甘蔗切根刀切割參數組合的優化分析

郭金兵，謝 峰，馬小斌，孫艷顏，狄明利

(1.中國農業機械化科學研究院，北京 100083；2.現代農裝科技股份有限公司，北京 100083)

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甘蔗切根刀切割參數組合的優化分析

郭金兵1，謝 峰1，馬小斌1，孫艷顏1，狄明利2

(1.中國農業機械化科學研究院，北京 100083；2.現代農裝科技股份有限公司，北京 100083)

摘要使用自行設計的實驗平臺和甘蔗切根刀，采用正交試驗方法，研究刀具滑切角、削切角、斜切角、切割速度和甘蔗直徑對切割力最大值和切割沖量的影響，并找出相對較優的參數組合。研究發現，對切割力最大值的影響大小排序依次為滑切角、甘蔗段直徑、削切角、斜切角、切割速度；對切割沖量的影響大小順序依次為切割速度、甘蔗段直徑、斜切角、滑切角、削切角。為了在保證切割質量的同時使得切割力最大值和切割沖量二者保持最小，需貼根切割且選擇因素的組合是：滑切角8°、削切角5°、斜切角8°及切割速度10 m/s。

關鍵詞甘蔗；切割參數；正交試驗；切割力曲線；切割質量

甘蔗是我國廣東、廣西、云南等地的重要經濟作物，但其機械化生產水平較低。目前甘蔗收獲時普遍使用收割機械，因此收割機械的刀具切割速度、切割方式等參數，直接影響著作物的切割質量和收獲機功耗等[1-2]。筆者將刀具滑切角、削切角、斜切角、切割速度和甘蔗直徑對切割力最大值和切割沖量大小的影響進行探索研究，旨在為機械收割機構的設計及生產作業提供依據和參考，在保證切割質量[3]的情況下盡可能地減小切割力最大值和切割沖量，以減小刀具磨損和機械能源消耗。

1實驗平臺簡介

該實驗所用平臺如圖1所示，平臺主要由動力及傳動系統、碳刷和滑環導電裝置、刀具夾持與力采集機構、角度調節機構及附屬的氣動元件、介質夾持與位置調節機構等幾部分組成。其中，動力與傳動系統由3 kW變頻調速三相異步電機、變頻器和梅花形彈性聯軸器組成；碳刷和滑環導電裝置的碳刷端與DC24V 350 W的開關電源連接；刀具夾持與力采集機構如圖2所示，采用杠桿原理進行力采集；角度調節用氣動元件，壓力為0.6 MPa；介質夾持采用滑軌機構，使用DC24V 170 W電磁鐵控制介質的上下運動，電磁鐵連接到滑環接線柱上。變頻電機帶動旋轉橫臂逆時針轉動，旋轉半徑為0.5 m，切割力F1由F2通過杠桿原理計算得到，該實驗平臺可用于安裝孔直徑大于12 mm的多種農作物切割刀，此次實驗使用甘蔗段作為介質。

圖1　刀具實驗平臺Fig.1　Test platform of cutting tools

圖2　刀具夾持與力采集機構Fig.2　Tool holder and force collection system

2正交試驗分析

為了研究滑切角、削切角、斜切角、切割速度和甘蔗段直徑5個因素對切割力最大值及切割沖量大小的影響，結合實時切割力曲線[4]，采用正交試驗法，選取 L16(45)正交試驗表，按照表1安排5因素4水平的試驗。每組試驗進行3次，試驗結果取3次平均值，切割沖量為切割力(g取10 m/s2)對切割時間的積分，試驗結果與分析見表2。

從表2切割力最大值極差分析中的R值可以看出，滑切角α的極差R較大，即滑切角對切割力最大值的影響最大，其次是甘蔗段直徑d，影響最不顯著的是切割速度v。在實際工作中切割力最大值越小，對刀具的沖擊磨損越小，因此，根據K值大小確定5個因素α、β、γ、v及d的最佳水平組合為α2β2γ3v2d2。

表1　正交試驗因素水平設計

表2　正交試驗結果分析

從表2切割沖量極差分析中的R值可以看出，切割速度v的極差R最大，即切割速度對切割沖量的影響最大，其次是甘蔗段直徑d，影響最不顯著的是削切角β。在實際工作中切割沖量越小，對機器的能耗越小，因此，根據K值大小確定5個因素α、β、γ、v及d的最佳水平組合為α2β1γ1v4d1。

為了同時保證切割力最大值和切割沖量最小，根據對表2中各因素水平的K值大小的再次比較，可得出因素的最佳水平組合為α2β1γ1v4d2，即滑切角8°、削切角5°、斜切角8°及切割速度10 m/s，甘蔗直徑在收獲生產中不可選擇。

在試驗中，除了對力采集曲線進行數值記錄外，還結合甘蔗切割斷面的質量形態對力采集曲線的形狀進行了分析。在試驗中為避免機械振動造成的刀片與旋轉橫臂碰撞損壞，自第6組(包含第6組)試驗之后將刀刃與甘蔗套筒上表面垂直距離調整為30 mm(圖3b)，稱之為“半腰切割”；未調整之前的5組試驗中刀刃與甘蔗套筒上表面的垂直距離為3 mm(圖3a)，可認為是“貼根切割”。

