成熟期青稞莖稈切割力的測試與分析

王保愛，戴飛，辛尚龍，趙武云，田斌，張琴，張克勝

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

國內(nèi)外對作物莖稈力學(xué)特性的研究較多，主要是針對水稻、玉米、苧麻、甘蔗等作物莖稈力學(xué)特性參數(shù)的測定試驗研究，研究目的也大都局限于作物抗倒伏性能和機(jī)理，而對青稞莖稈的力學(xué)特性參數(shù)及切割力的影響因素目前還未見報道.

我國現(xiàn)階段的青稞機(jī)械化收獲正處于起步階段，幾乎見不到專門針對青稞的收獲機(jī)，目前用普通稻麥機(jī)進(jìn)行收獲較多，存在問題主要是青稞收獲籽粒損失大，作業(yè)效果不理想.國內(nèi)關(guān)于青稞機(jī)械收獲的研究也尚屬空白[1-4].實現(xiàn)青稞生產(chǎn)機(jī)械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于機(jī)械化播種和收割，而切割是青稞收割的主要工序，影響到整個青稞的收獲作業(yè).為此，本研究通過對青稞莖稈的切割力學(xué)特性及影響其切割力大小的因素進(jìn)行研究，旨在為后續(xù)青稞聯(lián)合收獲機(jī)割臺的研制提供重要的理論依據(jù)，并對降低青稞收獲機(jī)割臺損失及功率消耗具有重要意義.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料于2017年9月21日、24日、27日在甘肅省武威市天?？h安遠(yuǎn)鎮(zhèn)隨機(jī)采取‘紫色昆侖17號’青稞莖稈，選取生長良好、無病蟲害的新鮮植株，并盡量避免對莖稈的機(jī)械損傷，在自然狀態(tài)下齊地割下，離地高度為4 cm.試樣采回后立刻對其進(jìn)行含水率測試，測得含水率分別為19.4%、16.1%和12.8%，測試完畢隨即送到甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院力學(xué)實驗室進(jìn)行試驗，試驗時選取樣本160株，按莖稈直徑大小分若干組，每組由樣本直徑相近的植株10～15株組成，平均直徑為3.1 mm，株高1 182 mm.

1.2 試驗儀器與設(shè)備

試驗采用SANS公司的CMT2502型電子萬能材料試驗機(jī)(圖1)，對每組青稞樣本進(jìn)行切割試驗，并測定切割力大小，切割力由力傳感器和位移傳感器測定.該機(jī)最大載荷為500 N，精度為±0.001 N，速度在1～500 mm/min范圍內(nèi)由計算機(jī)控制.

圖1 CMT2502型電子萬能材料試驗機(jī)

目前國內(nèi)對青稞的研究較少，本試驗中所使用的切割刀為自制鋸齒形刀，具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)參照谷物聯(lián)合收獲機(jī)往復(fù)式切割器的動刀參數(shù)[5].刀片材料為T10，刀片厚度為2 mm，滑切角為σ(σ分別取20°，25°和30°)，割刀結(jié)構(gòu)如圖2所示，參數(shù)見表1.

1.3 試驗方案設(shè)計

目前，國內(nèi)專門針對青稞收割機(jī)的研究較少，多采用稻麥聯(lián)合收割機(jī)收割青稞，割臺為往復(fù)式切割刀，在收獲過程中，在往復(fù)式切割刀的沖擊載荷作用下會使莖稈產(chǎn)生振動，因此在試驗設(shè)計過程中盡可能反映其動態(tài)特性.收獲時青稞莖稈根部固定于土壤，割刀作用于青稞莖稈時，莖稈在產(chǎn)生一定的彎曲變形后將趨于瞬態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，同時，在往復(fù)式切割器動刀片、定刀片及護(hù)刃器的共同作用下，構(gòu)成雙支撐切割，青稞莖稈受剪切力作用而割斷.故在試驗中，將青稞莖稈一端用橡膠皮包裹夾持于試驗臺夾具上，另一端由一光滑球面支撐形成光滑面約束，兩支撐間的軸向距離控制在5～10 mm，形成雙支撐剪切模式，并由刀架上下運(yùn)動模擬往復(fù)式切割器的作用[6-8].同時，每次試驗所取青稞莖稈形狀、粗細(xì)基本一致.

