大蒜收獲機(jī)浮動(dòng)切根裝置作業(yè)機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化

于昭洋 胡志超 楊 柯 彭寶良 張延化 楊明金

(1.西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶 400715；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

中國(guó)是大蒜主要生產(chǎn)國(guó)，中國(guó)大蒜出口量約占世界大蒜貿(mào)易量的90%，已連續(xù)多年位居中國(guó)蔬菜出口量第一位[1-3]。但中國(guó)大蒜生產(chǎn)機(jī)械化水平較低，尤其是收獲環(huán)節(jié)，仍以人工作業(yè)為主，機(jī)械化收獲面積不足5%，嚴(yán)重制約了中國(guó)大蒜產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

大蒜收獲作業(yè)主要包括挖掘、清土、切根、切莖和打捆等工序。切根是技術(shù)難度最大的環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于大蒜機(jī)械化切根技術(shù)的研究尚處于探索和試驗(yàn)階段，與大蒜機(jī)械化挖掘、清土、切莖和打捆等環(huán)節(jié)相比，技術(shù)成熟度差距較大[4-7]。目前，中國(guó)已研發(fā)出二/四/六行切莖式大蒜聯(lián)合收獲樣機(jī)[8-10]，單行/四行打捆式大蒜聯(lián)合收獲樣機(jī)[11-12]，但尚無(wú)可完成切根作業(yè)的大蒜收獲裝備[13]。發(fā)達(dá)國(guó)家的大蒜收獲技術(shù)較為成熟，但由于切根難度大和種植規(guī)模小等因素，已研發(fā)的收獲機(jī)具很少具有切根功能。法國(guó)Erme公司、西班牙J.J.Broch公司、丹麥Asa-lift公司為歐洲主要大蒜收獲裝備生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)的切莖式和打捆式大蒜聯(lián)合收獲機(jī)涵蓋了1～5行系列產(chǎn)品。日本Yanmar公司生產(chǎn)的單行大蒜聯(lián)合收獲裝備可依次完成蒜株挖掘、清土、切根、切莖等工序[14]，該機(jī)采用兩片互相疊加、相向往復(fù)運(yùn)動(dòng)的鋸齒刀切根，但刀片往復(fù)切割高度不能根據(jù)蒜頭大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，蒜頭適應(yīng)性較差，實(shí)際切根作業(yè)效果不佳。

根系切凈率低、鱗莖(蒜頭)傷損率高是大蒜機(jī)械化切根技術(shù)尚未解決的兩大關(guān)鍵問(wèn)題。大蒜根部是由大量根須密集交織組成的根系群，根須橫展、深度分布范圍廣，且根須一端與鱗莖連接，一端處于自由狀態(tài)，切根裝置需要解決無(wú)序、無(wú)支撐狀態(tài)根系群的一次性高效切割問(wèn)題。此外，大蒜根系著生部位的鱗莖大小各異、組織脆嫩，為降低鱗莖切割損傷和碰撞損傷，切根裝置需要考慮不同鱗莖的適應(yīng)性及接觸部件的柔彈性。這些均對(duì)大蒜機(jī)械化切根技術(shù)提出了更高的要求。

基于大蒜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和作業(yè)要求，作者前期研發(fā)了一種大蒜聯(lián)合收獲浮動(dòng)切根裝置[15]，該裝置可在鱗莖頂部對(duì)齊狀態(tài)下完成根系浮動(dòng)切割，但其作業(yè)性能和適應(yīng)性有待提升。本文針對(duì)浮動(dòng)切根裝置進(jìn)行切根作業(yè)過(guò)程力學(xué)特性理論研究和高速攝影試驗(yàn)研究，以傷蒜率、切凈率為主控目標(biāo)，對(duì)影響切根作業(yè)質(zhì)量的主要因素進(jìn)行分析，尋求各因素較優(yōu)參數(shù)組合，以期為大蒜機(jī)械化收獲切根技術(shù)的提升和機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 浮動(dòng)切根裝置結(jié)構(gòu)

浮動(dòng)切根裝置主要由對(duì)齊鏈、回形板簧、螺旋切刀、螺旋防護(hù)柵、仿形輪、彈簧等組成，如圖1所示?；匦伟寤膳渲迷邝[莖運(yùn)行軌跡的兩側(cè)；螺旋切刀內(nèi)置于螺旋防護(hù)柵中，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)；螺旋防護(hù)柵兩端固定在仿形輪內(nèi)側(cè)，無(wú)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，不與螺旋切刀同步轉(zhuǎn)動(dòng)。該裝置可完成鱗莖柔性導(dǎo)向、上球面對(duì)齊、下球面仿形、根系浮動(dòng)切割。

