棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片優(yōu)化設(shè)計

宋占華，宋華魯，閆銀發(fā)，李玉道，高天浩，李法德

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，泰安 271018；3.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械裝備國家工程實驗室分實驗室，泰安 271018）

棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片優(yōu)化設(shè)計

宋占華，宋華魯，閆銀發(fā)，李玉道，高天浩，李法德※

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，泰安 271018；3.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械裝備國家工程實驗室分實驗室，泰安 271018）

針對標(biāo)準(zhǔn)型往復(fù)式切割器切割棉稈過程中動刀片磨損嚴(yán)重以及易出現(xiàn)棉花秸稈被動刀片前橋向前推倒、劈裂等問題，該文在分析往復(fù)式切割器切割圖的基礎(chǔ)上，提出了切割有效率的概念，并以切割有效率為研究目標(biāo)，采用仿真技術(shù)和響應(yīng)面法，研究了動刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)（動刀片寬度、刀刃高度、前橋?qū)挾龋η懈钣行实挠绊懀瑫r利用高速攝像系統(tǒng)觀察分析了動刀片前橋形狀對棉稈切割質(zhì)量的影響；通過響應(yīng)面分析，優(yōu)化了動刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了目標(biāo)值與各影響因素之間的回歸模型，并對模型進(jìn)行了驗證；通過高速攝像技術(shù)優(yōu)化了動刀片前橋的形狀，提高了棉稈切割質(zhì)量。試驗結(jié)果表明，動刀片寬度、刀刃高度、前橋?qū)挾纫约皟蓛芍g的交互作用對切割有效率都具有顯著影響，動刀片前橋形狀對棉稈切割質(zhì)量有重要影響。優(yōu)化設(shè)計的動刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)是：動刀片寬度為90 mm、刀刃高度為52 mm、前橋?qū)挾葹?5 mm、前橋形狀為圓弧型，此時的切割有效率為96.148 2%。利用優(yōu)化設(shè)計的動刀片，在棉花秸稈切割試驗臺上進(jìn)行了棉稈切割試驗，試驗結(jié)果表明，新型動刀片的棉花秸稈割茬高度的平均值比標(biāo)準(zhǔn)型動刀片割茬高度的平均值低5.9 mm，棉花秸稈單位面積切割功的平均值降低了6.1%，棉花秸稈割茬截面平整率提高了12%。研究結(jié)果可為高效、低耗的棉花秸稈往復(fù)式切割器的設(shè)計提供參考。

機械化；切割設(shè)備；優(yōu)化；棉花秸稈；動刀片；響應(yīng)面法；往復(fù)式切割器；優(yōu)化設(shè)計

宋占華，宋華魯，閆銀發(fā)，李玉道，高天浩，李法德.棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片優(yōu)化設(shè)計 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（6）：42-49.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.006 http://www.tcsae.org

Song Zhanhua,Song Hualu,Yan Yinfa,Li Yudao,Gao Tianhao,Li fade.Optimizing design on knife section of reciprocating cutter bars for harvesting cotton stalk[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE）, 2016,32(6):42－49.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.006 http://www.tcsae.org

0 引言

由于棉花秸稈木質(zhì)化程度高、韌皮纖維豐富、容質(zhì)量和熱值高，有著十分廣泛的用途[1-4]，再加之中國作為世界上最大的棉花生產(chǎn)國[5]、年產(chǎn)棉稈約3000萬t[6]，因此，近幾年，棉花秸稈切割收獲技術(shù)與裝備的研究在中國得到了發(fā)展。目前，棉花秸稈切割收獲技術(shù)與裝備的研究[3,5,7-12]主要是在借鑒小麥、玉米、甘蔗等作物秸稈切割收獲技術(shù)[13-17]的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。投入實際生產(chǎn)應(yīng)用的棉稈切割收獲裝備以往復(fù)式切割器作為切割工作部件為主，如中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院研發(fā)生產(chǎn)的4MG-275型自走式棉桿聯(lián)合收獲機[18]采用標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型往復(fù)式動刀片作為切割刀片。然而，由于棉稈切割部位木質(zhì)化程度高、直徑粗、硬度大，所需切割力和功耗較大；另外又由于收獲期棉稈的外表皮沒有小麥、水稻、玉米等作物秸稈的光滑，棉稈在與標(biāo)準(zhǔn)型動刀片的前橋接觸時不易發(fā)生滑動，造成其在切割過程中出現(xiàn)被標(biāo)準(zhǔn)型動刀前橋向前推倒的現(xiàn)象，導(dǎo)致棉稈的割茬高度和切割面積增加，從而會加劇棉稈切割刀片的磨損和切割力、切割功的增加，影響棉花秸稈切割收獲裝備的整機工作性能。因此，有必要優(yōu)化設(shè)計一款適合于棉花秸稈切割收獲的往復(fù)式切割器的動刀片，以減少棉稈切割面積與動刀片的磨損、降低棉稈切割力與切割功耗，達(dá)到降低棉稈割茬高度和切割裝備的功率消耗、提高棉稈切割質(zhì)量和切割效率的目的。

