李曉軍,孫 偉,張 濤,王虎存,張旦主

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

近年來(lái)馬鈴薯作為重要的糧菜兼用作物，在我國(guó)的種植面積逐年增加，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯種植和收獲全程機(jī)械化越來(lái)越受到重視[1]。馬鈴薯收獲前的機(jī)械化殺秧作業(yè)能有效促進(jìn)薯皮老化，降低收獲過(guò)程中升運(yùn)鏈分離器對(duì)塊莖的機(jī)械損傷，提升收獲質(zhì)量；同時(shí)，殺秧作業(yè)能防止莖秧纏繞收獲機(jī)分離器，提高薯秧分離效率，減小機(jī)具前進(jìn)阻力，降低殺秧機(jī)故障率；此外，采用機(jī)械化殺秧還可以避免因使用化學(xué)殺秧劑造成的環(huán)境污染[2]。殺秧刀片是殺秧機(jī)的核心工作部件，對(duì)整機(jī)性能和殺秧效果有顯著影響。目前應(yīng)用于馬鈴薯殺秧機(jī)上的刀片大多是鉸接在刀軸上的錘片式甩刀，機(jī)具工作時(shí)利用高速旋轉(zhuǎn)錘片的離心力將馬鈴薯莖秧砍斷、切碎的方式進(jìn)行殺秧[3]。錘片式馬鈴薯殺秧機(jī)田間作業(yè)時(shí)主要存在粉碎長(zhǎng)度合格率低、留茬高度不均勻、帶薯率和漏打率高等缺點(diǎn)[4-5]。呂金慶等[2]以殺秧機(jī)打碎長(zhǎng)度合格率和帶薯率等為試驗(yàn)指標(biāo)，研究了甩刀排列方式對(duì)馬鈴薯殺秧機(jī)工作性能的影響；馮斌等[1]以馬鈴薯殺秧機(jī)功耗和漏打率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了正交試驗(yàn)，得出甩刀轉(zhuǎn)速、刀片類(lèi)型和機(jī)具前進(jìn)速度的最佳參數(shù)；杜宏偉等[4]針對(duì)當(dāng)前殺秧機(jī)存在粉碎率低、傷薯率高等問(wèn)題研制了仿壟型馬鈴薯殺秧機(jī)；單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：鋸齒形刀的切割力比光刀的切割力要小;切割方式以滑切最省力[6]。 從上述文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)馬鈴薯莖秧切割及粉碎力學(xué)特性，設(shè)計(jì)殺秧機(jī)切割及粉碎刀片的相關(guān)研究尚不多見(jiàn)。

近年來(lái)針對(duì)農(nóng)作物秸稈切割力學(xué)特性及切割刀片進(jìn)行了大量研究。在玉米秸稈切割粉碎力學(xué)試驗(yàn)中，研究了直徑、切割方式、刀片刀端線速度對(duì)切割力和切割功耗的影響，設(shè)計(jì)出動(dòng)定刀支撐滑切式秸稈粉碎裝置[7-8]；在苧麻切割試驗(yàn)中，采用往復(fù)式雙動(dòng)刀切割器，切割速度為1.092 m·s-1時(shí)，單位長(zhǎng)度割幅切割功率為318.814W[9]；在麥秸稈切割試驗(yàn)中，定刀形式對(duì)麥秸稈的切斷速度影響特別顯著，雙定刀在較小刀片間隙時(shí)，切斷速度較低；麥秸稈根部切斷速度比中部和頂部低[10]；在超級(jí)稻單莖稈切割力學(xué)性能試驗(yàn)中，切割力隨切割部位不同發(fā)生變化，切割部位越高切割力越小；莖稈截面積增大時(shí)峰值切割力和切割功耗呈線性增加趨勢(shì)，切割速度越大切割力和切割功耗逐漸減小[11]。

