李麗萍等

摘要：以海南省臨高縣青皮甘蔗為對(duì)象，利用WD-200B型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)青皮甘蔗節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了切割力學(xué)試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，同一加載速度250 mm/min下，甘蔗節(jié)點(diǎn)的切割力呈現(xiàn)從中部、根部、梢部、尾部逐漸減小的趨勢(shì)；同一部位下，甘蔗節(jié)點(diǎn)的切割力隨著加載速度的增大稍有波動(dòng)。以加載速度、加載部位直徑作為試驗(yàn)影響因素，采用正交試驗(yàn)方法分析各因素對(duì)甘蔗節(jié)點(diǎn)切割力的影響。結(jié)果表明，各因素對(duì)甘蔗節(jié)點(diǎn)切割力的影響為加載部位直徑>加載速度。在加載速度為100 mm/min，粗直徑的甘蔗節(jié)點(diǎn)的切割力最小。

關(guān)鍵詞：甘蔗節(jié)點(diǎn)；切割力；切割應(yīng)力

中圖分類號(hào)：S183 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2014）13-3174-03

Cutting Experiments of Sugarcane Nodes

Li li-ping1，Wang tao1，F(xiàn)ang sai-ping1，Li yue1，Zhang Xi-rui1，Wei jing2

（1. Institute of Electrical and Mechanical Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China；2. Products Quality Supervision and Testing Institute of Hainan Province， Haikou 570203， China）

Abstract： The green-skinned sugarcane from Lingao county in Hainan province was used as the test material. The cutting characteristics of the nodes of the green-skinned sugarcane was studied on the WD-200B electronic universal testing machine. Results showed that cutting force of sugarcane nodes decreased gradually along with the roots， central， tip and the tail under the same loading speed of 250 mm/min. Cutting force of the sugarcane nodes affected slightly with the increase of loading velocity under the same parts. Factors such as loading speed and loading parts diameter on sugarcane cutting force were analyzed with orthogonal test. Factors affecting the cutting force of sugarcane node were in order of loading parts diameter > loading speed. Cutting force of sugarcane node with thicker diameter was found to be the minimum when loading speed was 100 mm/min.

Key words： sugarcane node； cutting force； cutting stress

甘蔗主要種植在廣東、廣西、海南等地，是我國(guó)南方地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物之一。氣候、土壤等條件對(duì)甘蔗生長(zhǎng)有重要影響，甘蔗的生長(zhǎng)狀況存在差異，也對(duì)甘蔗收獲機(jī)外形、質(zhì)量、工作性能等提出了更高的要求，目前，我國(guó)甘蔗收獲仍以人工收割為主[1]，耗費(fèi)勞動(dòng)力，效率低，發(fā)展甘蔗收獲技術(shù)。采用機(jī)械化收獲，是提高甘蔗生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本的重要手段[2]。

切割刀在收獲甘蔗過(guò)程中會(huì)對(duì)甘蔗節(jié)點(diǎn)有所損傷，甘蔗節(jié)點(diǎn)的切割強(qiáng)度會(huì)影響收割速率，切口的形狀還影響到甘蔗宿根來(lái)年的發(fā)芽情況[3]。因此，研究甘蔗節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能對(duì)設(shè)計(jì)切割刀具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)農(nóng)作物剪切器及其力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究[4-10]，但目前尚未見到關(guān)于甘蔗節(jié)點(diǎn)剪切力學(xué)特性的相關(guān)研究。為了設(shè)計(jì)出質(zhì)量輕、使用方便、工作效率高的甘蔗切割刀，以海南省臨高縣青皮甘蔗為試驗(yàn)材料，對(duì)甘蔗節(jié)點(diǎn)的切割力的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，尋求甘蔗節(jié)點(diǎn)切割力的最優(yōu)方案。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

青皮甘蔗采自海南省臨高縣，共采集了5根，要求試樣通直，無(wú)蟲害。甘蔗采回去后，去葉，去根毛。

WD-200B型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（廣州試驗(yàn)儀器廠）；0-200 mm電子數(shù)顯卡尺（桂林量具刃具有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

對(duì)甘蔗編號(hào)，分別為1、2、3、4、5號(hào)，每根甘蔗均分為四部分，分別記作根部、中部、梢部、尾部，測(cè)量節(jié)點(diǎn)的直徑分為粗、中、細(xì)。

1.2.1 單因素試驗(yàn)

1）加載部位對(duì)切割力的影響。以250 mm/min的加載速度勻速加載，對(duì)2號(hào)甘蔗根部、中部、梢部、尾部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)，記錄切割力。

