湯自強(qiáng)，康 康，何 玉，蔣雅茜，蔣 猛

(西南大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400700)

0 引言

在設(shè)計(jì)莖稈類切割器時(shí)，需要對(duì)切割功率進(jìn)行測(cè)試研究，了解各因素對(duì)切割功率的影響程度。國內(nèi)學(xué)者對(duì)玉米、甘蔗、水稻等作物莖稈的切割性能進(jìn)行了相應(yīng)的的研究[1-4]。劉慶庭[1]等人在自制的單刀切割實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)甘蔗莖稈切割力影響因素進(jìn)行了三因素三水平正交試驗(yàn)研究，認(rèn)為切削力的主要影響因素依次為切削速度、滑切角、刀盤傾角。倪長安[5]等人通過圓盤切割器切割玉米莖稈試驗(yàn)，認(rèn)為切割刀速度愈大,切割功率消耗愈高。蔣韜[6]等人針對(duì)切割刀片形狀、刀片開口角度、切割速度、削切角對(duì)玉米莖稈切割力和切割功耗的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出削切角在20°左右時(shí)切割力和切割功耗相對(duì)較小。陳魁[7]等人在研究煙稈切割力影響因素試驗(yàn)中，認(rèn)為煙稈切割力主要影響因素包括切割速度、切割角度以及切割刀片形狀等。國內(nèi)對(duì)煙稈切割的研究相對(duì)較少, 重點(diǎn)還停留在煙稈組織構(gòu)成與前景的研究上[8-11]。玉米、甘蔗、水稻等作物莖稈與煙稈的組織結(jié)構(gòu)有較大差別，煙稈中半纖維素含量相對(duì)較高，其木質(zhì)化程度較高[12]。因此，對(duì)玉米、甘蔗、水稻等作物莖稈切割的研究結(jié)果不能直接應(yīng)用于煙稈切割器設(shè)計(jì)中，并且現(xiàn)有研究中對(duì)切割力的研究較多，未對(duì)煙稈切割功率做相應(yīng)研究。

針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)煙稈切割功率研究缺乏的現(xiàn)狀，本文選擇不同刀盤形狀、轉(zhuǎn)速和切割角度在切割試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)煙稈試樣進(jìn)行單因素和多因素切割功率測(cè)試，并用MatLab、SPSS對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析，在保證煙稈切割質(zhì)量(即切割斷面平滑、光潔、整齊、無劈裂)情況下，以追求煙稈切割功率最小為目標(biāo)，探求不同因素對(duì)煙稈切割功率的影響和切割參數(shù)最優(yōu)匹配方案。通過單因素試驗(yàn)得出了不同因素對(duì)切割功率的影響規(guī)律，通過多因素正交試驗(yàn)方法得出一種切割參數(shù)最優(yōu)匹配方案。該研究為降低煙稈切割器的功率消耗、提高切割質(zhì)量及為設(shè)計(jì)功率匹配的切割器提了供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)對(duì)象為云煙87，種植于貴州省遵義市遵義縣松林煙草中心站，選取自然生長條件下收獲5天內(nèi)含水率為60%～70%且無病蟲害的新鮮主莖稈，取樣后去除殘留煙葉和分枝，所取試樣通直，直徑為30±1mm。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)在如圖1所示的試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行。為了準(zhǔn)確測(cè)得刀盤轉(zhuǎn)速，在距刀盤圓心100mm的圓周方向上均勻加工20個(gè)直徑8mm的通孔，刀盤旋轉(zhuǎn)1圈采集20個(gè)脈沖信號(hào)，試驗(yàn)切割刀具選用交替齒刀盤和星齒刀盤。

1.導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.刀盤電機(jī) 3.夾具 4.螺旋式直線導(dǎo)軌 5.刀盤 6.接近開關(guān)傳感器

主要儀器設(shè)備及參數(shù)包括：交替齒形刀盤為木用合金刀盤，外徑254mm，齒寬2.6mm，齒數(shù)80齒；星齒形刀盤為錳鋼刀盤，外徑254mm，齒寬1.6mm，齒數(shù)40齒；無紙記錄儀為R2100E-A04-RK02-PW1-SU-MB-VAC，記錄間隔1s，設(shè)置精度0.1s；電流變送器參數(shù)為EC-KT14I，額定輸出DC4-20mA，輸入量程0～20A，精度0.5%；電壓變送器參數(shù)為EC-D3U-60V，額定輸出DC4-20mA，輸入量程0～60V，精度0.5%。