從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)作物秸稈的切割及粉碎試驗(yàn)研究主要集中在玉米、稻麥、油菜等農(nóng)作物秸稈上，對(duì)馬鈴薯莖秧的切割及粉碎研究結(jié)果偏少；此外，傳統(tǒng)的馬鈴薯殺秧機(jī)切割刀片多數(shù)采用錘片式甩刀，殺秧過(guò)程中存在殺秧阻力大、殺秧效果差、功耗高等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了馬鈴薯順利收獲，亟需開(kāi)展馬鈴薯殺秧機(jī)新型切割及粉碎刀片的研制。

針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合目前中國(guó)馬鈴薯殺秧機(jī)的研究現(xiàn)狀，依據(jù)馬鈴薯生長(zhǎng)特性及馬鈴薯莖秧的切割力學(xué)特性，以最大切割強(qiáng)度為指標(biāo)，研究了鋸齒刀在不同切割方式、切割速度和切割高度下對(duì)切割強(qiáng)度的影響，優(yōu)化出一種新型馬鈴薯殺秧機(jī)刀片，旨在提高殺秧效果和作業(yè)效率。

1 材料與方法

1.1 材料的采集

試驗(yàn)材料采用隴中黃土高原旱農(nóng)區(qū)蘭州市西固區(qū)西柳溝街道柴家臺(tái)試驗(yàn)田種植的青薯9號(hào)馬鈴薯，于2017年9月15日采集。采集時(shí)馬鈴薯處于成熟期，選取80株生長(zhǎng)良好、莖秧粗壯、沒(méi)有病蟲(chóng)害損傷和缺陷的地表以上莖秧作為試驗(yàn)樣本，將莖秧沿土壤慢慢取出，保持根系完整，取同一株莖秧上(距根部10～15 cm)、中(距根部5～10 cm)、下(距根部3～5 cm)三部分作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)莖秧各部分參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及刀具

試驗(yàn)在深圳SANS公司制造的CMT2502型微機(jī)控制電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)機(jī)能完成金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮、剪切、彎曲試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力范圍為1～500 N，加載速度可在1～500 mm·min-1范圍內(nèi)任意選取。試驗(yàn)前預(yù)先設(shè)定切割速度，切割力由力傳感器測(cè)定，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)曲線進(jìn)行記錄，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并分析試驗(yàn)結(jié)果[12]。切割刀片采用鋸齒形刀，刀片厚度2 mm，材料為65Mn鋼，如圖2所示。

表1 馬鈴薯莖秧基本參數(shù)

1.直線導(dǎo)軌;2.測(cè)力傳感器;3.刀具夾具;4.切割刀片 5.夾具;6.急停按鈕;7.控制按鈕;8.底座1. Linear guide;2. Force sensor;3. Tool jig;4. Cutting blade; 5. Jig;6. Scram button;7. Control button;8. Base圖1 CMT2502型力學(xué)試驗(yàn)機(jī)Fig.1 CMT2502 mechanics testing machine

正切和滑切試驗(yàn)中，先松開(kāi)刀片夾緊裝置螺釘，調(diào)整切割刀片裝夾角度到所需角度后擰緊螺釘，一般取滑切角為20°～55°[13-14]。本次試驗(yàn)中取滑切角為30°，切割過(guò)程中始終保持刀片所在平面與莖秧軸線所在平面(水平面)垂直?；袝r(shí)，改變莖秧軸線在水平面內(nèi)的角度，使之與刀具平面之間的夾角處于0°～90°，可實(shí)現(xiàn)斜切，切割過(guò)程中刀片刃口與馬鈴薯莖秧軸線傾斜，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)結(jié)果分析，取斜切角為45°[15]。

1.3 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 試驗(yàn)方法 每次試驗(yàn)所取馬鈴薯莖秧形狀和粗細(xì)基本一致，用游標(biāo)卡尺多次測(cè)量取其最大和最小外徑平均值作為試驗(yàn)材料直徑，預(yù)先設(shè)置好3種不同的加載速度(見(jiàn)表2)。試驗(yàn)時(shí)，將馬鈴薯莖秧一端用橡膠軟管包裹夾持于試驗(yàn)臺(tái)夾具上，另一端采用光滑球面支撐形成光滑面約束，兩支撐之間的距離為8～15 mm，然后將切割刀具快速向下移動(dòng)到測(cè)試對(duì)象的上方附近位置，再通過(guò)程序選擇相應(yīng)的切割速度進(jìn)行切割試驗(yàn)。切割完成后快速上移切割刀具到適當(dāng)位置，為下次切割做好準(zhǔn)備。每次試驗(yàn)均采用新鮮的馬鈴薯莖秧試樣。

