仿生香蕉秸稈粉碎裝置關(guān)鍵部件作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)*

郭超凡，李粵，姚德宇，魏思林，吳紫晗，李媛

(1.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海口市，570208；2.湖南省工業(yè)設(shè)備安裝有限公司，湖南株洲，412000；3.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，海口市，571700)

0 引言

在農(nóng)用香蕉秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)過程中，粉碎刀的形狀及參數(shù)決定著一臺(tái)秸稈粉碎還田機(jī)作業(yè)質(zhì)量、消耗功率及作業(yè)可靠度的高低。秸稈粉碎還田機(jī)的粉碎刀是該機(jī)構(gòu)的主要工作部件，經(jīng)常與莖稈、泥土、石塊以及其他田間雜質(zhì)接觸摩擦，工作條件極為惡劣，且由于其轉(zhuǎn)速一般較高，需要承受很大的沖擊力才能達(dá)到粉碎莖稈的目的[1]。目前，基于外觀特性，秸稈粉碎刀可分為直刀、甩刀和錘爪刀，其中甩刀又可細(xì)分為L(zhǎng)型、T型及Y型[2]。機(jī)具田間作業(yè)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)香蕉秸稈纖維容易纏繞在刀具上，導(dǎo)致刀片減阻性能較差，增加整機(jī)功耗，而且容易產(chǎn)生形變和磨損，使用壽命低，影響粉碎效率。基于此，提高粉碎刀減阻性能和提高機(jī)器粉碎效率是目前粉碎刀設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

在提高減阻降耗性能方面，仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一種應(yīng)用十分廣泛的重要方法。王少偉等[3]對(duì)鼴鼠前爪第3趾結(jié)構(gòu)的擬合圓弧對(duì)開溝刀刃線及表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過田間試驗(yàn)表明仿生開溝刀的功耗和磨損質(zhì)量均低于原來齒形開溝刀；朱鳳武[4]通過金龜子前足脛節(jié)外緣齒與深松鏟刀刃曲線擬合，達(dá)到減小耕作阻力和節(jié)約能耗的目的；張磊磊[5]根據(jù)河貍下門齒的特征曲線及其變曲率特征，設(shè)計(jì)仿生刀片。由此可見，上述仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要利用動(dòng)物爪趾、牙齒等鋒利部位的特征輪廓線參數(shù)進(jìn)行刃線設(shè)計(jì)。

自然界的一些生物經(jīng)過長(zhǎng)期的演化與進(jìn)化過程，具備了耐磨的體表、材料和結(jié)構(gòu)以及巧妙的捕食和生活技巧[6]。自然已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十億年的進(jìn)化，它的鬼斧神工常常蘊(yùn)藏著精妙的設(shè)計(jì)思想[7]，貓科動(dòng)物如虎、獅、豹，犬科動(dòng)物如狗、狼、狐都具有適合捕獵的鋒利的爪牙，狼在捕獵的過程中用鋒利的爪子撕裂獵物，在農(nóng)業(yè)機(jī)械化領(lǐng)域的秸稈粉碎部件的研究中，它們利爪的特有的幾何輪廓為提高秸稈粉碎效果提供了參考。另外在狼、豹等動(dòng)物進(jìn)行捕獵時(shí)，會(huì)隱蔽前行靠近獵物，當(dāng)確定獵物進(jìn)入他的捕殺范圍，會(huì)一躍而起奔撲向獵物，在前撲的過程中，它們的利爪會(huì)快速地刺入獵物體內(nèi)，在香蕉秸稈粉碎刀的安裝角度以及運(yùn)動(dòng)軌跡的研究中，它們的前爪與撲殺過程為秸稈粉碎部件提供仿生設(shè)計(jì)參考。由此可知，狼爪輪廓曲線和刺入角度對(duì)狼的捕獵具有重要的影響。

本文基于仿生原理，從狼在捕獵時(shí)，它的爪趾易刺入獵物體內(nèi)為切入點(diǎn)，模仿狼爪的輪廓結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種仿生式減阻型秸稈粉碎刀，并通過田間試驗(yàn)來研究仿生結(jié)構(gòu)特征對(duì)香蕉秸稈粉碎還田機(jī)田間工作性能的影響。

1 仿生式減阻型粉碎裝置設(shè)計(jì)

