崔振德　鄧干然　李國(guó)杰　鄭爽　李玲　劉智強(qiáng)

摘要：針對(duì)木薯機(jī)械化種植的莖稈實(shí)時(shí)切斷環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了1種木薯種植機(jī)切稈試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)采用彈性?shī)A持、擠切的方式實(shí)現(xiàn)木薯莖稈的切斷作業(yè)，可為其他相似高粗莖稈作物機(jī)械化種植設(shè)備的研制提供試驗(yàn)支持。為驗(yàn)證該試驗(yàn)臺(tái)工作性能，以充分成熟的木薯莖稈作為試驗(yàn)材料進(jìn)行切斷性能試驗(yàn)。驗(yàn)證結(jié)果表明，該試驗(yàn)臺(tái)性能穩(wěn)定，工作可靠，可根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)整工作參數(shù)，并對(duì)功率消耗進(jìn)行測(cè)試。

關(guān)鍵詞：木薯種植機(jī)；切稈裝置；切稈試驗(yàn)臺(tái)；設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： S223.93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）19-0243-03

收稿日期：2016-05-13

基金項(xiàng)目：海南省自然科學(xué)基金（編號(hào)：514214）；廣東省省級(jí)科技計(jì)劃（編號(hào)：2015A020209006）。

作者簡(jiǎn)介：崔振德（1984—），男，河南周口人，碩士，助理研究員，從事熱帶田間機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的研究。E-mail：czd2004@qq.com。

通信作者：鄧干然，碩士，研究員，碩士生導(dǎo)師，從事熱帶田間機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的研究。E-mail：dengganran@163.com。 木薯別稱(chēng)樹(shù)薯、木番薯，在世界上90多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有種植[1]。木薯塊根用途廣泛，可作為糧食作物，也可以當(dāng)作工業(yè)原料，在非洲等地，木薯塊根及木薯嫩葉被當(dāng)作重要食物來(lái)源直接食用[2]。在當(dāng)前糧食供應(yīng)緊張的形勢(shì)下，發(fā)展木薯產(chǎn)業(yè)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3-5]。傳統(tǒng)人工種植木薯，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，生產(chǎn)成本逐年增高[6]，而木薯田間生產(chǎn)機(jī)械化則是降低成本最有效的途徑[7-9]。作為木薯機(jī)械種植核心環(huán)節(jié)之一，莖稈切斷直接影響機(jī)械化種植質(zhì)量。由于木薯種植機(jī)莖稈切斷工況復(fù)雜，目前對(duì)切割裝置的研究還不夠深入，主要集中于種植機(jī)整機(jī)使用性能等方面，研究周期長(zhǎng)、試驗(yàn)不便、成本高，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)指導(dǎo)作用有限。

木薯莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)的研制能夠方便快捷地測(cè)試各項(xiàng)性能指標(biāo)，是改進(jìn)切稈裝置、改善種植設(shè)備的重要途徑，也是研究木薯莖稈切割機(jī)制的重要手段。

目前，木薯莖稈切割方式主要有單圓盤(pán)鋸切式和雙輥對(duì)切式2種類(lèi)型。泰國(guó)研究人員研制了電動(dòng)式木薯單圓盤(pán)鋸切式切割裝置，并測(cè)試了樣機(jī)的性能[10]；國(guó)內(nèi)科研人員也對(duì)單圓盤(pán)鋸切式裝置做了相關(guān)研究[11]，而雙輥對(duì)切式的研究尚屬空白。但在實(shí)際生產(chǎn)中，木薯種植設(shè)備普遍采用雙輥對(duì)切式木薯莖稈切斷裝置，該類(lèi)型切割裝置具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)。

本研究設(shè)計(jì)了對(duì)輥式木薯莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)木薯莖稈機(jī)械化切割質(zhì)量的影響因素（單位切割力、切割速度、最大切割力等）進(jìn)行試驗(yàn)，可為木薯種植機(jī)切稈裝置的研究提供參考依據(jù)，同時(shí)也可為甘蔗、王草種植機(jī)切稈裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)切稈試驗(yàn)臺(tái)的使用目的及操作方式，試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)滿足以下要求：（1）能夠模擬切稈裝置在田間的實(shí)際作業(yè)狀況，對(duì)切稈裝置運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍應(yīng)在40～150 r/min；（2）莖稈喂入方式，應(yīng)能夠便于人工喂入及自動(dòng)化喂入2種操作方式；（3）應(yīng)能夠通過(guò)調(diào)節(jié)切稈裝置，改變木薯莖稈的切斷長(zhǎng)度，滿足不同種植需求；（4）機(jī)架應(yīng)穩(wěn)定可靠，以避免對(duì)輥切刀作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響；（5）為提升該切稈裝置的使用價(jià)值，應(yīng)使其具備廣泛的適應(yīng)性，通過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)整可對(duì)其他多種高粗莖稈進(jìn)行切割試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

