作物收獲機(jī)械往復(fù)式切割器切割性能測(cè)試方法與試驗(yàn)設(shè)備研究進(jìn)展

張悅湘，羅海峰，張?zhí)耢o

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)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(zhǎng)沙 410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

1 引言

切割器是作物收獲機(jī)械上的核心工作部件，其工作性直接影響田間收獲情況，切割平穩(wěn)、振動(dòng)小的切割器可以提高收獲質(zhì)量。其結(jié)構(gòu)和作業(yè)效果應(yīng)滿(mǎn)足不漏割、不堵刀、切割功耗小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)，振動(dòng)小，割茬低且整齊等要求。作物莖稈的物理特性、切割器運(yùn)動(dòng)方式以及切割刀片等因素都將對(duì)切割器的切割過(guò)程產(chǎn)生影響。目前在切割理論、切割器結(jié)構(gòu)、切割刀片的形狀、切割器性能試驗(yàn)等領(lǐng)域都獲得了顯著的研究進(jìn)展。

切割器主要分為往復(fù)式切割器、圓盤(pán)式切割器、回轉(zhuǎn)式切割器三類(lèi)，由于往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，因此在作物收獲機(jī)械上得到了廣泛的應(yīng)用。往復(fù)式切割器動(dòng)刀片因慣性產(chǎn)生的振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致切割過(guò)程中作物莖稈晃動(dòng)和傾斜。同時(shí)，切割時(shí)間較長(zhǎng)、刀片多次切割等因素，會(huì)導(dǎo)致割茬整齊度不高，對(duì)于油菜等莖稈堅(jiān)硬且易于脫粒的作物，還會(huì)導(dǎo)致較大的落粒損失。進(jìn)而對(duì)往復(fù)式切割器進(jìn)行切割性能測(cè)試與分析具有重要的研究意義，文章以往復(fù)式切割器切割性能測(cè)試方法和試驗(yàn)設(shè)備為研究對(duì)象，從力學(xué)特性測(cè)試、虛擬樣機(jī)研究、試驗(yàn)裝置等三個(gè)方面進(jìn)行綜合調(diào)研與分析，并提出個(gè)人對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的建議。

2 往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)與作業(yè)特點(diǎn)

目前，國(guó)內(nèi)外聯(lián)合收割機(jī)所使用的切割器以往復(fù)式切割器為主。往復(fù)式切割器由動(dòng)刀片、定刀片、護(hù)刃器、曲柄等工作部件組成（圖1），往復(fù)式切割器利用動(dòng)刀片的往復(fù)運(yùn)動(dòng)切割作物莖稈。通過(guò)動(dòng)刀平面的數(shù)量可以將切割器分為單動(dòng)刀切割器和雙動(dòng)刀切割器，單動(dòng)刀往復(fù)式切割器往復(fù)慣性力較大，導(dǎo)致振動(dòng)強(qiáng)烈，雙動(dòng)刀切割器往復(fù)慣性力較小，振動(dòng)小，可以達(dá)到更高的切割速度。對(duì)于大多數(shù)往復(fù)式切割器，動(dòng)刀軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一般通過(guò)偏心軸式曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成切割器動(dòng)刀的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和良好的經(jīng)濟(jì)性，曲柄連桿機(jī)構(gòu)目前仍然是往復(fù)式切割器上最常用的驅(qū)動(dòng)方式，并且其結(jié)構(gòu)一直未被大幅修改。除此之外，也有采用擺桿、行星齒輪、搖臂或者擺環(huán)等傳動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖1往復(fù)式切割器模型

由于往復(fù)式切割器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，動(dòng)刀和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)期間會(huì)產(chǎn)生往復(fù)慣性力，并且由此而產(chǎn)生振動(dòng)是往復(fù)式切割器的主要技術(shù)難關(guān)。在聯(lián)合收割機(jī)的工作中，往復(fù)式切割器的往復(fù)慣性力大，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的振動(dòng)影響較大，也帶來(lái)噪音大的問(wèn)題，且易產(chǎn)生落粒損失。并且由于切割速度被限制，使得聯(lián)合收割機(jī)的作業(yè)速度較低，只有通過(guò)增加收獲幅度來(lái)增加收獲效率。對(duì)于改善往復(fù)式切割器的振動(dòng)，平衡往復(fù)慣性力，目前主要采用配重法。

