周金偉，劉慶庭，武　濤，賴(lài)　琪，羅菊川

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/工程學(xué)院，廣州　510642)

0　引言

切段式甘蔗收割機(jī)通過(guò)切段刀輥將甘蔗切成一定長(zhǎng)度的蔗段。目前，甘蔗收割機(jī)的切段刀輥普遍采用矩形光刃刀片，上下刀輥同步反向轉(zhuǎn)動(dòng)，安裝在上下刀輥上的刀片數(shù)量相同，且相互匹配。刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，上下刀輥上相互匹配的刀片將從其中間通過(guò)對(duì)甘蔗進(jìn)行切斷。切段刀輥切割甘蔗過(guò)程中出現(xiàn)的甘蔗碎屑和切口爆裂等問(wèn)題，會(huì)造成甘蔗質(zhì)量損失、蔗汁流失和產(chǎn)生較多的葡聚糖，增加甘蔗收獲田間損失和制糖成本。國(guó)內(nèi)在甘蔗切割理論方面的研究主要集中在甘蔗的根切器[1-10]，對(duì)切段刀輥的研究比較少。滾筒式切碎器理論主要集中在鍘草機(jī)和玉米秸稈切斷粉碎方面[11-16]，不適用于對(duì)蔗段質(zhì)量有較高要求的甘蔗收割機(jī)上。周勇等測(cè)試了一款甘蔗收割機(jī)的蔗段的合格率為94.55%[17]，但在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)也常見(jiàn)到蔗段切口大量嚴(yán)重破損的情況。因此，如何得到穩(wěn)定的蔗段刀口質(zhì)量，成為國(guó)產(chǎn)甘蔗收割機(jī)亟需解決的問(wèn)題。

定義配對(duì)刀片在刀背上下刀輥中心面垂直并且刃口相向時(shí)為刀片初始安裝位置，定義配對(duì)刀片處于初始位置時(shí)配對(duì)刀片刀背之間的距離為刃口間距。根據(jù)初始位置時(shí)上下刀片的相對(duì)位置，可以分為配對(duì)刀片刀尖相對(duì)安裝和刃口斜面相向安裝兩種方式，如圖1所示[18]。刀尖相對(duì)時(shí)，滾筒中心線(xiàn)和上下切段刀中心面在一個(gè)平面，刃口斜面相向形式的滾筒中心線(xiàn)與上下切段刀片中心面不在一個(gè)平面。目前，凱斯、約翰迪爾和國(guó)內(nèi)收割機(jī)均采用刀刃間隙相對(duì)安裝。

圖1　切段刀輥刀片安裝方式

HN4GDL-91切段式甘蔗收割機(jī)采用配對(duì)刀片刃口斜面相向安裝方式。馮家模通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真分析得出結(jié)論：配對(duì)刀片在初始安裝位置的刃口斜面間距為2 mm時(shí)，有利于防止切段刀片鈍化和提高蔗段切口質(zhì)量[19]。在調(diào)試配對(duì)刀片初始安裝位置時(shí)發(fā)現(xiàn)：在刃口斜面間距一定的情況下，刃口間距對(duì)切斷甘蔗過(guò)程中碎屑的產(chǎn)生和蔗段切口端面軸線(xiàn)方向的高度差具有較大影響。本文以團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的4GDL-132型切段式聯(lián)合甘蔗收割機(jī)的切段刀輥為研究對(duì)象，仿真與試驗(yàn)分析刀片切入甘蔗過(guò)程，揭示刃口間距對(duì)碎屑與切口端面軸向高度差的影響，為收割機(jī)配對(duì)刀片調(diào)試提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1　甘蔗

試驗(yàn)中的甘蔗為廣前糖廠發(fā)展有限公司種植的粵糖-128。采樣時(shí)間為2017年1月18日，采樣后2天內(nèi)完成試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)去除甘蔗葉。

