油菜收獲圓盤式切割器的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

李仲愷，謝方平,2*，劉科，唐湘，王修善，毛利成

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

油菜收獲圓盤式切割器的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

李仲愷1，謝方平1,2*，劉科1，唐湘1，王修善1，毛利成1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

為了尋求減少油菜聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)損失的途徑，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)油菜收獲的圓盤式切割器。利用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)，研究單株油菜的生物物理特性，得出適合油菜切割的高度為200～400 mm。運(yùn)用自制的自走式切割試驗(yàn)裝置，對影響切割功耗和落粒損失的切割速度、切割高度、刀盤傾角等進(jìn)行了單因素和多因素正交試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，在切割轉(zhuǎn)速700 r/min，切割高度300 mm，刀盤切割傾角10°時(shí)，其切割功耗為30.19 W，落粒損失為1 162粒。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，切割轉(zhuǎn)速750 r/min，切割高度250 mm，刀盤切割傾角10°，裝置前進(jìn)速度0.4 m/s，刀片6片為最佳參數(shù)，與正交5號試驗(yàn)相近，其切割功耗36.39 W，落粒損失895粒。

油菜；圓盤切割器；落粒損失；功耗

有關(guān)甘蔗[4]、玉米[5]、大豆[6]等作物的圓盤式切割器的研究已取得成果。筆者針對油菜成熟度不一致的生物學(xué)特性，結(jié)合切割器與刀片的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種偏心圓弧鋸齒刃圓盤切割器。選擇切割轉(zhuǎn)速、切割位置、切割傾角等影響因素，在自走式切割裝置上進(jìn)行性能試驗(yàn)，以期獲得油菜圓盤式切割器的最優(yōu)工作組合。

1 圓盤切割器的設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 圓盤切割器結(jié)構(gòu)與刀片參數(shù)選擇

考慮到圓盤切割器圓盤在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)慣性力容易平衡、振動(dòng)??；偏心圓弧刀刃口滑切角向外逐漸增大，切割時(shí)省功省力，且具有切割緩沖作用；鋸齒切割功耗低、阻力低，且具有鉗持作用[5–10]等因素，以偏心圓弧鋸齒刃形式設(shè)計(jì)刀片，并通過螺栓連接，在刀盤上均勻排布6片刀(圖1)。切割器的刀片應(yīng)具有耐磨、硬度高、變形小、韌性好的特點(diǎn)，在保證良好切割效率、低折斷率的前提下，根據(jù)油菜莖稈直徑的大小，確定切割器刀盤與刀片參數(shù)為：刀片材料選用65Mn鋼，刀盤直徑200 mm，刀高h(yuǎn)=30 mm，刀寬b=30 mm，刃厚度d=2 mm，刃口曲線始端滑切角為30°，末端滑切角為60°。

圖1 油菜圓盤切割器刀盤和刀片結(jié)構(gòu)Fig.1 Structural sketch of the blade disc and the blade in disc cutter for rape

1.2 刀片工作原理

在刀片不漏割、刀盤不接觸方面，偏心圓弧鋸齒刃與其他圓盤式切割器工作原理[11]一樣：刀刃隨刀盤高速旋轉(zhuǎn)，切割前的瞬間，刀刃鋸齒齒尖與油菜莖稈為點(diǎn)接觸，即臨界切割狀態(tài)(圖2–a)，點(diǎn)接觸鋸齒產(chǎn)生的壓強(qiáng)能迅速撕裂莖稈；莖稈撕裂后，刀刃開始切割，刃口與油菜莖稈的接觸方式轉(zhuǎn)為線型接觸，連續(xù)的鋸齒能夠有效鉗住莖稈，減小切割振動(dòng)(圖2–b)；油菜莖稈被切斷后，在慣性力的作用下飛離切割器?；薪茄厝锌谇€向外逐漸從 30°增大至 60°，較小滑切角部分切割有力，較大滑切角部分切割阻力小、切割平穩(wěn)。整個(gè)過程均是鋸齒鉗持、切割莖稈，刀刃逐漸切入，因滑切角變化，切割阻力由大變小，產(chǎn)生切割緩沖作用。

圖2 刀片切割過程Fig.2 Chart of cutting process

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在湖南瀏陽北盛鎮(zhèn)油菜機(jī)械化收獲示范基地進(jìn)行。通過“五點(diǎn)”取樣法抽樣。油菜整株平均高度為1 398 mm；基部直徑為5.5～18.5 mm，絕大多數(shù)為 8～14.7 mm；極少數(shù)底層果莢分枝高度在500 mm以下。

