基于圓盤式切割器的木薯莖稈切割試驗研究

薛 忠，張留峰，宋 剛，王名煒，韓亞峰，王 剛

(中國熱帶農業科學院 農業機械研究所，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。在我國南亞熱帶地區，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主要的副產品，約占木薯產量的50%。按照2016年全國木薯產量763.42萬t推算，2016年全國木薯莖稈的年生物量約381.71萬t，其中只有10%～15%用來留種儲藏，其余大多丟棄在田間地頭后自然腐爛，既造成生物質資源浪費，又容易引起環境污染，甚至引起火災。目前，相關科研人員在木薯莖稈粉碎還田、直接氣化、水解糖化、堆漚有機肥及食用菌基質化等方面已開展研究[1-9]。

木薯莖稈機械化收獲作為實現木薯生產全程機械化一個重要環節，也是制約木薯產業發展的一個瓶頸。木薯莖稈切割器是木薯莖稈收獲機械的關鍵部件。因此，研究基于木薯莖稈力學特性的圓盤式切割機理對促進木薯機械化收獲乃至木薯莖稈綜合利用具有重要的作用[10]。

本文采用試驗與數值分析相結合的方法，利用圓盤式切割器研究木薯莖稈的不同參數組合對其切斷的影響，從而優化切割器參數組合，揭示其切割機理。該研究可有效解決在木薯莖稈機械化切割過程中機械切割效率及能耗的問題，滿足木薯莖稈機械化切割的技術要求，為木薯收獲機械的設計及木薯機械化收獲在我國熱帶地區的推廣應用提供技術支持。

1 試驗臺整體結構及工作原理

試驗臺主要由臺車、行走電機、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無級調速，立式切割粉碎轉速0～1 200r/min無級調速，如圖1所示。

試驗臺立式切割裝置由機架、滑板、連接板、直線導軌、升降絲杠、弧形滑槽、變頻驅動電機、鏈式聯軸器、主軸、扭矩傳感器及刀盤等組成。試驗過程中，扭矩、轉速、功率等信號通過XLN-500扭矩轉速功率測試儀獲得。由于XLN-500扭矩轉速功率測試儀只能在顯示窗口讀數，實時數據不能保存，因此經RS485轉換，利用485 to USB數據轉換器將數據轉存入PC機儲存器。M400數據采集管理軟件通過計算機串行口采集儀表測量數據并實時顯示、存儲。

圖1 木薯莖稈切割試驗臺Fig.1 Cassava stalk cutting test bench

2 試驗設計方案的確定

2.1 試驗材料與方法

試驗采用廣東省湛江市周邊農村種植的華南205直桿木薯莖稈，莖稈取回后去葉、去毛根，試樣要求通直、無蟲害。測得木薯莖稈濕基含水率為62.45%。對選定的試樣進行逐一編號，對應測量其切割高度處的直徑并記錄，并將其按照順序一字排開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，總長度6.00 m,可根據實際需要調整株距，最多可1次試驗切割13根木薯莖稈。試驗過程如圖2所示。

圖2 試驗過程Fig.2 Test procedure

2.2 評價指標的確定測定方法

功耗是設計切割器的前提之一，對切割試驗過程中的功耗消耗進行測量，可以有效地評價和確定切割器性能。試驗通過電機驅動刀盤，通過調速電機調整刀盤轉速，使用數據采集器采集扭矩數據，采樣頻率2 000Hz，使用SAS進行數據處理。

(1)

最大功率和平均功率計算公式為

(2)

(3)

2.3 因子水平的設計

木薯莖稈切割過程中，機器前進速度、刀盤轉速、刀片數量、刀片傾角、刀片刃角、切割角及木薯莖稈含水率等都可能對切割效果具有影響。根據試驗條件，將機器前進速度、刀盤轉速、刀片傾角、刀片刃角及切割角作為試驗因素。刀片數量屬于離散變量，為研究刀片數量對切割性能的影響，對應每個刀片數量因素進行1次試驗，并對其進行方差分析來確定刀片數量的影響。

2.3.1 機器前進速度及刀盤轉速的確定

刀盤轉速是影響切割效果的重要因素之一。理想狀態下，單圓盤式木薯切割器工作時，其上的刀片隨刀盤一起做旋轉運動，并與切割器整體作水平前進運動，兩者共同組合運動。刀片上的某一點相對于地面的運動軌跡為一條余擺線，并同時滿足以下條件[11]。

圓盤式木薯莖稈切割器不漏割條件為

(4)

避免刀盤與木薯莖稈相撞條件為

(5)

避免重割條件為

(6)

式中φ—刀盤傾斜角(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。有關文獻表明：切割植物莖稈較硬時，切割器在高速運動下，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程中發生卷刃、斷刃等情況，刀片的厚度一般不少于3mm，其它尺寸參照《農業機械設計手冊》設計。

本試驗考察刀片數量、切割角及刃角對切割功耗的影響，刀片設5個水平的刃角和5個水平的切割角。5個刃角水平可由加工5種不同刃角刀片滿足，5個切割角水平可由刀片與刀盤之間不同角度的安裝孔來實現。刀盤上的安裝孔角度由切割角的5個水平決定。