2）加載速度對(duì)切割力的影響。依次以20、50、100、250 mm/min的加載速度勻速加載，對(duì)3號(hào)甘蔗尾部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)，記錄切割力。

3）不同試樣同一部位節(jié)點(diǎn)切割力對(duì)比試驗(yàn)。以100 mm/min的加載速度勻速加載，對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗中部的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)，記錄切割力。

以250 mm/min的加載速度勻速加載，對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗的梢部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)，記錄切割力。

1.2.2 正交試驗(yàn) 以50、100、250 mm/min的加載速度勻速加載，對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗不同部位的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)（表1），記錄切割力。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 加載部位對(duì)切割力的影響 表2記錄了2號(hào)甘蔗根部、中部、梢部、尾部節(jié)點(diǎn)直徑以及250 mm/min加載速度下的切割力大小。通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值，應(yīng)力計(jì)算公式如下：

σ=1 000F/A

式中，σ是節(jié)點(diǎn)切割應(yīng)力，MPa；F是節(jié)點(diǎn)的切割力，kN；A是節(jié)點(diǎn)的橫截面積，mm2。

出現(xiàn)重復(fù)試驗(yàn)時(shí)取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，加載部位是中部節(jié)點(diǎn)時(shí)，切割力最大，為1.627 7 kN；加載部位是尾部節(jié)點(diǎn)時(shí)，切割力最小，為1.144 9 kN。切割力和應(yīng)力在根部節(jié)點(diǎn)和中部節(jié)點(diǎn)相差不大，然后在梢部節(jié)點(diǎn)、尾部節(jié)點(diǎn)處逐漸減小。

2.1.2 加載速度對(duì)切割力的影響 依次以20、50、100、250 mm/min的加載速度對(duì)3號(hào)甘蔗尾部節(jié)點(diǎn)勻速加載，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明，切割力、應(yīng)力隨加載速度變化規(guī)律不明顯。

2.1.3 不同試樣同一部位節(jié)點(diǎn)切割對(duì)比試驗(yàn) 試驗(yàn)以100、250 mm/min的加載速度對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗中部節(jié)點(diǎn)和梢部節(jié)點(diǎn)勻速加載，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，同一加載部位下，切割力之間和應(yīng)力之間相差不大。結(jié)果存在差異可能與加載部位的直徑不同有關(guān)，直徑越粗，甘蔗節(jié)點(diǎn)部位的木質(zhì)纖維部分越疏松，包含在營(yíng)養(yǎng)組織細(xì)胞中的液泡較大，能夠承受的切割力也越小。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

以50、100、250 mm/min的加載速度對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗的根部節(jié)點(diǎn)勻速加載，多個(gè)節(jié)點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)以加載速度（A）（mm/min）、加載部位直徑（B）為影響因子，建立正交試驗(yàn)如表6所示。

從極差的角度分析，各因素水平對(duì)結(jié)果的影響是A3>A1>A2，B2>B3>B1，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析得出，最優(yōu)方案是A2B1，即加載速度100 mm/min，甘蔗節(jié)點(diǎn)直徑粗的條件下切割力最小。

3 結(jié)論

對(duì)青皮甘蔗試樣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，同一加載速度下，切割力沿著中部、根部、梢部、尾部節(jié)點(diǎn)逐漸減??；對(duì)同一部位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割時(shí)，切割力隨著加載速度的增大稍有波動(dòng)；通過(guò)設(shè)置正交試驗(yàn)，探究甘蔗節(jié)點(diǎn)切割力的影響因子主次關(guān)系表明，加載部位直徑的影響大于加載速度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭明戈，陳星富，陳潤(rùn)忠.甘蔗收獲機(jī)收割現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策初探[J].農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)用，2013（4）：63-65.

[2] 莫建霖，劉慶庭.我國(guó)甘蔗收獲機(jī)械化技術(shù)探討[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（3）：12-18.

[3] 楊丹彤，區(qū)穎剛，黃世醒，等.甘蔗人工砍切過(guò)程的仿真方法探討[J].農(nóng)機(jī)化研究，2004（6）：48-50.

[4] ODOURI M F，SAKAI J，GUPTA C P.Kinematics of revolving-knife disk-type sugarcane basecutter-1[J].AMA，1992，23（4）：9-15.

[5] 劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂(lè)，等.甘蔗莖稈切割力試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（7）：90-94.

[6] 尹 秋，王 濤，張喜瑞，等.香蕉果梗切割力學(xué)特性試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（4）：75-77.