3切割斷面與對應切割力曲線的分析

在16組48次試驗中，甘蔗斷面的質量形態與力采集曲線的形狀之間的對應關系可大致分為4類。

第1類，甘蔗斷面劈裂對應的力采集曲線最大值出現在約占切割時間1/3的時刻(圖4)。試驗1、2、9、10、11、12及15的情況均屬于第1類所述關系。

第2類，甘蔗斷面劈裂對應的力采集曲線出現多個峰值且切割力最大值不是第1個峰值(圖5)，試驗6、8、14屬于此類關系。自第6組試驗開始，甘蔗段為半腰切割，根基不穩，徑向方向可輕微移動，切割后甘蔗切割斷面為斜面且整體呈明顯的傾斜狀態(圖5a)，圖5b所示的力采集曲線在出現最大值之前可大致分為A、B、C 3個階段，根據實際情況猜測A、B、C分別代表切割階段、推倒階段和繼續切割階段，由于第1個峰值小于最大值，因此，A階段中可能是推倒和切割同時進行。

第3類，甘蔗斷面整齊無劈裂或有輕微劈裂，其對應的力采集曲線較平滑且只有1個峰值(圖6)，峰值出現在約占總切割時間1/2的時刻。試驗3、4、5屬于斷面無劈裂情況，試驗13和16的斷面有輕微劈裂。

第4類，甘蔗斷面呈階梯狀(圖7a)，其對應的力采集系統出現等時間間隔(時間間隔大小為電機每轉一周所用的時間)的波峰(圖7b)，甘蔗斷面有8個梯級，對應的等時間間隔波峰也為8個，多次重復切割，每個波峰的微觀形態又有2個主峰(圖7c)。試驗7屬于此類關系。第1個波峰的微觀形狀，其形狀與圖5b所示的切割力曲線形狀較類似，也可認為在切割過程中有甘蔗段被推倒的情況。

圖3　切割示意Fig.3　Schematic diagram of cutting

圖4　試驗2切割斷面與力采集曲線Fig.4　The cutting section and force collection curve of test 2

圖5　試驗14切割斷面與力采集曲線Fig.5　The cutting section and force collection curve of test 14

由上述甘蔗斷面的質量形態與對應的力采集曲線的形狀可知，相對來說，切割速度越大，其切割斷面越整齊且切割力曲線越平滑，貼根切割時的斷面質量要優于半腰切割。因此，為保證甘蔗斷面的切割質量，建議在甘蔗收獲時提高切割速度并將刀片貼根切割。

4結論

該研究中5個因素對切割力最大值的影響大小順序依次為滑切角、甘蔗段直徑、削切角、斜切角、切割速度；對切割沖量的影響大小順序依次為切割速度、甘蔗段直徑、斜切角、滑切角、削切角。為了同時保證切割質量及切割力最大值和切割沖量最小，需貼根切割，在該試驗條件下最佳因素組合是：滑切角8°、削切角5°、斜切角8°及切割速度10 m/s。

圖6　試驗3切割斷面與力采集曲線Fig.6　The cutting section and force collection curve of test 3

圖7　試驗7切割斷面與力采集曲線Fig.7　The cutting section and force collection curve of test 7

參考文獻

[1] 王雪坤.切割角對玉米莖稈切割力影響的試驗研究[J].中國農資，2013(32)：122，123.

[2] ODURI M F，SAKAI J，GUPTA C P.Kinematics of revolving knife-type disk-type sugarcane basecutter.I. Fundamental mathematical relationships[J].Agricultural mechanization in Asia，Africa and Latin America，1992，23(4):9-15.

[3] 楊堅，陳國晶，梁北新，等.單圓盤甘蔗切割器切割破頭率影響因素的試驗[J].農業機械學報，2007，38(3)：69-74.

[4] 胡孟謙.甘蔗切割過程動態測試系統的設計與試驗[D].廣州：華南農業大學，2006.

Optimization of Sugarcane Blade Cutting Parameters in Orthogonal Test Method

GUO Jin-bing, XIE Feng, MA Xiao-bin et a

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083)

AbstractTest platform and sugarcane blade were self-designed. Orthogonal test was used to research the effects of sliding cutting angle, whittling angle, beveling angle, cutting speed and sugarcane diameter on the maximum cutting force and cutting impulse. Meanwhile, the optimal combination of cutting parameters was found out. The influencing order on cutting force was sliding cutting angle,sugarcane diameter,whittling angle,beveling angle,cutting speed; the influencing order on cutting impulse was cutting speed，sugarcane diameter,beveling angle,sliding cutting angle,whittling angle. In order to ensure the cutting quality and the least influences of cutting force and maximum cutting impulse, cutting should be carried out along the root and the combination should be 8° sliding cutting angle, 5° whittling angle, 8° beveling angle and 10 m/s cutting speed.

Key wordsSugarcane; Cutting parameters; Orthogonal test; Cutting force curve; Cutting quality

作者簡介郭金兵(1992- )，男，山東聊城人，碩士研究生，研究方向：機械設計及理論。

收稿日期2016-02-19

中圖分類號S 225.5+3

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)10-248-03