本研究對(duì)馬鈴薯莖秧切割強(qiáng)度的測(cè)定采用剪切強(qiáng)度理論，其計(jì)算方程為

(1)

圖2 切割刀片示意圖Fig.2 Diagram of cutting blade

式中,P為切割強(qiáng)度(MPa)；Fmax為力傳感器記錄的切割力最大值(N)；S為馬鈴薯莖秧切割位置橫截面面積(mm2)，通過(guò)計(jì)算可以得到切割強(qiáng)度。

1.3.2 多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì) 綜合馬鈴薯殺秧機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，影響其作業(yè)效果的因素主要有切割方式(橫斷切、正滑切、斜滑切)、切割速度(350～450 mm·min-1)、切割高度(50、100、150 mm)。因此根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，以切割方式(X1)、切割速度(X2)、切割高度(X3)作為試驗(yàn)因素，以切割強(qiáng)度(Y)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用三因素三水平試驗(yàn)。各試驗(yàn)因素水平編碼如表2所示。

共實(shí)施17組響應(yīng)面分析試驗(yàn)(表3)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值。試驗(yàn)時(shí)，首先根據(jù)因素參數(shù)對(duì)CMT2502型微機(jī)控制電子萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行工作參數(shù)調(diào)整，然后對(duì)馬鈴薯莖秧進(jìn)行切割，觀察試驗(yàn)效果并對(duì)切割力曲線和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，最后利用Design-Expert 8.06軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用Microsoft Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并制作圖表，利用SPSS 19.0對(duì)切割強(qiáng)度進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)(P=0.05)，圖中數(shù)據(jù)均為5次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型及檢驗(yàn)

因素水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表3所示。

借助Design-Expert 8.06對(duì)測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，獲得各因素編碼值表示的切割強(qiáng)度值Y的二次回歸模型：

Y=0.82-0.25X1-0.13X2+0.20X3-0.042X1X2

-0.062X1X3-0.13X2X3+0.12X12+0.00225X22

+0.63X32

(2)

表2 試驗(yàn)因素水平編碼

對(duì)式(2)進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表4?；貧w模型的P<0.001，表明回歸模型是極其顯著的。其中模型的一次項(xiàng)X1(切割方式)、X3(切割高度)對(duì)切割強(qiáng)度影響極顯著，X2(切割速度)對(duì)切割強(qiáng)度影響顯著；二次項(xiàng)X12、X22對(duì)切割強(qiáng)度的影響不顯著，X32的影響極其顯著(P<0.001)；交互項(xiàng)X1X2、X1X3、X2X3對(duì)切割強(qiáng)度影響均不顯著。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)和P值大小，可得到影響切割強(qiáng)度的各因素主次順序?yàn)閄1、X3、X2，即切割方式、切割高度、切割速度。

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2.2 模型交互項(xiàng)的解析

根據(jù)二次回歸模型(2)作出各因素之間關(guān)系的響應(yīng)曲面圖，如圖3，圖4，圖5所示。

由圖3可知，切割方式對(duì)切割強(qiáng)度的影響明顯大于切割速度，這與方差分析的結(jié)果一致。而且隨著切割方式的變化，切割強(qiáng)度也在發(fā)生變化，橫斷切時(shí)的切割強(qiáng)度最大，斜滑切時(shí)的切割強(qiáng)度最?。磺懈钏俣仍龃髸r(shí)，切割強(qiáng)度逐漸減小。

由圖4可知，切割速度越大，切割強(qiáng)度越小。隨著切割高度的不同，切割強(qiáng)度變化顯著，切割高度越低，切割強(qiáng)度越大。這是因?yàn)轳R鈴薯莖秧離地面越近的部位，其木質(zhì)素含量越高，木質(zhì)化程度越明顯，抵抗破壞的能力越強(qiáng)。

