滑剪組合式甘蔗根切裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

錢 君 ，馬少春 ,2※，徐 楊 ，李文志 ，霍 鵬 ，李偉慶

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2.廣西科學(xué)院，南寧 530007）

0 引 言

甘蔗是一年或多年生熱帶和亞熱帶草本植物，是制造蔗糖的原料，且可提煉乙醇作為能源替代品[1]，是中國重要的經(jīng)濟(jì)和糖料作物。甘蔗主要種植于廣西、廣東和與云南等省份[2-3]，地勢(shì)多為丘陵山區(qū)，為機(jī)械化收獲的推廣增加了難度。甘蔗根切是收獲過程中重要的一步，宿根的切割質(zhì)量直接影響來年莖稈的長勢(shì)及產(chǎn)量。目前甘蔗機(jī)械化收獲過程中存在的主要問題是根切器類型較少且根切質(zhì)量較差，盡管有圓盤式[4]、往復(fù)式[5]、動(dòng)定刀式[6]等根切器類型，但根切作業(yè)質(zhì)量差仍然是阻礙甘蔗機(jī)械化推廣與普及的一大障礙。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)根切裝置及切割方法進(jìn)行了大量的研究。WANG等[7]設(shè)計(jì)了同軸反轉(zhuǎn)式甘蔗根切器，通過臺(tái)架試驗(yàn)可降低破頭率至15%。左林昌[8]設(shè)計(jì)了往復(fù)式根切裝置，并基于ANSYS/LSDYNA進(jìn)行了顯式動(dòng)態(tài)的數(shù)值模擬仿真，對(duì)甘蔗破頭的機(jī)理進(jìn)行說明。黃漢東等[6]研制了的微型砍蔗器，將刀具安裝在沖擊氣缸上，控制手柄完成行走的控制以及對(duì)刀和砍蔗的工作，實(shí)現(xiàn)了甘蔗收獲機(jī)的微型化。MOMIN等[9]通過收割機(jī)田間試驗(yàn)，測(cè)試光刃、斜刃、鋸齒刃等形狀的割刀性能，并以根切質(zhì)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。WANG等[10]研究了刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤傾角、喂入率等因素對(duì)切割能耗的影響，研究得出刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)能耗的顯著性影響高于喂入率，而喂入率又高于刀盤傾角，并得出最佳參數(shù)組合為刀盤轉(zhuǎn)速200 r/min、傾角20°和喂入率1 m/s。楊堅(jiān)等[11]通過臺(tái)架試驗(yàn)的方法研究根切器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響，研究表明當(dāng)?shù)镀薪?1°、刀片切割角30.5°、傾角11.5°和刀片4片為最佳參數(shù)組合，此時(shí)宿根破頭率降低至11%。楊德權(quán)等[12]通過建立破頭率與根切器結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，表明破頭率與刀片數(shù)量成反比；切割角對(duì)破頭率的影響不顯著；刃角小于16°時(shí)，破頭率與刃角成反比，反之成正比。麻芳蘭等[13]在自制的切割試驗(yàn)臺(tái)研究刀盤轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和甘蔗根數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響，研究表明當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速800 r/min，進(jìn)給速度為0.4 m/s時(shí)切割效果達(dá)到最佳。賴曉等[14]以軸向振幅為指標(biāo)，探究了激勵(lì)對(duì)甘蔗切割質(zhì)量的影響，結(jié)果表明振動(dòng)對(duì)宿根破頭有顯著影響，并給出了抑制辦法。陳國晶等[15]利用ADAMS對(duì)莖稈切割過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，研究了根切器結(jié)構(gòu)和振動(dòng)因素對(duì)破頭的影響，結(jié)果表明頻率和振幅對(duì)根切器切割性能影響顯著。綜上所述，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者主要圍繞根切器類型、結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及振動(dòng)等因素對(duì)宿根切割質(zhì)量的影響進(jìn)行研究，盡管根切效果得到了改善但仍然存在著根切器結(jié)構(gòu)類型單一，根切質(zhì)量差的問題，因此設(shè)計(jì)一款高效、簡(jiǎn)易、切割質(zhì)量較好的根切器顯得尤為重要。本研究基于“滑切+剪切”相組合的方式設(shè)計(jì)了滑剪組合式根切裝置，并對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過臺(tái)架裝置進(jìn)行單因素及正交試驗(yàn)，旨在探究滑剪組合式甘蔗根切器的試驗(yàn)效果。

