番茄藤秸稈高效切割的機理及仿真研究

郭 茜，張西良，徐云峰，李萍萍，陳 成

(1.江蘇大學 a.機械工程學院；b.農業(yè)工程研究院現代農業(yè)裝備與技術省部共建教育部重點實驗室/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.南京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境學院，南京 210037)

番茄藤秸稈高效切割的機理及仿真研究

郭 茜1a，張西良1a，徐云峰1b，李萍萍2，陳 成1a

(1.江蘇大學 a.機械工程學院；b.農業(yè)工程研究院現代農業(yè)裝備與技術省部共建教育部重點實驗室/江蘇省重點實驗室，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.南京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境學院，南京 210037)

番茄是我國重要的蔬菜作物之一，其大面積種植帶來了嚴重的秸稈處理問題。由于番茄藤秸稈根部表皮較厚，有較多的維管束，具有較強的抵抗外載荷的能力，不易切斷，其切割方式、切割刀片及切割參數等對切割性能都具有重要影響。通過對番茄藤秸稈專用切割刀片切割力學分析和切割力計算分析研究了番茄藤秸稈高效切割的機理。建立了番茄藤秸稈高效切割模擬模型，運用仿真技術對番茄藤秸稈切割過程進行了有限元分析；對不同結構參數切割刀片進行切割對比試驗。結果表明：①切割力隨著秸稈橫截面積的增加，隨著刀片楔角的增加而逐漸增大，隨著刀片后角的增加呈下降的趨勢；②隨著切割速度的增加，刀片切割應力有一定的增大，切割能量損耗加大，仿真分析得到的最大切割應力和理論計算結果在數值上較接近，證明了所推導的刀片切割力計算方法的正確性，驗證了秸稈切割模型的合理性；③專用等滑切角(40°)鋸齒型刀片與等滑切角平型刀片和普通刀片相比，2 kg的番茄藤切割電能最小，為0.18kW·h，切割時間最短，為2min，切割效率最高，切割后粗細均勻，效果也最好。該研究揭示了采用等滑切角鋸齒型刀片對番茄藤秸稈高效切割機理和性能，為研制番茄藤秸稈專用切割機及實現高效切割提供了理論和試驗依據。

番茄藤秸稈；切割機理；仿真；切割刀片；切割力

0 引言

番茄是中國重要的蔬菜作物之一，具有健脾開胃、除煩潤燥、營養(yǎng)豐富等優(yōu)點，種植面積已達6萬hm2余，其大面積的種植帶來了嚴重的秸稈廢棄及焚燒等問題。面對越來越嚴峻的大氣污染和環(huán)境保護壓力，必須對秸稈資源進行深度開發(fā)和綜合利用。秸稈資源綜合利用的首要環(huán)節(jié)就是秸稈切割。由于番茄藤秸稈的材料特性不同于一般的秸稈材料，其切割方式、切割刀片及切割參數等對秸稈的切割性能都具有重要影響，研究揭示其高效切割機理對促進秸稈資源綜合利用率提高具有重要作用。

近年來，國內外學者對秸稈切割機理及仿真研究都做了一定的探索：劉慶庭等[1-2](2007年)提出了從甘蔗莖稈物理力學特性和材料特點來研究其切割機理，并指出采用計算機仿真技術的有效手段；黃漢東等[3](2011年)利用ANSYS/LS-DYNA對甘蔗切割過程進行了有限元仿真，研究了刀具傾角、切割速度對切割力、切割功耗的影響；王麗娟等[4](2013年)應用SolidWorks建立了玉米秸稈-切割刀片參數化模型，模擬了刀片切割玉米秸稈的過程；刁培松等[5](2011年)運用ANSYS/LS-DYNA軟件對轉子銑刀切割莖稈進行模態(tài)分析，找出了耗能的顯著影響因素及轉子銑刀作業(yè)參數的最佳組合；曹玉等[6]，王妍等[7]，李景彬等[8]分別對玉米秸稈和棉稈的切割力學性能進行了試驗研究；O’Dohgeyrt等[9-10](1991年)分析了割刀參數、受切根數、切割速度等因素對切割過程的影響；McRnadal等[11]對秸稈切割能耗的研究提出，當速度從20m/s提高到60m/s時，比切割能耗下降25%；Kentaro等[12]，Hirai等[13]，Majibur等[14]對稻稈、麥稈和苧麻的切割性能進行了研究。