3 切割力學(xué)特性測(cè)試與分析

3.1 切割力測(cè)試與分析

在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)切割莖稈施加切割力，并通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，測(cè)試系統(tǒng)包括力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等。

通過(guò)目前的研究數(shù)據(jù)得出，影響切割力最大的兩個(gè)因素是切割速度和切割位置。隨著切割速度的增加，在切割點(diǎn)傳遞變形的時(shí)間減短，導(dǎo)致切割力減??；切割位置離地面的高度增加也會(huì)降低切割力的大小。除此之外，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，鋸齒形刀具的切割力相對(duì)光刀較小，滑切是最為省力的切割方式。隨著削切角的增加，切割力將先呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，當(dāng)削切角度增加至僅憑法向切削力來(lái)切割莖稈時(shí)，切割力又將呈上升趨勢(shì)（圖2）。

圖2削切角對(duì)玉米莖稈切割力的影響曲線(xiàn)圖

3.2 切割功率測(cè)試與分析

切割功率包括切割器空轉(zhuǎn)消耗的功率以及切割作物莖稈消耗的功率。測(cè)量切割功率的方法有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。通過(guò)電阻應(yīng)變片傳感器、壓電晶體式傳感器等直接測(cè)量屬于直接測(cè)量法。間接測(cè)量是依據(jù)往復(fù)式切割器的轉(zhuǎn)速和扭矩的數(shù)值，通過(guò)計(jì)算得到切割功率。轉(zhuǎn)速通過(guò)安裝于主軸的轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量，扭矩通過(guò)扭矩傳感器測(cè)量。

綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，切割速度和動(dòng)刀組數(shù)是影響切割功率的主要因素，其次是切割刀片的長(zhǎng)度，除此之外，莖稈喂入速度、刀刃類(lèi)型等因素對(duì)切割功率的影響不大。

4 虛擬樣機(jī)的研究

AMAMS[1]一款機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件，可以進(jìn)行往復(fù)式切割器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真，在此基礎(chǔ)上對(duì)切割器的工作參數(shù)進(jìn)行單因素和多因素交互試驗(yàn)，以達(dá)到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的。同時(shí)還可利用SIMULINK[2-3]模塊庫(kù)再結(jié)合系統(tǒng)本身的數(shù)學(xué)模型來(lái)構(gòu)建仿真模型，該技術(shù)是時(shí)域仿真的一種，可以更加直觀地反映參數(shù)隨時(shí)間的變化。為獲取根切器切割軌跡、幾何參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量、切割損失的影響，劉慶庭[4-8]等在AutoCAD的ObjectARX[9-11]環(huán)境下構(gòu)建了切割器的虛擬樣機(jī)。而基于labview虛擬儀器[12-13]實(shí)現(xiàn)了切割試驗(yàn)裝置的速度連續(xù)調(diào)節(jié)、切割參數(shù)即時(shí)采集與顯示等功能。除此之外還可以利用Admas、Abaqus[14-16]軟件對(duì)往復(fù)式切割過(guò)程進(jìn)行仿真分析，對(duì)樣機(jī)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)、優(yōu)化都具有重要作用。

為減少外界干擾對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，宋占華[17-21]設(shè)計(jì)了一款抗干擾系統(tǒng)，采用帶有光耦隔離作用的數(shù)據(jù)采集卡，信號(hào)線(xiàn)均使用屏蔽線(xiàn)，運(yùn)行測(cè)控系統(tǒng)的工控機(jī)通過(guò)隔離變壓器單純供電。軟件方面，為濾除干擾信號(hào)采用低通濾波技術(shù)。