1 根切器設(shè)計(jì)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)

本試驗(yàn)臺(tái)架主要是由切割電機(jī)、喂入電機(jī)、喂入裝置、根切裝置、夾持裝置、傳動(dòng)裝置、支撐裝置和機(jī)架組成。切割電機(jī)為YVP160M-6三相變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)（天津大明英格電機(jī)有限公司），額定功率、電壓、電流分別為7.5 kW、380 V和17 A，轉(zhuǎn)速為970 r/min；喂入電機(jī)為YVP80M-4三相變頻調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)（天津大明英格電機(jī)有限公司），額定功率、電壓、電流分別為0.75 kW、380 V和2.05 A，轉(zhuǎn)速為1 390 r/min；根切裝置即為滑剪組合式甘蔗根切器，主要是由定刀、動(dòng)刀和連接部件組成，用來剪切甘蔗；喂入裝置主要是由傳動(dòng)鏈條和莖稈夾持裝置以及喂入電機(jī)組成，主要負(fù)責(zé)夾持及喂入甘蔗，鏈條可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，進(jìn)而控制喂入速度；傳動(dòng)裝置是由齒輪箱和齒輪等組成，其主要實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)和換向；調(diào)速裝置主要由變頻器來完成，其主要作用為通過調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；支撐裝置主要是由支撐板組成，其第一個(gè)作用就是為喂入裝置提供不同喂入角度固定時(shí)所需孔位。在支撐裝置的右端兩側(cè)分別焊接鐵板，在板上設(shè)有均勻分布的旋轉(zhuǎn)孔。另外在支撐裝置的左端安裝有角度調(diào)節(jié)方管，在方管上設(shè)有根據(jù)計(jì)算所得的孔位，通過左端調(diào)節(jié)方管以及右端鐵板上不同孔位的組合可實(shí)現(xiàn)甘蔗喂入角度的變化。支撐裝置的另一個(gè)作用是增加喂入裝置的高度，使得甘蔗能在預(yù)定高度被喂入根切裝置，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架Fig.1 Test bench

1.2 根切器結(jié)構(gòu)

1.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

根切器由動(dòng)刀和定刀組成，實(shí)現(xiàn)“剪切+滑切”的切割目的，有文獻(xiàn)研究[16-17]表明基于有支撐切割理論的剪切切割方式可減少對(duì)作物的傷害，提高切割質(zhì)量；同時(shí)有研究[18-19]表明滑切可有效降低切割力及切割功耗?；诖?，對(duì)有/無支撐切割過程進(jìn)行力學(xué)分析對(duì)比。如圖2a所示，無支撐切割根切器工作時(shí)在XY平面（水平面）上平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 切割受力對(duì)比示意圖Fig.2 Schematic diagram of cutting force comparison

在根切器作用下，刀片與莖稈接觸到切入到莖稈的T1時(shí)間內(nèi)，在Fq的作用下莖稈轉(zhuǎn)過的角度為α：

式中EI為抗彎剛度，N·m；L為割茬高度，m。

則

式中vy為根切器轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度，m/s；T1為根切器與莖稈開始接觸到切入莖稈的時(shí)間，s。

當(dāng)切割速度較低時(shí)，根切器的切割力Fq遠(yuǎn)大于莖稈的彎曲阻力和慣性力之和，這時(shí)莖稈很有可能被推倒或折斷。當(dāng)切割速度較高時(shí)，慣性力會(huì)隨著切割速度的增加而增加，從而提高莖稈平衡切割力的能力。當(dāng)Fq=Fg+Fw時(shí)，莖稈被切斷。

如圖2b所示，當(dāng)有支撐切割時(shí)，則在莖稈的另一側(cè)作用有一個(gè)y軸負(fù)方向的作用力Fz，則當(dāng)Fq=Fg+Fw+Fz時(shí)，莖稈被切斷。

由此可知，相較于無支撐切割，有支撐切割可以通過施加外部支撐力的方式降低莖稈的彎曲阻力和慣性力，因此莖稈不會(huì)產(chǎn)生較大的變形，一定程度上保證了莖稈的切割質(zhì)量。所以有支撐切割優(yōu)于無支撐切割，而動(dòng)刀和定刀相組合的方式可以有效的實(shí)現(xiàn)有支撐切割，動(dòng)刀與定刀均為支撐點(diǎn)。

