甘蔗收割機(jī)切刀負(fù)載壓力影響因素試驗(yàn)研究

麻芳蘭,王旭艷,丁 翔,任曉智,郭衍超,趙 靜

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧 530004)

0 引言

甘蔗是我國(guó)南方重要的經(jīng)濟(jì)作物,由于其大部分種植在丘陵地帶,地勢(shì)起伏變化較大,國(guó)內(nèi)甘蔗收獲機(jī)在機(jī)械化收割過程中不能實(shí)時(shí)控制切刀入土深度,從而造成收割后蔗蔸有長(zhǎng)有短及收割損失大等問題[1]。為了降低甘蔗機(jī)械化收割過程中破頭率高、切割損失大等問題,國(guó)內(nèi)學(xué)者王增等[2]在對(duì)甘蔗收割機(jī)入土切割甘蔗進(jìn)行試驗(yàn)研究及理論分析的基礎(chǔ)上,擬合出入土深度與負(fù)載壓力的關(guān)系曲線。徐莉萍等[3]在現(xiàn)有的甘蔗收獲機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種刀盤仿形系統(tǒng),并在AMESim軟件中對(duì)于給定不同的路面高度信號(hào)進(jìn)行仿真,得到此仿真系統(tǒng)跟隨信號(hào)的響應(yīng)情況。楊堅(jiān)[4]采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法及優(yōu)化仿真技術(shù)開展了田間因素和結(jié)構(gòu)因素對(duì)甘蔗破頭率的影響機(jī)理試驗(yàn)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)或者設(shè)計(jì)仿形系統(tǒng),來解決切割器切割甘蔗出現(xiàn)過切或漏切所導(dǎo)致的切割損失大、高破頭率等問題;但入土切割過程中除了存在上述問題外,還存在著切割功率大等問題。因此,入土切割時(shí)切刀負(fù)載壓力變化的影響因素是急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案中,二次回歸正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)法具有試驗(yàn)次數(shù)少、預(yù)測(cè)值精度高及統(tǒng)計(jì)性較佳的優(yōu)點(diǎn),是用于預(yù)測(cè)目標(biāo)值和尋優(yōu)的較好方法[5]。

本文通過試驗(yàn)研究方法探討甘蔗收割機(jī)入土切割時(shí)影響切刀馬達(dá)進(jìn)口壓力(即負(fù)載壓力)的各因素,如刀盤傾角、入土深度及甘蔗密度等;通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法,建立切刀負(fù)載壓力與入土切割深度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,找出各影響因素對(duì)切刀負(fù)載壓力的影響情況,從而為研發(fā)隨地形變化而自動(dòng)調(diào)整入土切割深度的切割控制系統(tǒng)提供依據(jù)。

1 入土切割試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與操作參數(shù)

試驗(yàn)利用課題組自主研制的液壓驅(qū)動(dòng)甘蔗切割實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行切割試驗(yàn)。平臺(tái)基本組成結(jié)構(gòu)包括固定的砍蔗刀盤、驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的液壓馬達(dá)及甘蔗輸送裝置,如圖1所示。

1.切割支架 2.液壓馬達(dá) 3.提升液壓缸 4.砍蔗刀盤 5.數(shù)字變頻器 6.電機(jī) 7.減速器 8.土槽 9.甘蔗夾持器 10.傳送鏈 11.行位繼電器 12.液壓站 13.發(fā)動(dòng)機(jī) 14.控制柜圖1 切割系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)示意圖Fig.1 Scheme of the cutting test platform system。

液壓馬達(dá)由液壓工作站驅(qū)動(dòng),刀盤轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥進(jìn)行無極調(diào)速,甘蔗輸送裝置由5、7、8、9、10組成,通過變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率來改變輸送速度,由變頻器的正反開關(guān)改變運(yùn)動(dòng)方向。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)多種因素的調(diào)節(jié)試驗(yàn),通過調(diào)整切割支架的角度實(shí)現(xiàn)刀盤切割角度的調(diào)節(jié),通過液壓系統(tǒng)可以控制刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤入土切割深度[6]。切割系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 切割系統(tǒng)參數(shù)Table 1 The parameters of hydraulic system。

試驗(yàn)在線測(cè)試壓力數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括:雷諾PT600-05-OC壓力傳感器(最高壓力為420bar),CT渦輪流量傳感器(最大測(cè)量流量為1 500L/min,流量精度為滿刻度的1%),LERO智能測(cè)試儀,Lenovo聯(lián)想筆記本(數(shù)據(jù)采集軟件lero_htda,數(shù)據(jù)處理軟件LERO-HTDAD),轉(zhuǎn)速傳感器(10,000r/min),TZS土壤水分測(cè)定儀(含水率單位:%),TYD-2土壤硬度計(jì)(精度±0.5%,測(cè)量深度0～400mm),電子秤,灑水壺,鐵鍬等。