1.2　切段刀輥

以團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的4GDL-132型甘蔗收割機(jī)的切段刀輥為研究對(duì)象。該切段刀輥主要由上下切段刀輥、飛輪、傳動(dòng)齒輪和機(jī)架等組成，刀輥中心距250 mm，每個(gè)刀輥上安排2把刀片，如圖2(a)所示。刀片通過(guò)螺栓與刀片安裝板相連接，并可通過(guò)調(diào)整刀片與安裝板之間的墊板調(diào)節(jié)配對(duì)刀片刃口線(xiàn)之間的距離。刀片上的安裝孔為長(zhǎng)孔，用來(lái)調(diào)整刀片徑向安裝位置，刀片厚度10mm、長(zhǎng)75mm、寬158 mm，刃口斜角25°，如圖2(b)和圖2(c)所示。

1.上切段刀輥　2.下切段刀輥　3.上滾筒齒輪 4.下滾筒齒輪　5.動(dòng)力軸齒輪　6.飛輪　7.機(jī)架圖2　切段刀輥結(jié)構(gòu)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)室目前研制的切段式聯(lián)合甘蔗收割機(jī)切段機(jī)構(gòu)安裝位置在一級(jí)輸送滾筒后和二級(jí)輸送裝置前，故設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)配合相應(yīng)的位置。切段機(jī)構(gòu)主要由上切段刀輥、下切段刀輥、上滾筒齒輪、下滾筒齒輪、動(dòng)力軸齒輪、飛輪及機(jī)架等組成。收割機(jī)上，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力軸，通過(guò)動(dòng)力軸齒輪、上滾筒齒輪及下滾筒齒輪傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩。

1.3　切割過(guò)程仿真分析軟件與方法

用PROE5.0生成簡(jiǎn)潔模型的裝配體模型(見(jiàn)圖3)，另存為.SAT格式的文件，導(dǎo)入HYPERMESH進(jìn)行網(wǎng)格劃分與加載，生成k文件；然后，導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行運(yùn)行，以切段效果的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)刀刃間距為變量，仿真甘蔗切割過(guò)程。

圖3　甘蔗切割模型圖

簡(jiǎn)化甘蔗模型為圓柱體，根據(jù)試驗(yàn)中所用甘蔗測(cè)得的平均直徑值，設(shè)定甘蔗模型直徑為21 mm、蔗皮厚度0.8mm、蔗芯直徑19.4mm。定義蔗皮為復(fù)合材料模型，選用22號(hào)材料，縱向抗拉強(qiáng)度7MPa，橫向抗拉強(qiáng)度1.34MPa[5]。蔗芯選用3材料，定義切段刀為剛體模型，選用20號(hào)材料。蔗皮與蔗芯之間采用共節(jié)點(diǎn)聯(lián)接。刀片厚度10mm，刀尖角度25°，刀輥中心距250mm。模型材料參數(shù)如表1所示[7]。采用6面體實(shí)體單元，單元尺寸為1。

定義4組接觸：上刀片與甘蔗表片的接觸，上刀片與蔗芯的接觸，下刀片與甘蔗表片的接觸，下刀片與蔗芯的接觸。根據(jù)馬達(dá)額定轉(zhuǎn)速的80%，利用關(guān)鍵字*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID來(lái)設(shè)定上、下刀輥的轉(zhuǎn)速為400r/min(即41.86rad/s)。用ANSYS求解k文件得到d3plot文件，仿真時(shí)間為0.02s。

1.4　切割試驗(yàn)與高速攝影設(shè)備與方法

1.4.1試驗(yàn)設(shè)備

高速相機(jī)設(shè)備為美國(guó)Vision Research生產(chǎn)的Phantom M310，配備了帶有千兆網(wǎng)卡的筆記本計(jì)算機(jī)，高速相機(jī)通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)將拍攝的圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)保存。試驗(yàn)采用的拍攝速率為1 280×800分辨率下2 000fps。其他設(shè)備有：游標(biāo)卡尺，角度測(cè)量?jī)x，卷尺，電子手提秤(型號(hào)為WH-A，精度為5 g)，相機(jī)CANON E505。

表1　模型材料參數(shù)

1.4.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)因素與水平如表2所示。

表2試驗(yàn)因素與水平

Table 2Experimental factors and levels mm

水平刃口間距q直徑D1102328273631

甘蔗單位切口損失的質(zhì)量代表著切斷甘蔗過(guò)程中產(chǎn)生的損失，切口端面軸向高度差代表著切口的大小，選用單位切口損失和切口端面軸向高度差作為試驗(yàn)指標(biāo)來(lái)綜合評(píng)價(jià)切口質(zhì)量。切口端面高度差s如圖4所示。s用游標(biāo)卡尺測(cè)量，測(cè)量精度為0.02 mm。

