薛 忠，張留峰，宋 剛，王名煒，韓亞峰，王 剛

(中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524091)

0 引言

木薯是世界三大薯類之一，廣泛栽培于熱帶和亞熱帶。在我國(guó)南亞熱帶地區(qū)，木薯是僅次于水稻、甘薯、甘蔗和玉米的第五大作物。木薯莖稈作為木薯種植區(qū)主要的副產(chǎn)品，約占木薯產(chǎn)量的50%。按照2016年全國(guó)木薯產(chǎn)量763.42萬(wàn)t推算，2016年全國(guó)木薯莖稈的年生物量約381.71萬(wàn)t，其中只有10%～15%用來(lái)留種儲(chǔ)藏，其余大多丟棄在田間地頭后自然腐爛，既造成生物質(zhì)資源浪費(fèi)，又容易引起環(huán)境污染，甚至引起火災(zāi)。目前，相關(guān)科研人員在木薯莖稈粉碎還田、直接氣化、水解糖化、堆漚有機(jī)肥及食用菌基質(zhì)化等方面已開(kāi)展研究[1-9]。

木薯莖稈機(jī)械化收獲作為實(shí)現(xiàn)木薯生產(chǎn)全程機(jī)械化一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是制約木薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)瓶頸。木薯莖稈切割器是木薯莖稈收獲機(jī)械的關(guān)鍵部件。因此，研究基于木薯莖稈力學(xué)特性的圓盤(pán)式切割機(jī)理對(duì)促進(jìn)木薯機(jī)械化收獲乃至木薯莖稈綜合利用具有重要的作用[10]。

本文采用試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，利用圓盤(pán)式切割器研究木薯莖稈的不同參數(shù)組合對(duì)其切斷的影響，從而優(yōu)化切割器參數(shù)組合，揭示其切割機(jī)理。該研究可有效解決在木薯莖稈機(jī)械化切割過(guò)程中機(jī)械切割效率及能耗的問(wèn)題，滿足木薯莖稈機(jī)械化切割的技術(shù)要求，為木薯收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)及木薯機(jī)械化收獲在我國(guó)熱帶地區(qū)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)及工作原理

試驗(yàn)臺(tái)主要由臺(tái)車、行走電機(jī)、臥式粉碎裝置、立式切割裝置及控制電柜等組成，車行走速度0～1.5m/s無(wú)級(jí)調(diào)速，立式切割粉碎轉(zhuǎn)速0～1 200r/min無(wú)級(jí)調(diào)速，如圖1所示。

試驗(yàn)臺(tái)立式切割裝置由機(jī)架、滑板、連接板、直線導(dǎo)軌、升降絲杠、弧形滑槽、變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鏈?zhǔn)铰?lián)軸器、主軸、扭矩傳感器及刀盤(pán)等組成。試驗(yàn)過(guò)程中，扭矩、轉(zhuǎn)速、功率等信號(hào)通過(guò)XLN-500扭矩轉(zhuǎn)速功率測(cè)試儀獲得。由于XLN-500扭矩轉(zhuǎn)速功率測(cè)試儀只能在顯示窗口讀數(shù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不能保存，因此經(jīng)RS485轉(zhuǎn)換，利用485 to USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入PC機(jī)儲(chǔ)存器。M400數(shù)據(jù)采集管理軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)串行口采集儀表測(cè)量數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)。

圖1 木薯莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Cassava stalk cutting test bench

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案的確定

2.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)采用廣東省湛江市周邊農(nóng)村種植的華南205直桿木薯莖稈，莖稈取回后去葉、去毛根，試樣要求通直、無(wú)蟲(chóng)害。測(cè)得木薯莖稈濕基含水率為62.45%。對(duì)選定的試樣進(jìn)行逐一編號(hào)，對(duì)應(yīng)測(cè)量其切割高度處的直徑并記錄，并將其按照順序一字排開(kāi)插入自制的固定架上，確保木薯莖稈直立垂直于地面。木薯莖稈固定架的固定孔間距0.50m，總長(zhǎng)度6.00 m,可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整株距，最多可1次試驗(yàn)切割13根木薯莖稈。試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)過(guò)程Fig.2 Test procedure

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定測(cè)定方法

功耗是設(shè)計(jì)切割器的前提之一，對(duì)切割試驗(yàn)過(guò)程中的功耗消耗進(jìn)行測(cè)量，可以有效地評(píng)價(jià)和確定切割器性能。試驗(yàn)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)，通過(guò)調(diào)速電機(jī)調(diào)整刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，使用數(shù)據(jù)采集器采集扭矩?cái)?shù)據(jù)，采樣頻率2 000Hz，使用SAS進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

(1)

最大功率和平均功率計(jì)算公式為

(2)