1.2 試驗(yàn)材料

甘蔗是一種非均質(zhì)、各向異性的天然高分子材料,且不同品種甘蔗的物理力學(xué)特性存在差異[7]。廣西地區(qū)種植比較普遍的幾個(gè)品種系列分別是新臺(tái)糖、桂糖、粵糖、臺(tái)糖、云糖等。統(tǒng)計(jì)表明,新臺(tái)糖系列品種的種植范圍較廣泛。試驗(yàn)選擇的品種為粵糖0023號(hào)、桂糖21號(hào)、新臺(tái)糖16號(hào)、臺(tái)糖172號(hào)及新臺(tái)糖10號(hào),所用甘蔗均從廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院甘蔗種植基地采取。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)指標(biāo)

1.3.1 試驗(yàn)指標(biāo)

甘蔗收割機(jī)收獲甘蔗既要考慮入土切割功率,又要考慮切割質(zhì)量。根據(jù)前課題組研究,將切割甘蔗破頭率作為輔助考察指標(biāo),因此試驗(yàn)考察指標(biāo)為切割器負(fù)載壓力[8]。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究因素主要有刀盤傾角、刀盤轉(zhuǎn)速、入土深度、甘蔗品種、甘蔗密度及進(jìn)給速度。根據(jù)課題組前期研究和收集資料分析,不同的刀盤傾角對(duì)切割負(fù)載壓力影響是不同的,傾角范圍為0°～8°;隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加,切割器的負(fù)載壓力呈逐漸增大趨勢(shì);刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)切斷甘蔗所需最大切割力有影響;隨著入土深度的增加,土壤對(duì)切割器的壓力增大;隨著甘蔗株數(shù)的增加,切割器的切刀與甘蔗接觸面積變大;增大輸送速度,切割器所受負(fù)載壓力隨之升高,輸送速度范圍為0.1～0.6m/s。選擇以上因素在自主研制試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行物理試驗(yàn),并分析各因素對(duì)切刀負(fù)載壓力影響關(guān)系。

根據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的方法[5.9],自變量為p個(gè)時(shí),需要完成n個(gè)試驗(yàn)。本文研究6個(gè)因素,所以p=6,所需完成的試驗(yàn)次數(shù)計(jì)算公式為

n=mc+mr+mo=mc+2p+mo

(1)

(2)

式中n—試驗(yàn)次數(shù)(次);

p—自變量(個(gè));

r—星號(hào)臂長(zhǎng)度;

mc—二水平試驗(yàn)數(shù)(次);

mr—星號(hào)試驗(yàn)次數(shù),次;

mo—零水平試驗(yàn)次數(shù)(次)。

由式(1)、式(2)可得零水平的試驗(yàn)次數(shù)為8次,則本次試驗(yàn)安排的總次數(shù)為36。各因素水平編碼如表2所示。

表2 因素水平編碼Table 2 Coding of factors and level of experiment。

續(xù)表2。

2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果處理

本次試驗(yàn)采取二次回歸正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方法,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of two regression orthogonal rotation design test。

2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸方程

本次試驗(yàn)研究因素較多,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析時(shí)只考慮兩兩交互作用,所得數(shù)據(jù)利用向后剔除法進(jìn)行處理[10]。運(yùn)行處理軟件,導(dǎo)入試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù),在工具欄中選分析中回歸指令;然后數(shù)據(jù)處理方法用向后剔除,經(jīng)過計(jì)算機(jī)算得出的12個(gè)回歸模型,根據(jù)模型的假設(shè)檢驗(yàn)水平值相比較,最終選擇第12個(gè)的回歸模型最優(yōu)。

F=52. 565,回歸方程的sig=0.000水平上高度顯著,根據(jù)模型的假設(shè)檢驗(yàn)水平值得出回歸方程為

y=76.483-7.651x1-0.23x2+1.785x3+56.589x6+

0.12x1x2-0.192x1x3-0.299x1x5-0.054x3x5-

0.599x3x6+0.599x4x5+0.294x12+

(3)

式中x1—刀盤傾角(°);

x2—刀盤轉(zhuǎn)速(r/min);

x3—入土深度(mm);

x4—甘蔗密度(株);

x5—甘蔗品種;

x6—進(jìn)給速度(m/s)。

2.2 因素主效應(yīng)分析

采用數(shù)學(xué)分析軟件MATHCAD對(duì)回歸方程中的每一個(gè)因素進(jìn)行主效應(yīng)分析,取其中一個(gè)因素為自變量,其它因素固定在零水平值,可得到單因素對(duì)切割刀盤負(fù)載的影響關(guān)系曲線[11],如圖2所示。

圖2 不同因素對(duì)切刀負(fù)載壓力的影響關(guān)系Fig.2 The influence of different factors on the cutting load pressure。