從國內外的研究現狀來看，秸稈切割的研究對象多是甘蔗、玉米等常見農作物秸稈，而對如番茄藤秸稈這類的藤莖類秸稈的切割研究偏少；此外，大多為試驗研究，仿真研究的較少，深入系統的理論研究更少。對藤莖類秸稈的切割過程及機理了解較少，導致切割生產效率低、功耗高。因此，有必要開展番茄藤高效切割的機理研究，為高效、低功耗切割機械的研發(fā)提供理論基礎和依據。

1 材料和方法

1.1 番茄藤秸稈切割刀片及其力學分析

1.1.1 切割刀片設計

基于對數螺線方程建立的等滑切角刀片刃線方程為

其中，C為刀片安裝位置到極點O的距離(mm)，是常數；θ為刀片的初始角度(°)；K為常數，K=tgτ，τ為刀片滑切角(°)。

1.1.2 切割刀片力學分析

在秸稈切割過程中，刀片對秸稈的作用發(fā)生在前刀面、后刀面和刀刃3個部分。刀刃處雖然應力較大，但表面積小，刀刃作用在總作用中所占的比例較小，忽略不計[15]。由于刀片刀刃為等滑切角鋸齒型，為簡化問題，將秸稈的橫截面積近似認為一個圓形，考慮一個刀齒的受力情況(見圖1)，其切削速度垂直于刀刃方向，秸稈纖維方向亦垂直于刀刃方向，依據力學投影和合成方法計算得到進料口支承位置對秸稈的作用力Fx、Fy。

圖1中，ε為進料槽斜角(°)；α為刀片后角(°)；β為刀片楔角(°)；μ為秸稈運動方向；v為刀片運動方向；FaN為正壓力(N)；Faf為摩擦阻力(N)；Fax為

刀片后刀面對秸稈作用力X方向的分力(N)；Fay為刀片后刀面對秸稈作用力Y方向的分力(N)；Fa為刀片后刀面對秸稈的作用力(N)；Frx為刀片前刀面對秸稈X方向的作用力(N)；Fry為刀片前刀面對秸稈Y方向的作用力(N)；Fr為刀片前刀面對秸稈的作用力合力(N)；Fx為進料口支承位置對秸稈的X方向的作用力(N)；Fy為進料口支承位置對秸稈的Y方向的作用力(N)。

圖1 等滑切角鋸齒型專用切割刀片的刀齒受力分析

根據刀齒的受力分析，可以得到

則切斷整根秸稈的平均力為

刀片受到的合力為

式中x—秸稈瞬時切削深度(m)；

S(x)—秸稈瞬時切削面積(m2)；

r—秸稈半徑(m)；

τ//—秸稈順紋理剪切強度(N/m2)；

fc—附加阻力系數,由試驗測定；

α—刀片后角；

β—刀片楔角；

ε—進料槽斜角；

φα—后刀面與秸稈摩擦角；

φγ—前刀面與秸稈摩擦角。

其中，φγ=arctanμγ；μγ為前刀面與秸稈摩擦因數, 一般在0.5～0.75之間,與刀片滑切角有關。

1.2 番茄藤秸稈切割的有限元模型建立

1.2.1 切割模型的簡化

在其他三維軟件中建立切割模型，然后導入ANSYS軟件中，建模時可綜合考慮實際的切割狀況，簡化藤莖類秸稈切割的數值模擬模型：

1)假設秸稈為等截面圓柱直桿，不考慮不規(guī)則形狀；

2)建模對象為單根秸稈，不考慮秸稈之間的互相牽連；

3)忽略刀片工作過程中受到的振動及前后波動的作用，假設刀片始終處于同一平面，也就是切割路線為一直線；

4)切割時將秸稈固定，選擇刀片的切割速度方向為其運動方向；

5)把有效切割刀片看成是一個整體；

6)切割方式為單支撐切割(即刀片是一支承)，把這個支承看成一個和切割合成速度方向相反的限制；

7)將秸稈的幾何形狀簡化直徑D為8mm，高度為120mm的圓桿，不考慮節(jié)隔處纖維細胞的強化現象。

1.2.2 有限元模型建立過程

1)在ANSYS/LS-DYNA中導入在Pro/E三維繪圖軟件中建立的刀片切割秸稈的實體模型，如圖2所示。刀片和秸稈都選擇實體單元類型3D SOLID164。

圖2 番茄藤秸稈切割的實體模型

2)選擇Rigid Material定義刀片材料，刀片材料為65Mn，材料的性能指標如表1所示。在窗口中輸入材料的主要參數，并且給定刀片材料的自由度約束。

表1 65Mn的性能指標

在New Models中定義秸稈材料，本例中以番茄藤秸稈的參數進行計算，將材料參數輸入Johnson-Cook中，如表2所示。

4)創(chuàng)建PART，選擇接觸。在軟件中創(chuàng)建PART，將刀片和秸稈分別定義為Part1和Part2。接觸類型選擇為面一面侵蝕接觸，選擇Eroding(ESTS)即侵徹模型，靜態(tài)摩擦系數是0.15，動態(tài)摩擦因數是0.10。侵徹模型中，刀片為接觸Part，秸稈為目標Part。