1.1 狼爪輪廓曲線擬合函數(shù)的獲取

在狼爪輪廓線上選取一組能顯著反映狼爪輪廓特征的點(diǎn)作為待測(cè)點(diǎn)，利用SolidWorks三維建模軟件自帶的點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)獲取功能，在狼爪縱剖面上建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，獲取狼爪輪廓線上待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，收集到的點(diǎn)集坐標(biāo)如表1所示。利用多項(xiàng)式曲線擬合功能，對(duì)點(diǎn)集坐標(biāo)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，如圖1所示。擬合函數(shù)為

圖1 擬合曲線方程

表1 狼爪輪廓點(diǎn)坐標(biāo)

y=0.161 9x2+33.324x+1 718.3

(1)

R2=0.887 8，回歸系數(shù)接近于1，說明此函數(shù)比較貼合真實(shí)狼爪結(jié)構(gòu)。

1.2 仿生式減阻型秸稈粉碎刀設(shè)計(jì)與加工

基于之前研制的直型粉碎刀[8]，將狼爪輪廓曲線應(yīng)用于直型粉碎刀。直型粉碎刀由刀柄、具有正切刃的正切面和側(cè)切刃的側(cè)切面組成，刀片刃角為25°，工作幅寬b1為60 mm，旋轉(zhuǎn)半徑R1為360 mm，如圖2(a)所示。在進(jìn)行香蕉秸稈粉碎試驗(yàn)時(shí)，粉碎刀側(cè)切面具有切割豎直方向秸稈的功能，正切面對(duì)絕大部分水平方向的秸稈進(jìn)行切割，使得粉碎刀整刀功耗較大部分都消耗在正切面上。根據(jù)狼爪結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合直型粉碎刀結(jié)構(gòu)，將狼爪輪廓曲線應(yīng)用于直型粉碎刀的正切面上，如圖2(b)所示。

(a)直型粉碎刀

由圖2可知，直型粉碎刀與仿生式減阻型秸稈粉碎刀的不同在于工作幅寬、刀刃軌跡、刃角。仿生式減阻型秸稈粉碎刀是以狼爪輪廓曲線為刀刃軌跡，減小應(yīng)力集中，增強(qiáng)刀片強(qiáng)度。仿生粉碎刀的工作幅寬b2為110 mm，旋轉(zhuǎn)半徑R2為360 mm，能與更多的香蕉秸稈接觸，增強(qiáng)秸稈粉碎效果。刃角影響著刀片的粉碎效率，刃角過小會(huì)使刀片強(qiáng)度降低，容易造成磨損甚至斷裂。為使刀片具有鋒利度和保持度，刀片在多次使用后通過重新打磨使刀刃保持鋒利，刀片的開刃角度選取為30°。

秸稈粉碎還田刀片的刀刃與秸稈、根茬、土壤、砂石等接觸，故要求刀刃具有較好的耐磨性，由于刀片的特殊形狀，故刀片本身要具有一定的剛度，防止在作業(yè)過程中有較大的變形[9]。仿生式減阻型秸稈粉碎刀加工工藝和國(guó)標(biāo)旋耕刀的加工工藝相同，仿生式減阻型秸稈粉碎刀的主切削面、主切削刃、側(cè)切削面、側(cè)切削刃一方面被用來切斷秸稈，另一方面由于其與土壤中碎石產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，需承受較大沖擊載荷，故要求其硬度控制在55～60 HRC[10]。由于在切削香蕉秸稈時(shí)，仿生式減阻型秸稈粉碎刀需承受較大作業(yè)反力，導(dǎo)致刀柄需要承受較大的扭矩，因此設(shè)計(jì)仿生式減阻型秸稈粉碎刀刀柄時(shí)需保證其具有較高的韌性，將其硬度控制在40～48 HRC。

為有效地控制刀具的組織外貌，以免對(duì)刀具的使用性能有所影響。仿生式減阻型秸稈粉碎刀采用鍛壓工藝加工，隨后進(jìn)行鹽浴處理，進(jìn)行兩次回火達(dá)到刀片硬度的設(shè)計(jì)要求。第一次回火將刀片的主體部分硬度提升至55～60 HRC，同時(shí)消除內(nèi)應(yīng)力；第二次回火主要控制刀柄的硬度，將其加熱至450°，隨后進(jìn)行回火水冷，從而將其硬度控制在40～48 HRC。根據(jù)此前已有的研究試驗(yàn)[9]，加工3種厚度分別為8 mm、10 mm以及12 mm的粉碎刀，如圖3所示，用于本文的試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

