甘蔗是一种重要的经济作物和生物燃料原材料,在我国南方尤其是广西、广东、云南和海南等地区广泛种植。甘蔗机械化收获技术可以大大提高生产效率、降低收获成本和劳动强度。目前我国使用的甘蔗联合收割机以切段式为主,整秆式为辅。切段式甘蔗收割机在切段过程中存在蔗段破损及蔗糖损失严重等问题,而整秆式甘蔗收割机作业效率低、适应性较差,收获后的甘蔗含杂率较高(主要杂质为蔗叶、叶鞘和尾梢),两种联合收割机的收获质量都亟需改善。本论文结合我国南方蔗区的甘蔗种植模式和生产体制,在甘蔗理化特性及切割力学特性研究的基础上,结合虚拟样机技术,对切段式甘蔗收割机的切段系统、整秆式甘蔗收割机的剥叶机构和断尾机构进行了理论分析和试验研究,确定了切段系统、剥叶机构和断尾机构的主要结构和作业参数,为甘蔗联合收割机的设计与改进提供了关键技术支持,具有重要的参考价值。主要研究内容和结论如下:(1)甘蔗茎秆切割力学特性研究。对比了两种甘蔗(糖蔗和果蔗)的物理形态特性、微观结构特征、化学成分和切割特性的差异性,并分析了理化特性和切割特性之间的相关性。结果表明,甘蔗节点、节间和表皮的微观结构、物理特性和化学成分由于品种和取样位置等的不同存在显著差异,并导致各部位峰值切割力不同。(2)切段式甘蔗收割机切段系统的优化及仿真分析。在茎秆切割力学特性研究的基础上,开发了切段式甘蔗收割机切段系统。采用Box-Behnken试验方案研究了切段辊筒转速、上下切段刀片重叠量和切刀刃角三个因素对甘蔗切段质量和切段功耗的影响规律并建立回归模型,获得最佳作业参数为:刀片重叠量2 mm,切刀刃角21.8?,切段辊筒转速200-250 r/min;通过高速摄像系统捕捉茎秆的切段过程并运用动力学软件分析茎秆的运动状况,结果表明茎秆速度波动随切段辊筒转速的升高而增大,导致更大的茎秆损伤,收获过程中应保持甘蔗稳定、低速输送;运用三维设计和有限元分析软件建立了甘蔗—切刀有限元模型并对切段过程进行仿真,分析了茎秆和切段刀片在作业过程中的应力变化,获得切段刀片的切割力变化曲线。(3)整秆式甘蔗收割机剥叶机构的仿真分析及试验研究。通过建立甘蔗剥叶仿真模型分析了茎秆和剥叶元件在剥叶过程中的相互作用过程、二者的应力变化以及茎秆的受力情况。虚拟单因素试验结果表明:茎秆所受最大应力随喂入辊筒转速的增大先减小后增大,随剥叶辊筒转速和交错深度的增大不断增大;在仿真分析的基础上建立了甘蔗剥叶试验台,采用Box-Behnken试验方案研究了关键作业参数对未剥净率的影响规律并获得最佳作业参数为:喂入辊筒转速250 r/min,剥叶辊筒转速540 r/min,茎秆与剥叶元件交错深度13.9 mm以及喂入量1.68根,此时未剥净率为2.2%;通过高速摄像试验分析了叶鞘的剥离过程以及茎秆的运动状态。结果表明,增大辊筒转速会导致茎秆输送速度波动较大,易导致茎秆折断。(4)整秆式甘蔗收割机断尾作业参数优化及断尾过程仿真分析。根据甘蔗尾部抗弯曲、抗变形和抗冲击等机械强度显著低于根部和中部的特点设计了一种抗浮动式断蔗尾机构。采用Central composite试验设计方案研究了关键作业参数对茎秆断尾率、未折断率和断尾功耗的影响规律,获得最佳作业参数为:输送辊筒转速305 r/min、断尾辊筒转速520r/min、上下断尾元件交错角度14°及断尾元件间距10 mm,理论断尾率为85%,未折断率为83%,断尾功耗为690 W;高速摄像试验结果表明,在最优参数组合下,茎秆的输送速度大致在3.0-4.5 m/s范围内波动;最后联合运用SolidWorks、ADAMS和ANSYS软件建立了甘蔗—断尾机构刚柔耦合模型,对断尾过程中茎秆的运动状态进行分析。断尾过程中茎秆质心在竖直方向上的位移波动范围为-85.28-87.38 mm,速度波动范围为-32821.16-18082.80 mm/s。茎秆所受断尾元件的最大打击合力为807.68 N,竖直方向上的最大打击力为547.04 N。(5)整秆式甘蔗收割机剥叶断尾系统转速优化。建立了一种具有碎叶功能的整秆式甘蔗收割机剥叶断尾装置。采用正交试验结合综合平衡法获得较优作业参数为:喂入辊筒转速、碎叶辊筒转速、剥叶辊筒转速和断尾辊筒转速分别为200、500、600和500 r/min。对比试验结果表明碎叶机构对未剥净率的改善效果较明显,但也会对茎秆表皮造成损伤。