對(duì)輥式木薯莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)主要由1對(duì)切稈刀輥、切稈刀輥安裝座、切稈護(hù)蓋、機(jī)架、液壓無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)等組成（圖1、圖2）。每個(gè)切稈刀輥都由等角度分布的數(shù)把刀座與刀片、1根切稈刀軸、2個(gè)圓盤(pán)擋片等組成；切稈刀輥安裝座由槽鋼與角鋼焊接而成；切稈護(hù)蓋由不銹鋼板通過(guò)折彎焊接等加工而成；機(jī)架由方管與鋼板焊接而成；數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)由扭矩傳感器、USB數(shù)據(jù)采集卡、12 V穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集程序、計(jì)算機(jī)等組成。該試驗(yàn)臺(tái)可根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)切稈長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速、刀片刃角、刀片數(shù)量、刀輥直徑等工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)工作原理

雙輥對(duì)切式木薯莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)由液壓無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)，木薯莖稈通過(guò)人工或自動(dòng)化裝置由護(hù)蓋正上方的喂料斗放入，1對(duì)切稈刀輥在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下對(duì)向旋轉(zhuǎn)，夾持膠筒將木薯種莖夾持住，并向下傳送，相互配合的1對(duì)刀片在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，逐漸切入木薯莖稈，隨著間隙的不斷減小，木薯莖稈逐漸被切斷，被切斷的木薯莖段在自重的作用下垂直降落，即完成了1段木薯莖稈的切斷過(guò)程，而后循環(huán)作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 切稈刀輥

切稈刀輥由等角度分布的數(shù)把刀座與刀片、切稈刀軸、圓盤(pán)擋片等組成（圖3）。切稈刀輥直徑與2個(gè)切稈刀輥中心距大致相同，切稈刀輥直徑、切稈刀輥中心距、刀片數(shù)量、切稈長(zhǎng)度大致存在如下關(guān)系：

L=π×Dn。

式中：L為木薯種莖切斷長(zhǎng)度，mm；D為切稈刀輥直徑，mm；n為刀片數(shù)量，個(gè)。

由上式可知，當(dāng)木薯種莖切斷長(zhǎng)度一定時(shí)，刀輥直徑與刀片數(shù)量存在正比例關(guān)系。綜合夾持力度均勻性、作業(yè)穩(wěn)定性等各方面因素考慮，木薯種莖切斷長(zhǎng)度設(shè)定為160 mm，每個(gè)刀輥共有4個(gè)刀片，通過(guò)計(jì)算可知，刀輥直徑約為204 mm。

刀軸、刀座、圓盤(pán)等零件通過(guò)焊接成為一個(gè)焊合件，當(dāng)需要調(diào)整刀片數(shù)量時(shí)，只需更換刀輥焊合件，而當(dāng)需要調(diào)整刀片刃角時(shí)，只需要更換所需刃角的刀片。若需要調(diào)整刀輥旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，只需要調(diào)節(jié)無(wú)級(jí)變速器。

2.2 切稈刀輥安裝座

切稈刀輥安裝座由槽鋼、角鋼等焊接而成，用于安裝切稈刀輥、切稈護(hù)蓋等，為便于調(diào)節(jié)，軸承座安裝位開(kāi)出長(zhǎng)孔（圖4），該基座便于調(diào)節(jié)，且加工簡(jiǎn)便、穩(wěn)固可靠。endprint

2.3 機(jī)架設(shè)計(jì)