2.2 方 法

2.2.1 沖擊試驗(yàn)

采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對油菜莖稈進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測定單株油菜莖稈的抗沖擊強(qiáng)度和果莢落粒數(shù)量。試驗(yàn)過程忽略切割沖量的影響，在切割瞬間可視為勻速直線運(yùn)動(dòng)[12]。不考慮摩擦因素，根據(jù)能量守恒定律，切割消耗的功全部用來切斷油菜莖稈。

式中：ak表示莖稈的抗沖擊強(qiáng)度；A表示切割所消耗的功；F表示試驗(yàn)材料的橫截面面積[13]。取直徑相同、成熟度相近的油菜莖稈，分別在距地100、200、300、400、500 mm處進(jìn)行沖擊，切斷后讀取刻度盤記錄所消耗的功，并統(tǒng)計(jì)果莢落粒數(shù)量。每個(gè)部位重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。

2.2.2 切割試驗(yàn)

切割試驗(yàn)在自制的自走式切割試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。試驗(yàn)裝置主要由自走式切割臺(tái)、可調(diào)式夾持裝置、測控系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等部分組成(圖3)。試驗(yàn)裝置的切割高度可調(diào)范圍為100～500 mm，切割傾角可調(diào)范圍為 0～30°，切割速度可調(diào)范圍為 1.88～18.82 m/s，切割前進(jìn)速度可調(diào)范圍為0.2～2 m/s，切割刀片數(shù)量可變范圍為 2～6片。將油菜植株固定在3 m長的夾持裝置上，根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)調(diào)節(jié)；調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸下端的圓盤切割器高速旋轉(zhuǎn)和裝置直線前進(jìn)，切割扭矩通過扭矩傳感器測定，并顯示在扭矩轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀上。切割功耗

圖3 自走式切割試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural sketch of self-propelled testing apparatus for cutting

式中： T為刀盤切割時(shí)的扭矩；n為刀盤旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。

2.2.3 單因素試驗(yàn)

為了考查切割轉(zhuǎn)速、切割高度、刀盤切割傾角對切割功耗和落粒損失的影響，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。保持同一切割高度 100 mm，優(yōu)選參數(shù)切割傾角10°、裝置前進(jìn)速度0.2 m/s、切割刀片數(shù)為6，分別用500、600、700、800、900 r/min進(jìn)行切割試驗(yàn)并記錄切割扭矩和統(tǒng)計(jì)落粒數(shù)量。試驗(yàn)得到適合圓盤切割油菜的轉(zhuǎn)速區(qū)間后，選擇落粒損失最小的轉(zhuǎn)速700 r/min，其他參數(shù)保持不變，分別在莖稈距地高度100、200、300、400、500 mm進(jìn)行切割試驗(yàn)最后設(shè)置3個(gè)切割傾角，即0°、10°、20°進(jìn)行切割試驗(yàn)。

2.2.4 多因素試驗(yàn)

對單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得知，油菜莖稈切割功耗和切割損失的大小與切割轉(zhuǎn)速、切割位置、切割刀盤傾角等因素有關(guān)。由于切割試驗(yàn)涉及的影響因素較多，采用正交試驗(yàn)來進(jìn)行多因素試驗(yàn)。參考7因素3水平的正交試驗(yàn)表L18(37)[16–19]設(shè)計(jì)本試驗(yàn)5因素3水平的正交試驗(yàn)表L18(35)(表1)。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表Table 1 Levels and factors of orthogonal experiments

3 結(jié)果與分析

3.1 油菜莖稈適宜切割高度的確定

油菜莖稈的抗沖擊強(qiáng)度表征受到外力載荷時(shí)莖稈抵抗變形和斷裂的能力。沖擊試驗(yàn)結(jié)果(表2)表明，從油菜莖稈距地100 mm處切斷，平均消耗的功率為17.5 J，明顯大于其他部位；在莖稈距地300 mm以上的部位切斷，平均消耗的功率變化不大；隨著莖稈高度的增加，油菜莖稈直徑呈減小趨勢，且莖稈距地300 mm以上的部分直徑變化不大，因此，油菜莖稈抗沖擊強(qiáng)度減小，且在莖稈距地300～500 mm 部位趨于穩(wěn)定。另外，從莖稈距地300 mm處開始，落粒損失又呈增大趨勢。原因是莖稈抗沖擊強(qiáng)度的減小，莖稈的抗變形能力相對較弱，進(jìn)而切割力產(chǎn)生的變形較大，引起較多的籽粒掉落。綜合比較，適合切割的油菜莖稈高度為200～400 mm。