圖3 仿生刀片加工圖

1.3 秸稈粉碎刀軸設(shè)計(jì)

田間作業(yè)時(shí)，香蕉秸稈粉碎部件在各種作業(yè)反力作用下，部分零部件會(huì)產(chǎn)生彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜組合變形?？紤]到節(jié)能減材，在不影響秸稈粉碎部件工作性能的前提下可將秸稈粉碎刀軸設(shè)計(jì)成空心軸。與圓鋼等實(shí)心鋼材相比，鋼管在抗彎、抗扭強(qiáng)度相同時(shí)，重量較輕，是一種經(jīng)濟(jì)截面鋼材，并且無縫鋼管具有較強(qiáng)的耐壓性，所以粉碎刀軸的材料選用Q235的無縫鋼管，其內(nèi)徑d=70 mm，外徑D=85 mm，各刀座繞刀軸軸線呈圓周均勻排列，相鄰刀座的徑向夾角α為120°。切割角度為60°時(shí)對(duì)香蕉果梗纖維的破壞能力最強(qiáng)，且細(xì)的香蕉果梗較粗的香蕉果梗更容易被切割[11]。因此，刀座的彎折角θ為60°。通過螺栓固定連接的方式將刀座與秸稈粉碎刀連接，在受損后方便拆卸與更換，如圖4所示。

圖4 秸稈粉碎刀軸與刀座裝配三維模型

2 田間試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)條件

2019年，在海南省澄邁縣福山鎮(zhèn)墩茶村的香蕉秸稈還田示范地進(jìn)行田間試驗(yàn)，選取的試驗(yàn)田的長(zhǎng)為40 m，寬為50 m。其中，試驗(yàn)田內(nèi)香蕉假莖的高度為2 200～2 700 mm。田間試驗(yàn)中香蕉秸稈還田設(shè)備采用熱帶作物機(jī)械化還田課題組自行設(shè)計(jì)研制的立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)[12-13]，將仿生式減阻型秸稈粉碎刀安裝到立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)上，其作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)試方法

在機(jī)具工作的每個(gè)行程中隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)試區(qū)(1 m×1 m)，在測(cè)試區(qū)中稱取所有秸稈粉碎殘?jiān)闹亓縨1；稱取秸稈長(zhǎng)度大于10 cm的秸稈重量m2[14]。根據(jù)式(2)計(jì)算出各個(gè)測(cè)試區(qū)中的香蕉秸稈粉碎合格率，最后求出5個(gè)測(cè)試區(qū)中的平均值，即為所求值。

(2)

式中：P——香蕉秸稈粉碎合格率，%。

在試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)速值則通過安裝在香蕉秸稈還田機(jī)動(dòng)力輸入軸上的CYT-302型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測(cè)定。

2.3 試驗(yàn)方法

為確定參數(shù)最佳組合，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法[15-18]。根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)方案，基于減阻降耗原理，本試驗(yàn)選取影響香蕉秸稈粉碎合格率的主要因素：刀片厚度、還田機(jī)前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)行三水平三因素試驗(yàn)，共計(jì)17組，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，秸稈粉碎合格率取其平均值，試驗(yàn)因素水平編碼如表2所示。

表2 因素水平編碼表

3 結(jié)果與分析

在Design-Expert中，通過響應(yīng)曲面Box-Behnken設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果如表3所示，對(duì)秸稈粉碎合格率P與各因素之間建立數(shù)學(xué)模型，并且通過響應(yīng)面分析法，考察兩因素間交互作用效應(yīng)。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果

3.1 方差分析

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果得到秸稈粉碎合格率P對(duì)各因素編碼值的回歸方程為

P=94.80-0.50A+4.10B+1.02C+2.37A·

B-0.37A·C-0.18B·C-4.91A2-

0.013B2-4.81C2

(3)

在回歸方程中，系數(shù)絕對(duì)值的大小決定了該因素對(duì)秸稈粉碎合格率的影響大小，從而可以得出3個(gè)因素對(duì)秸稈粉碎合格率的顯著性順序由大到小為B、C、A。