1.3 試驗(yàn)方法

電機(jī)輸入功率等于輸出功率與功率損失之和，輸出功率(即切割功率)為試驗(yàn)的有用功率。本試驗(yàn)所選用電機(jī)的工作效率為87%，電機(jī)在切割過程中功率損失較小可忽略不計(jì)，電機(jī)輸入功率可近似看作切割功率，因此試驗(yàn)過程只需采集電機(jī)電流及其端電壓。

試驗(yàn)臺(tái)架水平安置，將煙稈試樣豎直夾持于夾具上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接電機(jī)、電池、電門鎖及電位計(jì)，切割機(jī)構(gòu)由導(dǎo)軌驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)沿螺旋式直線導(dǎo)軌以1m/s勻速靠近進(jìn)行切割。

電流變送器采集流過電機(jī)的電流信號(hào)，電壓變送器采集電機(jī)的端電壓信號(hào)，再將電壓信號(hào)、電流信號(hào)通過兩路信號(hào)通道分別輸入到無紙記錄儀中，實(shí)時(shí)記錄。傳感器安裝在機(jī)架上，單片機(jī)通過采集傳感器的脈沖信號(hào)來測(cè)定刀盤轉(zhuǎn)速，可通過調(diào)節(jié)電位計(jì)改變刀盤轉(zhuǎn)速。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)電機(jī)安裝架可調(diào)節(jié)刀盤切割角度。另外，可根據(jù)試驗(yàn)需要安裝星齒形刀盤或交替齒形刀盤。

根據(jù)無紙記錄儀上電流、電壓值的大小，計(jì)算出功率為

P=UI

式中P—電機(jī)的切割功率(W)；

U—電機(jī)的端電壓(V)；

I—流過電機(jī)的電流(A)。

在距刀盤圓心100mm圓周方向均勻加工20個(gè)直徑8mm的通孔，刀盤旋轉(zhuǎn)1圈采集20個(gè)脈沖信號(hào)。在恒定轉(zhuǎn)速下，刀盤轉(zhuǎn)速可表示為

n=N/20

式中n—刀盤轉(zhuǎn)速(r/min)；

N—1min采集到的傳感器脈沖數(shù)量。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 刀盤類型、轉(zhuǎn)速對(duì)切割功率的影響試驗(yàn)2.1.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1)先安裝交替齒形刀盤，已知切割角度取20°左右時(shí)切割質(zhì)量較好、功率消耗較低，所以單因素試驗(yàn)中切割角度取20°。改變刀盤轉(zhuǎn)速，記錄每次切割過程中電機(jī)電流、端電壓，并計(jì)算出切割功率，同一工況試驗(yàn)重復(fù)多次，計(jì)算切割平均功率。

2)更換成星齒形刀盤，繼續(xù)按步驟1)重復(fù)試驗(yàn)。

2.1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用MatLab最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到切割功率隨刀盤轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系曲線，如圖 2所示。

圖2 功率-刀盤轉(zhuǎn)速曲線Fig.2 Power-revolving speed curve

由圖2可知：在刀盤(星齒形或交替齒形)和切割角度相同的工況下，刀盤轉(zhuǎn)速越大，切割功率越高。倪長安[7]等人通過圓盤切割器切割玉米莖稈試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：切割刀速度愈大,切割功率消耗愈高。所以，本試驗(yàn)結(jié)論真實(shí)可靠。試驗(yàn)表明：轉(zhuǎn)速不宜低于2 000r/min，否則會(huì)出現(xiàn)煙稈切割斷開不徹底和斷面劈裂等現(xiàn)象，切割質(zhì)量難以保證；刀盤轉(zhuǎn)速在2 600r/min左右時(shí)，切割質(zhì)量最理想；刀盤轉(zhuǎn)速低于1 600r/min時(shí)，會(huì)發(fā)生停轉(zhuǎn)。交替齒形刀盤轉(zhuǎn)速為2 000r/min工況時(shí)，切割功率約為89.7W；轉(zhuǎn)速為3 000r/min工況時(shí)，切割功率最高，最高切割功率約為123.2W，擬合直線增長幅度約為3.3W/100r。星齒形刀盤轉(zhuǎn)速為2 000r/min工況時(shí)，切割功率約為81.4W；轉(zhuǎn)速為3 000r/min工況時(shí)，切割功率最高，最高切割功率約為92.5W，擬合直線增長幅度約為1.1W/100r。

對(duì)比兩曲線可知：切割刀盤轉(zhuǎn)速和切割角度相同的工況下，切割功率與刀盤的形狀有關(guān)，且星齒形刀盤比交替齒形刀盤的功率消耗低。

2.1.2 切割角度對(duì)切割功率的影響試驗(yàn)