圖2 割刀結(jié)構(gòu)

表1 割刀幾何參數(shù)

本試驗對處于收獲期的青稞莖稈進(jìn)行隨機(jī)采樣，主要針對青稞莖稈的收割部位(地表150～250 cm)做剪切力學(xué)性能對比試驗.以含水率、切割速度、滑切角度、切割位置為主要影響因素，以切割力為試驗指標(biāo)，結(jié)合Box-Behnken試驗設(shè)計原理，采用四因素三水平響應(yīng)面分析方法，對所選鋸齒形切割刀片進(jìn)行多因素交互作用試驗分析，借助Design-Expert 8.0.5軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，并對試驗結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到切割力的回歸方程[9-18].

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗

目前，國內(nèi)外的往復(fù)式切割器均已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，所以刀型對本試驗的影響不予考慮，本文從含水率、切割位置、滑切角度和切割速度4個因素入手，分析各因素對切割力的影響.

2.1.1 含水率、切割位置及滑切角度對切割力的影響試驗與分析 為了考察不同含水率、切割位置及滑切角度對切割力的影響[19]，保持切割速度在280 mm/min不變的情況下，對青稞離地高度的3個部位(離地高度15 cm、20 cm、25 cm)進(jìn)行切割試驗，分別選取滑切角為20°、25°和30°，含水率為19.4%、16.1%和12.8%的‘紫色昆侖17號’青稞莖稈做切割試驗，并記錄切割力的大小，試驗結(jié)果見表2[19].由表2可知，當(dāng)保持切割速度在280 mm/min不變時，在同一含水率下，滑切角為25°時的切割力最?。浑S著含水率的逐漸增大，滑切角為25°時的切割力也逐漸增大；同時，隨著切割位置離地高度的增加，切割力越來越小，因此，含水率越低，切割位置離地面越高，所需切割力越小.

2.1.2 切割速度對切割力的影響試驗與分析 動刀片切割速度是影響聯(lián)合作業(yè)機(jī)的主要因素之一，由以上分析可知，選取滑切角為25°的齒形刀，保持含水率在16.1%不變的情況下，通過改變電子萬能材料試驗機(jī)的工作參數(shù)，控制刀片切割速度分別在200、280、360 mm/min 3種環(huán)境下，測試齒形刀對青稞莖稈的切割力，并記錄切割力的大小，試驗數(shù)據(jù)見表3.由表3中數(shù)據(jù)可知，在所選齒形刀滑切角為25°，含水率在16.1%的切割試驗中，切割力隨著切割速度的增大而減小，同一切削速度下，隨著離地高度的增大，切割力減小[20-22].

表2 不同滑切角下青稞莖稈切割力測試值

2.2 響應(yīng)曲面法試驗方案

綜合上述單因素試驗的試驗結(jié)果與分析，采用Box-Behnken試驗設(shè)計原理，以含水率x1、切割位置x2、滑切角度x3和切割速度x4為自變量，切割力y為響應(yīng)值，試驗因素水平編碼如表4所示.

2.2.1 回歸模型的建立與檢驗 試驗結(jié)果如表5所示，借助Design-Expert 8.0.5軟件，對所得試驗結(jié)果進(jìn)行分析，獲得用因素編碼值表示的切割力y的二次回歸模型方程為：

(1)

對上述二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗，結(jié)果如表6所示.