有文獻(xiàn)[19]指出往復(fù)式切割器切割圖的形狀及各區(qū)域面積大小直接影響切割質(zhì)量和割茬高度，為保證切割質(zhì)量、減少切割阻力和功率消耗，要求漏割區(qū)和重割區(qū)的面積越小越好；還有文獻(xiàn)[20]提出往復(fù)式切割器切割圖中漏割區(qū)面積的大小可以表示切割阻力的大小，重割區(qū)面積的大小可以表示功率消耗的大小。因此，為了研發(fā)高效率、高切割質(zhì)量、低功率的切割器，學(xué)者們采用理論分析與仿真技術(shù)研究了切割刀片工作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對切割圖中漏割區(qū)面積和重割區(qū)面積的影響[19-23]。然而，往復(fù)式切割器切割圖中一次切割區(qū)、漏割區(qū)與重割區(qū)等3個區(qū)域的面積大小是相互關(guān)聯(lián)的、并不是相互獨立的，某一個區(qū)域面積的變化就會引起另外2個區(qū)域面積的變化，顯然獨立研究切割刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)對切割圖中某個區(qū)域面積大小的影響是不全面的，而將切割圖中各區(qū)域面積作為一個相互關(guān)聯(lián)的整體來研究切割刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)的文獻(xiàn)目前未見報道。因此，本文在以往復(fù)式切割器切割圖中各區(qū)域面積作為一個相互關(guān)聯(lián)的整體提出“切割有效率”概念的前提下，利用仿真技術(shù)、響應(yīng)面技術(shù)與高速攝像技術(shù)[9，24-25]相結(jié)合的方法，研究了棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對棉花秸稈切割有效率的影響以及動刀片前橋形狀對棉花秸稈切割質(zhì)量的影響，并進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計出適用于棉花秸稈切割收獲的往復(fù)式切割器的動刀片，為開發(fā)高效、低耗的棉花秸稈切割器與切割收獲裝備提供依據(jù)。

1 切割有效率的定義

往復(fù)式切割器的切割圖是對實際切割過程的簡化表示，通過切割圖的分析可以看出切割過程中的影響要素及其變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 往復(fù)式切割器切割圖Fig.1 Cutting graph of reciprocating cutter

由圖1可知，在定刀片軌跡線內(nèi)的棉花秸稈被護(hù)刃器及定刀片推向兩側(cè)，在相鄰兩定刀片間的棉花秸稈，由于所處位置的不同，有3種不同的情況：1）一次切割區(qū)（SⅠ）：由點a、c、d、e、f組成的區(qū)域即為一次切割區(qū)。該區(qū)中的棉花秸稈能夠被動刀片一次切割。2）漏割區(qū)（SⅡ）：由點f、g、h組成的區(qū)域為漏割區(qū)。該區(qū)中的棉花秸稈未被運動中的動刀片切斷，易造成棉花秸稈發(fā)生拉斷、漏割現(xiàn)象。3）重割區(qū)（SⅢ）：由點a、b、h組成的區(qū)域為重割區(qū)。該區(qū)中的棉花秸稈在割斷后其割茬被動刀片另一刃口重復(fù)觸及，有可能發(fā)生重割，重割區(qū)面積越大，無用功越大。

根據(jù)對切割圖的分析，將一次切割區(qū)、漏割區(qū)和重割區(qū)作為一個相互關(guān)聯(lián)的整體，定義往復(fù)式切割器的切割有效率為切割圖中總切割區(qū)域的面積減去重割區(qū)和漏割區(qū)面積之和的面積與切割圖中總切割區(qū)域面積的比值，其計算公式為：

式中η為切割有效率，%；SⅠ為一次切割區(qū)面積，mm2；SⅡ為漏割區(qū)面積，mm2；SⅢ為重割區(qū)面積，mm2。

切割圖中一次切割區(qū)、漏割區(qū)和重割區(qū)的面積，都隨動刀結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)的變化而變化，從式（1）可以看出，切割有效率能夠直觀表現(xiàn)出一次切割區(qū)、漏割區(qū)和重割區(qū)三者面積之間的關(guān)系。因此，以切割有效率為目標(biāo)值來研究往復(fù)式切割器動刀片的切割性能和切割質(zhì)量更具有科學(xué)性。

2 動刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

如圖2所示，棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括動刀片寬度la、刀刃高度lh與前橋?qū)挾萳e。本文以切割有效率為目標(biāo)值，以動刀片寬度la、刀刃高度lh與前橋?qū)挾萳e為影響因素，采用響應(yīng)面法設(shè)計虛擬仿真試驗的方案和處理試驗數(shù)據(jù)，研究動刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)對切割有效率的影響，并進(jìn)一步優(yōu)化棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖2 動刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.2 Structural parameter of knife section

