李斯琴高娃, 王春光, 杜海峰, 金額爾都木吐

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

秸稈是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中十分寶貴的資源，通過飼料化利用不僅可以有效改善生態(tài)環(huán)境，還可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益增長[1]。切碎是秸稈飼料最基礎(chǔ)的加工方式之一，鍘草機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、整機(jī)尺寸小、切割均勻等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在飼草料加工中[2]。而動刀是鍘草機(jī)的關(guān)鍵工作部件，其動刀形式直接影響整機(jī)工作性能，常用的動刀形式有直刃形、凹圓弧形和凸圓弧形等[3-4]。凸圓弧形動刀工作時阻力矩變化均勻，機(jī)器產(chǎn)生的噪音和振動較小，工作平穩(wěn)，但在開始和結(jié)束切割時會產(chǎn)生秸稈堆積現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)器功耗增大、生產(chǎn)率低。

目前，國內(nèi)外對鍘草機(jī)的研究主要集中在切割性能、拋送性能以及機(jī)器的振動和噪聲[5-9]，對切割性能的研究多集中在含水率、滑切角和動定刀間隙等試驗因素對鍘草機(jī)工作性能的影響[10-13]，關(guān)于刃傾角和喂入量對切割功耗和生產(chǎn)率影響的研究較少。鍘草機(jī)主要技術(shù)要求是生產(chǎn)率高、功率低、切割物料適用性等。根據(jù)前期研究得知，生產(chǎn)率和切割功率之間存在一定的相關(guān)性[14-16]。本文針對鍘草機(jī)功耗大、生產(chǎn)率低等問題，以9Z-4C型青貯鍘草機(jī)為樣機(jī)，選擇刃傾角、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量為試驗因素，以比功耗為評價指標(biāo)，研究上述因素對鍘草機(jī)工作性能的影響。通過單因素試驗和正交試驗研究，得出了各因素與試驗指標(biāo)之間的主次順序以及最佳工作參數(shù)組合，為鍘草機(jī)切割裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

以洛陽四達(dá)農(nóng)機(jī)有限公司研制的9Z-4C型青貯鍘草機(jī)為樣機(jī)，搭建了切割性能測試試驗臺，如圖1所示。Y132S-4型三相異步電動機(jī)作為配套動力，電機(jī)額定功率為5.5 kW，由VARISPEE-616G5型變頻器對主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。秸稈由喂入輥進(jìn)入切割腔時凸圓弧形動刀片受到秸稈切割阻力及摩擦阻力的作用，利用新宇航世紀(jì)科技公司的JN338-500AE型扭矩傳感器(轉(zhuǎn)矩量程500 N·m，精準(zhǔn)度0.2級)功率測試系統(tǒng)測取切割秸稈時所消耗的功率及主軸轉(zhuǎn)速。

1.2 切割性能指標(biāo)

1.2.1目標(biāo)函數(shù) 為獲得最佳切割性能，本文將比功耗最小作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

(1)

式中，η為比功耗，W·kg-1；P為切割功率，W；Q為鍘草機(jī)生產(chǎn)率，kg·h-1。Kc為喂入秸稈的充滿系數(shù)，取值范圍0.4～0.6；l為切割長度，mm；Zd為動刀數(shù)量，本研究Zd=4；nd為主軸轉(zhuǎn)速，r·min-1；γc為壓緊后的秸稈容重，kg·m-3；a、b為喂入口尺寸。P為切割能耗[17]，J；H為切割厚度，mm；F為切割阻力，N。

1.2.2刃傾角的確定 切割平面與動刀片法向夾角為刀刃傾角Φ(圖2)。切割時秸稈層體積被壓縮，在完成切割后秸稈段回彈或膨脹，而未被切割的秸稈層向后堆積使功耗增大，當(dāng)Φ角減小時回彈阻力增大，出現(xiàn)沖壓特性，轉(zhuǎn)子減速，也將使功耗增大[18]。

注：α—動刀安裝角；τ—磨刃角；R—回轉(zhuǎn)半徑；θ—回轉(zhuǎn)角；h—喂入口秸稈層厚度。

為防止秸稈層在喂入過程中與動刀片前平面，動刀安裝角α應(yīng)滿足以下條件。

(2)

式中,k為刀架上安裝的動刀片數(shù)；lmax為應(yīng)用的秸稈切割最大理論長度，mm；Rmin為動刀刃最小回轉(zhuǎn)半徑，mm。

動刀片對秸稈層切割速度公式如下。

(3)

式中，υz為刀刃線速度，m·s-1；υx為喂入速度，m·s-1。υ的大小和方向隨回轉(zhuǎn)角θ變化。

為避免堆積秸稈，令α=π/2，由△GOG’可得式(4)。

(4)

