刀盤軸向振動(dòng)和切割參數(shù)對(duì)甘蔗收獲機(jī)切割質(zhì)量的影響

莫瀚寧，李尚平，邱 辰，馬少春，黃志民，周敬輝

刀盤軸向振動(dòng)和切割參數(shù)對(duì)甘蔗收獲機(jī)切割質(zhì)量的影響

莫瀚寧1,2,3，李尚平4，邱 辰1,2,3※，馬少春1,2，黃志民1，周敬輝5

（1. 廣西科學(xué)院，南寧 530007；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；3. 梧州學(xué)院機(jī)械與資源工程學(xué)院，梧州 543000；4. 廣西民族大學(xué)電子信息學(xué)院，南寧 530006；5. 桂林理工大學(xué)南寧分校機(jī)械與控制工程系，南寧 532100）

甘蔗切割質(zhì)量差會(huì)導(dǎo)致宿根破頭，造成第二年宿根發(fā)芽率降低，極大影響甘蔗產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。該研究圍繞刀盤軸向振動(dòng)和切割參數(shù)對(duì)甘蔗收獲機(jī)切割質(zhì)量的影響開展研究，利用自主研發(fā)的甘蔗收獲機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行砍蔗試驗(yàn)，以甘蔗的裂紋總數(shù)、最大裂紋深度、最大裂紋長度和宿根破頭數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用改進(jìn)熵值法計(jì)算各指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)值，通過單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)和二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，分析以刀盤軸向振幅和頻率表征的刀盤軸向振動(dòng)以及刀盤轉(zhuǎn)速、甘蔗收獲機(jī)行走速度和刀盤傾角及其交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，甘蔗切割質(zhì)量和刀盤軸向振幅以及頻率之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系；刀盤軸向振幅和頻率對(duì)甘蔗切割質(zhì)量具有顯著的影響，值分別為0.002和0.035。刀盤轉(zhuǎn)速、甘蔗收獲機(jī)行走速度和刀盤傾角對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響不顯著，值都大于0.05。刀盤軸向振幅和頻率的交互作用以及刀盤軸向振幅和刀盤轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量具有顯著的影響，值分別為0.045和0.036。其他因素交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響不顯著，值都大于0.05。對(duì)甘蔗切割質(zhì)量影響的顯著程度大小為刀盤軸向振幅、頻率、甘蔗收獲機(jī)行走速度、刀盤傾角、刀盤轉(zhuǎn)速；刀盤軸向振幅和頻率越大，甘蔗切割質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值越大，切割質(zhì)量越差；刀盤軸向振幅和刀盤轉(zhuǎn)速同時(shí)增大，甘蔗切割質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值增大，切割質(zhì)量變差。用高速攝像機(jī)觀察砍蔗過程發(fā)現(xiàn)，甘蔗需經(jīng)歷1次以上的切割才會(huì)被砍斷，且不同的切入位置之間存在高度差。應(yīng)采取減振措施降低切割系統(tǒng)的振幅，同時(shí)提高車架和切割系統(tǒng)的固有頻率，避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。研究結(jié)果可為研發(fā)具有高切割質(zhì)量的甘蔗收獲機(jī)提供參考。

收獲機(jī)；振動(dòng)；切割質(zhì)量；刀盤；切割參數(shù)

0 引 言

甘蔗收獲是甘蔗生產(chǎn)過程（整地、種、管、收）中勞力投入最多、勞動(dòng)強(qiáng)度最高和用功量最大的環(huán)節(jié)，約占總用工量的60%以上[1-3]。在廣西，甘蔗機(jī)械收獲作業(yè)率大概為5%[4]。因此，實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)械化具有重要意義。

甘蔗為多年生植物，如果在收獲過程中出現(xiàn)宿根破頭，即宿根產(chǎn)生縱向裂紋，會(huì)導(dǎo)致第二年宿根發(fā)芽率減小，極大地影響甘蔗產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。過高的宿根破頭率是甘蔗機(jī)械化收獲的一大瓶頸[5]，要深入推廣甘蔗收獲機(jī)械化，降低甘蔗宿根破頭率是亟待解決的首要問題。