1.2 切根試驗(yàn)臺(tái)工作原理

為深入研究浮動(dòng)切根過(guò)程力學(xué)行為產(chǎn)生過(guò)程、優(yōu)化切根裝置，本文構(gòu)建了大蒜切根試驗(yàn)臺(tái)，如圖2所示。

作業(yè)時(shí)，蒜株在夾持鏈和對(duì)齊鏈的復(fù)式夾持作用下向后輸送，毛刷輥首先作用于根系群，清理根系泥土、梳理并歸攏雜亂的根系群；蒜株向后輸送過(guò)程中，逐漸被夾持鏈向上拉動(dòng)，使鱗莖上球面緊貼對(duì)齊鏈，鱗莖上球面對(duì)齊定位；同時(shí)，回形板簧引導(dǎo)并橫向扶正鱗莖，避免鱗莖橫向偏移；當(dāng)鱗莖輸送至螺旋防護(hù)柵前側(cè)時(shí)，鱗莖底部逐漸抵壓螺旋防護(hù)柵，使切根裝置緊貼鱗莖下球面而仿形浮動(dòng)，內(nèi)置的螺旋切刀快速旋轉(zhuǎn)，將嵌入螺旋防護(hù)柵內(nèi)的根系群去除，實(shí)現(xiàn)根蒜分離。

2 切根作業(yè)過(guò)程受力分析

切根是蒜株與切根裝置相互作用的結(jié)果，研究作業(yè)過(guò)程蒜株受力行為，明確蒜株與切根裝置相互作用關(guān)系，可為切根作業(yè)機(jī)理研究和機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。切根作業(yè)過(guò)程中，蒜株依次完成根系清理、鱗莖橫向扶正和對(duì)齊、根系浮動(dòng)切割等階段，各階段對(duì)應(yīng)的作業(yè)部件不同，蒜株受力形式和受力部位不同。

2.1 鱗莖碰撞接觸力學(xué)分析

在切根作業(yè)過(guò)程中不可避免的會(huì)發(fā)生鱗莖碰撞，容易導(dǎo)致鱗莖的碰撞損傷。鱗莖碰撞主要發(fā)生在鱗莖橫向扶正和對(duì)齊、根系浮動(dòng)切割階段。圖3為切根過(guò)程的鱗莖碰撞示意圖，點(diǎn)M和N附近為最有可能發(fā)生碰撞損傷的區(qū)域。

以鱗莖與螺旋防護(hù)柵碰撞為例進(jìn)行分析，碰撞瞬間鱗莖受力和速度如圖3c所示。鱗莖以相對(duì)速度v與螺旋防護(hù)柵碰撞，鱗莖受到法向碰撞接觸力Fn和切向摩擦力Ft作用。其中，F(xiàn)n使碰撞區(qū)的鱗莖組織法向速度vn逐漸減小，并發(fā)生壓縮形變。同時(shí)，螺旋防護(hù)柵在Fn反作用力作用下，產(chǎn)生法向速度和壓縮形變。當(dāng)鱗莖法向速度vn減小至與螺旋防護(hù)柵法向速度相同，即兩者相對(duì)速度為零時(shí)，鱗莖與螺旋防護(hù)柵相對(duì)位移不再減小，碰撞接觸力增加至最大值Fnmax[16]。此時(shí)，碰撞動(dòng)能被局部彈塑性形變所吸收，即碰撞過(guò)程中法向接觸力做功等于初始碰撞動(dòng)能[17-18]，則

(1)

其中

式中β——碰撞點(diǎn)N切線與水平線夾角，(°)

m——鱗莖和碰撞體的等效質(zhì)量，kg

m1——鱗莖質(zhì)量，kg

m2——碰撞體質(zhì)量，kg

s——碰撞接觸力位移，m

λ——鱗莖吸收碰撞能量系數(shù)[18]

由式(1)求得全碰撞過(guò)程中最大接觸力Fnmax為

(2)

根據(jù)Hertz碰撞接觸理論[17]，鱗莖碰撞過(guò)程接觸應(yīng)力Pn為

(3)