2.1 仿真試驗方法

參考相關(guān)文獻(xiàn)[19,26-29]，在ADAMS中建立具有不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的動刀片和寬度為24 mm的定刀片的棉花秸稈往復(fù)式切割器的模型，對其在切割速度為0.9 m/s，切割速比為1.25的工作條件[12]下進(jìn)行運動仿真，得到動刀片的運動軌跡曲線（圖3），將運動軌跡曲線導(dǎo)入到CAD中，運用CAD中的面積計算命令計算出切割圖中切割區(qū)內(nèi)各部分的面積，按式（1）計算得到切割有效率值。采用boxbehnken design（BBD）方法優(yōu)化設(shè)計試驗方案，利用響應(yīng)面法分析試驗結(jié)果（在P=0.05水平進(jìn)行F-檢驗），建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化動刀片主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于BBD方案的編碼值和實際值的關(guān)系見表1。

圖3 ADAMS仿真軟件中的模型Fig.3 Model in ADAMS simulation software

表1 BBD編碼值與實際值對應(yīng)關(guān)系Table 1 Relation of practical and coding values with BBD

2.2 仿真試驗結(jié)果與分析

將仿真數(shù)據(jù)錄入到BBD試驗方案表中，切割有效率與3個試驗因素的關(guān)系如表2所示。對表2的試驗結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，結(jié)果見表3。

應(yīng)用響應(yīng)面法對表2的試驗結(jié)果進(jìn)行分析，建立棉花秸稈往復(fù)式切割器切割有效率與影響因素編碼值之間的二次多項回歸模型為式（2）：

表2 動刀片優(yōu)化設(shè)計響應(yīng)面法試驗數(shù)據(jù)Table 2 Response surface analysis date of optimization design of knife section

表3 動刀片優(yōu)化設(shè)計試驗響應(yīng)面方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis of response surface of optimization design of knife section

由表3可知，回歸模型的P＜0.000 1，表明回歸模型是極顯著的（P＜0.01）；信噪比為226.599，大于4，表明模型是優(yōu)的，可以用來進(jìn)行優(yōu)化預(yù)測?；貧w方程中各變量對目標(biāo)值影響的顯著性由F檢驗來判定，概率p值越小則相應(yīng)變量的顯著性程度越高。從表3可見，動刀片寬度（la）的一次項對切割有效率影響極顯著（P＜0.01），其二次項對目標(biāo)值影響顯著（P＜0.05）；刀刃高度（lh）的一次項和二次項對切割有效率影響都是極顯著的（P＜0.01）；前橋?qū)挾龋╨e）的一次項和二次項對切割有效率的影響也都是極顯著的（P＜0.01）；兩兩因素間的交互作用對切割有效率的影響也都是極顯著的（P＜0.01）。綜合分析，各因素對切割有效率影響的主次順序是：動刀片寬度、刀刃高度、前橋?qū)挾取?/p>

2.2.1 單因素效應(yīng)分析

固定2個因素的水平編碼值為零，在式（2）的基礎(chǔ)上求切割有效率與第3個因素編碼值的回歸方程，如式（3）、（4）、（5）所示：

各因素對切割有效率的影響曲線如圖4所示。由圖4可知，在規(guī)定的動刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍之內(nèi)，切割有效率隨動刀片寬度的增加而增加，對切割有效率影響極顯著（P＜0.01），表明動刀片寬度是動刀片設(shè)計中一個非常重要的參數(shù)；圖4顯示，隨著刀刃高度的不斷增加，切割有效率先上升后下降，且變化是顯著的（P＜0.01），表明在設(shè)計動刀片的時候，并不是刀刃高度越大越好；從圖4中還可以看出，切割有效率隨著動刀片前橋高度的增加呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢（P＜0.01），表明動刀片的前橋?qū)挾冗^大或者過小都會降低動刀片的切割性能和效率。單因素效應(yīng)分析表明，動刀片的寬度、刀刃高度和前橋?qū)挾葘η懈钣行识季哂酗@著影響，是往復(fù)式切割器動刀片的重要設(shè)計參數(shù)。然而，有文獻(xiàn)[19]在以漏割區(qū)和重割區(qū)面積作為獨立的目標(biāo)值進(jìn)行研究時，發(fā)現(xiàn)動刀片寬度和前橋?qū)挾葘δ繕?biāo)值影響都不顯著，只有刀刃高度對漏割區(qū)和重割區(qū)的面積影響是顯著的。因此，以能夠反映出往復(fù)式切割器切割圖中各區(qū)域面積關(guān)系的切割有效率為目標(biāo)值，來研究往復(fù)式切割器動刀片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（動刀片寬度、刀刃高度、前橋?qū)挾龋拥镀懈钚阅艿挠绊懠皩拥镀Y(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化更具有全面性和科學(xué)性。