(3)

2.3 因子水平的設(shè)計(jì)

木薯莖稈切割過(guò)程中，機(jī)器前進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀片數(shù)量、刀片傾角、刀片刃角、切割角及木薯莖稈含水率等都可能對(duì)切割效果具有影響。根據(jù)試驗(yàn)條件，將機(jī)器前進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀片傾角、刀片刃角及切割角作為試驗(yàn)因素。刀片數(shù)量屬于離散變量，為研究刀片數(shù)量對(duì)切割性能的影響，對(duì)應(yīng)每個(gè)刀片數(shù)量因素進(jìn)行1次試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行方差分析來(lái)確定刀片數(shù)量的影響。

2.3.1 機(jī)器前進(jìn)速度及刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的確定

刀盤(pán)轉(zhuǎn)速是影響切割效果的重要因素之一。理想狀態(tài)下，單圓盤(pán)式木薯切割器工作時(shí)，其上的刀片隨刀盤(pán)一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并與切割器整體作水平前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，兩者共同組合運(yùn)動(dòng)。刀片上的某一點(diǎn)相對(duì)于地面的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條余擺線，并同時(shí)滿足以下條件[11]。

圓盤(pán)式木薯莖稈切割器不漏割條件為

(4)

避免刀盤(pán)與木薯莖稈相撞條件為

(5)

避免重割條件為

(6)

式中φ—刀盤(pán)傾斜角(rad)；

β—刀片間隔角(rad)；

D—木薯莖稈直徑(m)。

2.3.2 刀片切割角的確定

由于木薯莖稈纖維為軸向分布，切割器刀片在切割莖稈時(shí)需破壞其纖維束，刀片刀刃與莖稈成垂直或者一定角度。有關(guān)文獻(xiàn)表明：切割植物莖稈較硬時(shí)，切割器在高速運(yùn)動(dòng)下，刀片切割莖稈受到的載荷較大，從安全角度考慮及防止工作過(guò)程中發(fā)生卷刃、斷刃等情況，刀片的厚度一般不少于3mm，其它尺寸參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》設(shè)計(jì)。

本試驗(yàn)考察刀片數(shù)量、切割角及刃角對(duì)切割功耗的影響，刀片設(shè)5個(gè)水平的刃角和5個(gè)水平的切割角。5個(gè)刃角水平可由加工5種不同刃角刀片滿足，5個(gè)切割角水平可由刀片與刀盤(pán)之間不同角度的安裝孔來(lái)實(shí)現(xiàn)。刀盤(pán)上的安裝孔角度由切割角的5個(gè)水平?jīng)Q定。

刀盤(pán)直徑500mm，按試驗(yàn)方案加工2個(gè)，分別安裝3～6把刀及2～4～8把刀。刀片工作長(zhǎng)度80mm,每把刀片用2個(gè)螺栓固定在到盤(pán)上。材料T10，表面粗糙度為3.2，淬火處理。考慮到木薯莖稈強(qiáng)度較大[12]及防止切割器工作時(shí)刀片發(fā)生卷刃、斷刃等情況，刀片厚度設(shè)計(jì)為5mm，可滿足試驗(yàn)要求。

2.4 總體試驗(yàn)方案

研究木薯莖稈切割試驗(yàn)時(shí)，刀片數(shù)量、刀片刃角、切割角、刀盤(pán)傾角、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)木薯莖稈切割功耗的影響[13-16]。對(duì)每一種試驗(yàn)刀片數(shù)量下均設(shè)計(jì)五因素五水平響應(yīng)面試驗(yàn)方案。試驗(yàn)因素的因素水平編碼表如表1所示。

表1 木薯莖稈因素水平編碼表Table 1 Encoding factor level

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 刀片刃角對(duì)木薯莖稈切割阻力的影響

分別在刀盤(pán)傾角取2.5°和4.8°、機(jī)器前進(jìn)速度取0.80m/s和0.90m/s、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為500r/min和550r/min、切割角取20°和30°的情況下，對(duì)刀片刃角分別取10°、15°、20°、25°、30°等5個(gè)水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：在機(jī)器前進(jìn)速度、刀盤(pán)傾角一定時(shí)，隨著刀片刃角的增加，切割阻力在增加；而當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速、切割角一定時(shí)，切割力隨著刀片刃角的增大呈先增后降的趨勢(shì)。

圖3 刀片刃角與切割力關(guān)系圖Fig.3 Relationship of blade edge angle and cutting force

3.2 刀盤(pán)傾角對(duì)木薯莖稈切割阻力的影響

分別在刀片刃角取10°和20°、機(jī)器前進(jìn)速度取0.80m/s和0.90m/s、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為500r/min和550r/min、切割角取20°和30°的情況下，對(duì)刀盤(pán)傾角分別取2°、3°、4°、5°、6°等5個(gè)水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 刀盤(pán)傾角與切割力關(guān)系圖Fig.4 Relationship between cutting force and angle of cutter head