如圖5所示，機(jī)架主要由方管、鋼板等焊接而成，用于其他零部件配合安裝，是整個(gè)切稈試驗(yàn)裝置的平臺(tái)，要求穩(wěn)定可靠，在轉(zhuǎn)速達(dá)到150 r/min時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)等，此處選用的方管尺寸為60 mm×60 mm×5 mm，整機(jī)質(zhì)量為62.5 kg。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為方便調(diào)試切稈裝置，采用電機(jī)軸、傳感器軸、切稈軸等水平同軸排列的布局方式，通過(guò)聯(lián)軸器連接（圖6）。系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器Ⅰ帶動(dòng)傳感器軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器軸的另一端通過(guò)聯(lián)軸器Ⅱ與主動(dòng)切稈刀輥相連，主動(dòng)刀輥的1對(duì)等比傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)刀輥對(duì)向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.5 測(cè)量裝置

對(duì)輥式木薯莖稈切斷測(cè)量裝置如圖7所示，主要包括扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)、雙通道數(shù)據(jù)采集程序、電源等。其中扭矩傳感器為T(mén)H4803A型動(dòng)態(tài)扭矩測(cè)速傳感器，量程0～250 N·m，轉(zhuǎn)速0～2 000 r/min。數(shù)據(jù)采集卡為USB-1252型USB 2.0接口數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采樣方式為定時(shí)采樣，采樣速率可調(diào)，最高為10次/s。

3 木薯莖稈切斷性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

為驗(yàn)證該試驗(yàn)臺(tái)的工作性能，選取新鮮木薯莖稈進(jìn)行切斷性能試驗(yàn)。莖稈取自廣東省湛江市遂溪縣城月鎮(zhèn)乾塘村木薯種植基地，選取長(zhǎng)度、直徑較為一致的木薯莖稈作為試驗(yàn)材料。為模擬木薯田間種植情況，木薯莖稈采收后，先于陰涼處放置15 d，再進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)試方法

3.2.1 莖稈損傷率 莖稈損傷率即木薯莖段損傷數(shù)量占木薯莖段總數(shù)量的百分比，計(jì)算公式如下：

S1=Ms1Ms×100%。

式中：S1為木薯莖稈損傷率，%；Ms為試驗(yàn)?zāi)臼砬o段總數(shù)量，個(gè)；Ms1為試驗(yàn)?zāi)臼砬o段損傷數(shù)量，個(gè)。

3.2.2 長(zhǎng)度合格率 即木薯莖段長(zhǎng)度合格數(shù)量占木薯莖段總數(shù)量的百分比，木薯種莖長(zhǎng)度以（160±10）mm為合格，計(jì)算公式如下：

S2=Ls1Ls×100%。

式中：S2為長(zhǎng)度合格率，%；Ls為試驗(yàn)?zāi)臼砬o段總數(shù)量，個(gè)；Ls1為試驗(yàn)?zāi)臼砬o段不合格數(shù)量，個(gè)。

3.2.3 功率消耗 動(dòng)態(tài)扭矩傳感器將測(cè)得的電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集傳遞到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集程序中，經(jīng)程序計(jì)算處理，可實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)主界面上，并可將數(shù)據(jù)保存為xls格式的文件，便于后期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.3 試驗(yàn)方法

采集試驗(yàn)樣品時(shí)，應(yīng)選擇直徑、高度相差不大的木薯莖稈，自地表20 cm處截取。而后測(cè)量試驗(yàn)樣品的直徑與質(zhì)量等物理參數(shù)，去除差別較大的樣品個(gè)體，以確保試驗(yàn)樣品的一致性，另外還要確保試驗(yàn)樣品健壯無(wú)病蟲(chóng)害、外表完整無(wú)物理?yè)p傷，最終篩選出20根木薯莖。

試驗(yàn)前，連接好數(shù)據(jù)線及電源線，檢查計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)采集程序，確保硬件、軟件正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)好試驗(yàn)臺(tái)工作參數(shù)：刀輥直徑為200 mm，刀組數(shù)量為4對(duì)，刀片刃角為25°，切稈長(zhǎng)度為160 mm。試驗(yàn)時(shí)，先將切稈試驗(yàn)臺(tái)低速空轉(zhuǎn)10 min，對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，而后調(diào)節(jié)液壓無(wú)極變速器，使其轉(zhuǎn)速平穩(wěn)保持在 40 r/min。操作人員將木薯莖稈由喂料斗放入，在放入木薯莖稈時(shí)，保證前一根木薯稈與后一根木薯稈頭尾相接，待切稈刀輥切下第1刀后，操作人員松開(kāi)木薯種莖，使其在切稈刀輥?zhàn)饔孟伦杂汕袛?，同時(shí)由扭矩傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并且通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)。試驗(yàn)重復(fù)20次。