圖4 單因素與切割有效率的關(guān)系Fig.4 Relations of single factor and cutting effective rate

2.2.2 雙因素效應(yīng)分析

在式（2）中，固定1個因素的水平編碼值為零，研究其余2個因素對切割有效率的交互作用效應(yīng)。依據(jù)表2中試驗數(shù)據(jù)繪制了響應(yīng)面圖5，該圖顯示了動刀片寬度、刀刃高度和前橋高度對棉稈往復(fù)式切割器切割有效率的影響，以及各因素間對目標(biāo)值的交互作用影響。

從圖5a中可以看出，切割有效率隨著動刀片寬度的增加呈上升趨勢，在不同刀刃高度下，切割有效率隨著動刀片寬度變化而發(fā)生的變化程度是不同的；切割有效率隨刀刃高度的增加先升后降，在不同動刀片寬度下，刀刃高度對切割有效率的影響程度也是不一樣的；從圖中還可以看出，當(dāng)動刀片寬度為90 mm、刀刃高度在50～55 mm之間時，切割有效率最高。通過對圖5a的分析可以看出，動刀片寬度和刀刃高度的交互作用對切割有效率具有顯著性影響（P＜0.01）。

由圖5b可知，切割有效率隨前橋?qū)挾鹊脑黾映尸F(xiàn)出先升后降的變化趨勢，在不同動刀片寬度下，前橋?qū)挾葘η懈钣行实挠绊懗潭仁怯胁町惖?；從圖中還可以看出，當(dāng)動刀片寬度為90 mm、前橋?qū)挾仍?5 mm左右時，切割有效率最高。另外，動刀片寬度和前橋?qū)挾鹊慕换プ饔脤η懈钣行示哂酗@著性影響（P＜0.01）。

從圖5c中可以看出，隨著前橋?qū)挾鹊脑黾樱懈钣行孰S刀刃高度的增加先升后降的變化趨勢逐漸減弱；隨著刀刃高度的增加，切割有效率隨前橋?qū)挾鹊脑黾佑芍饾u降低向先升后降的趨勢變化。這表明，刀刃高度和前橋?qū)挾葘η懈钣行示哂酗@著的交互作用（P＜0.01）。從圖中還可以看出，當(dāng)?shù)度懈叨仍?0～55 mm之間、前橋?qū)挾仍?5 mm左右時，切割有效率最高。

圖5 切割有效率與試驗因素的響應(yīng)面Fig.5 Response surface plots of cutting effective rate with respect to experiment factors

2.2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化求解與驗證

參數(shù)優(yōu)化最理想的結(jié)果就是在約束條件范圍內(nèi)盡可能增加切割有效率的數(shù)值。因此，以切割有效率的最大值為優(yōu)化目標(biāo)，利用響應(yīng)面法對二次多項數(shù)學(xué)回歸模型式（2）在各因素試驗水平范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合是：動刀片寬度為90 mm、刀刃高度為52.08 mm、前橋?qū)挾葹?4.75 mm。此時，棉花秸稈往復(fù)式切割器的切割有效率最大，為96.164 4%。但是為了加工方便，應(yīng)選擇動刀片的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合是：動刀片寬度為90 mm、刀刃高度為52 mm、前橋?qū)挾葹?5 mm，將該組合參數(shù)對應(yīng)的編碼值帶入式（2），預(yù)測得到切割有效率為96.162 5%，與優(yōu)化得到的最大值（96.164 4%）差距甚微，因此該組合可作為棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。然后，采用選定的動刀片最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)在ADAMS中重新建立具有寬度為24 mm定刀片的棉花秸稈往復(fù)式切割器的簡易模型，對其在切割速度為0.9 m/s，切割速比為1.25的工作條件下進(jìn)行運動仿真，得到優(yōu)化后動刀片的運動軌跡曲線，并依據(jù)運動軌跡曲線計算出切割圖中切割區(qū)內(nèi)各部分的面積，按式（1）求得切割有效率為96.148 2%，與該組合參數(shù)下的預(yù)測值（96.162 5%）相差0.014 3%，表明仿真值與預(yù)測值之間有好的擬合性，證明了響應(yīng)面法對棉稈往復(fù)式切割器動刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化是可靠的、有效的。