表2 番茄藤秸稈的主要參數

3)劃分刀片切割秸稈網格包括：①刀片劃分。選擇刀片單元類型及刀片材料編號，設置網格劃分的精度。②秸稈的劃分。選擇秸稈單元類型及秸稈材料編號，網格劃分后的刀片切割秸稈模型如圖3所示。

圖3 番茄藤秸稈切割的有限元模型

5)創(chuàng)建組件，施加約束和初始條件。選擇秸稈節(jié)點創(chuàng)建組件，對秸稈底面施加全自由度約束，設置刀片的初始旋轉速度。

6)求解(輸入文件格式、時間、時間步及ASC11文件)。打開所有能量開關，設置求解時間和輸出文件格式，設置輸出步長，在K文件輸出對話框中選擇ANSYS and LS-DYNA，完成K文件的輸出。

1.3 番茄藤秸稈切割試驗

1.3.1 試驗材料

試驗材料采用某農莊溫室大棚的成熟期番茄藤，收獲后經自然陰干6天進行切割試驗。試驗采用干燥法測秸稈含水率。在試驗開始前，為防止機器損害或事故，需先檢查秸稈樣品中是否存在石塊或其他硬物。

1.3.2 試驗設備

本試驗中使用的設備主要有曲阜新陽機械科技有限公司生產的3FC-500型小型秸稈切割粉碎機、昆山市閩昆電子有限公司生產的KTJ228型秒表、上海力衡儀器儀表有限公司生產的XK3150型電子臺秤，以及北京中西遠大科技有限公司生產的CN69M/BX85型數字電能表等。記錄開、關機時刻的數字電能表讀數來計算消耗的功率，記錄下開、關機時刻作為切割時間，通過切割時間來考察切割效率。

1)切割刀片：包括普通刀片、滑切角為40°的等滑切角平型刀片和滑切角為40°的等滑切角鋸齒型刀片。不同刀片如圖4所示。

2)切割速度：切割時刀軸轉速為4 000r/min。按照切割半徑計算，切割速度在85m/s左右。

(a) 普通刀片

(b) 40°等滑切角平型刀片

(c) 40°等滑切角鋸齒型刀片

1.3.3 試驗方案

試驗針對番茄藤秸稈，在單次加料量2kg時，對65Mn的普通刀片、滑切角為40°的等滑切角平型刀片和滑切角為40°的等滑切角鋸齒型刀片3種刀片類型進行單因素切割試驗，通過測試分析切割功耗和切割效率，驗證設計的專用切割刀片對藤莖類秸稈的適應性。

2 結果與討論

2.1 番茄藤秸稈切割刀片及其力學分析

2.1.1 切割方式選擇

依據對傳統秸稈切割理論分析、番茄藤秸稈特性和特點，以及應用秸稈制作栽培基質的切割要求，番茄藤秸稈適合采用滑切的切割方式，并且適宜采用滑切中的傾斜切割方式。

通過對番茄藤秸稈纖維組織結構微觀觀察分析發(fā)現，番茄藤秸稈是一種復合材料，其微觀組織結構主要包括表皮、皮層、維管束和髓，呈分布不均勻的篩孔狀。秸稈抵抗破碎的強度主要來自于表皮、皮層和維管束，而髓主要起連接和傳遞載荷的作用。番茄藤根部的機械組織比較發(fā)達，維管束較多，表皮較厚，因此根部抵抗變形的能力均高于中部和頂部[16]。因此，番茄藤秸稈適合采用滑切的切割方式。

2.1.2 切割刀片設計

設計的等滑切角鋸齒型專用切割刀片如圖5所示。其中，刀片刃線是根據刃線方程取滑切角τ為40°、鋸齒角為60°時，計算后繪制得到的。

刀片在切割秸稈時需要承受較高的切割阻力，工作環(huán)境惡劣，刀片既要具備足夠的強度和耐磨性，又要具備較高的韌性。因此，刀片選用65Mn，精密鍛壓成型，并進行淬火處理。