1.2.2 根切器結(jié)構(gòu)

根切器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其采用“滑切+剪切”相結(jié)合的方式達(dá)到對(duì)莖稈切割的目的。其主要結(jié)構(gòu)包括剪切裝置、固定裝置、傳動(dòng)裝置和連接裝置。剪切裝置主要包括動(dòng)刀、定刀、預(yù)緊螺栓和緊定螺母組成，其中動(dòng)刀和定刀兩側(cè)開刃，動(dòng)刀刃面朝上，定刀刃面朝下，刀片與莖稈為“刀刃-莖稈-刀刃”的接觸方式，以此達(dá)到剪切的目的，動(dòng)刀共1片，定刀4片，這是因?yàn)楦收嶂饕愿收岽氐男纬缮L，相對(duì)于單根甘蔗切割幅寬要大，為了避免漏割情況的發(fā)生，設(shè)置3個(gè)切割通道，部分甘蔗可以在兩側(cè)被剪切，一定程度上可以避免漏割情況的發(fā)生。固定裝置包括上固定板和下固定板，固定板與試驗(yàn)臺(tái)架的連接方式為螺栓連接，為避免刀具的振動(dòng)以及彎曲變形，在上下固定板加裝加強(qiáng)筋板。

圖3 根切器結(jié)構(gòu)三維圖Fig.3 Three dimensional diagram of the basecutter structure

傳動(dòng)裝置包括輸入軸、滾動(dòng)軸承、卡簧、連桿和導(dǎo)軌，其中輸入軸以過盈配合的方式與滾動(dòng)軸承連接，滾動(dòng)軸承通過與卡簧的配合固定在機(jī)架的上圓圈處，輸入軸和連桿為一體，連桿的另一側(cè)安裝有螺栓桿，下面為一滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承固定在導(dǎo)軌中，導(dǎo)軌的前端以螺栓連接的方式與動(dòng)刀片相連接，輸入軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)動(dòng)刀片的轉(zhuǎn)動(dòng)，在動(dòng)定刀相互配合的情況下從而達(dá)到剪切的目的。由于根切器的切割對(duì)象為甘蔗莖稈，相對(duì)于金屬切割所需的切割力較小且莖稈的屈服強(qiáng)度較低，因此根切器材料選擇為Cr12MoV合金鋼，根切器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 根切器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Main structural parameters of the basecutter

1.3 工作原理

滑剪組合式新型根切器的工作過程主要由喂入和剪切兩個(gè)階段組成。喂入電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)夾持裝置前移，固定在夾持裝置中的甘蔗以一定的速度被喂入切割系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率可以改變喂入速度；切割電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過傳動(dòng)系統(tǒng)可以將動(dòng)力傳遞至刀盤動(dòng)力輸入軸，動(dòng)力輸入軸帶動(dòng)連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾動(dòng)軸承的作用下導(dǎo)軌進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)軌與動(dòng)刀片通過螺栓連接將帶動(dòng)動(dòng)刀片的旋轉(zhuǎn)，以此完成剪切的過程。由于在刀具剪切莖稈的同時(shí)，莖稈具有向前運(yùn)動(dòng)的速度，因此刀具完成對(duì)莖稈的滑切與剪切，同時(shí)切割電機(jī)的轉(zhuǎn)速的改變也可以通過調(diào)節(jié)變頻器的頻率來完成。

2 根切器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

合理的結(jié)構(gòu)有助于達(dá)到降低切割阻力和切割功耗的結(jié)果，同時(shí)可以提高效率和改善切 割質(zhì)量。刀片曲線和滑切角的選擇對(duì)于滑切效果有顯著的影響[20]，滑切角過大或過小對(duì)于滑切都會(huì)產(chǎn)生不利的結(jié)果。根切器割茬幅寬太大會(huì)導(dǎo)致機(jī)具笨重且浪費(fèi)材料，太小則會(huì)導(dǎo)致漏割情況的發(fā)生。根切器刀片的刃口角是影響刀具切割土壤及莖稈的重要影響因素，刃口越大則切割阻力越大；刃口角較小則切割阻力越小，但會(huì)導(dǎo)致刀具強(qiáng)度和剛度降低。因此關(guān)鍵部件的參數(shù)設(shè)計(jì)是根切器工作性能的良好保證。

2.1 等滑切角型刀片曲線的設(shè)計(jì)