針對(duì)現(xiàn)有甘蔗收獲機(jī)甘蔗宿根破頭率較高的局限性，國內(nèi)外許多學(xué)者從提高甘蔗切割質(zhì)量的角度進(jìn)行了研究。Kroes等[6-8]建立了壓蔗輥、切割器、刀盤傾角和刀口鋸齒間距的仿真模型和試驗(yàn)，Mello等[9-10]通過試驗(yàn)研究了砍蔗力、切割能量、刃口形態(tài)及入土切割對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響。劉慶庭等[11-13]研究了甘蔗在拉伸、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷下的破壞形態(tài)，探討了甘蔗在光刃刀片下的破壞形態(tài)和破壞力學(xué)及甘蔗莖料的切割機(jī)理和力學(xué)性能。楊堅(jiān)等[14]研究了甘蔗田和機(jī)器結(jié)構(gòu)因素對(duì)甘蔗碎裂率的影響。楊望等[15]通過結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)可變的甘蔗切割系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)研究了甘蔗切割機(jī)理，為提高甘蔗切割質(zhì)量奠定了理論基礎(chǔ)。

另外，國內(nèi)外學(xué)者還對(duì)甘蔗收獲機(jī)切割損耗和甘蔗宿根破頭的影響因素進(jìn)行了研究。Thanomputra等[16]采用添加磨料細(xì)沙的高壓水切割方法，提高了甘蔗切割效率。Mello等[17-18]采用不同的切割刀片進(jìn)行甘蔗切割質(zhì)量試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了最佳的切割刀具，提高了切割質(zhì)量。Ripoli等[19]設(shè)計(jì)了一種能夠隨著蔗地坡度變化來調(diào)節(jié)入土切割深度的甘蔗宿根切割器，減少了收割過程中的甘蔗損失和雜質(zhì)含量。Mathanker等[20]研究了切削速度和切削刃傾角對(duì)切削能量的影響。Kroes等[21]設(shè)計(jì)了一個(gè)雙刀盤模型來研究刀盤的運(yùn)動(dòng)學(xué)軌跡，并計(jì)算出行駛速度和刀盤轉(zhuǎn)速的最大允許速度比，從而提高了切割質(zhì)量。劉慶庭等[22]通過拉伸、壓縮試驗(yàn)測(cè)量了甘蔗的切變模量和拉伸強(qiáng)度。Taghijarah等[23]通過試驗(yàn)測(cè)量了甘蔗宿根在切割過程中的力和彎曲強(qiáng)度。賴曉等[24-25]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)的切割系統(tǒng)會(huì)受到路面不平度激振的影響，使得刀架產(chǎn)生軸向振動(dòng)，降低甘蔗切割質(zhì)量。王鵬等[26]通過設(shè)計(jì)了切割器振動(dòng)模型，研究軸承間隙對(duì)切割系統(tǒng)振動(dòng)的影響。黃漢東等[27]使用ANSYS/LS-DYNA對(duì)甘蔗切割過程進(jìn)行有限元仿真，由仿真結(jié)果表明刀盤傾角為0°時(shí)砍蔗力最小，切割速度越大砍蔗力越大。劉慶庭等[28]通過試驗(yàn)研究了滑切角、刀盤傾角和切割速度等因素和砍蔗力的關(guān)系。許欣等[29]設(shè)計(jì)了甘蔗切割系統(tǒng)模型，并通過仿真得到甘蔗切割過程的砍蔗力曲線和位移云圖。楊堅(jiān)等[30-31]通過試驗(yàn)研究了刀盤轉(zhuǎn)速和行走速度對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響。

上述研究主要探討了切割方式、切割刀片參數(shù)、切割系統(tǒng)振動(dòng)、行駛速度和刀盤轉(zhuǎn)速等因素對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響，研究甘蔗物理力學(xué)性能和砍蔗力的影響因素。但對(duì)實(shí)際復(fù)雜激勵(lì)工況下刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤傾角和甘蔗收獲機(jī)行走速度等對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響尚缺乏深入研究。