為獲得更好的切割質(zhì)量和保證刀片的使用壽命，林茂[22-23]利用proe軟件建立了各種刀片的三維模型，導(dǎo)入Ansys軟件后設(shè)置節(jié)點(diǎn)和劃分網(wǎng)絡(luò)，對(duì)其刀刃刃角、切割位移、節(jié)點(diǎn)位置三個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行了刀片應(yīng)力仿真，得到了各種刀片的應(yīng)力圖和變形圖。為考核機(jī)械結(jié)構(gòu)是否會(huì)因?yàn)楣逃姓駝?dòng)頻率而破壞，需要對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行有限元分析。目前可以通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)切割機(jī)架、切割主動(dòng)軸、關(guān)鍵部位的刀片進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估。

向陽(yáng)[24]通過(guò)Visual Studio可視化應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)了一款分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對(duì)往復(fù)式切割器的動(dòng)刀片進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，并在此基礎(chǔ)上得出漏割區(qū)域、重割區(qū)域、一次切割區(qū)域（圖3）三類(lèi)切割區(qū)域面積的計(jì)算方法。提出了一種基于步進(jìn)運(yùn)算的工作特性分析方法，可對(duì)三類(lèi)切割區(qū)域面積進(jìn)行連續(xù)運(yùn)算分析。該分析系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的圖像擬合方法而言，使用更加便捷，計(jì)算結(jié)果更加精準(zhǔn)，同時(shí)不需要依賴(lài)第三方軟件平臺(tái)。為往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化提供了參考工具。

圖3往復(fù)式切割器典型切割圖

切割屬于高速運(yùn)動(dòng)，由于慣性而產(chǎn)生的振動(dòng)較大，因此需要對(duì)切割器進(jìn)行模態(tài)分析。馬攀宇[25]通過(guò)workbench軟件對(duì)切割器的關(guān)鍵部位進(jìn)行模態(tài)分析，以防止因刀具運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)造成切割器部件的變形，導(dǎo)致機(jī)具作業(yè)中斷、受損，甚至刀軸連接的刀盤(pán)刀片、軟軸等零件飛出傷人。

5 切割力學(xué)特性試驗(yàn)裝置研究

近年來(lái)，為改善切割器工作性能，大量學(xué)者在設(shè)計(jì)切割器的同時(shí)，也在研究可獲得更好試驗(yàn)數(shù)據(jù)的切割試驗(yàn)裝置。切割試驗(yàn)裝置是用來(lái)對(duì)各種作物莖稈進(jìn)行切割試驗(yàn)，研究其切割器切割性能。切割試驗(yàn)裝置由固定裝置、切割裝置、動(dòng)刀系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)組成，通過(guò)該裝置可以模擬田間實(shí)際工作環(huán)境，調(diào)節(jié)切割器工作參數(shù)。除此之外，為更加詳細(xì)的記錄切割過(guò)程，有些試驗(yàn)臺(tái)還具備攝像功能。

田間切割需要適應(yīng)株距、切割高度、切割角度、切割速度等作業(yè)參數(shù)變化。鄧玲黎[26-27]所研制的玉米切割試驗(yàn)臺(tái)（圖4）能夠?qū)崿F(xiàn)單株切割，成行切割，不同倒伏度、不同含水率等多種情況下的切割試驗(yàn)，并借助于高速攝像設(shè)備對(duì)玉米莖稈切割過(guò)程進(jìn)行記錄，為后續(xù)的研究分析提供依據(jù)。

圖4玉米切割仿真試驗(yàn)機(jī)

為測(cè)定切割力和切割功耗之間的關(guān)系，江蘇大學(xué)李耀明[28-29]等研制了擺切式莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)（圖5）。根據(jù)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制莖稈切割力連續(xù)變化曲線(xiàn)圖，通過(guò)該曲線(xiàn)求出切割功耗，并分析削切角、莖稈外皮與節(jié)點(diǎn)、切割速度、切割位置等因素對(duì)切割功耗和切割力的影響。

圖5擺動(dòng)式切割試驗(yàn)臺(tái)

為獲得影響切割力的因素，吳明亮[30-31]在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)作物莖稈施加切割力，并通過(guò)力傳感器測(cè)得切割力，位移傳感器測(cè)得切割速度。依據(jù)往復(fù)式切割器的切割原理，為獲得更好的切割效果，將油菜莖稈的一端夾持固定，另一端利用球面支架支撐，設(shè)計(jì)了一款雙支撐切割試驗(yàn)臺(tái)（圖6）。