式中E——等效彈性模量，Pa

R——等效相對(duì)曲率半徑，m

將式(2)代入式(3)，求得全碰撞過(guò)程中最大接觸應(yīng)力Pnmax為

(4)

碰撞過(guò)程中，當(dāng)最大接觸應(yīng)力Pnmax超過(guò)鱗莖彈性極限時(shí)，鱗莖發(fā)生不可恢復(fù)塑性形變，形成局部碰撞損傷。由式(3)、(4)可知，鱗莖與碰撞體的最大接觸力、最大接觸應(yīng)力與鱗莖初始碰撞相對(duì)速度、鱗莖與碰撞體的等效質(zhì)量、碰撞點(diǎn)切線角度正相關(guān)，與鱗莖吸收碰撞能量系數(shù)負(fù)相關(guān)；最大接觸應(yīng)力與等效彈性模量正相關(guān)，與等效相對(duì)曲率半徑負(fù)相關(guān)。鱗莖初始碰撞相對(duì)速度為影響碰撞損傷的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而鱗莖初始碰撞相對(duì)速度取決于夾持鏈和對(duì)齊鏈輸送速度。

2.2 根系切割力學(xué)分析

2.2.1根系滑切受力分析

大蒜根系切割為無(wú)支撐切割，采用滑切方式可以增強(qiáng)刀刃微觀狀態(tài)下的鋸斷作用[19]，降低根系切割比阻，有效提高根系切凈率。

圖4為根系滑切原理圖，取刃口中點(diǎn)處根系質(zhì)點(diǎn)E為研究對(duì)象，質(zhì)點(diǎn)E受力為刃口法向壓力P和刃口的摩擦力Ps，其中P位于刃口ef與切刀運(yùn)動(dòng)速度va組成的切割面內(nèi)。切割瞬間，根系由靜止到速度陡增，獲得較高瞬時(shí)加速度，并可分解為沿刃口ef和va方向的加速度as、aa。則切割面內(nèi)質(zhì)點(diǎn)N沿刃口ef和va方向的動(dòng)力學(xué)方程為

(5)

其中

Ps=Ptanφ

式中mE——質(zhì)點(diǎn)E質(zhì)量，kg

α——滑切角，(°)

φ——根系與刃口摩擦角，(°)

針對(duì)該切根裝置，滑切角α等于刃口傾斜角γ，由式(5)可知，當(dāng)γ>φ時(shí)，形成滑切效應(yīng)，且γ越大滑切作用越明顯。但滑切角越大，質(zhì)點(diǎn)N滑移距離越大，摩擦功耗顯著增加。受空間尺寸限制γ的極限值為37°。

2.2.2刀刃切割阻力分析

為深入研究根系群切割瞬間切刀切割阻力產(chǎn)生機(jī)理，本節(jié)從細(xì)觀角度對(duì)刀刃切割阻力力系組成及力學(xué)模型進(jìn)行分析。

切刀切割根系群時(shí)，刀刃的刃口、刃面是切斷根系、承受切割阻力的主要部位。如圖5所示，切刀斷根瞬間刀刃切割阻力主要包括：刃口處根系群施加的與切刀運(yùn)動(dòng)速度va反向的反作用力F0，被擠壓根系群對(duì)外刃面擠壓力F1x、F1y和摩擦力T1，被擠壓根系群對(duì)內(nèi)刃面擠壓力F′1x、F′1y和摩擦力T′1[18]。將根系群作為具有一定物理特性(彈性模量、擠壓/剪切應(yīng)力、泊松比等)的整體單元進(jìn)行分析，首先利用微分思想對(duì)外刃面分割，外刃面微單元平面X方向(即切刀運(yùn)動(dòng)速度va方向)受到擠壓力dF1x[18]，則

dF1x=σ1ldy=σ1ldxtanα1

(6)

式中 dx——X方向外刃面分割微單元，m

dy——Y方向外刃面分割微單元，m

l——刀刃有效長(zhǎng)度，m

σ1——根系群在X方向的擠壓應(yīng)力，N/m2

α1——外刃面與va夾角，(°)

農(nóng)作物莖稈群被擠壓時(shí)其應(yīng)力和應(yīng)變可認(rèn)為符合廣義胡克定律，則根系群受到外刃面擠壓時(shí)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為[18]

(7)

式中εx——切刀上方根系群在X方向的應(yīng)變

x——切刀上方根系群被刃口擠壓的厚度，m

h——切刀上方根系群在X方向的總厚度，m

Ex——根系群在X方向的彈性模量，Pa

k——應(yīng)變傳遞系數(shù)