傳統的秸稈切割粉碎機上采用的切割刀片多為直線刃刀片，切割過程中存在滑切角變化幅度較大、切割阻力矩變化迅速、切割效果差及功耗高等問題。根據番茄藤秸稈微觀結構和拉伸力學和剪切力學特性[16-19]，基于對數螺線方程，設計了藤莖類秸稈專用等滑切角鋸齒型切割刀片。當刃口沿材料切向滑移時，這些齒的齒端在切割材料纖維上[20]，一方面做向前的鋸齒切割運動，另一方面做向下的切割運動，兩方面聯合作用，秸稈材料更容易被切斷。

2.1.3 番茄藤秸稈切割力計算結果與分析

利用前面的計算公式，可以對切割力進行理論計算。將各已知參數及不同徑級秸稈代入公式,秸稈順紋理剪切強度以番茄藤剪切力學特性試驗中測得的數據選取。圖6為根據公式計算得到的切割力與橫截面積、刀片楔角和刀片后角的關系。

圖6 切割力與橫截面積、刀片楔角和刀片后角的關系

通過對圖6分析發(fā)現：

1)切割力隨著秸稈橫截面積的增加而增大。這是由于秸稈直徑的增加導致其橫截面積的增大，在切削過程中受到切割變形的秸稈面積增加，使得刀片受到的抵抗切割變形的切割力也相應增大。

2)切割力隨著刀片楔角的增加而增大。這是因為當刀具楔角增大時，刀具的后角減小，材料的塑性變形增加，沿刀片后刀面的摩擦力也增加，因此切割力增加。

3)切割力隨著刀片后角的增加呈下降的趨勢。這是由于刀片的后角大小，決定著刀片后刀面與秸稈表面的摩擦情況。后角大，摩擦力小，切割力相應減??；但后角太大會使刀片強度減弱。因此，在切割過程中，要根據切割條件選擇合適刀片后角。

2.2 番茄藤秸稈切割的仿真結果與分析

通過對不同刀片轉速下的切割模擬過程求解分析，獲得相應的番茄藤秸稈上最大應力、單根秸稈切斷能量曲線。圖7為刀片轉速為4 000r/min時，刀片切割秸稈的應力云圖。圖8(a)、(b)分別為切割過程中秸稈的能量變化圖和合成界面力。

圖7 刀片轉速為4 000r/min時番茄藤秸稈切割過程的應力云圖

(a) 能量變化圖

(b) 合成界面力變化圖

通過圖7可以查看，番茄藤秸稈上最大等效應力及秸稈的破壞情況，從而確定刀片的承載能力。從圖7中可以看出：當刀片剛剛切入秸稈表皮時，表皮發(fā)生破壞所需的切割應力達到最大值，然后切割應力逐漸減小。其最大切割應力為1.726e-4MPa，由理論公式計算得到的最大切割應力為2.09e-4MPa，兩者數量級相符。

通過圖8(a)、(b)可以了解秸稈切割過程中能量損耗及切割界面中切割力的分布情況，從而了解秸稈的切割破碎情況。從圖8中可以看出：刀片切割番茄藤時，能量損耗逐漸增大，當秸稈表皮被破壞發(fā)生斷裂時，能量損耗達到最大值0.44J，合成界面力達到最大值0.39N，然后能量損耗和合成界面力逐漸下降。

圖9所示為不同轉速時最大能量損耗，圖10所示為不同轉速時理論計算和仿真分析得到的最大切割應力對比圖。

圖9 不同轉速時最大能量損耗變化圖

圖10 不同轉速時理論計算與仿真分析最大切割應力對比圖

從圖9切割速度對最大能量損耗影響分析可以得到：隨著切割速度的增加，刀片切割番茄藤秸稈的切割應力也有一定的增大，切割能量損耗加大。這是由于切割速度的增加使得單位時間內刀片切割秸稈的頻率增加，秸稈受到切割力作用的頻率增大，導致切割應力的增加和切割能量損耗加大。

從圖10理論計算和仿真分析結果對比分析可以得到：最大切割應力仿真結果和理論計算在數值上比較接近，從而證明了所推導的刀片切割力計算方法的正確性，驗證了秸稈切割模型的合理性。數值上誤差主要是由于兩者所考慮到的情況無法完全相同，有限元模型基于對具體結構參數適當簡化、秸稈平均幾何尺寸和平均工程常數。因此，模擬分析結果具有一定的理論指導意義。