圖4　切口端面軸向高度差示意圖

試驗(yàn)指標(biāo)中，單位切口損失量和切口端面軸向高度差數(shù)值越小越好，主要考慮單位切口損失量，其次是切口端面軸向高度差。通過(guò)調(diào)整下刀輥中心位置和刀片長(zhǎng)度可以得到不同的刃口間距，如圖5所示。在圖5(d)中：p為刃口斜面間距，q為刃口間距。選取p=2mm時(shí)，以刃口間距q為試驗(yàn)因素，q值取10、8、6mm等3個(gè)水平；將試驗(yàn)用甘蔗根據(jù)平均直徑大小分為3組；試驗(yàn)研究刃口間距和甘蔗直徑兩個(gè)因素下的甘蔗切割過(guò)程，每個(gè)處理重復(fù)30次。切割后將甘蔗段收集在一起，去除掉切割過(guò)程中產(chǎn)生的碎渣，測(cè)量切割前整稈甘蔗的質(zhì)量和切割后蔗段質(zhì)量，質(zhì)量差除以切口數(shù)即為單位切口損失，即

其中，t為單位切口損失量(g)；mt為切割前甘蔗質(zhì)量(g)；mo為切割后甘蔗質(zhì)量(g)。

圖5　刃口間距示意圖

2　試驗(yàn)結(jié)果

2.1　切割過(guò)程仿真分析結(jié)果

觀察切割區(qū)域甘蔗的變化情況可知：這種形式的對(duì)刀方式在切割過(guò)程中會(huì)有蔗屑產(chǎn)生，如圖6所示。蔗屑產(chǎn)生區(qū)域?yàn)榈睹嫦鄬?duì)的非接觸區(qū)域，如圖7所示。由圖7可以看出：線(xiàn)1、線(xiàn)3為上刀運(yùn)動(dòng)在甘蔗上留下的痕跡，線(xiàn)2為下刀運(yùn)動(dòng)在甘蔗上留下的痕跡，斜線(xiàn)1、2、3在甘蔗中間某部位匯于一點(diǎn)；開(kāi)始切割時(shí)，配對(duì)刀片在軸向有一個(gè)位移差，即線(xiàn)2和線(xiàn)3之間的甘蔗是兩個(gè)刀口切出來(lái)的碎蔗，然后在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中被擠壓，所以甘蔗在切割過(guò)程中會(huì)有質(zhì)量損失。刪除單元的質(zhì)量即為切割仿真甘蔗的損失質(zhì)量，得到刀刃間距為10、8、6mm時(shí)的單個(gè)切口損失量分別為12.4、11.2、10.7g，甘蔗損失質(zhì)量依次減小。

圖6　蔗屑示意圖Fig.6　Cane chips

圖7　蔗屑區(qū)域示意圖

2.2　高速攝影結(jié)果

高速攝影圖像如圖8所示。由圖8可以看出：根據(jù)兩把切段刀在切段過(guò)程中不同的作用可將甘蔗切段過(guò)程分為刀刃夾緊甘蔗、動(dòng)刀定刀切割甘蔗、雙動(dòng)刀切割甘蔗及雙刀擠壓碎蔗4個(gè)階段。在刀刃夾緊甘蔗的過(guò)程中，兩刀刃徑向距離在減少，當(dāng)數(shù)值等于甘蔗直徑時(shí)，兩刀刃夾緊甘蔗準(zhǔn)備切割，如圖8(a)所示。在這個(gè)過(guò)程中，甘蔗接觸處無(wú)蔗汁濺出，說(shuō)明上、下切段刀不起切割作用。在動(dòng)刀定刀切割甘蔗的過(guò)程中，下切段刀片起定刀固定甘蔗作用，上切段刀片起動(dòng)刀切割甘蔗作用，如圖8(b)所示。在這個(gè)過(guò)程中，上切段刀片刃口處見(jiàn)到蔗汁濺出，且刃線(xiàn)在與接觸甘蔗處有截止，刃線(xiàn)與上切段刀片、甘蔗表面交線(xiàn)有明顯差異，說(shuō)明上刀片切入；下切段刀片無(wú)此現(xiàn)象，說(shuō)明下切段刀片沒(méi)有切割。 在雙動(dòng)刀切割甘蔗的過(guò)程中，上、下切段刀片都起動(dòng)刀切割作用，如圖8(c)所示。在這個(gè)過(guò)程中，上、下切段刀片刃口處都見(jiàn)到蔗汁濺出，且刃線(xiàn)在與接觸甘蔗處都有截止，刃線(xiàn)與上切段刀片、甘蔗表面交線(xiàn)都有明顯差異，說(shuō)明上、下切段刀片都在切割。甘蔗被切段后，雙刀擠壓碎蔗會(huì)產(chǎn)生大量蔗屑，如圖8(d)所示。在這個(gè)過(guò)程中，上、下切段刀片沒(méi)有起到切割和固定的作用。