甘蔗收獲機(jī)工作時(shí)，刀盤軸向振動(dòng)不可避免，本課題組前期試驗(yàn)研究表明，刀盤軸向振動(dòng)和甘蔗切割質(zhì)量存在密切的聯(lián)系[32]。本文圍繞刀盤軸向振動(dòng)和切割參數(shù)對(duì)甘蔗收獲機(jī)切割質(zhì)量的影響開展研究，在自主研發(fā)的甘蔗收獲機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行砍蔗試驗(yàn)，研究刀盤軸向振幅、頻率和切割參數(shù)對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本文試驗(yàn)在本課題組自主研發(fā)的甘蔗收獲機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由甘蔗輸送小車、甘蔗輸送軌道、切割系統(tǒng)和偏心振動(dòng)裝置組成。甘蔗由夾持裝置2固定在甘蔗輸送小車1上，由變頻調(diào)速電機(jī)通過減速器在甘蔗輸送軌道上實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速和換向，甘蔗輸送速度可調(diào)范圍為0～2.5 m/s，模擬甘蔗收獲機(jī)在蔗地的行走。夾持裝置2的套筒由8根彈簧固定。同簇套筒可以夾持3根甘蔗，每次可以裝夾3簇共9根甘蔗，模擬土壤的緊固作用和甘蔗在蔗地的生長情況。切割系統(tǒng)4包括2個(gè)直徑為450 mm的刀盤，刀片長80 mm、厚5 mm，刀盤傾角可調(diào)，范圍為0～30o，由無極調(diào)速液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過換向電磁閥實(shí)現(xiàn)切割器的啟停及正、反轉(zhuǎn)，刀盤轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為0～1 000 r/min。偏心振動(dòng)裝置9在變頻調(diào)速電機(jī)作用下，通過偏心距可調(diào)的偏心輪迫使甘蔗輸送軌道3繞鉸支座5往復(fù)擺動(dòng)，從而在甘蔗切割點(diǎn)處獲得沿鉛垂方向的振動(dòng)，振動(dòng)的幅值和頻率取決于偏心輪偏心距和電機(jī)頻率，用于模擬甘蔗收獲機(jī)刀盤的軸向振動(dòng)，刀盤軸向振幅可調(diào)范圍為0～15 mm，頻率可調(diào)范圍為0～15 Hz。

1.2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料采用中蔗9號(hào)和桂糖42號(hào)甘蔗，新植蔗，蔗體通直，去葉去毛刺，平均直徑為（28±3） mm，取根部往上1 000 mm長度。

1.輸送小車 2.夾持裝置 3.輸送軌道 4.雙刀切割裝置 5.鉸支座 6.刀盤支架 7.壓緊彈簧 8.限位裝置 9.偏心振動(dòng)裝置 10.偏心輪

1.Feeding vehicle 2.Clamping device 3.Feeding pathway 4.Double-blade cutting device 5.Hinge support 6.Blade disk holder 7.Pressure spring 8.Position limiting device 9.Eccentric vibration device 10.Eccentric wheel

圖1 甘蔗收獲機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

Fig.1 Sugarcane harvester test platform

試驗(yàn)設(shè)備包括激光位移測(cè)量系統(tǒng)，由基恩士LK-G3001控制器、基恩士LK-G150激光位移傳感器、24V直流電穩(wěn)壓器（MS2-H50）、筆記本電腦和基恩士LK-H1W數(shù)據(jù)分析軟件組成。系統(tǒng)的測(cè)量距離范圍為（150±40） mm，最大位移測(cè)量范圍為±440 mm。在軟件中設(shè)置采樣頻率為100 Hz，采樣精度為0.1m。用于測(cè)量砍蔗點(diǎn)沿鉛垂方向的振幅，即刀盤軸向振幅。

無極調(diào)速液壓馬達(dá)型號(hào)為CM-FM40-FL，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為120～2 400 r/min，用于控制刀盤轉(zhuǎn)速。激光轉(zhuǎn)速表型號(hào)為DT-2234B，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍為0～3 000 r/min，用于測(cè)量刀盤轉(zhuǎn)速。

2臺(tái)數(shù)字變頻器。第1臺(tái)的型號(hào)為F1000-G0055T3B，頻率調(diào)節(jié)范圍為0.5～400 Hz，輸出功率為3.5 kW，用于控制偏心振動(dòng)裝置的頻率，即刀盤軸向振動(dòng)頻率。第2臺(tái)的型號(hào)為M3-R75G3，頻率調(diào)節(jié)范圍為50～650 Hz，輸出功率為0.75 kW，用于控制變頻調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制甘蔗輸送速度，模擬甘蔗收獲機(jī)在蔗地的行走速度。變頻調(diào)速電機(jī)和減速器，變頻調(diào)速電機(jī)型號(hào)為JB/T8680-2008，用于驅(qū)動(dòng)甘蔗輸送小車。