[7] 李玉道，杜現(xiàn)軍，宋占華，等.棉花秸稈剪切力學(xué)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（2）：124-128.

[8] 吳明亮，官春云，湯楚宙，等.油菜莖稈切割力影響因素試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（6）：141-144.

[9] 曹 玉，劉偉峰，張欣達(dá).玉米莖稈切割力影響因素試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012（11）：129-132，137.

[10] 李耀明，秦同娣，陳 進(jìn)，等.玉米莖稈往復(fù)切割力學(xué)特性試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，201l，27（1）：160-164.

以250 mm/min的加載速度勻速加載，對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗的梢部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)，記錄切割力。

1.2.2 正交試驗(yàn) 以50、100、250 mm/min的加載速度勻速加載，對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗不同部位的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)（表1），記錄切割力。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 加載部位對(duì)切割力的影響 表2記錄了2號(hào)甘蔗根部、中部、梢部、尾部節(jié)點(diǎn)直徑以及250 mm/min加載速度下的切割力大小。通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值，應(yīng)力計(jì)算公式如下：

σ=1 000F/A

式中，σ是節(jié)點(diǎn)切割應(yīng)力，MPa；F是節(jié)點(diǎn)的切割力，kN；A是節(jié)點(diǎn)的橫截面積，mm2。

出現(xiàn)重復(fù)試驗(yàn)時(shí)取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，加載部位是中部節(jié)點(diǎn)時(shí)，切割力最大，為1.627 7 kN；加載部位是尾部節(jié)點(diǎn)時(shí)，切割力最小，為1.144 9 kN。切割力和應(yīng)力在根部節(jié)點(diǎn)和中部節(jié)點(diǎn)相差不大，然后在梢部節(jié)點(diǎn)、尾部節(jié)點(diǎn)處逐漸減小。

2.1.2 加載速度對(duì)切割力的影響 依次以20、50、100、250 mm/min的加載速度對(duì)3號(hào)甘蔗尾部節(jié)點(diǎn)勻速加載，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明，切割力、應(yīng)力隨加載速度變化規(guī)律不明顯。

2.1.3 不同試樣同一部位節(jié)點(diǎn)切割對(duì)比試驗(yàn) 試驗(yàn)以100、250 mm/min的加載速度對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗中部節(jié)點(diǎn)和梢部節(jié)點(diǎn)勻速加載，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，同一加載部位下，切割力之間和應(yīng)力之間相差不大。結(jié)果存在差異可能與加載部位的直徑不同有關(guān)，直徑越粗，甘蔗節(jié)點(diǎn)部位的木質(zhì)纖維部分越疏松，包含在營(yíng)養(yǎng)組織細(xì)胞中的液泡較大，能夠承受的切割力也越小。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

以50、100、250 mm/min的加載速度對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗的根部節(jié)點(diǎn)勻速加載，多個(gè)節(jié)點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)以加載速度（A）（mm/min）、加載部位直徑（B）為影響因子，建立正交試驗(yàn)如表6所示。

從極差的角度分析，各因素水平對(duì)結(jié)果的影響是A3>A1>A2，B2>B3>B1，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析得出，最優(yōu)方案是A2B1，即加載速度100 mm/min，甘蔗節(jié)點(diǎn)直徑粗的條件下切割力最小。

3 結(jié)論

對(duì)青皮甘蔗試樣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，同一加載速度下，切割力沿著中部、根部、梢部、尾部節(jié)點(diǎn)逐漸減?。粚?duì)同一部位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割時(shí)，切割力隨著加載速度的增大稍有波動(dòng)；通過(guò)設(shè)置正交試驗(yàn)，探究甘蔗節(jié)點(diǎn)切割力的影響因子主次關(guān)系表明，加載部位直徑的影響大于加載速度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭明戈，陳星富，陳潤(rùn)忠.甘蔗收獲機(jī)收割現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策初探[J].農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)用，2013（4）：63-65.

[2] 莫建霖，劉慶庭.我國(guó)甘蔗收獲機(jī)械化技術(shù)探討[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（3）：12-18.

[3] 楊丹彤，區(qū)穎剛，黃世醒，等.甘蔗人工砍切過(guò)程的仿真方法探討[J].農(nóng)機(jī)化研究，2004（6）：48-50.

[4] ODOURI M F，SAKAI J，GUPTA C P.Kinematics of revolving-knife disk-type sugarcane basecutter-1[J].AMA，1992，23（4）：9-15.

[5] 劉慶庭，區(qū)穎剛，卿上樂(lè)，等.甘蔗莖稈切割力試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（7）：90-94.