甘蔗生長的田間環(huán)境較為復(fù)雜，有雜草、石塊等障礙物，滑切可以有效地降低物料張緊拉斷和剪切破壞的極限應(yīng)力，對(duì)于纖維及質(zhì)地不均勻物料的切割效果尤為顯著[21]，因此本研究采用等滑切角曲線（圖4）作為刀具的刃口曲線。

圖4 等滑切角曲線Fig.4 Constant slip tangent curve

圖4假設(shè)曲線上有一動(dòng)點(diǎn)P，過P點(diǎn)與曲線相切的直線為H，OP與坐標(biāo)軸x的夾角為φ，無論P(yáng)在曲線上哪一點(diǎn)，H與OP組成的夾角θ為一定值，因此稱之為等滑切角曲線[22]。假設(shè)曲線方程為r=f(θ)。

滑切角與極角的關(guān)系可表示為

可得：

即：

則曲線方程為

式中R為動(dòng)刀片最大回轉(zhuǎn)半徑，mm。

2.2 根切器的割茬幅寬

根據(jù)現(xiàn)有圓盤式甘蔗收割機(jī)的收獲特點(diǎn)，即每臺(tái)收割機(jī)安裝有一組即兩個(gè)根切器，兩個(gè)根切器的轉(zhuǎn)向相反，每次收割一行甘蔗。根據(jù)圓盤式切割器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有[23]：

式中D為刀盤切割直徑，mm；bmax為切割單行甘蔗最大寬度，mm；L為甘蔗種植行距，mm；b1為中間安全距離，mm;b2為側(cè)邊安全距離，mm；B為切割幅寬，mm；Nh為切割器數(shù)量；b’為動(dòng)刀片至側(cè)邊行莖稈的最小距離，mm。

根據(jù)實(shí)際調(diào)研可知甘蔗種植行距在1 000 mm左右，株距在250 mm左右，直徑約25 mm，倒伏狀況為輕微倒伏。b1、b2安全距離不宜過大或者過小均取50 mm，根據(jù)甘蔗種植特點(diǎn)及生長特點(diǎn)，單行甘蔗最大寬度取為500 mm，此時(shí)取刀盤直徑D為600 mm，此時(shí)的切割幅寬為1 700 mm，小于行距2 000 mm，滿足工作要求。由于甘蔗存在倒伏的情況，若只有一組定刀片會(huì)有漏割情況的發(fā)生，為了避免這一情況的發(fā)生，定刀片設(shè)置為兩組。

2.3 滑切角

選取動(dòng)刀刀刃上任意一點(diǎn)，該點(diǎn)在刃口線上的法線與該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度方向之間的夾角為滑切角[24]，滑切角過大則會(huì)導(dǎo)致刀具尺寸過大，滑切角過小則會(huì)導(dǎo)致滑切效果不明顯，因此合理的滑切角對(duì)切割質(zhì)量及功耗都有重要的影響。在刀具的切割平面建立平面直角坐標(biāo)系，以刀具的前進(jìn)方向?yàn)閥軸，如圖5所示。

圖5 刀片滑切受力分析圖Fig.5 Force analysis diagram of blade sliding cutting

根據(jù)圖5相互作用關(guān)系建立力學(xué)平衡方程為

根據(jù)圖5示意圖有：

由式（12）和（13）可得：

由式（14）可知，刀刃對(duì)莖稈的法向力FN＞ 0，若要實(shí)現(xiàn)刀片滑切的效果，則切向加速度aτ＞0, sinτ＞0，tanφ＞0,則cos2τ＞ sin2τ且τ通常的取值范圍為20°～55°[24]，因此本研究滑切角τ取值為40°。

2.4 刀片刃口角

刀片刃口角對(duì)切割力有較大的影響，有相關(guān)研究表明刀具較優(yōu)的刃口角范圍在40°～45°[25]，為得到刃口角的最優(yōu)值，對(duì)刀片進(jìn)行受力分析，受力示意圖如圖6所示。刀具主要受到前進(jìn)過程中切割甘蔗的阻力，滑切過程產(chǎn)生的摩擦力，土壤施加給刀具的壓力和土壤的黏附力，受力分析可得式（15）。