將式(7)代入式(6)，并對(duì)dF1x積分，求得外刃面在X方向的擠壓力F1x為

(8)

外刃面微單元平面Y方向受到的擠壓力dF1y為[18]

(9)

式中εy——切刀上方根系群在Y方向的應(yīng)變

μ——根系群泊松比

Ey——根系群在Y方向的彈性模量，Pa

外刃面在Y方向的擠壓力F1y為

(10)

外刃面受到的摩擦力T1為

T1=η(F1xsinα1+F1ycosα1)=

(11)

式中η——根系與刃面動(dòng)摩擦因數(shù)

同理，求得內(nèi)刃面受到的各項(xiàng)切割阻力為

(12)

式中x′——切刀下方未切根系群被擠壓厚度，m

h′——切刀下方未切根系群總厚度，m

α2——內(nèi)刃面與va夾角，(°)

刃口處受到的反作用力F0為

F0=δlσ0

(13)

式中δ——刃口厚度，m

σ0——根系群極限剪切應(yīng)力，N/m2

切刀斷根瞬間，刀刃受到的總切割阻力為

(14)

式中FX——切刀在X方向受到的總切割阻力，N

FY——切刀在Y方向受到的總切割阻力，N

為實(shí)現(xiàn)根系群切割，刀刃必須克服式(14)中切割阻力FX和FY。由上文理論分析可知，當(dāng)切刀運(yùn)動(dòng)速度大小一定，刀刃的切割阻力與根系群物理特性(彈性模量、擠壓/剪切應(yīng)力、泊松比、根系群厚度等)、刀刃結(jié)構(gòu)參數(shù)(刃口厚度、刀刃有效長(zhǎng)度)有關(guān)，還與刃面和切刀運(yùn)動(dòng)速度的夾角有關(guān)。刀刃結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，雖然外、內(nèi)刃面角度已固定，但由于切刀采用傾斜配置(如圖4所示)，在刃口方向上，刃面與切刀運(yùn)動(dòng)速度的夾角是變化的，這種變化與刃口傾斜角γ有關(guān)。切割裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為減小切割阻力，應(yīng)結(jié)合切割阻力力學(xué)模型，綜合考慮各因素影響。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)物料

蒜株于2020年5月取自山東省金鄉(xiāng)縣馬廟鎮(zhèn)試驗(yàn)田，蒜株直立性較好，全部蒜株于1 h內(nèi)由人工完成松土起秧，每株蒜根部帶土單獨(dú)裝于密封袋內(nèi)并冷藏。蒜株夾持狀態(tài)下主根系長(zhǎng)度76～117 mm，鱗莖直徑46～75 mm。篩選出鱗莖和根系群幾何尺寸接近，無(wú)病蟲害、無(wú)損傷的蒜株作為試驗(yàn)物料。

3.2 高速攝影試驗(yàn)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)備

為深入分析切根作業(yè)過(guò)程鱗莖、根群與切根作業(yè)部件相互作用關(guān)系，驗(yàn)證理論分析結(jié)果，本文在構(gòu)建的切根試驗(yàn)臺(tái)上開展高速攝影試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。利用Fastec HiSpec 5型高速相機(jī)記錄切根過(guò)程鱗莖碰撞、根系群擾動(dòng)、斷裂等力學(xué)行為過(guò)程，進(jìn)一步揭示切根作業(yè)機(jī)理。探測(cè)器分辨率1 696像素×1 710像素，控制軟件HiSpec，拍攝幀頻率250 f/s，曝光時(shí)間3 998 μs。對(duì)齊鏈輸送速度1 m/s，對(duì)齊鏈與夾持鏈速比為1.02[15]，螺旋切刀轉(zhuǎn)速為2 300 r/min，刃口傾斜角26°。為便于觀察，垂直于蒜株運(yùn)動(dòng)平面拍攝，并拆除仿形輪。

3.2.2切根過(guò)程高速圖像解析

切根過(guò)程高速圖像如圖7所示，圖中特征點(diǎn)由ProAnalyst運(yùn)動(dòng)學(xué)分析軟件逐幀捕捉。以根系群與切根裝置相互作用初始時(shí)刻為零時(shí)刻，設(shè)為第1幀圖像，每10幀獲取一次高速圖像，時(shí)間間隔為0.04 s。