韋度（WD）電子傾角儀的角度測(cè)量范圍為4×90°，測(cè)量精度為±0.2°，用于測(cè)量刀盤傾角。

游標(biāo)卡尺精度為0.02 mm，用于測(cè)量甘蔗的裂紋長度和裂紋深度。

高速攝影觀察砍蔗過程的試驗(yàn)設(shè)備為美國NAC的HSE1024高速攝像機(jī)，最高拍攝幀數(shù)為4 000幀/s，頻幕分辨率為1 024×768（像素）。用高速攝像機(jī)拍攝甘蔗切割過程，拍攝時(shí)高速攝像機(jī)的拍攝速率為1 000幀/s。試驗(yàn)在室內(nèi)條件下進(jìn)行，以300 W碘鎢燈進(jìn)行照明。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

參考前期試驗(yàn)[33]，本文單次砍蔗試驗(yàn)的甘蔗切割質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)為甘蔗的裂紋總數(shù)、最大裂紋深度、最大裂紋長度和宿根破頭的甘蔗數(shù)量。

由于難以用單一指標(biāo)來評(píng)價(jià)甘蔗切割質(zhì)量。因此，本文采用改進(jìn)的熵值法，計(jì)算上述4個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，然后計(jì)算出甘蔗切割質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值[34]。綜合評(píng)價(jià)值越大，甘蔗切割質(zhì)量越差。

每次砍完9根甘蔗后，統(tǒng)計(jì)甘蔗的裂紋總數(shù)和宿根破頭的甘蔗數(shù)，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量裂紋深度和裂紋長度，找出最大裂紋深度和最大裂紋長度，計(jì)算甘蔗切割質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值。同一試驗(yàn)條件下重復(fù)進(jìn)行5次砍蔗試驗(yàn)，結(jié)果取平均值，的計(jì)算過程如下：

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)和二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，用激光位移測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量砍蔗點(diǎn)沿鉛垂方向的振幅，即刀盤軸向振幅。試驗(yàn)因素為刀盤軸向振幅、頻率、甘蔗輸送速度、刀盤傾角、刀盤轉(zhuǎn)速。

1.4.1 單因素試驗(yàn)

單因素試驗(yàn)的目的是研究刀盤軸向振幅和頻率對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響。

單因素試驗(yàn)1：試驗(yàn)因素為刀盤軸向振動(dòng)頻率。本課題組前期試驗(yàn)研究表明，蔗地路面不平度的激振頻率范圍在10 Hz以內(nèi)，并且主要集中在1～6 Hz，為低頻振動(dòng)信號(hào)，具有低頻高振幅，高頻低振幅的特點(diǎn)[35]。試驗(yàn)因素水平如表1所示。根據(jù)小型甘蔗收獲機(jī)的常用切割參數(shù)，設(shè)置刀盤軸向振幅為3.5 mm、甘蔗輸送速度為0.4 m/s、刀盤傾角為0°、刀盤轉(zhuǎn)速為600 r/min。

單因素試驗(yàn)2：試驗(yàn)因素為刀盤軸向振幅。本課題組前期試驗(yàn)研究表明，甘蔗收獲機(jī)工作時(shí)，刀盤軸向振幅的范圍為1～10 mm[36]。設(shè)置刀盤軸向振動(dòng)頻率為6 Hz，甘蔗輸送速度為0.4 m/s、刀盤傾角為0o、刀盤轉(zhuǎn)速為600 r/min。

試驗(yàn)1和2均為5次重復(fù)。

表1 單因素試驗(yàn)因素和水平

1.4.2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)的目的是研究刀盤軸向振幅、頻率、甘蔗收獲機(jī)行走速度、刀盤傾角、刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)甘蔗切割質(zhì)量影響的顯著程度。參考前期試驗(yàn)[33]，本文以試驗(yàn)平臺(tái)的甘蔗輸送速度模擬收獲機(jī)行走速度，正交試驗(yàn)因素和水平如表2所示（5因素2水平），選擇16(215)交互作用正交表。

表2 正交試驗(yàn)因素和水平

1.4.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)

二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)的目的是獲取甘蔗切割質(zhì)量和刀盤軸向振幅、頻率、甘蔗收獲機(jī)行走速度、刀盤傾角和刀盤轉(zhuǎn)速之間的定量關(guān)系。試驗(yàn)因素水平編碼表（5因素1/2實(shí)施）如表3所示。

表3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)因素水平編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1.1 刀盤軸向振動(dòng)頻率對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響

刀盤軸向振動(dòng)頻率對(duì)甘蔗切割質(zhì)量影響的測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 不同振動(dòng)頻度的切割質(zhì)量

注：為切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值。

Note:is Comprehensive Cutting Quality Evaluating Value (CCQEV) .