9Z-4C型鍘草機(jī)，k為4，l=17、21 mm，R=167、169 mm，h=23、13.5 mm，代入式(2)和(4)得：α=3.7°，H=29.7 mm。

由于Φ=90°-(α+τ)，Φ≤90°-(3.7°+23°)=63.3°。

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1供試材料 供試材料為呼和浩特市和林格爾縣田間玉米秸稈，品種為先玉1224，選取的秸稈平均直徑為27～30 mm，平均含水率在30%～40%，平均株高1 800～2 000 mm。于2019年11月在呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)牧機(jī)實驗室進(jìn)行切割性能試驗。

1.3.2測試系統(tǒng)的設(shè)計 以Y132S-4型三相異步電動機(jī)為配套動力，通過VARISPEE-616G5型變頻器改變主軸轉(zhuǎn)速，采用JN338-500AE型扭矩傳感器實時測試切割裝置的功耗，再配套使用數(shù)據(jù)采集軟件采集并保存輸出數(shù)據(jù)。

1.4 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

1.4.1單因素試驗 通過單因素試驗(表1)驗證鍘草機(jī)切割裝置刃傾角、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對比功耗的影響，并獲得各個參數(shù)對切割裝置切割性能評價指標(biāo)比功耗的參數(shù)取值范圍。

表1 試驗因素及水平

1.4.2響應(yīng)面分析 基于單因素試驗得出各因素最佳取值范圍，采用主軸轉(zhuǎn)速、喂入量和刃傾角為自變量，以比功耗(X)為響應(yīng)值，進(jìn)行Box-Behnken試驗，利用Design-Expery8.0.6軟件進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到比功耗對3個自變量的回歸模型，再利用響應(yīng)曲面法分析各個因素對比功耗的影響。參照一般切割裝置的設(shè)計與理論分析[19]，刃傾角范圍選定在60°～70°。

2 結(jié)果與分析

2.1 各因素對比功耗的影響

從圖3可以看出，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在600～650 r·min-1時比功耗較低，切割性能較好，秸稈喂入量為1.5 kg·s-1，刃傾角為65°時比功耗隨著主軸轉(zhuǎn)速增大先減小再增大；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為650 r·min-1，刃傾角為65°時隨著喂入量增加比功耗增大，當(dāng)喂入量為2.1 kg·s-1時機(jī)器堵塞導(dǎo)致切割性能較差、效率低；當(dāng)喂入量為1.5 kg·s-1，主軸速為650 r·min-1時比功耗隨著刃傾角的加大而增大，當(dāng)刃傾角60°～70°時滑切角隨之增大切割阻力減小，切割性能較好，刃傾角大于70°時產(chǎn)生堆擠增加切割阻力使比功耗增大。

圖3 各因素對比功耗的影響

2.2 回歸模型的建立及方差分析

2.2.1試驗數(shù)據(jù)優(yōu)化及分析 基于3因素3水平Box-Behnken試驗對參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表3所示。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為650 r·min-1、喂入量為0.9 kg·s-1、刃傾角為70°時，切割性能指標(biāo)比功耗最大，此時比值為15.63 W·kg-1，切割性能較差；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為650 r·min-1、喂入量為1.2 kg·s-1、刃傾角為65°時，切割性能指標(biāo)比功耗最小，此時響應(yīng)值為8.16 W·kg-1，切割性能最好。

表3 Box-Behnken試驗設(shè)計及結(jié)果

2.2.2回歸模型方差分析 基于表3數(shù)據(jù)，利用Design-Expery8.0.6軟件進(jìn)行二次多元回歸擬合處理，得到比功耗對3個自變量的回歸模型，如公式(5)所示。

X=8.55+0.9A-0.59B+0.27C-0.57AB-0.64AC+0.19BC+3.63A2+1.52B2+0.43C2

(5)

回歸模型方差分析結(jié)果如表4所示，目標(biāo)函數(shù)模型的P<0.01，說明該模型極顯著；失擬項P>0.05，失擬不顯著，說明該模型擬合的二次多元回歸方程與實際相符合，反映出比功耗X與A、B和C之間的關(guān)系。模型的一次項A(主軸轉(zhuǎn)速)和B(喂入量)影響極顯著，而C(刃傾角)影響不顯著；交互項AB和AC影響極顯著，二次項A2和B2影響顯著，其余影響均不顯著，所以只對交互項AB和AC分析。根據(jù)以上分析，得到各因素對比功耗的影響主次順序為：主軸轉(zhuǎn)速、喂入量、刃傾角。