3 動刀片前橋形狀的優(yōu)化

本文作者在進(jìn)行棉花秸稈切割試驗時，發(fā)現(xiàn)有的棉花秸稈不能被切割器（標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型）順利切斷，而是在切口處發(fā)生劈裂、倒伏在試驗臺上[12]，這在田間實際工作中會降低棉花秸稈的收獲率。針對該問題，本文利用自制的、帶有高速攝像系統(tǒng)（Cam Record 1000高速攝像機，德國Optronis公司生產(chǎn)；圖像分析軟件Image-Pro Plus 6.3）的棉花秸稈切割試驗臺（圖6）進(jìn)行了棉花秸稈高速攝像切割試驗（切割速度為0.9 m/s、切割速比為1.25）。試驗用的棉花秸稈取自山東省濟南市商河縣某一棉田，其切割部位的含水率在31%～37%之間、直徑大小在11.7～13.2 mm之間。棉花秸稈切割部位要求無蟲害、無明顯缺陷、沒有表皮損傷或開裂。

通過棉稈高速攝像切割試驗發(fā)現(xiàn)，有3種不同情況的棉稈切割過程。第1種情況是：棉稈在未進(jìn)入切割區(qū)之前，先與動刀片的前橋接觸，然后再進(jìn)入切割區(qū)被切割；第2種情況是：棉稈第一次被切割時，未完全進(jìn)入切割區(qū)，然后再完全進(jìn)入切割區(qū)被第二次切割；第3種情況是：棉稈直接完全進(jìn)入切割區(qū)，被動刀片一次切斷。

圖6 棉花秸稈切割試驗臺Fig.6 Cotton stalk cutting test bench

圖7所示為第1種情況，第1幅圖（t=0 ms）是棉花秸稈即將與動刀片前橋接觸，第2幅圖（t=40 ms）是棉花秸稈即將與動刀片前橋分離，第3幅圖（t=55 ms）是棉花秸稈進(jìn)入切割區(qū)。從圖7中可以看出，當(dāng)棉花秸稈在與標(biāo)準(zhǔn)型動刀片的前橋接觸時，不易發(fā)生滑動進(jìn)入切割區(qū)，而是被動刀片前橋向前推斜到一定程度后，再滑入切割區(qū)被切割。造成這一現(xiàn)象的主要原因是：棉花秸稈切割部位的外表皮相對于小麥、稻谷等作物秸稈的外表面粗糙，與標(biāo)準(zhǔn)型動刀片的前橋之間存在摩擦。通過圖像分析軟件Image-Pro Plus 6.3對切割圖像分析得到，棉花秸稈在被切割之前被動刀片前橋向前推斜的角度在18°左右。此情況下，棉花秸稈割茬高度的平均值為81.3 mm，比棉花秸稈未與動刀前橋接觸直接進(jìn)入切割區(qū)被切割時的割茬高度的平均值（72.7 mm）高出8.6 mm。

第2種情況如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)棉花秸稈未完全進(jìn)入切割區(qū)時，在切割過程中，動刀片的前端在少量切入棉花秸稈的同時，動刀片的前橋把棉花秸稈向前推斜，因此出現(xiàn)劈裂現(xiàn)象（圖8中第2幅圖，t=50 ms），最終使棉花秸稈發(fā)生倒伏（圖8中第3幅圖，t=57 ms），不能再次進(jìn)入切割區(qū)被切斷，而是隨割茬一起留在喂入輸送裝置上。這不利于棉花秸稈的收獲。

圖7 棉花秸稈與動刀片前橋接觸過程Fig.7 Cotton stalk contacting with leading end

圖8 棉花秸稈被動刀片前橋推倒Fig.8 Cotton stalk was pushed over by leading end

針對標(biāo)準(zhǔn)型動刀片在切割棉花秸稈過程中出現(xiàn)棉花秸稈被動刀片前橋向前推斜一定角度或者被推倒等問題，本文對棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片前橋的形狀進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將標(biāo)準(zhǔn)型動刀片前橋直線型形狀優(yōu)化為前橋圓弧型形狀，如圖9所示。在對動刀片前橋形狀優(yōu)化設(shè)計中，應(yīng)保證圓弧BC在點B處與動刀片直線段AB相切、在點C處與動刀片直線段CD相切，保證動刀片在B、C處光滑過度。在圓弧BC段上不開齒刃，保證棉花秸稈與前橋接觸時能夠順利滑入切割區(qū)。結(jié)合本文2.2.3中優(yōu)化的棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算得到優(yōu)化設(shè)計的動刀片前橋圓弧的半徑為9.25 mm。