由圖5可知，當(dāng)切割高度一定時(shí)，隨著切割方式的變化，切割力的大小也隨之變化。當(dāng)切割方式一定時(shí)，切割力隨切割高度的增加而減小，但是切割高度對(duì)切割強(qiáng)度大小影響變化趨勢(shì)較小，說(shuō)明切割方式是影響切割強(qiáng)度大小的最主要因素，這與方差分析結(jié)果相一致。

3 等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的設(shè)計(jì)

根據(jù)傳統(tǒng)秸稈切割理論，基于馬鈴薯莖秧的力學(xué)特性，應(yīng)用對(duì)數(shù)螺線方程設(shè)計(jì)一種等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片，旨在解決馬鈴薯殺秧機(jī)作業(yè)過(guò)程中刀片受力不均、滑切角變化幅度較大、切割功耗高、切割及殺秧效率低等問(wèn)題。

表4 回歸方程方差分析

圖3 不同切割方式與切割速度對(duì)切割強(qiáng)度的影響Fig.3 Impact of different cutting types and cutting speeds on cutting strength

圖4 不同切割高度與切割速度對(duì)切割強(qiáng)度的影響Fig.4 Impact of different cutting heights and cutting speeds on cutting strength

圖5 不同切割高度與切割方式對(duì)切割強(qiáng)度的影響Fig.5 Impact of different cutting heights and cutting types on cutting strength

3.1 對(duì)數(shù)螺線方程

對(duì)數(shù)螺線的極坐標(biāo)方程為[17]：

ρ=aemφ

(3)

3.2 等滑切角(對(duì)數(shù)螺線)鋸齒型刀片刃線方程的建立

建立刀具直角坐標(biāo)系，取刀具一條邊線與坐標(biāo)軸OX重合，刀片繞極點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行切割，如圖6所示。

注：OX與OY分別為坐標(biāo)軸；r為矢徑(mm)；r′為轉(zhuǎn)動(dòng)角度dθ后的矢徑(mm)；v為M′點(diǎn)速度(m·s-1)，vn為M′點(diǎn)法向速度(m·s-1)，vt為M′點(diǎn)切向速度(m·s-1)。Note:OXandOYare the coordinate axis;ris the radius vector(mm);r′ is the radius of the vector after being rearranged at dθ(mm);vis the velocity at pointM′(m·s-1),vnis the normal velocity at pointM′(m·s-1),vtis the tangent velocity at pointM′(m·s-1).圖6 等滑切角鋸齒型刀刃曲線Fig.6 Equal slide cutting angle curve of saw-tooth blade

(4)

若切割曲線上滑切角τ為給定常數(shù)，且令tanτ=k(k為常數(shù))，對(duì)(4)式變形后得：

(5)

式(5)所表示的極坐標(biāo)方程為對(duì)數(shù)螺線方程(等滑切角曲線方程)，其幾何特性是經(jīng)過(guò)極點(diǎn)O的各條射線與曲線交點(diǎn)的切線間夾角均相等，均等于刀片刃線的給定滑切角，即為對(duì)數(shù)螺線(等滑切角)刀片設(shè)計(jì)理論依據(jù)[19]。

3.3 等滑切角鋸齒型切割及粉碎刀片的設(shè)計(jì)

藤莖類(lèi)秸稈由薄壁組織、維管束、纖維組織、表皮組成，其微觀結(jié)構(gòu)呈多孔形態(tài)并形成發(fā)達(dá)的纖維組織[20]。馬鈴薯莖秧的根部表皮較厚，有較多的維管束，韌性較好，具有很強(qiáng)的抵抗外載荷的能力，殺秧時(shí)不易切斷。因此，在等滑切角切割刀片的刀刃上設(shè)計(jì)成鋸齒型，當(dāng)切割刀具刃口沿材料切向滑移時(shí)，這些鋸齒的齒端在被切割的莖秧上做向前的切割運(yùn)動(dòng)的同時(shí)又做向下的切割運(yùn)動(dòng)，在二者聯(lián)合作用下，使莖秧更容易被切斷[21]。