圖6 刀片刃口受力分析圖Fig.6 Force analysis diagram of tool edge

由圖6可得：

其中摩擦系數(shù)μ1和土壤粘附力分別為0.170 ± 0.014 6和(2.6± 0.014 6和(2.6± 0.014 6和(2.6±1.238) kPa[26]，經(jīng)計(jì)算可得刃口角度為42.36°～50.27°，綜上取刀片刃口角度為45°。

2.5 刀具最佳切割位置

刀具最佳切割位置的確定不僅有助于降低切割功耗，還能在一定程度上降低莖稈與刀具的摩擦磨損，保護(hù)刀具。針對(duì)同一段莖稈的同一位置，在刀盤轉(zhuǎn)速確定的情況下，則切入莖稈所需的切割力為定值，則由式（17）可知功耗W與功率P成正比，與刀具的扭矩T成正比，為了盡可能的降低切割功耗，則理想的切割位置選擇在刀具根部位置，同時(shí)在有助于降低刀具的振幅的同時(shí)可增大滑切的距離，使莖稈剪切更易實(shí)現(xiàn)。想的切割位置選擇在刀具根部位置，同時(shí)在有助于降低刀具的振幅的同時(shí)可增大滑切的距離，使莖稈剪切更易實(shí)現(xiàn)。想的切割位置選擇在刀具根部位置，同時(shí)在有助于降低刀具的振幅的同時(shí)可增大滑切的距離，使莖稈剪切更易實(shí)現(xiàn)。

式中W為切割功耗，J；P為刀具的切割功率，kW；t為切割時(shí)間，s；T為刀具切割時(shí)產(chǎn)生的扭矩，N·m；F為切割力，N；S為力矩，m；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

2.6 根切器強(qiáng)度及模態(tài)分析

按照上述參數(shù)設(shè)計(jì)，在三維建模軟件Solidworks中建立根切器的三維模型，保存為.x_t格式的文件導(dǎo)入ANSYS/Workbench中進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，根切器材料為Cr12MoV合金鋼，模型參數(shù)如表2所示，根據(jù)根切器工作流程，在刀刃上施加與刀面平行的200 N的切割力[27]，在刀座上設(shè)定相關(guān)約束，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到根切器的位移云圖和最大主應(yīng)力云圖，如圖7所示。由表1可知刀具的屈服強(qiáng)度為450～650 MPa，而刀具所受最大應(yīng)力約為102 MPa，最大變形量為4.94×10-5m，滿足使用性能要求，同時(shí)通過圖7b可以發(fā)現(xiàn)刀具最大應(yīng)力位置位于動(dòng)刀片和定刀片處，連接板處并未產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中情況，連接板通過螺栓連接的形式與機(jī)架相連，加強(qiáng)筋板的存在一定程度上限制了刀盤振幅同時(shí)能夠更好的平衡切割載荷。本次試驗(yàn)所采用的切割方式為有支承切割，所預(yù)想的試驗(yàn)方案是兩把割刀從兩側(cè)同時(shí)切割甘蔗，并且刀片之間的間隙要盡可能小，因此對(duì)試驗(yàn)臺(tái)自身的加工精度以及振動(dòng)強(qiáng)度提出較高要求。在切割過程中，電機(jī)的運(yùn)行頻率接近根切器的固有頻率時(shí)易發(fā)生共振現(xiàn)象，從而造成試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷以及影響刀片間隙的穩(wěn)定性。另外，相關(guān)研究表明[28]，在切割刀盤的轉(zhuǎn)速和機(jī)具前進(jìn)速度保持不變的條件下，根切器的振幅以及頻率對(duì)切割過程有顯著影響。為了保證試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)性能、安全性以及可靠性，提高試驗(yàn)完成度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度，可在加工試驗(yàn)臺(tái)之前對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模態(tài)分析。通過比較試驗(yàn)臺(tái)和振動(dòng)激勵(lì)源的振動(dòng)頻率范圍來確定是否有共振發(fā)生，從而縮短試驗(yàn)周期并降低試驗(yàn)成本。因此對(duì)根切器進(jìn)行1～6階模態(tài)分析，頻率結(jié)果如表3所示。查閱電機(jī)相關(guān)參數(shù)可知，切割電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍是0～400 r/min，喂入電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化范圍是 0～700 r/min，根據(jù)頻率（n為轉(zhuǎn)速，r/min）可得，上述兩個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的激振頻率分別為 0～6.667 Hz 和 0～11.667 Hz。經(jīng)對(duì)比分析可知，兩電機(jī)的激振頻率遠(yuǎn)小于根切器的一階固有頻率（60.89 Hz），因此不會(huì)引起共振現(xiàn)象，能夠保障室內(nèi)試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