表3 不同切割速度下青稞莖稈切割力測試值

表4 試驗因素水平表

表5 試驗響應(yīng)值結(jié)果

續(xù)表5 Continuedtable5試驗序號Testserialnumber因素水平Levelsx1:含水率Watercontentx2:切割位置Cuttingpositionx3:滑切角度Slipanglex4:切割速度Cuttingspeedy:響應(yīng)值Responsevalues6-1-10018.647100126.678011021.329101027.3410001-124.66110-10120.8912000021.1413-110015.44140-10-120.6715-101019.2616000021.1117010118.6918-10-1017.5619100-121.6720001123.6621-100-117.2322000021.1923000022.0324010-120.04250-1-1023.822600-1120.0327-100116.522801-1020.3329000020.14

表6 回歸方程方差分析

由表6可知，回歸模型的P<0.000 1，表明回歸模型極其顯著；失擬項P>0.05，失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與實際相符合，能正確反映剪切力y與x1、x2、x3、x4之間的關(guān)系，回歸模型可以較好地對優(yōu)化試驗中各種試驗結(jié)果進(jìn)預(yù)測.其中，模型的一次項x1(含水率)、x2(切割位置)和x3(滑切角度)影響極顯著，而x4(切割速度)影響不顯著；二次項x22、x32、x42影響極顯著；交互項x1x3、x1x4影響顯著，其余各項均不顯著.根據(jù)以上各因素回歸系數(shù)的大小，得到各因素的影響主次順序為：x1、x2、x3、x4，即含水率、切割位置、滑切角度、切割速度.

圖3 交互作用對切割力的影響

2.2.2 模型交互項的解析 如圖3所示，根據(jù)式(1)作出各因素之間關(guān)系的響應(yīng)面圖，響應(yīng)曲面的形狀能夠反映出交互因素作用的強(qiáng)弱.

由圖3-A可知，當(dāng)切割位置一定時，隨著含水率從12.8%逐漸增大到19.4%，切割力呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；當(dāng)含水率一定時，隨著切割位置從11 cm逐漸增大到21 cm，切割力逐漸減小.

由圖3-B可知，當(dāng)滑切角度一定時，隨著含水率從12.8%逐漸增大到19.4%，切割力呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；當(dāng)含水率一定時，滑切角度為25°時切割力最小，當(dāng)滑切角度由25°逐漸增大到30°或滑切角度由25°逐漸減小至20°時切割力逐漸增大.因此滑切角度由25°符合選取要求，且當(dāng)滑切角度為25°時含水率越小越好.

由圖3-C可知，當(dāng)切割速度一定時，隨著含水率從12.8%逐漸增大到19.4%，切割力呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢；當(dāng)含水率一定時，隨著切割速度從200 mm/min逐漸增大到360 mm/min，切割力逐漸減小.

由圖3-D可知，當(dāng)滑切角度一定時，隨著切割位置從11 cm逐漸增大到21 cm，切割力逐漸減??；當(dāng)切割位置一定時，滑切角度為25°時切割力最小，當(dāng)滑切角度由25°逐漸增大到30°或滑切角度由25°逐漸減小至20°時切割力逐漸增大.

由圖3-E可知，當(dāng)切割速度一定時，隨著切割位置從11 cm逐漸增大到21 cm，切割力逐漸減?。划?dāng)切割位置一定時，隨著切割速度從200 mm/min逐漸增大到360 mm/min，切割力逐漸減小.

由圖3-F可知，當(dāng)切割速度一定時，隨著滑切角度從20°增大到30°，切割力先逐漸減小，后逐漸增大，在25°時切割力最小.

3 結(jié)論

1) 本文在參考小麥、水稻、油菜、苧麻等作物莖稈力學(xué)特性研究方法的基礎(chǔ)上，對成熟期青稞莖稈的四個關(guān)鍵因素(含水率、切割位置、滑切角度及切割速度)進(jìn)行了切割力測試.單因素切割試驗表明：在對成熟期青稞莖稈切割力的測試試驗中，當(dāng)切割速度不變時，含水率越低，切割位置離地面越高，所需切割力越??；在所選齒形刀的滑切角為25°時，切割力隨著切割速度的增大而減小，同一切削速度下，隨著離地高度的增大，切割力減小.

2) 結(jié)合Box-Behnken試驗設(shè)計原理，采用四因素三水平響應(yīng)面分析方法，對所選鋸齒形切割刀片進(jìn)行多因素交互作用試驗分析，試驗表明：青稞切割試驗中莖稈含水率、切割位置、切割速度和滑切角度是影響青稞莖稈切割的主要因素，且影響切割力的因素由大到小依次是含水率、切割位置、滑切角度和切割速度.