[6] 尹 秋，王 濤，張喜瑞，等.香蕉果梗切割力學(xué)特性試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（4）：75-77.

[7] 李玉道，杜現(xiàn)軍，宋占華，等.棉花秸稈剪切力學(xué)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（2）：124-128.

[8] 吳明亮，官春云，湯楚宙，等.油菜莖稈切割力影響因素試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（6）：141-144.

[9] 曹 玉，劉偉峰，張欣達(dá).玉米莖稈切割力影響因素試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012（11）：129-132，137.

[10] 李耀明，秦同娣，陳 進(jìn)，等.玉米莖稈往復(fù)切割力學(xué)特性試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，201l，27（1）：160-164.

以250 mm/min的加載速度勻速加載，對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗的梢部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)，記錄切割力。

1.2.2 正交試驗(yàn) 以50、100、250 mm/min的加載速度勻速加載，對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗不同部位的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)（表1），記錄切割力。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 加載部位對(duì)切割力的影響 表2記錄了2號(hào)甘蔗根部、中部、梢部、尾部節(jié)點(diǎn)直徑以及250 mm/min加載速度下的切割力大小。通過(guò)數(shù)據(jù)處理計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)力值，應(yīng)力計(jì)算公式如下：

σ=1 000F/A

式中，σ是節(jié)點(diǎn)切割應(yīng)力，MPa；F是節(jié)點(diǎn)的切割力，kN；A是節(jié)點(diǎn)的橫截面積，mm2。

出現(xiàn)重復(fù)試驗(yàn)時(shí)取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如表3。試驗(yàn)結(jié)果表明，加載部位是中部節(jié)點(diǎn)時(shí)，切割力最大，為1.627 7 kN；加載部位是尾部節(jié)點(diǎn)時(shí)，切割力最小，為1.144 9 kN。切割力和應(yīng)力在根部節(jié)點(diǎn)和中部節(jié)點(diǎn)相差不大，然后在梢部節(jié)點(diǎn)、尾部節(jié)點(diǎn)處逐漸減小。

2.1.2 加載速度對(duì)切割力的影響 依次以20、50、100、250 mm/min的加載速度對(duì)3號(hào)甘蔗尾部節(jié)點(diǎn)勻速加載，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明，切割力、應(yīng)力隨加載速度變化規(guī)律不明顯。

2.1.3 不同試樣同一部位節(jié)點(diǎn)切割對(duì)比試驗(yàn) 試驗(yàn)以100、250 mm/min的加載速度對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗中部節(jié)點(diǎn)和梢部節(jié)點(diǎn)勻速加載，試驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，同一加載部位下，切割力之間和應(yīng)力之間相差不大。結(jié)果存在差異可能與加載部位的直徑不同有關(guān)，直徑越粗，甘蔗節(jié)點(diǎn)部位的木質(zhì)纖維部分越疏松，包含在營(yíng)養(yǎng)組織細(xì)胞中的液泡較大，能夠承受的切割力也越小。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

以50、100、250 mm/min的加載速度對(duì)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)甘蔗的根部節(jié)點(diǎn)勻速加載，多個(gè)節(jié)點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，結(jié)果取平均值，試驗(yàn)以加載速度（A）（mm/min）、加載部位直徑（B）為影響因子，建立正交試驗(yàn)如表6所示。

從極差的角度分析，各因素水平對(duì)結(jié)果的影響是A3>A1>A2，B2>B3>B1，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析得出，最優(yōu)方案是A2B1，即加載速度100 mm/min，甘蔗節(jié)點(diǎn)直徑粗的條件下切割力最小。

3 結(jié)論

對(duì)青皮甘蔗試樣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，同一加載速度下，切割力沿著中部、根部、梢部、尾部節(jié)點(diǎn)逐漸減??；對(duì)同一部位節(jié)點(diǎn)進(jìn)行切割時(shí)，切割力隨著加載速度的增大稍有波動(dòng)；通過(guò)設(shè)置正交試驗(yàn)，探究甘蔗節(jié)點(diǎn)切割力的影響因子主次關(guān)系表明，加載部位直徑的影響大于加載速度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 彭明戈，陳星富，陳潤(rùn)忠.甘蔗收獲機(jī)收割現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策初探[J].農(nóng)業(yè)研究與應(yīng)用，2013（4）：63-65.

[2] 莫建霖，劉慶庭.我國(guó)甘蔗收獲機(jī)械化技術(shù)探討[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（3）：12-18.

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