切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值隨刀盤軸向振動(dòng)頻率變化的擬合曲線如圖2所示。

圖2 y與刀盤軸向振動(dòng)頻率的擬合曲線

根據(jù)圖2，切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值和刀盤軸向振動(dòng)頻率之間呈線性正相關(guān)關(guān)系，即甘蔗切割質(zhì)量和刀盤軸向振動(dòng)頻率之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.1.2 刀盤軸向振幅對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響

刀盤軸向振幅對(duì)甘蔗切割質(zhì)量影響的測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表5 不同振幅的切割質(zhì)量

切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值隨刀盤軸向振幅變化的擬合曲線如圖3所示。

圖3 y與刀盤軸向振幅的擬合曲線

根據(jù)圖3，切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值和刀盤軸向振幅之間呈線性正相關(guān)關(guān)系，即甘蔗切割質(zhì)量和刀盤軸向振幅之間呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果

注：1～5為1～5的水平值。

Note:1-5are level values of1-5.

根據(jù)表6，用SPSS對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多因素方差分析中的主效應(yīng)分析，結(jié)果如表7所示。

根據(jù)表7，刀盤軸向振動(dòng)頻率的值為4.342，值為0.035<0.05，對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響顯著。

刀盤軸向振幅的值為18.225，值為0.002<0.01，對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響極顯著。

刀盤傾角、甘蔗輸送速度和刀盤轉(zhuǎn)速的值分別為1.31、3.794和0.006，值分別為0.279、0.08和0.941，對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響不顯著。

5個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)甘蔗切割質(zhì)量影響的顯著程度大小順序?yàn)榈侗P軸向振幅、頻率、甘蔗收獲機(jī)行走速度、刀盤傾角、刀盤轉(zhuǎn)速。

表7 正交試驗(yàn)的多因素方差分析中的主效應(yīng)分析結(jié)果

注：<0.01表示極顯著，0.01≤<0.05表示顯著，>0.05表示不顯著。

Note:<0.01 means a highly significant effect, 0.01≤<0.05 means a significant effect,>0.05 means no significant effect.

另外，刀盤軸向振幅和頻率的交互作用以及刀盤軸向振幅和刀盤轉(zhuǎn)速的交互作用的值分別為0.045和0.036，對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響顯著。其他交互作用的值都大于0.05，對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響不顯著。

2.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果與分析

二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 回歸方程

根據(jù)表8，用SPSS對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)和5個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行多元線性回歸分析，去除不顯著因素，得到五元二次回歸方程，如式（9）所示。

用SPSS進(jìn)行回歸方程及其系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，回歸方程及其系數(shù)的值都小于0.05，回歸方程的精度較高。

2.3.2 交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響

用Matlab繪制切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值隨刀盤軸向振幅和頻率的交互作用以及刀盤軸向振幅和刀盤轉(zhuǎn)速的交互作用變化的曲面，分別如圖4和圖5所示。作圖時(shí)令式 （9）中的其他試驗(yàn)因素水平為0。

圖4 切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值對(duì)刀盤軸向振幅和頻率交互作用的響應(yīng)曲面

圖5 切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值對(duì)刀盤軸向振幅和刀盤轉(zhuǎn)速的交互作用的響應(yīng)曲面

根據(jù)圖4，當(dāng)?shù)侗P軸向振幅和頻率同時(shí)增大時(shí)，兩者的交互作用使切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值增大，即甘蔗切割質(zhì)量變差。當(dāng)?shù)侗P軸向振幅和頻率同時(shí)減小時(shí)，兩者的交互作用使切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值減小，即甘蔗切割質(zhì)量變好。當(dāng)?shù)侗P軸向振動(dòng)頻率一定時(shí)，振幅越大，切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值越大，即甘蔗切割質(zhì)量越差，反之亦然。當(dāng)?shù)侗P軸向振幅一定時(shí)，頻率越大，切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值越大，即甘蔗切割質(zhì)量越差，反之亦然。

根據(jù)圖5，當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速一定時(shí)，刀盤軸向振幅越大，切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值越大，即甘蔗切割質(zhì)量越差。當(dāng)?shù)侗P軸向振幅一定時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速越大，切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值越小，即甘蔗切割質(zhì)量越好。當(dāng)?shù)侗P軸向振幅和刀盤轉(zhuǎn)速同時(shí)增大時(shí)，對(duì)甘蔗切割質(zhì)量產(chǎn)生兩種相反的作用：當(dāng)?shù)侗P軸向振幅增大時(shí)，甘蔗產(chǎn)生沿纖維方向的裂紋的概率增大，則甘蔗切割質(zhì)量變差。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，刀盤軸向振幅對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響最顯著，刀盤轉(zhuǎn)速的影響最小。因此，由刀盤軸向振幅導(dǎo)致的趨勢(shì)為主要影響趨勢(shì)，使甘蔗切割質(zhì)量變差。