對(duì)表3的結(jié)果通過逐步回歸法進(jìn)行秸稈粉碎合格率的三元二次回歸分析及方差分析，結(jié)果見表4。

由表4方差分析可知，一次項(xiàng)中B為極顯著(P<0.01)，C為顯著(P<0.05)，二次項(xiàng)中AB、A2、C2均為極顯著(P<0.01)，由此可知各個(gè)因素之間存在交互作用，并且各個(gè)因素對(duì)秸稈粉碎合格率的影響并不是呈單純的線性關(guān)系。失擬項(xiàng)P=0.404 8>0.05，不顯著，說明模擬效果好。模型的決定系數(shù)R2=0.978 8，即回歸模型擬合度為97.88%，說明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高[19]，通過此模型對(duì)秸稈粉碎合格率進(jìn)行分析。且影響因素B(刀軸轉(zhuǎn)速)>C(刀片厚度)>A(還田機(jī)前進(jìn)速度)，與式(3)所得結(jié)果一致。

表4 秸稈粉碎合格率方差分析

3.2 秸稈粉碎合格率與各參數(shù)響應(yīng)曲面的分析

根據(jù)表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，各因素對(duì)秸稈粉碎合格率的響應(yīng)曲面如圖6所示，根據(jù)圖6中等高線可判定二者交互效應(yīng)的強(qiáng)弱[20-26]，交互作用由強(qiáng)到弱依次為：還田機(jī)前進(jìn)速度和刀軸轉(zhuǎn)速(AB)、還田機(jī)前進(jìn)速度和刀片厚度(AC)、刀軸轉(zhuǎn)速和刀片厚度(BC)，與表4的顯著性相對(duì)應(yīng)。

由圖6(a)可知，還田機(jī)前進(jìn)速度與刀軸轉(zhuǎn)速(AB)存在交互作用。當(dāng)?shù)镀穸忍幱?水平時(shí)，秸稈粉碎合格率先隨還田機(jī)前進(jìn)速度增大至最大值后逐漸減小，如圖7(a)所示。這是因?yàn)楫?dāng)還田機(jī)前進(jìn)速度從-1水平逐漸提高時(shí)，秸稈粉碎合格率逐漸增大，當(dāng)增大到一定值時(shí)，由于前進(jìn)速度過快，導(dǎo)致秸稈喂入量過多，刀具無法有效粉碎香蕉秸稈，秸稈粉碎合格率隨之降低；秸稈粉碎合格率隨刀軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增大，如圖7(b)所示。這是因?yàn)榈遁S轉(zhuǎn)速越大，加快了對(duì)秸稈的粉碎效率，但考慮到機(jī)具結(jié)構(gòu)承載，以及機(jī)具在實(shí)際作業(yè)中的功耗情況，在保證秸稈粉碎合格率的條件下，刀軸轉(zhuǎn)速在合理范圍內(nèi)選取810～1 650 r/min。

(a)P=f(A,B,0)

由圖6(b)知，刀片厚度與還田機(jī)前進(jìn)速度(AC)存在交互作用。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速處于0水平時(shí)，秸稈粉碎合格率先隨刀片厚度增大至最大值后逐漸減小，如圖7(c)所示。這是由于若刀片厚度過小，刀片強(qiáng)度不夠從而導(dǎo)致作業(yè)過程中變形，粉碎合格率降低；若刀片厚度過大，致使粉碎裝置慣性增大，使得機(jī)具震動(dòng)劇烈，刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡不規(guī)律，導(dǎo)致粉碎合格率降低。同時(shí)，由式(3)和表4可得，刀軸轉(zhuǎn)速與刀片厚度(BC)交互作用不顯著。

(a)A對(duì)P的影響

由圖6的響應(yīng)曲面可以看出，還田機(jī)前進(jìn)速度與刀軸轉(zhuǎn)速(AB)變化時(shí)，秸稈粉碎合格率的變化幅度較大；還田機(jī)前進(jìn)速度和刀片厚度(AC)變化時(shí)，秸稈粉碎合格率的變化幅度相對(duì)較小，說明還田機(jī)前進(jìn)速度與刀軸轉(zhuǎn)速(AB)的交互作用是影響秸稈粉碎合格率的主要因素，與表4分析一致。