圖6切割試驗(yàn)臺(tái)

為測(cè)定不同含水率及不同高度的向日葵殘余莖稈的切割力學(xué)特性，InceA[32]對(duì)向日葵殘余莖稈進(jìn)行了剪切試驗(yàn)，所用的剪切試驗(yàn)臺(tái)如（圖7）所示，通過(guò)分析剪切應(yīng)力及剪應(yīng)變比能與莖稈含水量之間的關(guān)系，可以為選擇合理的向日葵殘余莖稈切割時(shí)間和切割高度提供參考依據(jù)。

圖7向日葵莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)

目前還可以通過(guò)高速攝像系統(tǒng)[33-39]得到被研究作物莖稈在高速切割情況下所表現(xiàn)出來(lái)的切割力與切割速度的關(guān)系模型。同時(shí)孟海波在高速攝像的基礎(chǔ)上加上了加速系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，該裝置可以有效地記錄切割的全過(guò)程。

圖8高速攝像實(shí)拍圖

圖9高速攝像設(shè)備

6 問(wèn)題與對(duì)策

（1）仿真技術(shù)的興起為作物莖稈切割提供了新的試驗(yàn)方法，目前，國(guó)內(nèi)仿真試驗(yàn)裝置的幾何模型和材料模型所設(shè)定的參數(shù)主要是針對(duì)金屬和石材，作物莖稈的模型不夠完善，許多作物只能找相似模型修改參數(shù)代替。

（2）高速攝像技術(shù)是近年來(lái)興起的高科技測(cè)量技術(shù)，可以記錄物體在高速狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，將高速攝像技術(shù)與計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)相結(jié)合，可以更加高效地記錄所需數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量的人力物力。高速攝像機(jī)在各學(xué)科的應(yīng)用十分廣泛，但莖稈切割實(shí)驗(yàn)中對(duì)該技術(shù)的使用并不普遍。目前主要是使用單一攝像機(jī)，所得到的是二維坐標(biāo)的平面，不能真實(shí)地反映三維空間的坐標(biāo)情況。

（3）由于時(shí)間和季節(jié)限定，在許多試驗(yàn)上只采取了該作物其中的少部分品種進(jìn)行了試驗(yàn)和對(duì)比分析，后續(xù)結(jié)果分析也是在該試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，數(shù)據(jù)十分有限，存在局限性。因?yàn)橥?lèi)不同種的作物生長(zhǎng)條件不同、存在特性差異，因此需要選取更多的樣本進(jìn)行試驗(yàn)。

（4）在智能化高速發(fā)展的時(shí)代，如何有效利用智能技術(shù)也是需要攻克的問(wèn)題之一。后續(xù)發(fā)展可以充分考慮在割臺(tái)上實(shí)現(xiàn)智能化控制，利用視覺(jué)技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，通過(guò)傳感器檢測(cè)試驗(yàn)進(jìn)展。

7 結(jié) 語(yǔ)

現(xiàn)有的往復(fù)式切割試驗(yàn)包含往復(fù)式切割試驗(yàn)臺(tái)、仿真模擬技術(shù)等方面，往復(fù)式切割試驗(yàn)是通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M田間作業(yè)所面臨的情況，以獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)改良切割裝置。一臺(tái)能調(diào)節(jié)各種工作參數(shù)從而達(dá)到最大限度的模擬實(shí)際情況的試驗(yàn)臺(tái)是切割試驗(yàn)的關(guān)鍵?；诂F(xiàn)有的理論研究，近年來(lái)興起的仿真模擬技術(shù)為試驗(yàn)者帶來(lái)了更大的便捷性，也消減了因天氣和氣候?qū)υ囼?yàn)帶來(lái)的影響。

隨著智能化的到來(lái)，人工智能技術(shù)與切割試驗(yàn)結(jié)合是必然的選擇和趨勢(shì)。人工智能帶來(lái)的是更高精度的調(diào)整，更加細(xì)微的記錄，使得試驗(yàn)的數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)和完善。加強(qiáng)人工智能技術(shù)與切割器的結(jié)合將是促進(jìn)切割性能發(fā)展的重要支撐。