圖9 動刀片前橋形狀示意圖Fig.9 Profile of leading end

4 驗證試驗

為了檢驗優(yōu)化設(shè)計的棉花秸稈往復(fù)式切割器的動刀片對棉花秸稈切割質(zhì)量的影響，本文在切割速度為0.9m/s、切割速比為1.25～1.5[12]的試驗條件下，利用優(yōu)化設(shè)計的動刀片在棉花秸稈切割試驗臺上進(jìn)行了棉花秸稈高速攝像切割試驗。圖10為一組試驗切割序列圖，從圖10中可以看出，當(dāng)棉花秸稈與動刀片前橋接觸時，圓弧型前橋的動刀片能夠使棉花秸稈順利滑入切割區(qū)，完成切割。通過對高速攝像得到的圖像進(jìn)行處理得到，當(dāng)棉花秸稈與圓弧型前橋的動刀片接觸時，在圓弧型前橋作用下，向前傾斜7°左右后就會順利進(jìn)入切割區(qū)，被動刀片切割。此情況下，割茬高度的平均值為75.4 mm，比標(biāo)準(zhǔn)型動刀片的割茬高度平均值（81.3 mm）低5.9 mm。試驗還發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的動刀片的棉花秸稈單位面積切割功的平均值為66.5kJ/m2，比標(biāo)準(zhǔn)型動刀片的棉花秸稈單位面積切割功的平均值（70.8 kJ/m2）降低了6.1%；優(yōu)化后的動刀片切割棉花秸稈后的割茬質(zhì)量高于標(biāo)準(zhǔn)型動刀片的割茬質(zhì)量（圖11），其割茬截面平整率為96%，比標(biāo)準(zhǔn)型動刀片的割茬截面平整率（84%）高出12%。試驗中，也未發(fā)現(xiàn)棉花秸稈被圓弧型前橋向前推倒的現(xiàn)象。

圖10 圓弧型前橋動刀片切割棉花秸稈的序列圖Fig.10 Sequence images of cutting process of cotton stalk with arc shape of leading end

圖11 棉稈割茬質(zhì)量Fig.11 Quanlity of cutting stubbles of cotton stalk

5 結(jié)論

1）在分析往復(fù)式切割器切割圖的基礎(chǔ)上，將一次切割區(qū)、漏割區(qū)和重割區(qū)作為一個相互關(guān)聯(lián)的整體，提出了往復(fù)式切割器的切割有效率的概念，并給出了切割有效率的計算公式。

2）棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片各因素（動刀片寬度、刀刃高度和前橋?qū)挾龋┮约皟蓛芍g的交互作用對切割有效率都具有顯著影響；優(yōu)化得到棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合是：動刀片寬度為90 mm、刀刃高度為52 mm、前橋?qū)挾葹?5 mm。

3）優(yōu)化設(shè)計了前橋形狀為圓弧型的棉花秸稈往復(fù)式切割器動刀片，該往復(fù)式動刀片可以有效避免棉花秸稈切割過程中發(fā)生棉花秸稈被動刀片前橋推到的現(xiàn)象，切割棉花秸稈后的割茬高度的平均值比標(biāo)準(zhǔn)型動刀片割茬高度的平均值低5.9 mm，棉花秸稈單位面積切割功的平均值降低了6.1%，棉花秸稈割茬截面平整率提高了12%。

[1]Gemtos T A,Tsiricoglou T.Harvesting of cotton residue for energy production[J].Biomass and Bioenergy,1999,16(1):51-59.

[2]Coates W.Using cotton plant residue to produce briquettes[J]. Biomass and Bioenergy,2000,18(3):201-208.

[3] 黃新平.棉稈粉碎收獲機的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19 (4)：136-138. Huang Xinping.Design of cotton-stalk harvester[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2003,19(4):136-138.(in Chinese with English abstract)

[4] 李怡，張國忠，周勇，等.棉稈田間起拔力測量系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(18)：43-50. Li Yi,Zhang Guozhong,Zhou Yong,et al.Design and field experiment of drawing resistance measurement system for cotton stalk[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(18):43-50.(in Chinese with English abstract)

[5]王鋒德，陳志，董世平，等.自走式棉稈聯(lián)合收獲機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40(12)：66-70. Wang Fengde,Chen Zhi,Dong Shiping,et al.Exploiture and experiment of self-walking cotton stalk combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009,40(12):66-70.(in Chinese with English abstract)

[6]崔相全，馬繼春，薦世春，等.我國棉花棉稈收獲機械現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2011，(11)：4-6. Cui Xiangquan,Ma Jichun,Jian Shichun,et al.The present situation of the cotton straw gathering machine and its developing tendency agricultural[J].Equipment& Vehicle Engineering,2011,(11):4-6.(in Chinese with English abstract)

[7] 胡凱，王吉奎，李斌，等.棉稈粉碎還田與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機研制與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(19)：24-32. Hu Kai,Wang Jikui,Li Bin,et al.Development and experiment of combined operation machine for cotton straw chopping andplastic film collecting[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29 (19):24-32.(in Chinese with English abstract)

[8] 宋占華，肖靜，張世福，等.曲柄連桿式棉稈切割試驗臺設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42(S1)：162-167. Song Zhanhua,Xiao Jing,Zhang Shifu et al.Design and experiment on crank-connecting rod cotton stalk cutting test bench[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2011,42(S1):162-167.(in Chinese with English abstract)