圖4可以看出：在刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、切割角、機(jī)器前進(jìn)速度、刀片刃角一定時(shí)，隨著刀盤(pán)傾角的增加，切割阻力在呈線性減小。其原因是斜切可以減小最大切割力。

3.3 切割角對(duì)木薯莖稈切割阻力的影響

分別在刀盤(pán)傾角取2.5°和4.5°、機(jī)器前進(jìn)速度取0.80m/s和0.90m/s、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為500r/min和550r/min、刀片刃角取20°和30°的情況下，對(duì)切割角分別取10°、15°、20°、25°、30°等5個(gè)水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出：在刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)傾角、機(jī)器前進(jìn)速度、刀片刃角一定時(shí)，隨著切割角的增加，切割阻力在增大。

圖5 切割角與切割力關(guān)系圖Fig.5 Relationship between cutting angle and cutting force

3.4 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)木薯莖稈切割功耗的影響

分別在刀盤(pán)傾角取5°和4.5°、機(jī)器前進(jìn)速度取0.80m/s和0.90m/s、刀片刃角為10°和15°、切割角取20°和30°的情況下，對(duì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速分別取450、480、510、540、570、600r/min等6個(gè)水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出：在切割角、刀盤(pán)傾角、機(jī)器前進(jìn)速度、刀片刃角一定時(shí)，隨著刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加，切割阻力在逐漸減小。

圖6 刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與切割力關(guān)系圖Fig.6 Relationship between speed and cutting force of cutter head

3.5 機(jī)器前進(jìn)速度對(duì)木薯莖稈切割功耗的影響

分別在刀盤(pán)傾角取2.5°和4.5°、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速500 r/min和550r/min、刀片刃角為10°和15°、切割角取20°和30°的情況下，對(duì)機(jī)器前進(jìn)速度分別取0.50、0.70、0.90、1.10、1.30、1.50m/s等6個(gè)水平，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 前進(jìn)速度與切割力關(guān)系圖Fig.7 Forward speed and cutting force diagram

由圖7可以看出：在切割角、刀盤(pán)傾角、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀片刃角一定時(shí)，隨著機(jī)器前進(jìn)速度的增加，切割阻力在逐漸線性增大。

3.6 切割力響應(yīng)面模型回歸結(jié)果分析

按照試驗(yàn)方案，對(duì)木薯莖稈切割數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后做SAS響應(yīng)面分析，結(jié)果如表2所示?；貧w分析表明：切割力響應(yīng)面模型的線性項(xiàng)效應(yīng)顯著，平方項(xiàng)和交叉項(xiàng)的效應(yīng)均不顯著；對(duì)其進(jìn)行擬合不足檢驗(yàn)不顯著，說(shuō)明模型擬合適當(dāng)；因素效應(yīng)檢驗(yàn)均不顯著，說(shuō)明在切割過(guò)程有關(guān)因素對(duì)其影響不大。分析其原因可能是由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致，在切割的瞬間主要表現(xiàn)為高速切割，切割參數(shù)對(duì)其影響不大?；貧w數(shù)學(xué)模型為

YLi=-331.208605+2.090856X1+2.172397X2+

2.958881X3+0.637438X4+264.68014X5+

0.030821X1X2+0.251099X1X3+0.003326X1X4-

2.522446X1X5-0.077771X2X3-0.004852X2X4+

0.481006X2X5-0.034103X3X4+9.76754X3X5-

表2 切割力響應(yīng)面響應(yīng)面模型回歸分項(xiàng)檢驗(yàn)Table 2 Cut the maximum shear stress response surface regression model with partial test

不同因素與切割力響應(yīng)曲面如圖8所示。

圖8 不同因素與切割力響應(yīng)面圖Fig.8 Response surface

4 結(jié)論

1) 在自行研發(fā)的圓盤(pán)式切割試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了木薯莖稈切割試驗(yàn)研究，對(duì)影響木薯莖稈切割的試驗(yàn)因素進(jìn)行了不同水平組合的單因素、多因素試驗(yàn)。

2)木薯莖稈莖稈切割過(guò)程中刀片數(shù)量對(duì)莖稈切割影響不大；最大切割力與刀片刃角、刀盤(pán)傾角、切割角、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及機(jī)器前進(jìn)速度相關(guān)；隨著刀片刃角、切割角、機(jī)器前進(jìn)速度的增大，最大切割力增大；隨著刀盤(pán)傾角、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增大，最大切割力呈減小趨勢(shì)。