圖7中采用綠色標(biāo)記點(diǎn)對(duì)鱗莖特征點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)位移逐幀標(biāo)記。為便于分析，選擇根系群左下部一點(diǎn)為根系特征點(diǎn)，采用紅色標(biāo)記點(diǎn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行標(biāo)記。第1～11幀，根系特征點(diǎn)的右側(cè)部分逐漸進(jìn)入切根裝置，根系與鱗莖特征點(diǎn)相對(duì)位置無(wú)明顯變化，說(shuō)明被標(biāo)記的根系未受到外力作用。第21～41幀，全部根系均已進(jìn)入切根裝置，根系特征點(diǎn)相對(duì)鱗莖向上移動(dòng)，說(shuō)明被標(biāo)記的根系進(jìn)入切根裝置，受到切割力后并沒有立即被切斷，而是先發(fā)生了彎曲變形。通過(guò)試驗(yàn)觀察，造成根系彎曲變形的原因有：先被切斷的根系在脫離鱗莖飛出時(shí)，擊打到未切根系，使其受力彎曲；切割線速度較小，根系不能產(chǎn)生足夠大的慣性力使其在直立狀態(tài)下完成切割。第71幀，根系完全脫離切根裝置，但根盤左側(cè)存在少量根系未被切凈。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，根系切割后，殘留根系群長(zhǎng)度均為左側(cè)長(zhǎng)、右側(cè)短，即右側(cè)先切根系容易切凈，左側(cè)后切根系經(jīng)過(guò)反復(fù)擊打和彎曲變形使其自身韌性增強(qiáng)，不易被切斷。

圖7中隨機(jī)選取2根被切斷根系，分別采用藍(lán)色和黃色標(biāo)記點(diǎn)對(duì)運(yùn)動(dòng)位移逐幀進(jìn)行標(biāo)記。由第51幀藍(lán)色、黃色標(biāo)記點(diǎn)軌跡可知，已切根系沿切刀回轉(zhuǎn)切線方向高速飛出，且脫離切根裝置的初始位置集中在切刀回轉(zhuǎn)圓周的第3象限。第51幀后根系飛出數(shù)量明顯減小，說(shuō)明根系切割作用主要集中在螺旋防護(hù)柵弧頂位置。

圖7中兩條紅色虛線的夾角即切根裝置的擺臂與水平線的夾角。從第21幀鱗莖與切根裝置開始碰撞，到第71幀鱗莖脫離切根裝置，整個(gè)過(guò)程擺臂角度變化不大，兩者的碰撞并沒有使切根裝置發(fā)生大幅度浮動(dòng)，整個(gè)切根過(guò)程切根裝置始終緊貼鱗莖下球面。由此說(shuō)明，螺旋防護(hù)柵和彈簧的彈性作用，有效減弱了兩者碰撞產(chǎn)生的沖擊力。

3.3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.3.1作業(yè)指標(biāo)

本文擬通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)，構(gòu)建能夠預(yù)測(cè)切根作業(yè)質(zhì)量的多因素?cái)?shù)學(xué)模型，進(jìn)行浮動(dòng)切根裝置參數(shù)優(yōu)化。根據(jù)收獲后大蒜鱗莖貯藏要求，以傷蒜率Y1、切凈率Y2作為切根作業(yè)指標(biāo)。傷蒜率為碰傷、切傷鱗莖總質(zhì)量與鱗莖總質(zhì)量之比，切凈率為已去除根系總質(zhì)量與全部根系總質(zhì)量之比。物料稱量前清除鱗莖、根部泥土，于試驗(yàn)7 d后剝皮觀察鱗莖的損傷。