4 結(jié)果與分析

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，當(dāng)切稈試驗(yàn)臺(tái)工作參數(shù)調(diào)整至刀輥直徑為200 mm、切刀數(shù)量為4對(duì)、刀片角度為25°、轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，木薯莖稈切斷試驗(yàn)臺(tái)莖稈損傷率為3.98%，長(zhǎng)度合格率為85.46%，平均穩(wěn)態(tài)扭矩為8.53 N·m，功率消耗為3576 W。

3.98%的莖稈損傷率，表明該試驗(yàn)裝置對(duì)木薯莖稈存在一定的損傷，經(jīng)觀察對(duì)比分析可知，莖稈表皮及腋芽損傷主要是由于喂料斗處木薯莖稈與喂料斗摩擦所致；85.46%的長(zhǎng)度合格率，表明該切稈裝置對(duì)木薯莖稈切斷長(zhǎng)度控制一般，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，不合格莖段幾乎集中于木薯莖稈第1段與最后1段，主要是切稈裝置自身固有特性所致，去除頭尾后所得長(zhǎng)度合格率為98.43%，說(shuō)明該切斷裝置在莖稈切斷的第1刀與最后1刀存在問(wèn)題，還需要進(jìn)一步調(diào)整和改善，扭矩和功率的測(cè)量為木薯莖稈切斷裝置的設(shè)計(jì)提供了參考。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)加工了1種木薯種植機(jī)切稈試驗(yàn)臺(tái)，可對(duì)木薯莖稈進(jìn)行切斷試驗(yàn)，同時(shí)也可對(duì)木薯種植機(jī)切稈裝置進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)臺(tái)采用雙刀輥對(duì)向轉(zhuǎn)切的作業(yè)方式來(lái)完成木薯種莖切斷工作，其特點(diǎn)是作業(yè)平穩(wěn)、沖擊小、工作可靠，可根據(jù)試驗(yàn)要求對(duì)切稈刀輥直徑、刀片數(shù)量、刀片刃角、旋轉(zhuǎn)速度等工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可對(duì)功率消耗進(jìn)行測(cè)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]李開(kāi)綿，林 雄，黃 潔.國(guó)內(nèi)外木薯科研發(fā)展概況[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2001（1）：56-60.

[2]黃 潔，李開(kāi)綿，葉劍秋，等. 中國(guó)木薯產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展研究與對(duì)策[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2006，22（5）：421-426.

[3]方 佳，濮文輝，張慧堅(jiān).國(guó)內(nèi)外木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展近況[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（16）：353-361.

[4]王富有，溫春生. 能源木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策研究[J]. 改革與戰(zhàn)略，2008，24（2）：106-108.

[5]田益農(nóng)，盧賽清，付海天.以木薯為原料的生物質(zhì)能源在中國(guó)的發(fā)展?jié)摿J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（28）：15763-15766.

[6]詹 玲，李寧輝，馮 獻(xiàn).我國(guó)木薯生產(chǎn)加工現(xiàn)狀及前景展望[J]. 農(nóng)業(yè)展望，2010，6（6）：33-36.

[7]蔣 瑞，黃 暉，崔振德.國(guó)內(nèi)外木薯機(jī)械化種植技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)[J]. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)，2012（3）：58-60.

[8]崔振德，黃 暉，鄧干然，等. 我國(guó)木薯種植機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)農(nóng)資，2013（36）：70-71.

[9]曾伯勝，葉才學(xué)，魯 華.2CMS-2型木薯聯(lián)合種植機(jī)的研究設(shè)計(jì)[J]. 廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械化，2011（6）：21-22.

[10]Odigboh E U.A two-row automatic cassava cuttings planter：development，design and prototype construction[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，1978，23（2）：109-116.

[11]張留鋒，薛 忠，張 勁，等. 基于SolidWorks運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的圓盤(pán)式木薯莖稈切割器的研究與分析[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37（2）：127-130. 陳恒峰，郭 輝，呂全貴，等. 聯(lián)合收割機(jī)通用型液壓割臺(tái)的設(shè)計(jì)與仿真[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（19）：246-250.endprint