2.1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別選擇星齒形刀盤和交替齒形刀盤做切割角度對(duì)切割功率的影響試驗(yàn)，考慮到保證切割質(zhì)量(即切割斷面平滑、光潔、整齊、無劈裂)，刀盤轉(zhuǎn)速取2 200、2 600、3 000r/min。已知切割角度在20°附近時(shí)切割功率較低，所以在20°附近選取的切割角度較多，分別選定0°、5°、10°、15°、18°、19°、20°、21°、22°、25°、30°進(jìn)行切割試驗(yàn)，并記錄每次切割過程中電機(jī)電流、端電壓計(jì)算出切割功率。具體步驟如下：

1)在試驗(yàn)臺(tái)架上安裝星齒形刀盤。

2)刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)至2 200r/min，然后調(diào)整切割角度，記錄每次切割過程中電機(jī)電流、端電壓計(jì)算出切割功率。

3)調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速至2 600r/min,按照步驟2)重復(fù)試驗(yàn)。

4)重新調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速至3 000r/min，按照步驟2)或3)重復(fù)試驗(yàn)。

5)更換交替齒形刀盤，按照步驟2)、3)、4)重復(fù)試驗(yàn)。

2.1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用MatLab對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，得到切割功率隨切割角度變化曲線，如圖3所示。

圖3(a)為星齒形刀盤切割功率-切割角度變化關(guān)系曲線。由圖3(a)可知：刀盤轉(zhuǎn)速在3 000r/min時(shí)，最高切割功率約為132.6W，最小切割功率約為92.5W，功率極差40.1W；刀盤轉(zhuǎn)速在2 600r/min時(shí)，最高切割功率約為124.6W，最小切割功率約為87.7W，功率極差36.9W；刀盤轉(zhuǎn)速在2 200r/min時(shí)，最高切割功率約為119.3W，最小切割功率約為84.3W，功率極差35W。

圖3(b)為交替齒形刀盤切割功率-切割角度變化關(guān)系曲線。由圖3(b)可知：刀盤轉(zhuǎn)速在3 000r/min時(shí)，最高切割功率約為158.3W，最小切割功率為約123.2W，功率極差35.1W；刀盤轉(zhuǎn)速在2 600r/min時(shí)，最高切割功率約為142.3W，最小切割功率約為109.9W，功率極差32.4W；刀盤轉(zhuǎn)速在2 200r/min時(shí)，最高切割功率約為129.7W，最小切割功率約為98.8W，功率極差30.9W。

對(duì)比圖3(a)、(b)可得出：在相同轉(zhuǎn)速和切割角度工況下，交替齒形刀盤切割功率大于星齒形刀盤切割功率，而功率極差正好相反。

蔣韜[6]等人在做玉米莖稈往復(fù)切割臺(tái)架試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：削切角在20°左右時(shí)較其他角度的最大切割力和切割功耗小。本試驗(yàn)切割角度為20°時(shí)，切割功率達(dá)到最小值，與蔣韜等人的研究結(jié)果一致，研究可靠性高。

2.2 多因素試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由上述單因素試驗(yàn)可知，煙稈切割功率的大小主要受切割角度、刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤形狀等因素綜合影響。由于影響因素較多，且各因素水平數(shù)也不盡相同，所以需采用混合水平正交或擬水平正交來設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)[13-17]。本試驗(yàn)采用擬水平法設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，因素水平編碼表如表1所示。

圖3 切割功率-切割曲線角度Fig.3 Cutting power-Cutting angle curve

表1 試驗(yàn)因素水平編碼表Table 1 Experimental factor level code

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表2為正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析。其中：ki為各因素在i(i=1,2,3) 水平所對(duì)應(yīng)的功率之和；ki為各因素在i水平下的平均功率；R為極差。

表2 功率正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of cutting power orthogonal test

由表2可知：因素A極差最大，因素B次之，因素C最小。因此，該試驗(yàn)的最優(yōu)方案為A1B2C1，即切割刀盤形狀為星齒形、刀盤切割角為20°、刀盤轉(zhuǎn)速為2 500r/min為組合最佳。

3 結(jié)論

1) 在切割角度和切割轉(zhuǎn)速相同的工況下，星齒形刀盤相對(duì)交替齒形刀盤切割功率低；另外，在刀盤和切割角度相同條件下，切割功率隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加而增加。

2) 在刀盤轉(zhuǎn)速恒定的工況下，切割角度為0°時(shí)，切割功率最高；隨著切割角度的增加，切割功率減小；當(dāng)切割角為20°時(shí)，切割功率達(dá)到最小值；當(dāng)切割角大于 20°時(shí)，切割功率增加。

3) 多因素試驗(yàn)結(jié)果表明：在既保證切割質(zhì)量又考慮切割功率的情況下，星齒形刀盤、20°切割角、轉(zhuǎn)速為2 500r/min為最優(yōu)組合。