3.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)上文理論分析和前期試驗(yàn)[20]可知，輸送速度、螺旋切刀切割線速度和刃口傾斜角(圖4中γ角)、螺旋防護(hù)柵螺距為影響切根質(zhì)量的主要因素。輸送速度指對(duì)齊鏈輸送速度，對(duì)齊鏈與夾持鏈速比為1.02[15]。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)切刀兩端緊貼螺旋防護(hù)柵內(nèi)側(cè)，如刃口傾斜角增加，則切刀中段回轉(zhuǎn)半徑減小，切割線速度降低，因此，刃口傾斜角不易過(guò)大，在空間配置允許范圍內(nèi)最大值取35°；為保證滑切效果，刃口傾斜角最小值取17°。切刀轉(zhuǎn)速越高，切割線速度越高，但轉(zhuǎn)速過(guò)高，浮動(dòng)切根裝置振動(dòng)明顯，在保證浮動(dòng)切根裝置不發(fā)生明顯振動(dòng)條件下，切刀轉(zhuǎn)速最大值取2 600 r/min；考慮到刃口傾斜角增加后，切刀中段回轉(zhuǎn)半徑減小，切刀轉(zhuǎn)速不易太低，為保證根系群有效切割，切刀轉(zhuǎn)速最小值取2 000 r/min。螺旋防護(hù)柵螺距越大根系群越容易嵌入切割，但過(guò)大會(huì)增加切傷的風(fēng)險(xiǎn)，而過(guò)小則根系群不能順利嵌入切割，綜合考慮鱗莖和根盤幾何尺寸選取螺距最大值40 mm、最小值20 mm。由于回形板簧內(nèi)側(cè)增加橡膠墊，避免了鱗莖碰撞損傷，不再將回形板簧參數(shù)作為試驗(yàn)因素。

綜上所述，以輸送速度X1、切刀轉(zhuǎn)速X2、刃口傾斜角X3、螺旋防護(hù)柵螺距X4為試驗(yàn)因素，傷蒜率Y1、切凈率Y2為響應(yīng)值，依據(jù)Box-Behnken Designs試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)[21-22]。試驗(yàn)因素及編碼如表1所示。山東大蒜主產(chǎn)區(qū)種植模式普遍采用等行距平畦密植，株距相對(duì)壟作較小，對(duì)行收獲時(shí)喂入密度大，為模擬實(shí)際收獲連續(xù)喂入工況，每次試驗(yàn)人工同時(shí)喂入4顆蒜株，蒜株前后間距同種植株距為120 mm。由于蒜株直立性較好，聯(lián)合收獲時(shí)割臺(tái)角度不變，則蒜株喂入時(shí)夾持鏈與莖稈的夾角基本保持不變，試驗(yàn)時(shí)固定該喂入角為79°[15]。

表1 試驗(yàn)因素編碼

3.3.3試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)共29組，每喂入50次為1組，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次平均值。響應(yīng)面試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。采用Design-Expert軟件對(duì)表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合及方差分析，得到傷蒜率Y1、切凈率Y2的回歸模型及其回歸項(xiàng)顯著性結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)方差分析

Y1=11.04-21.56X1+0.09X3-0.012X4-

(15)

Y2=67.48+37.33X1+7.78×10-5X2+0.19X3+

(16)

3.3.4試驗(yàn)因素對(duì)指標(biāo)的影響分析

依據(jù)上述建立的兩個(gè)作業(yè)指標(biāo)的預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，分別選取對(duì)兩個(gè)指標(biāo)影響最重要的3個(gè)因素，采用Matlab軟件繪制因素對(duì)指標(biāo)響應(yīng)的四維切片圖[23-24]，如圖8、9所示，為更加直觀、準(zhǔn)確分析各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響趨勢(shì)，作圖時(shí)適當(dāng)增加各因素取值范圍。

由圖8可知，輸送速度越高、螺旋防護(hù)柵螺距越大、刃口傾斜角越小，則傷蒜率越高。原因可能為：當(dāng)輸送速度升高時(shí)，鱗莖與作業(yè)部件、鱗莖與鱗莖之間碰撞接觸力增大，導(dǎo)致傷蒜率升高。螺旋防護(hù)柵螺距越大，鱗莖更容易透過(guò)螺旋防護(hù)柵，受到切刀切割作用，導(dǎo)致傷蒜率升高。由于切刀兩端緊貼螺旋防護(hù)柵內(nèi)側(cè)，在割幅不變情況下，刃口傾斜角越小，螺旋切刀中段越接近螺旋防護(hù)柵弧頂位置，切刀更容易切到鱗莖，同時(shí)，螺旋切刀中段靠近螺旋防護(hù)柵弧頂，使切刀回轉(zhuǎn)半徑增大，切割線速度升高，也會(huì)導(dǎo)致傷蒜率升高。