刀盤直徑500mm，按試驗方案加工2個，分別安裝3～6把刀及2～4～8把刀。刀片工作長度80mm,每把刀片用2個螺栓固定在到盤上。材料T10，表面粗糙度為3.2，淬火處理。考慮到木薯莖稈強度較大[12]及防止切割器工作時刀片發生卷刃、斷刃等情況，刀片厚度設計為5mm，可滿足試驗要求。

2.4 總體試驗方案

研究木薯莖稈切割試驗時，刀片數量、刀片刃角、切割角、刀盤傾角、刀盤轉速及機器前進速度對木薯莖稈切割功耗的影響[13-16]。對每一種試驗刀片數量下均設計五因素五水平響應面試驗方案。試驗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 試驗結果與分析

3.1 刀片刃角對木薯莖稈切割阻力的影響

分別在刀盤傾角取2.5°和4.8°、機器前進速度取0.80m/s和0.90m/s、刀盤轉速為500r/min和550r/min、切割角取20°和30°的情況下，對刀片刃角分別取10°、15°、20°、25°、30°等5個水平，進行單因素試驗，結果如圖3所示。由圖3可以看出：在機器前進速度、刀盤傾角一定時，隨著刀片刃角的增加，切割阻力在增加；而當刀盤轉速、切割角一定時，切割力隨著刀片刃角的增大呈先增后降的趨勢。

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

3.2 刀盤傾角對木薯莖稈切割阻力的影響

分別在刀片刃角取10°和20°、機器前進速度取0.80m/s和0.90m/s、刀盤轉速為500r/min和550r/min、切割角取20°和30°的情況下，對刀盤傾角分別取2°、3°、4°、5°、6°等5個水平，進行單因素試驗，結果如圖4所示。

圖4 刀盤傾角與切割力關系圖Fig.4 Relationship between cutting force and angle of cutter head

圖4可以看出：在刀盤轉速、切割角、機器前進速度、刀片刃角一定時，隨著刀盤傾角的增加，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 切割角對木薯莖稈切割阻力的影響

分別在刀盤傾角取2.5°和4.5°、機器前進速度取0.80m/s和0.90m/s、刀盤轉速為500r/min和550r/min、刀片刃角取20°和30°的情況下，對切割角分別取10°、15°、20°、25°、30°等5個水平，進行單因素試驗，結果如圖5所示。由圖5可以看出：在刀盤轉速、刀盤傾角、機器前進速度、刀片刃角一定時，隨著切割角的增加，切割阻力在增大。

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

3.4 刀盤轉速對木薯莖稈切割功耗的影響

分別在刀盤傾角取5°和4.5°、機器前進速度取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，對刀盤轉速分別取450、480、510、540、570、600r/min等6個水平，進行單因素試驗，結果如圖6所示。由圖6可以看出：在切割角、刀盤傾角、機器前進速度、刀片刃角一定時，隨著刀盤轉速的增加，切割阻力在逐漸減小。

圖6 刀盤轉速與切割力關系圖Fig.6 Relationship between speed and cutting force of cutter head

3.5 機器前進速度對木薯莖稈切割功耗的影響

分別在刀盤傾角取2.5°和4.5°、刀盤轉速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，對機器前進速度分別取0.50、0.70、0.90、1.10、1.30、1.50m/s等6個水平，進行單因素試驗，結果如圖7所示。

圖7 前進速度與切割力關系圖Fig.7 Forward speed and cutting force diagram

由圖7可以看出：在切割角、刀盤傾角、刀盤轉速、刀片刃角一定時，隨著機器前進速度的增加，切割阻力在逐漸線性增大。

3.6 切割力響應面模型回歸結果分析

按照試驗方案，對木薯莖稈切割數據進行整理后做SAS響應面分析，結果如表2所示。回歸分析表明：切割力響應面模型的線性項效應顯著，平方項和交叉項的效應均不顯著；對其進行擬合不足檢驗不顯著，說明模型擬合適當；因素效應檢驗均不顯著，說明在切割過程有關因素對其影響不大。分析其原因可能是由于其獨特的結構所導致，在切割的瞬間主要表現為高速切割，切割參數對其影響不大。回歸數學模型為

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 切割力響應面響應面模型回歸分項檢驗Table 2 Cut the maximum shear stress response surface regression model with partial test

不同因素與切割力響應曲面如圖8所示。

圖8 不同因素與切割力響應面圖Fig.8 Response surface

4 結論

1) 在自行研發的圓盤式切割試驗臺上進行了木薯莖稈切割試驗研究，對影響木薯莖稈切割的試驗因素進行了不同水平組合的單因素、多因素試驗。

2)木薯莖稈莖稈切割過程中刀片數量對莖稈切割影響不大；最大切割力與刀片刃角、刀盤傾角、切割角、刀盤轉速及機器前進速度相關；隨著刀片刃角、切割角、機器前進速度的增大，最大切割力增大；隨著刀盤傾角、刀盤轉速的增大，最大切割力呈減小趨勢。