，其上均布多個撥指。在鏈輪的驅動下，兩根鏈條以相同速度同向運動，通過撥指的夾持和推送作用，將甘蔗稈平穩地向集鋪端輸送。當甘蔗稈到達輸送段末端時，在重力和撥指切向速度的共同作用下脫離指鏈，實現向一側地面的成條鋪放。
2.2. 莖稈輸送過程運動學分析
在輸送階段，甘蔗稈的運動可簡化為繞夾持點的受迫姿態調整。研究建立了甘蔗稈在向后輸送和向右輸送兩個階段的運動學方程，揭示了指鏈速度Va、機器前進速度Vt和指鏈傾角θ對輸送速度Vh和軌跡的聯合影響。模型指出，當莖稈質心偏離夾持點時，重力會產生使其偏轉的力矩；而合理的速度比可以確保平穩輸送，避免堵塞或損傷。
2.2.2. 莖稈拋擲過程運動學分析
在拋擲瞬間，甘蔗稈同時具有機器前進速度Vt、沿指鏈方向的速度Va以及因撥指接觸產生的垂直初速度Vv。研究通過建立三維空間坐標系，將Va分解，并推導出合速度Vp及其拋射軌跡方程。該模型闡明了各速度分量與空間角度（τ, φ, δ）共同決定了甘蔗稈的離鏈速度和初始拋射角。
2.2.3. 莖稈根部觸地后運動分析
甘蔗稈離鏈后作拋射體運動，當其根部觸地時，質心的平動速度降為零，運動轉變為繞根部接觸點的定軸旋轉。研究建立了以根部接觸點為原點的坐標系，將質心速度分解為軸向和橫向分量，并應用角沖量-動量定理，推導出繞接觸點的角速度ω公式。分析表明，質心速度與莖稈軸線的偏差角(η-χ)越大，旋轉趨勢越強；而莖稈越長，相同沖擊速度產生的角速度越小。研究還進一步推導了莖稈下落時間及其水平鋪放距離的表達式。
2.3. 雙指鏈輸送集鋪機構結構設計
指鏈間距是影響甘蔗稈夾持穩定性和輸送平順性的關鍵設計參數。研究基于輸送過程中甘蔗稈的受力特性，建立了力學平衡模型，考慮了上下指鏈施加的法向力F1、F2、導向輪的側向力Fb、支承力Fn以及運動引起的附加力矩M。通過力學平衡方程和力矩平衡方程，求解了上下指鏈的受力，并推導出滿足防滑、防傾翻和防脫離條件的指鏈間距設計公式，為結構優化提供了理論依據。
仿真與實驗驗證
研究利用ADAMS建立了收割機-甘蔗稈系統的多體動力學模型進行仿真。仿真結果清晰地展示了甘蔗稈進入調整、受約束輸送和平穩釋放的運動序列，證實了優化后鏈輪參數的有效性。隨后進行的田間試驗，量化了前進速度、指鏈鏈輪轉速和切刀轉速三個關鍵作業參數對鋪放角度和根部長度偏差的影響。響應面分析表明，這些參數的主效應和交互效應均顯著。通過多目標優化，研究得到了最優參數組合：前進速度0.36 m·s?1、指鏈鏈輪轉速30 r·min?1、切刀轉速600 r·min?1，該組合下預測的鋪放角度為87.5°，根部長度偏差為135.5毫米。驗證試驗顯示，預測誤差低于10%，證明了模型和優化結果的可靠性。
研究結論與意義
本研究通過集成理論建模、仿真分析和實驗驗證，系統優化了雙指鏈甘蔗集鋪機構。研究建立了一套完整的運動學模型，闡明了關鍵作業參數對輸送、拋擲和鋪放全過程的影響機制。力學分析為確定上下指鏈間的合理間距提供了理論指導。ADAMS多體動力學仿真揭示了機構與甘蔗稈間的相互作用和姿態演變過程。最終，通過田間試驗和響應面優化，獲得了能顯著改善鋪放均勻性和根部對齊精度的最佳作業參數組合。
該研究的意義在于，為解決現有單指鏈和弧面集鋪機構在姿態控制方面的不足，提供了一種通過上下雙指鏈協同作用實現精準約束的新思路和經過驗證的優化設計方法。所提出的理論框架和參數集，為提高全稈式甘蔗切段鋪放收割機的作業質量、推動我國丘陵山區甘蔗機械化收割技術的發展，提供了重要的理論依據和技術支撐。