圖9為極顯著因素對(duì)切凈率的影響。由圖9可知，切凈率隨輸送速度升高、切刀轉(zhuǎn)速降低而降低，隨刃口傾斜角的增加，先升高后降低。原因可能為：輸送速度升高，根系群通過(guò)浮動(dòng)切根裝置的時(shí)間縮短，使切割時(shí)間減小、切割次數(shù)減小，導(dǎo)致切凈率降低。切刀轉(zhuǎn)速降低，切割線速度降低，切割強(qiáng)度減小，導(dǎo)致切凈率降低。刃口傾斜角增加，滑切角增大，切割阻力減小，切凈率升高；但刃口傾斜角增加的同時(shí)，切刀中段也會(huì)逐漸遠(yuǎn)離螺旋防護(hù)柵弧頂位置，切刀回轉(zhuǎn)半徑減小，使根系切割長(zhǎng)度減小、切割線速度降低，導(dǎo)致切凈率降低。顯著因素螺旋防護(hù)柵螺距對(duì)切凈率影響趨勢(shì)為：螺距越大根系群越容易嵌入切割，切凈率越高。

3.3.5參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

為獲取浮動(dòng)切根裝置較優(yōu)參數(shù)組合，采用Design-Expert數(shù)據(jù)分析軟件Optimization模塊，結(jié)合傷蒜率和切凈率優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化求解。設(shè)定約束條件：minY1，maxY2；1.0 m/s≤X1≤1.3 m/s、2 000 r/min≤X2≤2 600 r/min、17°≤X3≤35°、20 mm≤X4≤40 mm。優(yōu)化得到的較優(yōu)參數(shù)組合為：輸送速度1 m/s，切刀轉(zhuǎn)速2 600 r/min，刃口傾斜角33.45°，螺距27.52 mm；此時(shí)模型預(yù)測(cè)傷蒜率為2.72%，切凈率為93.96%。

為確保優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用上述較優(yōu)參數(shù)組合開展驗(yàn)證試驗(yàn)?？紤]試驗(yàn)操作的可行性，將參數(shù)修正為輸送速度1 m/s，切刀轉(zhuǎn)速2 600 r/min，刃口傾斜角33°，螺距28 mm。驗(yàn)證試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。試驗(yàn)結(jié)果為傷蒜率2.78%，切凈率93.17%。Y1、Y2的試驗(yàn)驗(yàn)證值與預(yù)測(cè)值差異很小，說(shuō)明較優(yōu)參數(shù)組合可靠。

4 結(jié)論

(1)建立了浮動(dòng)切根作業(yè)過(guò)程鱗莖碰撞最大接觸力和接觸應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，得出鱗莖初始碰撞相對(duì)速度是影響碰撞損傷的關(guān)鍵參數(shù)；建立了滑切過(guò)程動(dòng)力學(xué)方程，分析了根系滑切原理；推導(dǎo)了刀刃切割阻力力學(xué)模型，明確了根系群切割阻力的形成原因。

(2)通過(guò)高速攝影試驗(yàn)記錄并解析了鱗莖碰撞、根系群擾動(dòng)、斷裂等力學(xué)行為的產(chǎn)生過(guò)程：已切根系的擊打和切割線速度過(guò)小是根系發(fā)生彎曲的主要原因；根系群中后切的根系經(jīng)過(guò)多次反復(fù)擊打和彎曲變形，其自身韌性增強(qiáng)，不易被切斷；根系切割作用主要集中在螺旋防護(hù)柵弧頂位置，已切根系沿切刀回轉(zhuǎn)切線方向高速飛出，飛出初始位置集中在切刀回轉(zhuǎn)圓周的第3象限。

(3)通過(guò)響應(yīng)面試驗(yàn)得出，影響傷蒜率的主次因素依次為輸送速度、螺旋防護(hù)柵螺距、刃口傾斜角、切刀轉(zhuǎn)速，輸送速度越高、螺旋防護(hù)柵螺距越大、刃口傾斜角越小，則傷蒜率越高；影響切凈率的主次因素依次為輸送速度、切刀轉(zhuǎn)速、刃口傾斜角、螺旋防護(hù)柵螺距，切凈率隨輸送速度升高、切刀轉(zhuǎn)速降低、螺距增加而降低，隨刃口傾斜角的增加，先升高、后降低。

(4)利用建立的切根作業(yè)質(zhì)量預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了雙目標(biāo)優(yōu)化求解，浮動(dòng)切根裝置較優(yōu)參數(shù)組合參數(shù)為：輸送速度1 m/s、切刀轉(zhuǎn)速2 600 r/min、刃口傾斜角33°、螺距28 mm，試驗(yàn)測(cè)定傷蒜率為2.78%，切凈率為93.17%，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)滿足大蒜機(jī)械化收獲切根作業(yè)要求。