表2 油菜莖稈不同切割高度的平均耗功和平均落粒損失Table 2 The average of power consumed and rapeseed losses with different cutting heights

3.2 切割轉(zhuǎn)速對功耗和落粒損失的影響

隨著刀盤切割轉(zhuǎn)速的增大，功耗呈明顯上升的趨勢，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，切割力不足，存在多刀切斷問題，當(dāng)轉(zhuǎn)速為700 r/min時(shí)，能一刀切斷油菜莖稈，且落粒損失小于轉(zhuǎn)速較低時(shí)的落粒損失；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，切割產(chǎn)生的沖擊力也相應(yīng)地增大，切割落粒損失呈現(xiàn)增大的趨勢(圖4)。綜合比較，適合切割的轉(zhuǎn)速范圍為600～750 r/min。

圖4 不同切割轉(zhuǎn)速下的功耗和落粒損失Fig.4 Power consumption and rapeseed losses with different cutting rotate rates

3.3 切割高度對功耗和落粒損失的影響

隨著切割高度的增大，因莖稈直徑變小、切斷所需的功變小，導(dǎo)致切割功耗下降，并在30 W附近趨于穩(wěn)定。油菜莖稈切割高度超過300 mm后，由于莖稈抗沖擊強(qiáng)度減小，切割落粒損失呈增大趨勢(圖5)。綜合比較，較優(yōu)切割高度為250 mm。

圖5 不同切割高度下的功耗和落粒損失Fig.5 Power consumption and rapeseed losses with different cutting heights

3.4 刀盤切割傾角對功耗和落粒損失的影響

分析圖6發(fā)現(xiàn)，隨著刀盤傾角增大，切割功耗呈降低趨勢。這是因?yàn)榍o稈組織纖維在一定的方向上是由強(qiáng)度相對較低的材料結(jié)合在一起的，切割時(shí)省功[15]。同時(shí)，切割截面面積也相應(yīng)增大，則莖稈截面受到的沖擊力增大。油菜瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)對落粒損失的影響較大，導(dǎo)致落粒損失又呈增大趨勢。綜合比較，適合切割的傾角為10°。

圖6 不同切割傾角下的功耗和落粒損失Fig.6 Power consumption and rapeseed losses with different cutting dips

3.5 多因素正交試驗(yàn)結(jié)果

對切割功耗和落粒損失的極差分析結(jié)果(表3)表明：影響切割功耗的因素大小依次為切割速度、刀盤傾角、前進(jìn)速度、刀片數(shù)量、切割位置；影響落粒損失的因素大小依次為切割傾角、刀片數(shù)量、切割速度、前進(jìn)速度、切割位置。綜合兩者的影響使得切割功耗低、落粒損失小的最優(yōu)組合為A2B2C2D3E2，即轉(zhuǎn)速為750 r/min、切割位置距地250 mm、刀盤傾角10°、刀片6片、前進(jìn)速度0.4 m/s。從表3中還可以看出，油菜切割功耗低、落粒損失小的最優(yōu)組合與試驗(yàn)5號接近，而試驗(yàn)5號的結(jié)果是表3中數(shù)據(jù)較小的一組，因此可以認(rèn)為該組參數(shù)組合符合功耗低、落粒損失小的要求。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of orthogonal test

[1] 周廣生，左青松，廖慶喜，等．我國油菜機(jī)械化生產(chǎn)現(xiàn)狀、存在問題及對策[J]．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52(9) 2153–2157．

[2] Hobson R N， Bruce D M．Seed loss when cutting a standing crop of oilseed rape with two types of combine harvester header[J]．Biosystems Engineering，2002，81(3)：281–286．

[3] 金誠謙，吳崇友．油菜收獲技術(shù)基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀與展望[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(1)：5–9．

[4] 向家偉，楊連發(fā)，李尚平．小型甘蔗收獲切割機(jī)試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(11)：158–163．

[5] 鄧玲黎，李耀明，徐立章，等．圓盤式玉米莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與切割過程分析[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(1)：73–77．

[6] 孫永海，常振臣，李寶霖，等．大豆收割機(jī)圓盤式切割器切割參數(shù)的研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1999，30(4)：26–30．