表4 回歸方程方差分析

2.3 響應(yīng)面試驗結(jié)果

根據(jù)公式(5)得到主軸轉(zhuǎn)速、喂入量和刃傾角等因素相互作用對比功耗的響應(yīng)曲面和等高線圖，如圖4和5所示。響應(yīng)面背景曲線表示等高線，等高線越密集對應(yīng)的曲面越陡，說明該因素對響應(yīng)值影響越大[20]。

2.3.1主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對比功耗的影響 將刃傾角固定在0水平，主軸轉(zhuǎn)速和喂入量交互作用對比功耗的影響如圖4所示。主軸轉(zhuǎn)速等高線密度明顯高于喂入量，說明主軸轉(zhuǎn)速對比功耗的影響較喂入量更為顯著。喂入量為0.9～1.2 kg·s-1時比功耗隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而減小，喂入量為1.2～1.5 kg·s-1時比功耗隨著主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，這是因為功耗與轉(zhuǎn)速成正比，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，在離心力的作用下增加了秸稈的流動性，減少了相互間的摩擦力，使扭矩增大，比功耗隨之增大。比功耗隨著喂入量的增大而緩慢增加，這是因為喂入量較小時秸稈能被一次性切斷拋出，功耗低，當(dāng)喂入量較大時秸稈無法一次性拋出，在切割腔內(nèi)相互碰撞使秸稈與秸稈之間的容積密度減小，產(chǎn)生摩擦力導(dǎo)致功耗增大。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對比功耗的響應(yīng)

2.3.2主軸轉(zhuǎn)速和刃傾角對比功耗的影響 將喂入量固定在0水平，刃傾角和主軸轉(zhuǎn)速交互作用對比功耗的影響如下。如圖5可知，主軸轉(zhuǎn)速等高線密度高于刃傾角，說明主軸轉(zhuǎn)速對比功耗的影響較刃傾角更為顯著。如圖比功耗隨著刃傾角的增大先減小后增大，原因是切割時切割功耗主要由切割力和刀刃與秸稈摩擦阻力產(chǎn)生[21]，當(dāng)刃傾角在60°～66°時切割力為切割功耗主要影響因素，隨著刃傾角增大切入秸稈時切割力減小，功耗隨之減??；當(dāng)刃傾角持續(xù)增大時摩擦阻力為切割功耗主要影響因素，消耗在刀刃與秸稈間的摩擦力增大后使切割功耗隨之增大。

圖5 主軸轉(zhuǎn)速和刃傾角對比功耗的響應(yīng)

綜上所述，響應(yīng)曲面法分析與單因素試驗結(jié)果和公式(5)回歸模型方差分析結(jié)論基本一致。

2.4 參數(shù)優(yōu)化及驗證

為獲取最佳切割性能工作參數(shù)，利用RSM分析軟件中的Optimization功能對回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解。得到最優(yōu)參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速642 r·min-1，喂入量1.3 kg·s-1，刃傾角63°，該條件下比功耗為8.37 W·kg-1，優(yōu)化可取度為0.972。將獲取的參數(shù)與優(yōu)化前參數(shù)進(jìn)行比對(表5)可知，對鍘草機(jī)切割裝置進(jìn)行優(yōu)化后比功耗降低了14%，即切割性能提高了14%。

表5 優(yōu)化前后試驗驗證

3 討論

目前，盤刀式鍘切裝置的凸圓弧形動刀片因初始切割時滑切角較大，切割阻力減少，使切割阻力變化均勻，機(jī)器工作平穩(wěn)被廣泛使用。但在開始和結(jié)束工作時堆積角增大，會產(chǎn)生側(cè)推物料現(xiàn)象,龐聲海[22]利用數(shù)學(xué)解析法設(shè)計改進(jìn)刀片曲線，獲得了合宜的滑切角和堆積角，降低了切割功耗。在以往的研究中，針對優(yōu)化設(shè)計建立了切割裝置切割功耗的回歸數(shù)學(xué)模型，利用斜切、歪切和喂入口設(shè)雙定刀的方法提高切割質(zhì)量，并分析切割速度、含水率、滑切角、切割間隙和喂入量等主要因素對切割性能的影響，獲得了最佳設(shè)計參數(shù)選擇范圍，對圓弧形切割裝置的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了依據(jù)[23-24]。本文通過對刀刃切割過程的受力分析，確定切割刀刃傾角為切割阻力的主要影響因素，將評價指標(biāo)生產(chǎn)率和切割功耗整合為比功耗，對工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上，以玉米秸稈為試驗物料，以刃傾角、喂入量及主軸轉(zhuǎn)速作為試驗因素進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明，理論分析與試驗結(jié)果相吻合，為凸圓弧形刀片切割裝置的改進(jìn)設(shè)計提供依據(jù)。