圖8　高速攝影

2.3　切段效果試驗(yàn)結(jié)果

刃口間距和甘蔗直徑對(duì)單位切口損失量和甘蔗切口端面軸向高度差影響的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　試驗(yàn)結(jié)果

3　討論與分析

3.1　高速攝影分析

1)在第1個(gè)階段：下切段刀片對(duì)甘蔗有支持力上切段刀片與甘蔗不接觸故不產(chǎn)生作用，如圖9(a)所示。單把刀的受力只讓甘蔗產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)切入甘蔗，此階段是切割的準(zhǔn)備階段。

2)第2個(gè)階段：夾緊之后，上切段刀片先切入，下刀輥?zhàn)饔们卸蔚蹲鳛槎ǖ镀鸺映肿饔?，并不切割甘蔗莖稈，上刀輥?zhàn)饔们卸蔚蹲鳛閯?dòng)刀，開(kāi)始切割甘蔗莖稈如圖9(b)和圖9(e)所示，此階段為正式切割階段。按照滾筒式切碎器莖稈理論[11-12]來(lái)分析甘蔗切割可知：作用在上切段刀片單位刀刃線(xiàn)長(zhǎng)度上的垂直反作用力為

其中，Δσ為甘蔗的壓縮應(yīng)力；E為甘蔗的彈性模量；hzg為甘蔗的切入深度；h為甘蔗的總厚度；β為切角；μz為刀面與甘蔗之間的摩擦因數(shù)；μw為甘蔗內(nèi)的摩擦因數(shù)。

3)第3個(gè)階段：下切段刀片也切入甘蔗，如圖9(c)所示。隨著切割的進(jìn)行，切割阻力和切割力都是在增加，下刀達(dá)到切割的條件，上、下切段刀切割深度分別為h1和h2，一般h1>h2。此階段為多余的切割階段，因?yàn)閮傻肚懈钤黾恿藬嗝婷娣e，對(duì)后期甘蔗存放時(shí)損失率有影響，應(yīng)該盡量減少此階段的時(shí)間、初始切口端面軸向高度差、h2數(shù)值和切割區(qū)域面積。

4)第4個(gè)階段：蔗段掉落，在兩把切段刀片之間有縫隙，縫隙內(nèi)會(huì)有蔗屑產(chǎn)生，而且還會(huì)由于縫隙截面形狀的變化而受到擠壓作用，如圖9(d)所示。其中，碎蔗受到擠壓力F1和F2而變形而成為蔗屑，此階段是切割后階段。分析認(rèn)為：減少碎蔗可以從兩個(gè)方面來(lái)解決：①在不產(chǎn)生干涉的情況下調(diào)節(jié)刃面平行時(shí)的距離，可以使得碎蔗厚度的減?。虎跍p少切割區(qū)域，同時(shí)可以使得碎蔗長(zhǎng)度減小。

圖9　切段階段

3.2　切段效果試驗(yàn)分析

用SPSS分析試驗(yàn)得到MS、F、sig數(shù)據(jù)如表4所示。由表4可以看出：刃口間距對(duì)單位切口損失量和切口端面軸向高度差都有極顯著的影響，甘蔗直徑對(duì)切口端面軸向高度差有極顯著影響，甘蔗直徑對(duì)單位切口損失量沒(méi)有顯著性影響。