2.3 番茄藤秸稈切割試驗結果與分析

圖11為3種不同刀片類型與切割電能、切割時間的關系。切割后的番茄藤秸稈狀況，如圖12所示。

圖11 刀片類型與切割電能和切割時間關系

(a) 普通刀片

(b) 40°等滑切角平型刀片

(c) 40°等滑切角鋸齒型刀片

由圖11可知：切割2kg的番茄藤時，滑切角為40°的等滑切角鋸齒型刀片與等滑切角平型刀片和普通刀片相比，切割電能最小，為0.18kW·h，切割時間最短，為2min，切割效率最高，切割優(yōu)勢明顯；滑切角為40°的等滑切角平型刀片次之；而普通刀片消耗的切割電能最大，為0.32kW·h，切割時間最長，為4min，切割效率最低，電能及時間均為等滑切角鋸齒型刀片的2倍左右，為等滑切角平型刀片的1.5倍左右。

由圖12可知：滑切角為40°的等滑切角鋸齒型刀片切割出番茄藤秸稈比較細，有部分秸稈已經呈粉碎狀態(tài)，說明刀片的切割效果比較好；滑切角為40°的等滑切角平型刀片的切割效果次之，還有部分形狀偏大的秸稈；而普通刀片的切割效果不太理想，秸稈中形狀偏大的秸稈較多，后續(xù)需要進行的粉碎工作量較大。

3 結論

1)依據番茄藤秸稈纖維組織結構和力學特性，選擇了其滑切的傾斜切割方式，設計了番茄藤秸稈專用的等滑切角鋸齒型切割刀片。力學分析表明：切割力隨著秸稈橫截面積的增加而增大，切割力隨著刀片楔角的增加而增大，切割力隨著刀片后角的增加呈下降的趨勢。

2)建立了番茄藤秸稈切割有限元模型，并運用計算機仿真軟件對切割過程中的切割應力和秸稈的能量變化等進行仿真分析。結果表明：隨著切割速度的增加，刀片切割番茄藤秸稈的切割應力有一定的增大，切割能量損耗加大。仿真分析得到最大切割應力和理論計算的結果在數值上較接近，從而證明了所推導的刀片切割力計算方法的正確性，驗證了秸稈切割模型合理性。

3)利用專用切割刀片對番茄藤秸稈進行切割試驗，結果表明：在相同的切割條件下，切割2kg番茄藤時，滑切角為40°的等滑切角鋸齒型刀片消耗的切割電能最小，為0.18kW·h，切割時間最短，約2min，切割效率最高，切割后秸稈比較細且均勻，效果最好。

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Mechanism and Simulation Analysis of Efficient Cutting for Tomato Straw

Guo Qian1a， Zhang Xiliang1a， Xu Yunfenga1b， Li Pingping2， Chen Cheng1a

(1. a.School of Mechanical Engineering; b. Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education and Jiangsu Province， Institute of Agricultural Engineering, Jiangsu University,Zhenjiang 212013, China; 2.College of Forest Resource and Environment,Nanjing Forestry University,Nanjing 210037，China)

This paper studied the efficient cutting mechanism of tomato straw by cutting force analysis and cutting force calculation of special cutting blade for tomato straw. Also, efficient cutting simulation model of tomato straw is established and applied to the finite element simulation analysis for the tomato straw cutting process. And it finished the cutting contrast experiments for different structure parameters of cutting blade. The results showed that: (1) The cutting force gradually increases with the increase of straw cross-sectional area and blade’s wedge angle, and decreases with the increase of blade’s back angle. (2) With the increase of cutting speed, the blade’s cutting stress also increases as well as the cutting energy loss increases. The theoretical calculation of the maximum cutting stress is relatively closed with the simulation analysis results in value, which proves the correctness of the calculation method of blade cutting force theory derived in front, and verifies the rationality of straw cutting simulation model. (3) Compared with the ordinary blade and equal sliding-cutting angle flat blade, the cutting power of 2kg tomato vines cutting by the special equal sliding-cutting angle(40°) saw teeth type blades is the minimum which is 0.18 kw·h, the cutting time is 2min which is the shortest, the cutting efficiency is the highest, the cutting effect is the best, and the straw debris are uniform thickness after cutting.

tomato straw; cutting mechanism; simulation; cutting blade; cutting force

2016-11-07

“十二五”國家科技支撐計劃(農村領域)項目(2014BAD08 B04)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(CXLX12_0625)

郭 茜(1981-)，女，四川梓潼人，講師，博士研究生，(E-mail)20162903@qq.com。

張西良(1964-)，男，江蘇丹陽人，教授，博士生導師，(E-mail)190337373@qq.com。

S226.7;Q66

A

1003-188X(2017)11-0017-08