2.4 高速攝影結(jié)果與分析

用高速攝像機(jī)拍攝砍蔗過程，觀察刀盤軸向振動(dòng)狀態(tài)下的砍蔗過程，進(jìn)一步研究刀盤和甘蔗之間的相互作用。部分試驗(yàn)視頻截圖如圖6所示。

圖6 切入位置比較

根據(jù)圖6，甘蔗不是被1次砍斷，而是經(jīng)歷了1次以上的砍切才會(huì)被砍斷，和本課題組的前期研究結(jié)果相符[37]。最少經(jīng)歷2次，多則達(dá)4次。而且由于存在刀盤軸向振動(dòng)，每次的切入位置都不同。根據(jù)圖6a，甘蔗經(jīng)歷2次切割，第2次的切入位置比第1次高。根據(jù)圖6b，甘蔗經(jīng)歷2次切割，第2次的切入位置比第1次低。根據(jù)圖 6c，甘蔗經(jīng)歷3次切割，第1次的切入位置比第2次低，第3次切入后將甘蔗整體砍斷。

被砍斷的甘蔗有明顯的臺(tái)階和縱向裂紋，因?yàn)榈侗P軸向振動(dòng)導(dǎo)致刀片和甘蔗在鉛垂方向發(fā)生相對(duì)位移。因此，在多刀砍切的情況下，刀盤軸向振動(dòng)容易直接使甘蔗產(chǎn)生縱向破損。

3 討 論

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，刀盤軸向振幅和頻率對(duì)甘蔗切割質(zhì)量具有顯著的影響，其他因素對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響不顯著。刀盤軸向振幅和頻率的交互作用以及刀盤軸向振幅和刀盤轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量具有顯著的影響，其他因素交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響不顯著。根據(jù)上述高速攝影結(jié)果，甘蔗經(jīng)歷多刀砍切才會(huì)被砍斷。因此，從多刀砍切的角度分析刀盤軸向振幅和頻率及其交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響機(jī)理。

第1刀砍切后，如果甘蔗沒有立刻被橫向砍斷，而且刀盤在砍切點(diǎn)處作用于甘蔗的橫向擠壓力產(chǎn)生的應(yīng)力大于甘蔗的橫向抗拉強(qiáng)度時(shí)，刀盤橫向振動(dòng)會(huì)使甘蔗產(chǎn)生橫向裂紋，刀盤軸向振動(dòng)會(huì)使甘蔗產(chǎn)生軸向裂紋。甘蔗產(chǎn)生橫向裂紋后，在第2刀砍切作用下的受力如圖7所示。

注：Ff為刀片作用于甘蔗的水平向前的橫向力，N；H為兩次砍切位置的高度差，m；M為刀片作用于甘蔗的彎矩，N·m；Fp為刀片作用于甘蔗的鉛垂向上的軸向力，N；-Fp為刀片作用于甘蔗的鉛垂向下的軸向力，N。

砍蔗過程中如果刀盤軸向振幅和頻率同時(shí)增大，會(huì)對(duì)甘蔗施加擠壓力和彎曲力矩。當(dāng)存在二次砍切時(shí)，甘蔗很容易被擠壓和撕裂。因?yàn)樵诘?次砍切時(shí)，第1次未砍斷的甘蔗很容易受到刀片快速擠壓和振動(dòng)的影響而發(fā)生破裂，同時(shí)刀片對(duì)甘蔗的擠壓力也會(huì)增大，而且擠壓力產(chǎn)生的彎曲力矩會(huì)使得未砍斷的甘蔗發(fā)生軸向破裂，破裂程度取決于刀盤軸向振幅和頻率的大小。如果刀盤軸向振幅過大，就會(huì)壓潰甘蔗宿根。因此，甘蔗收獲機(jī)應(yīng)該采取減振措施降低切割系統(tǒng)的振幅，同時(shí)提高車架和切割系統(tǒng)的固有頻率，避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