表4　試驗(yàn)方差分析

續(xù)表4

采用Duncan多重比較如表5所示。由表5可以看出：?jiǎn)挝磺锌趽p失量t和切口端面軸向高度差s在刃口間距q的1、2、3水平之間有顯著性差異。刃口間距為3水平(即刃口間距為6mm)時(shí)單位切口損失量最小，端面軸向高度差最小。切口端面軸向高度差在甘蔗直徑D的1、2、3水平之間都有顯著性差異。甘蔗直徑D為1水平(即23mm)時(shí)切口端面軸向高度差最小。

表5　Duncan多重比較

3.3　仿真分析

仿真結(jié)果表明：在切割甘蔗的過(guò)程中，甘蔗有蔗屑損失，與高速攝影試驗(yàn)相符；在刃口間距為10、8、6mm時(shí)，單位切口質(zhì)量損失依次減少，其變化趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果相符。

3.4　討論

1)高速攝影下，切段過(guò)程的4個(gè)階段中切段刀的作用不同，第1、2個(gè)階段為有利切割，第3、4個(gè)階段為不利切割。

2)綜合比較，刃口間距為6mm時(shí)切段效果最佳，甘蔗直徑對(duì)切段效果有顯著影響，故切段機(jī)構(gòu)刃口間距選用6mm，有利于減少甘蔗切段環(huán)節(jié)的切割損失。

3)在切段機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)方面，由于上、下切段刀輥是通過(guò)刀輥一端的等速齒輪連接且刀片安裝距離可調(diào)，故刀輥的調(diào)節(jié)方式為：首先調(diào)節(jié)下刀輥，平移2mm，刀輥中心距改變小于0.1mm，不影響齒輪的嚙合；然后，調(diào)節(jié)刀片的伸出長(zhǎng)度，使刀面距離為2mm。

4　結(jié)論

1)高速攝影試驗(yàn)分析表明：甘蔗切割分為4個(gè)過(guò)程，即刀刃夾緊甘蔗、動(dòng)刀定刀切割甘蔗、雙動(dòng)刀切割甘蔗及雙刀擠壓碎蔗。第1個(gè)過(guò)程為甘蔗切割準(zhǔn)備階段，甘蔗受到下刀的支持力Ff；第2個(gè)階段和第3個(gè)階段甘蔗受到了切割力，用作用在切段刀片單位刀刃線(xiàn)長(zhǎng)度上的垂直反作用力來(lái)反映；第3個(gè)階段為多余切割階段，一般會(huì)產(chǎn)生2個(gè)切口，對(duì)后續(xù)蔗段的存放時(shí)損失率有影響，故應(yīng)減少這個(gè)階段的時(shí)間，減輕這個(gè)階段的切段效果；第4個(gè)階段不可避免地產(chǎn)生的碎蔗遭到擠壓力F1和F2而形成蔗屑，應(yīng)該減小切段區(qū)域，減少甘蔗損失量。在切割過(guò)程中，刀刃線(xiàn)進(jìn)入甘蔗，蔗汁濺出。

2)SPSS方差分析表明：切段機(jī)構(gòu)的刃口間距為6 mm時(shí)切段效果最佳，甘蔗直徑對(duì)切段效果有影響，切段效果最佳時(shí)單位切口損失量為0.23g。

在切段機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)方面，刃口間距調(diào)到6mm。由于上、下切段刀是通過(guò)刀輥一端的等速齒輪連接的且刀片安裝距離可調(diào)，故刀輥的調(diào)節(jié)方式為：首先調(diào)節(jié)下刀輥，平移2mm，刀輥中心距改變小于0.1 mm，不影響齒輪的嚙合；然后，調(diào)節(jié)刀片的伸出長(zhǎng)度，調(diào)節(jié)距離為切段過(guò)程刀片不干涉的最短距離。切段刀片根據(jù)切段刀輥安裝方式來(lái)調(diào)節(jié)：固定刀片安裝在滾筒上，焊接連接，跟滾筒無(wú)相對(duì)位移；可上下調(diào)節(jié)的切段刀片安裝在固定刀片上，先用調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)切段刀片至合適的位置，然后用固定螺栓緊固切段刀片。