由圖2(a)、(b)可知:隨著入土深度、甘蔗密度的增加,刀盤阻力增大,切割壓力增加。由圖2(c)可知:隨著刀盤傾角增大,切割壓力呈先減小后增大趨勢(shì),刀盤傾角為4°～6°時(shí),切割壓力較小。由圖2(d)可知:入土切割時(shí),刀盤轉(zhuǎn)速增加,切割壓力先呈緩慢增加趨勢(shì),但轉(zhuǎn)速達(dá)到650 r/min后刀盤負(fù)載壓力呈急劇增加趨勢(shì),因此刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)至650 r/min較為理想。由圖2(e)可知:臺(tái)糖172彈性模量和抗壓應(yīng)力很大,甘蔗比較硬,需要的負(fù)載壓力大;新臺(tái)糖10的彈性模量和抗壓力較小,甘蔗較軟,需要的負(fù)載壓力小。刀盤負(fù)載壓力變化在2.9 ～31.5MPa之間,可見甘蔗品種對(duì)負(fù)載壓力影響小。由圖2(f) 可知:進(jìn)給速度在0.2～0.5 m/s范圍內(nèi)時(shí),入土切割刀盤負(fù)載壓力隨著速度的增加而增加;在0.5～0.6m/s范圍內(nèi)時(shí),切割壓力基本不變。

2.3 因素交互效應(yīng)分析

在進(jìn)行甘蔗切割試驗(yàn)時(shí),需要考慮兩兩因素的交互影響。通過采用數(shù)學(xué)分析軟件MATHCAD對(duì)回歸方程中的兩兩因素進(jìn)行交互效應(yīng)分析,取其中兩個(gè)因素為自變量,其它因素固定在零水平值,分析雙因素對(duì)刀盤負(fù)載壓力指標(biāo)的影響關(guān)系曲線圖,如圖3所示。

圖3 兩種不同因素的交互作用對(duì)切刀負(fù)載壓力的影響關(guān)系Fig.3 The influence of the interaction of two different factors on the cutting load pressure。

由圖3(a )可以看出:刀盤傾角較小時(shí),刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)切割壓力影響較小;隨著刀盤傾角與刀盤轉(zhuǎn)速增大,切割壓力也會(huì)隨之增大;刀盤傾角4°～8°和刀盤轉(zhuǎn)速在550～600 r/min范圍內(nèi)時(shí)切割壓力較小。所以,刀盤傾角和刀盤轉(zhuǎn)速兩者交互作用對(duì)切割壓力有顯著影響。

由圖3(b) 可以看出:非入土切割時(shí),刀盤傾角對(duì)切割壓力影響較小;隨著入土深度增加,刀盤傾角對(duì)切割壓力影響也較大,入土深度在20mm以上壓力有快速上升趨勢(shì),在4°～8°時(shí)切割壓力較小。所以,刀盤傾角和入土深度兩者交互作用對(duì)切割壓力有顯著影響;入土深度20mm和刀盤傾角在4°～8°范圍內(nèi)時(shí),切割壓力小。

由圖3(c )可以看出:刀盤傾角不變時(shí),甘蔗品種對(duì)切割壓力影響很小;同品種甘蔗,當(dāng)?shù)侗P傾角增大,切割壓力呈先減小后增大的趨勢(shì);甘蔗品種為新臺(tái)糖10號(hào)和刀盤傾角為4°～8°的組合可以得到較小的壓力;在刀盤傾角與甘蔗品種的交互作用影響中,刀盤傾角起主要影響作用。

由圖3(d) 可以看出:入土深度在10mm以下時(shí),隨著進(jìn)給速度加快,切割壓力增加;入土深度在10～30mm時(shí),切割壓力呈先增加后減小的趨勢(shì)。所以,入土深度和進(jìn)給速度交互作用對(duì)切割壓力影響有顯著影響。

由圖3(e )可以看出:甘蔗品種無論怎樣改變,切割壓力隨著入土深度增加而增加;在入土深度與甘蔗品種的交互作用影響中,入土深度起主要影響作用。

由圖3(f )可以看出:甘蔗品種的改變對(duì)切割壓力影響較小;隨著甘蔗密度增加,切割壓力也增大;在甘蔗密度與甘蔗品種的交互作用影響中,甘蔗密度起主要影響作用。

由上述結(jié)果可知:刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤傾角、甘蔗密度、進(jìn)給速度及入土深度對(duì)切割壓力影響是顯著的,甘蔗品種較其他因素影響較小。當(dāng)切割入土深度為20mm、刀盤傾角為4°～8°、進(jìn)給速度為0.2 m/s、刀盤轉(zhuǎn)速為650～700 r/min時(shí),切割壓力小。

3 結(jié)論

1)通過入土切割試驗(yàn)建立了各因素與切割負(fù)載壓力的關(guān)系模型,為甘蔗收割機(jī)刀盤入土切割深度自動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

2)研究結(jié)果表明:刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤傾角、甘蔗密度、進(jìn)給速度及入土深度對(duì)切割壓力影響是顯著的,甘蔗品種較其他因素影響較小,從而為后續(xù)的仿真分析與試驗(yàn)研究提供了依據(jù)。

3)研究表明:切割入土深度20mm、刀盤傾角在4°～8°、進(jìn)給速度0.2m/s、刀盤轉(zhuǎn)速650～700 r/min條件下,切割壓力小。