通過Design-Expert軟件的Optimization功能，進(jìn)行優(yōu)化分析，得出三因素的最優(yōu)參數(shù)組合：還田機(jī)前進(jìn)速度A為4.72 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速B為1 626.67 r/min、刀片厚度C為9.84 mm，此時(shí)，香蕉秸稈粉碎合格率為97.28%。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)上述優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用效果，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果及試驗(yàn)的可操作性，將設(shè)備參數(shù)固化為最優(yōu)解[27]，將還田機(jī)前進(jìn)速度、刀軸轉(zhuǎn)速分別調(diào)整為4.7 km/h、1 630 r/min，研制刀片厚度為9.8 mm，在此條件下進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)。為避免隨機(jī)誤差，在作業(yè)總面積為60 m2的田間進(jìn)行5次試驗(yàn)，最后取5次試驗(yàn)的平均值，得到在調(diào)整為優(yōu)化參數(shù)情況下，香蕉秸稈粉碎合格率的田間試驗(yàn)值為96.94%，與軟件優(yōu)化值(97.28%)間的誤差為0.34%，由此可見，軟件優(yōu)化值較為合理。

3.4 對(duì)比試驗(yàn)

為更加清楚地看出參數(shù)優(yōu)化后的各項(xiàng)性能指標(biāo)的提高程度，故將樣機(jī)裝配直型粉碎刀后加入到此次的田間試驗(yàn)，還田機(jī)前進(jìn)速度同樣控制為4.7 km/h，刀軸轉(zhuǎn)速同樣設(shè)置為1 630 r/min，在同一個(gè)作業(yè)面積為60 m2的試驗(yàn)田進(jìn)行5次試驗(yàn)，對(duì)香蕉秸稈粉碎還田機(jī)進(jìn)行作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)，最后取平均值，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的作業(yè)性能對(duì)比

試驗(yàn)結(jié)果表明：裝配仿生式減阻型秸稈粉碎刀的立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的秸稈粉碎合格率比裝配直型粉碎刀的粉碎還田機(jī)提高2.34個(gè)百分點(diǎn)。在進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)，裝配仿生式減阻型秸稈粉碎刀的立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)沒有出現(xiàn)纖維纏繞刀盤的情況，但裝配直型粉碎刀的粉碎還田機(jī)的刀片出現(xiàn)纖維局部纏繞的現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿狼爪秸稈粉碎刀在切割時(shí)起到了減阻作用，進(jìn)而提高了香蕉秸稈粉碎合格率，在工作性能上有了一定的改進(jìn)和提升。

4 結(jié)論

1)本文通過狼爪獲取靈感，基于仿生減阻機(jī)理，提出一種模仿狼爪輪廓曲線的仿生秸稈粉碎刀的設(shè)計(jì)方案，獲取仿狼爪輪廓曲線刀刃曲線方程，將仿生曲線方程應(yīng)用在秸稈粉碎刀刃設(shè)計(jì)上，結(jié)合香蕉秸稈的結(jié)構(gòu)特性，采用鍛壓工藝的方式加工出符合結(jié)構(gòu)參數(shù)和硬度要求的仿生式減阻型秸稈粉碎刀。

2)在Design-Expert中，通過響應(yīng)曲面Box-Behnken設(shè)計(jì)方法進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出3個(gè)因素對(duì)秸稈粉碎合格率的顯著性順序由大到小為刀軸轉(zhuǎn)速、刀片厚度、還田機(jī)前進(jìn)速度。通過優(yōu)化分析，得出三因素的最優(yōu)參數(shù)組合：還田機(jī)前進(jìn)速度為4.72 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速為1 626.67 r/min、刀片厚度為9.84 mm，此時(shí)，香蕉秸稈粉碎合格率為97.28%。將優(yōu)化后的參數(shù)應(yīng)用于香蕉秸稈粉碎設(shè)備上進(jìn)行田間試驗(yàn)，秸稈粉碎合格率實(shí)際可達(dá)96.94%，與軟件優(yōu)化值(97.28%)間的誤差為0.34%，由此可見，優(yōu)化參數(shù)可以滿足香蕉秸稈粉碎的實(shí)際要求。

3)通過對(duì)比試驗(yàn)，裝配仿生式減阻型秸稈粉碎刀的立式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)的秸稈粉碎合格率比裝配直型粉碎刀的粉碎還田機(jī)的粉碎合格率提高2.34個(gè)百分點(diǎn)，且秸稈纏繞減少。

該研究對(duì)刀具進(jìn)行合理的仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為香蕉秸稈的有效還田起到一定的推動(dòng)作用，它對(duì)實(shí)現(xiàn)秸稈粉碎刀的減阻特性有一定的啟發(fā)。