[7] 吳明亮，官春云，湯楚宙，等．油菜莖稈切割力影響因素試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25(6)：141–144．

[8] 張娟，王芬娥，郭維俊，等．4YB–I型甘藍(lán)聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)[J]．甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，47(5)：143–147．

[9] 鄧本榮，楊靜．回轉(zhuǎn)式切割器刀片設(shè)計(jì)[J]．湖南農(nóng)機(jī)，2004(2)：18–19．

[10] 向家偉，楊連發(fā)，李尚平．小型甘蔗收獲根部切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(4)：56–59．

[11] 卿上樂，匡穎剛，劉慶庭．甘蔗收割機(jī)單圓盤切割器運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(1)：51–54．

[12] 李耀明，秦同娣，陳進(jìn)，等．玉米莖稈往復(fù)式切割力學(xué)特性試驗(yàn)與分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(1)：160–164．

[13] 陳巨兵，林卓英，余征躍．工程力學(xué)實(shí)驗(yàn)教程[M]．上海：上海交通大學(xué)出版社，2007：71–72．

[14] 謝官模．振動(dòng)力學(xué)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2007 69–76．

[15] Chancellor R P．Basiconcepts of cuttinghay[D]．Ithaca New York：Cornell Univ，1957．

[16] 陳魁．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析[M]．2版．北京：清華大學(xué)出版社，2005：72–73，284．

[17] 魏宵，謝方平，李仲愷，等．4LBZ–125型半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)性能試驗(yàn)[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然學(xué)科版，2012，38(3)：337–340．

[18] 羅海峰，湯楚宙，鄒冬生，等．龍須草莖稈往復(fù)式切割試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(2)：13–17

[19] 陳國晶，趙冰，楊堅(jiān)，等．甘蔗收割機(jī)單圓盤切割器工作參數(shù)優(yōu)化[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(2)：146–148

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Design and performance evaluation of a disc cutter for rape harvest

LI Zhong-kai1, XIE Fang-ping1,2*, LIU Ke1, TANG Xiang1, WANG Xiu-shan1, MAO Li-cheng1
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China)

To reduce losses through the header on a rape combine harvester, a disc cutter suitable for rape harvest was designed. Biophysical property of single rape was studied using pendulum impact testing machine, the results showed that the suitable height for rape cutting is 200 mm to 400 mm. Based on the self-propelled testing apparatus for rape cutting, the single factor and multi-factor orthogonal experiments were carried out on the factors that influence consuming power and factors influencing seed losses including cutting velocity, cutting height and cutting dip. The results of single factor experiments showed that when the rotating speed was 700 r/min, the cutting height 300 mm and the cutting dip 10°, 30.19 W of power was consumed and a loss of 1 162 rapeseeds was observed. The results of multi-factor orthogonal factor experiments showed that the optimal cutting parameters included rotating speed of 750 r/min, cutting height of 250 mm, cutting dip of 10°, apparatus forward velocity of 0.4 m/s and cutting blades of 6, which were similar to those observed in orthogonal test 5, and 36.39 W of power was consumed with a loss of 895 rapeseeds.

rape; disc cutter; rapeseed loss; power consumption

10.13331/j.cnki.jhau.2014.01.018

時(shí)間：2014– – 00:00

網(wǎng)絡(luò)出版地址：

S225.99

A

1007?1032(2014)01?0085?06

據(jù)統(tǒng)計(jì)，油菜種植區(qū)近5年平均機(jī)械化種植面積達(dá)691.4萬hm2，但平均機(jī)械收獲面積僅有22.3 萬 hm2[1]。油菜聯(lián)合收獲機(jī)是在現(xiàn)有的稻麥聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上改裝而成的，由于油菜植株整體成熟不一的生物特性，加上往復(fù)式切割器作業(yè)時(shí)振動(dòng)較大，使得油菜籽粒掉落較多，造成割臺(tái)落粒損失較大[2]。油菜收獲損失平均為 8.54%，其中割臺(tái)損失占7.69%[3]，因此，有必要對往復(fù)式切割器進(jìn)行改造，使之更適應(yīng)油菜收獲。

2013–11–11

國家“十二·五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD20B08)；湖南省科學(xué)技術(shù)廳重點(diǎn)項(xiàng)目(2013FJ2006)

李仲愷(1989—)，男，湖南岳陽人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究，56039790@qq.com；*通信作者，hunanxie 2002@163.com