本課題組前期研究了刀盤軸向振幅、刀盤轉(zhuǎn)速、甘蔗收獲機(jī)行走速度和安裝在刀盤上的不平衡質(zhì)量對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響規(guī)律，并分析了這幾個(gè)試驗(yàn)因素對(duì)甘蔗切割質(zhì)量影響的顯著程度，大小為刀盤軸向振幅、安裝在刀盤上的不平衡質(zhì)量、刀盤轉(zhuǎn)速、甘蔗收獲機(jī)行走速度[33]。本文也探討了刀盤軸向振動(dòng)幅值、頻率、甘蔗收獲機(jī)行走速度、刀盤傾角和刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)甘蔗切割質(zhì)量影響的顯著程度，大小為刀盤軸向振幅、頻率、甘蔗收獲機(jī)行走速度、刀盤傾角、刀盤轉(zhuǎn)速，和前期研究結(jié)論存在差異。

前期研究中采用安裝在刀盤上的不平衡質(zhì)量和刀盤軸向振幅表征刀盤軸向振動(dòng)[33]。本文的刀盤軸向振動(dòng)是偏心振動(dòng)裝置在變頻調(diào)速電機(jī)作用下，通過可調(diào)偏心距的偏心輪迫使甘蔗輸送軌道3繞鉸支座5往復(fù)擺動(dòng)，從而在甘蔗切割點(diǎn)處獲得近似沿著鉛垂方向的振動(dòng)來模擬的，振動(dòng)的幅值和頻率取決于偏心輪的偏心距和電機(jī)的頻率，因此本文用刀盤軸向振動(dòng)頻率代替安裝在刀盤上的不平衡質(zhì)量，和刀盤軸向振幅一起表征刀盤軸向振動(dòng)，比不平衡質(zhì)量和軸向振幅更準(zhǔn)確。而且用不平衡質(zhì)量和軸向振幅表征刀盤軸向振動(dòng)，無法體現(xiàn)刀盤軸向振動(dòng)頻率對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響。

另外，在前期研究中，只從刀盤受到的力矩角度分析了刀盤軸向振動(dòng)對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響，本文通過高速攝影觀察砍蔗過程，對(duì)刀盤軸向振幅和頻率及其交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響機(jī)理進(jìn)行了深入分析，結(jié)果更直觀可靠。

4 結(jié) 論

1）本文采用單次砍蔗試驗(yàn)的甘蔗切割質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)為甘蔗的裂紋總數(shù)、最大裂紋深度、最大裂紋長度和宿根破頭的甘蔗數(shù)量，利用改進(jìn)的熵值法，對(duì)上述4個(gè)指標(biāo)加權(quán)計(jì)算甘蔗切割質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值，切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值越大，切割質(zhì)量越差。

2）根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，甘蔗切割質(zhì)量與刀盤軸向振幅和頻率呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3）根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，刀盤軸向振幅和頻率對(duì)甘蔗切割質(zhì)量具有顯著的影響，值分別為0.002和0.035。刀盤轉(zhuǎn)速、甘蔗收獲機(jī)行走速度和刀盤傾角對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響不顯著，值都大于0.05。刀盤軸向振幅和頻率的交互作用以及刀盤軸向振幅和刀盤轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量具有顯著的影響，值分別為0.045和0.036。其他交互作用對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響不顯著，值都大于0.05。對(duì)甘蔗切割質(zhì)量影響的顯著程度大小為刀盤軸向振幅、頻率、甘蔗收獲機(jī)行走速度、刀盤傾角、刀盤轉(zhuǎn)速。

4）根據(jù)回歸方程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，刀盤軸向振幅和頻率越大，切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值越大，切割質(zhì)量越差。刀盤軸向振幅和刀盤轉(zhuǎn)速同時(shí)增大，切割質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)值增大，切割質(zhì)量變差。

5）用高速攝像機(jī)觀察砍蔗過程發(fā)現(xiàn)，甘蔗經(jīng)歷多刀砍切才會(huì)被砍斷，且不同的切入位置之間存在高度差，可通過采取減振措施降低切割系統(tǒng)的振幅，同時(shí)提高車架和切割系統(tǒng)的固有頻率，避免出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

研究結(jié)果可為研發(fā)具有高切割質(zhì)量的甘蔗收獲機(jī)提供參考。

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Effects of the blade disk vibration in axial and cutting parameters on the cutting quality of sugarcane harvesters

Mo Hanning1,2,3, Li Shangping4, Qiu Chen1,2,3※, Ma Shaochun1,2, Huang Zhimin1, Zhou Jinghui5

(1.,530007,;2.,,100083,; 3.,,543000,;4.,,530006,;5.,,532100,)