根據(jù)自磨刃犁鏵的工作原理和設(shè)計(jì)參數(shù)，切割刀片設(shè)計(jì)中材料選用65Mn鋼，刀片的刃口角度取30°，滑切角τ取40°。為防止切割粉碎刀片在殺秧過(guò)程中產(chǎn)生變形、磨損而影響殺秧效果，初步確定刀片厚度為6 mm，并進(jìn)行中頻淬火，刀片熱處理后其表面和芯部具有較高強(qiáng)度和剛度，并獲得足夠的耐磨性[22]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.折彎半徑;2. 折彎角;3.鋸齒;4. 滑切角;5. 鉸接孔1. Bending radius;2. Bending angel;3. Saw-tooth; 4.Slide-cutting angel;5. Articulated hole圖7 等滑切角鋸齒型切割刀片F(xiàn)ig.7 Saw-tooth type blade of equal slide-cutting angle

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)在甘肅省定西市安定區(qū)香泉鎮(zhèn)關(guān)門(mén)口村試驗(yàn)基地。旱地大壟雙行壟播，試驗(yàn)區(qū)壟長(zhǎng)大于150 m，壟距為1 200 mm，壟高200 mm，壟播株距約為250 mm，結(jié)薯深度為100～200 mm，莖秧高度為300～400 mm，田間伴有少量雜草。馬鈴薯殺秧機(jī)配套動(dòng)力為東方紅404型拖拉機(jī)，功率為29.4 kW。以殺秧機(jī)作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)為依據(jù)[23]，將安裝了等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的馬鈴薯殺秧機(jī)田間殺秧質(zhì)量指標(biāo)與之相對(duì)照，驗(yàn)證其殺秧性能。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

安裝了等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的馬鈴薯殺秧機(jī)田間殺秧性能指標(biāo)與相關(guān)參照指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，安裝等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的馬鈴薯殺秧機(jī)殺秧性能試驗(yàn)指標(biāo)均優(yōu)于作為參照的馬鈴薯相關(guān)指標(biāo)。其中帶薯率較低，由于等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片設(shè)計(jì)合理，增加了刀片切割時(shí)的滑切作用，可以更好地切割及粉碎馬鈴薯莖秧；打碎長(zhǎng)度合格率比相關(guān)的參照指標(biāo)提高16.7%，主要原因在于馬鈴薯莖秧能被等螺旋鋸齒型切割刀片順利切割，拋帶進(jìn)入護(hù)罩內(nèi)的莖秧被進(jìn)一步打碎；留茬高度比相關(guān)參照指標(biāo)最大值低105 mm，主要原因是等滑切角鋸齒型切割刀片在切割過(guò)程中滑切作用增強(qiáng)，切割時(shí)間減小，切割及粉碎能力增強(qiáng)，切割效率提高，有效降低了留茬高度。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片馬鈴薯殺秧機(jī)的殺秧性能可以滿足馬鈴薯殺秧作業(yè)要求。

表5 試驗(yàn)結(jié)果與參照指標(biāo)對(duì)照表

5 結(jié) 論

1)通過(guò)Design-Expert 8.06軟件進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析，得出各因素對(duì)馬鈴薯莖秧切割強(qiáng)度影響的顯著性順序從大到小依次均為：切割方式、切割高度、切割速度。

2)基于滑切原理設(shè)計(jì)了等滑切角鋸齒型切割刀片，殺秧過(guò)程中滑切作用明顯增強(qiáng)，馬鈴薯莖秧更容易被切斷。

3)對(duì)安裝等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的馬鈴薯殺秧機(jī)作業(yè)效果進(jìn)行了田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，打碎長(zhǎng)度合格率為96.7%，留茬高度為45 mm，帶薯率為0.15%，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于參照指標(biāo)數(shù)值，滿足馬鈴薯殺秧機(jī)的殺秧作業(yè)要求。