[9] 宋占華，田富洋，張世福，等.空載狀態(tài)下往復(fù)式棉稈切割器動力學(xué)仿真與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(16)：17-22. Song Zhanhua,Tian Fuyang,Zhang Shifu,et al.Simulation and experiment of reciprocating cutter dynamics of cotton stalk under no-load[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(16):17-22.(in Chinese with English abstract)

[10]孫玉峰.棉稈聯(lián)合收獲機的研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，2009. Sun Yufeng.Study on Cotton-stalk Combine Harvester[D]. Beijing:Chinese Academy ofAgriculturalMechanization Sciences,2009.(in Chinese with English abstract)

[11]李玉道.回轉(zhuǎn)式棉花秸稈切割試驗臺的研制與試驗研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012. Li Yudao.Rotary Experimental Study on Development of Cotton Stalk Cutting Test Bench and Eexperimental Investigations[D]. Taian:Shandong Agricultural University,2012.(in Chinese with English abstract)

[12]宋占華，宋華魯，耿愛軍，等.棉花秸稈雙支撐切割性能試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(16)：37-45. Song Zhanhua,Song Hualu,Geng Aijun,et al.Experiment on cutting characteristics of cotton stalk with double supports[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2015,31(16):37-45.(in Chinese with English abstract)

[13]Johnson P C,Clementson C L,Mathanker S K,et al.Cutting energy characteristics of Miscanthus x giganteus stems with varying oblique angle and cutting speed[J].Biosystems Engineering, 2012,112:42-48.

[14]Jia H L,Li C Y,Zhang Z H,et al.Design of bionic saw blade for corn stalk cutting[J].Journal of Bionic Engineering,2013,10: 497-505.

[15]Manh?es C M C,Garcia R F,Junior D C,et al.Evaluation of visible losses and damage to the ratoon cane in the mechanized harvesting of sugarcane for different displacement speeds[J]. American Journal of Plant Sciences,2014,5:2956-2964.

[16]賈洪雷，姜鑫銘，郭明卓，等.V-L型秸稈粉碎還田刀片設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(1)：28-33. Jia Honglei,Jiang Xinming,Guo Mingzhuo,et al.Design and experiment of V-L shaped smashed straw blade[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(1):28-33.(in Chinese with English abstract)

[17]周勇，區(qū)穎剛，莫肈福.斜置式甘蔗切割喂入裝置設(shè)計及試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(14)：17-23. Zhou Yong,Ou Yinggang,Mo Zhaofu.Design and experiment of oblique cutting and feeding device for sugarcane[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(14):17-23.(in Chinesewith English abstract)

[18]http://www.caams.org.cn

[19]夏萍，印崧，陳黎卿，等.收獲機械往復(fù)式切割器切割圖的數(shù)值模擬與仿真[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38(3)：65-68. Xia Ping,Yin Song,Chen Liqing,et al.Numerical simulation of cutting pattern of a reciprocating cutter[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2007,38(3):65-68. (in Chinese with English abstract)

[20]夏萍，陳黎卿，朱德泉，等.往復(fù)式切割器參數(shù)的數(shù)值模擬及優(yōu)化[J].機械工程師，2006，(5)：82-83.

[21]楊樹川，何東健，楊術(shù)明.往復(fù)式切割器割刀磨損對切割圖中區(qū)域面積的影響[J].農(nóng)機化研究，2006，(1)：107-108，112. Yang Shuchuan,He Dongjian,Yang Shuming.The influence from the abrasion of the reciprocating cuter to triangle area on incise diagram[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2006,(1):107-108,112.(in Chinese with English abstract)

[22]殷曉飛.往復(fù)式切割器切割圖的計算機輔助分析[J].機械研究與應(yīng)用，2011，(1)：92-93，96. Yin Xiaofei.Computer aided analysis of cutting pattern of a reciprocatingcutter[J].MechanicalResearch&Application,2011, (1):92-93,96.(in Chinese with English abstract)

[23]陳振玉，周小青.谷物聯(lián)合收獲機往復(fù)式切割器切割過程的研究—基于切割圖分析[J].農(nóng)機化研究，2012，(7)：73-77. Chen Zhenyu,Zhou Xiaoqing.Study on the cutting process of reciprocating cutter in combine harvester based on cutting-chart analysis[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2012,(7):73-77.(in Chinese with English abstract)

[24]王靜，廖慶喜，田波平，等.高速攝像技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究，2007，(1)：184-186. Wang Jing,Liao Qingxi,Tian Boping,et al.The present and development tendency of high-speed photography applied on agricultural machinery[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2007,(1):184-186.(in Chinese with English abstract)

[25]廖慶喜，舒彩霞，田波平，等.基于高速攝像技術(shù)的蘆竹切割過程的研究[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007，26(3)：415-418. Liao Qingxi,Shu Caixia,Tian Boping,et al.Research on the Cutting process based on high-speed photography technology for the arundo donax L.[J].Journal of Huazhong Agricultural University,2007,26(3):415-418.(in Chinese with English abstract)

[26]GB/T 1209.3-2009[S]，2010.