Sugarcane Cutting Quality (SCQ) has been one of the most important limiting factors in a sugarcane harvester. The sugarcane ratoons can be broken to reduce the budding rate, thus leading to the sugarcane yield decrease in the subsequent year. It is an extremely serious threat to the sugarcane yield for cost-saving planting. This study aims to investigate the effects of axial blade disk vibration and cutting parameters on the cutting quality of sugarcane harvesters. A series of cutting tests were performed on a self-developed test platform of a sugarcane harvester. The SCQ evaluating indexes were selected as the number of sugarcane cracks, the crack thickness, the crack depth, and the number of sugarcanes with broken ratoons. Then, the Comprehensive sugarcane Cutting Quality Evaluating Value (CCQEV) was calculated with the four parameters through the improved entropy as the test index. A regressive equation was established using single-factor tests, the orthogonal test, and the quadratic regressive orthogonal rotary combination test. The axial blade disk vibration was characterized by the vibration amplitude, frequency, and rotation velocity of the blade disk, together with the moving velocity of the sugarcane harvester, the blade installing angle, and their interactions on the SCQ. The results showed that there were strong linear negative relationships between the SCQ and the axial blade disk vibration amplitude, the SCQ and the axial blade disk vibration frequency. The significance coefficients of the axial blade disk vibration amplitude and frequency were 0.002 and 0.035, respectively. There were significant effects on the SCQ. By contrast, the significance coefficients of the sugarcane harvester moving velocity, the blade disk rotation velocity, and the blade disk installing angle were greater than 0.05, indicating no significant effect on the SCQ. The significance coefficients were 0.045 and 0.036 for the interaction of the axial blade disk vibration amplitude and frequency, as well as that of the axial blade disk vibration amplitude and the blade disk rotation velocity, respectively, indicating the significant effects on the SCQ. The significance coefficients of other interactions were greater than 0.05, indicating no significant effect on the SCQ. The significance levels were ranked in the descending order of the axial blade disk vibration amplitude > frequency > the sugarcane harvester moving velocity > the blade disk rotation velocity > the blade disk installing angle. There was a specific interaction between the axial blade disk vibration amplitude and frequency and that between the axial blade disk vibration amplitude and the blade disk rotation velocity. The greater the blade disk vibration amplitude and frequency were, the greater the CCQEV was, and the worse the SCQ was. The greater the blade disk vibration on axial amplitude and the blade disk rotation velocity were, the greater the CCQEV was, and the worse the SCQ was. Moreover, a high-speed camera was used to capture the sugarcane-cutting process. Several times of cutting rather than one time were implemented in the sugarcane harvester, due to the axial blade disk vibration. There was an outstanding height difference between the cut-in points. The significance levels of the axial blade disk vibration amplitude and frequency were higher than those of the rest. There was also some effect of the interaction between the axial blade disk vibration amplitude and frequency on the SCQ. Therefore, an analysis was made to clarify the influencing mechanisms of the axial blade disk vibration amplitude and frequency as well as their interaction with the SCQ from the angle of the multi-cutting process. The vibration amplitude of sugarcane harvesters decreased to improve the natural frequencies of the body frame, whereas, the cutting system of sugarcane harvesters increased to avoid the resonance phenomenon. This finding can provide a strong reference for the higher SCQ in sugarcane harvesters.

harvester; vibration; cutting quality; blade disk; cutting parameter

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.007

S225.5+3

A

1002-6819(2022)-18-0062-10

莫瀚寧，李尚平，邱辰，等. 刀盤軸向振動(dòng)和切割參數(shù)對(duì)甘蔗收獲機(jī)切割質(zhì)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(18)：62-71.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.007 http://www.tcsae.org

Mo Hanning, Li Shangping, Qiu Chen, et al. Effects of the blade disk vibration in axial and cutting parameters on the cutting quality of sugarcane harvesters[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 62-71. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.007 http://www.tcsae.org

2021-07-15

2022-09-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51465006）；廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目（2022KY0679）；廣西梧州市科技開發(fā)項(xiàng)目（2021E02008）

莫瀚寧，博士，講師，研究方向?yàn)榍卸问礁收崾斋@機(jī)除雜關(guān)鍵技術(shù)和微波滅菌技術(shù)以及兩者的影響規(guī)律和機(jī)理。Email：1433025842@qq.com

邱辰，博士，講師，研究方向?yàn)槲⒉ㄔ诟收釡缇?、保糖中的作用機(jī)理。Email：303494977@qq.com