[27]鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)機械學(xué)院.農(nóng)業(yè)機械學(xué)：下冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1981.

[28]中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊：下冊[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[29]卡那沃依斯基.收獲機械[M].曹崇文，吳春江，何保康，等譯.北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1983.

Optimizing design on knife section of reciprocating cutter bars for harvesting cotton stalk

Song Zhanhua,Song Hualu,Yan Yinfa,Li Yudao,Gao Tianhao,Li fade※
(1.College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong Agricultural University,Taian 271018,China;2.Shandong Province Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments,Taian 271018,China;3.Sub-laboratory of National Engineering Laboratory for Agricultural Production Machinery and Equipment,Taian 271018,China)

China is one of the most important cotton-producing areas in the world.It is well known that cotton stalk is a kind of renewable biomass energy resource and can be widely used.Therefore,it is very important to research the harvesting techniques and equipment of cotton stalk,and design the cutting blade of cotton stalk.The conception of cutting effective rate was put forward on the basis of analyzing the cutting pattern of the reciprocating cutter,and it was used to describe the cutting characteristics of reciprocating cutter,because the cutting pattern of the reciprocating cutter could describe the cutting quality and height of the stubble of cotton stalk.In order to explore the effect of the knife section structural parameters(the width,height,and leading end width of the knife section)as well as the operating parameters(the average cutting velocity was 0.9 m/s,and the ratio of cutting velocity to feeding velocity was 1.25)on cutting effective rate of cotton stalk reciprocating cutter,and optimize the structural parameters of the knife section,the simulation test was performed with the ADAMS software.The simulation testing scheme designed with the box-behnken design(BBD)method was a three-factor three-level testing scheme,and the testing factors were the width of the knife section,the height of the knife section cutting edge,and the width of the leading end.The response surface analysis method was used to analyze the simulation testing data and optimize the knife section structural parameters of the cotton stalk reciprocating cutter.In order to observe and analyze the cutting process and morphological structure of the stubble as well as optimize the profile of the knife section,the cutting test was performed with a cutting test bench of cotton stalk by the high-speed photography technology.The samples were the ripe cotton stalks with the diameter of 11.7-13.2 mm,and the moisture content of 31%-37%,which were collected from a cotton field located at Shanghe County,Shandong Province.The results obtained from the response surface test showed that the effects of the width of the knife section,the height of the knife section cutting edge,and the width of the leading end on the objective value(the cutting effective rate)were significantly different(P<0.01),and the effects of the interactions between the width of the knife section and the height of the knife section cutting edge,between the width of the knife section and the width of the leading end,and between the height of the knife section cutting edge and the width of the leading end on the objective value were also significantly different(P<0.01).By analyzing the sequence images of cutting process of cotton stalk from the cutting test by the high-speed photography technology for cotton stalk,it was known that the effects of the different profile of the leading ends on the cutting quality of cotton stalk and the height of the stubble of cotton stalk were significantly different.It was concluded that the optimal combination of the knife section structural parameters of cotton stalk reciprocating cutter was that the width of knife section was 90 mm,the height of knife section cutting edge was 52 mm,the width of leading end was 15 mm,and the profile of leading end was arc-shaped.On the basis of the results of the verifying tests,it was found that the cutting effect of cotton stalk for cotton stalk reciprocating cutter with the new knife section was good,the height of cotton stalk cutting stubbles of the optimized knife section was 5.9 mm shorter than the standard knife section′s,the average value of cutting power per unit area of cotton stalk for the optimized knife section was 6.1%less than the standard knife section′s,and the smoothness of cutting stubble section of cotton stalk for the optimized knife section was 12%more than the standard knife section′s.The results of this research can provide technical support not only for developing a new cotton stalk cutter,but also for designing the equipment for harvesting hard stalk with a large planting area.

mechanization;cutting equipment;optimization;cotton stalk;knife section;response surface analysis method; reciprocating cutter;optimizing design

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.006

S225

A

1002-6819（2016）-06-0042-08

2015-10-30

2016-01-28

國家“863”計劃資助項目（2009AA043601）；教育部博士點基金項目（20133702110011）；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金項目。

宋占華，男，山東臨清人，講師，博士，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械設(shè)計及理論研究。泰安 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，271018。Email:songzh6688@163.com；農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員（E040000302A）。

※通信作者：李法德，男，山東濰坊人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事新型農(nóng)業(yè)裝備、農(nóng)產(chǎn)品加工機械關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)理論及產(chǎn)品的開發(fā)研究。泰安 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，271018。

Email:lifade@sdau.edu.cn；農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員（E041200051S）。