表2 Cr12MoV合金鋼相關(guān)參數(shù)Table 2 Structural steel related parameters

表3 各階模態(tài)對(duì)應(yīng)頻率值Table 3 Corresponding frequency values of each mode order

圖7 靜力學(xué)分析結(jié)果Fig.7 Statics analysis results

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為檢驗(yàn)新型根切器的切割性能，2022年12月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)廣西扶綏教授工作站進(jìn)行甘蔗切割性能試驗(yàn)，甘蔗品種為桂糖50，甘蔗材料的特性參數(shù)如表4所示[29]。此時(shí)甘蔗已經(jīng)進(jìn)入收獲階段，含水率高達(dá)70%左右，甘蔗株高與直徑分別為（2 700±300）mm和（30±5）mm。由于生長環(huán)境以及甘蔗生長速度的不同，在收獲時(shí)有不同成熟度的蔗莖，為模擬田間更加真實(shí)的收獲狀況，選擇多根甘蔗并選取不同的部位的蔗莖，將其切割成30 cm左右的小段備用。

表4 甘蔗物料特性參數(shù)Table 4 Characteristic parameters of sugarcane materials

試驗(yàn)儀器與設(shè)備主要包括切割實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、數(shù)顯式游標(biāo)卡尺、水分測(cè)定儀、扳手等輔助裝置，臺(tái)架試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)Fig.8 Bench test

3.2 試驗(yàn)方法

切割質(zhì)量是檢驗(yàn)根切器工作效果的重要指標(biāo)，依據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的《DG-T 117-2021甘蔗收獲機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)方法進(jìn)行根切裝置的臺(tái)架試驗(yàn)，以根切作業(yè)質(zhì)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，在單次試驗(yàn)中記錄甘蔗的裂紋總數(shù)、裂紋最大長度、裂紋最大深度和損壞節(jié)數(shù)，由于這些指標(biāo)對(duì)甘蔗切割質(zhì)量都有影響，難以用單一指標(biāo)來評(píng)價(jià)單次砍蔗試驗(yàn)的甘蔗切割質(zhì)量。MO等[30]曾采用改進(jìn)的熵值法，計(jì)算這4個(gè)指標(biāo)在單次砍蔗試驗(yàn)中對(duì)甘蔗切割質(zhì)量影響的權(quán)重，最終計(jì)算出單次砍蔗試驗(yàn)的甘蔗切割質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值y，計(jì)算模型如式（18）所示，y值越大則切割質(zhì)量越差。為了減小誤差，每組試驗(yàn)重復(fù)5次。

根據(jù)相關(guān)研究[31]可知，喂入速度、刀盤轉(zhuǎn)速和切割傾角是影響莖稈切割質(zhì)量的主要因素。本研究中喂入速度水平的選取主要依據(jù)聯(lián)合收割機(jī)在田間工作情況以及收割機(jī)檔位情況的選定，速度太大則會(huì)導(dǎo)致漏割和根茬被推倒的情況嚴(yán)重；速度太小則根茬多刀切割的情況嚴(yán)重，導(dǎo)致蔗莖損失嚴(yán)重以及形成階梯狀切割面，有研究[13,32]表明0.4～1.5 m/s為較優(yōu)的切割速度，因此本研究喂入速度取0.5～1.7 m/s。依據(jù)現(xiàn)有有支撐切割的試驗(yàn)研究，相對(duì)于無支撐切割所需的刀盤轉(zhuǎn)速較低，但試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速低于80 r/min時(shí)，剪切過程較為困難，導(dǎo)致宿根劈裂情況嚴(yán)重；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速大于300 r/min時(shí)，多刀切割情況嚴(yán)重加之刀盤有振動(dòng)導(dǎo)致莖稈切割質(zhì)量較差。因此刀盤轉(zhuǎn)速的選取范圍為100～260 r/min?！掇r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中表明合理選擇刀盤傾角可以減小重割和工作時(shí)刀盤和地面的摩擦，可以節(jié)省功耗和改善切割質(zhì)量，但傾角過大會(huì)導(dǎo)致切割后莖稈喂入困難，一般選取5°～15°。

3.3 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

單因素試驗(yàn)過程中，研究一個(gè)變量對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)，另外兩個(gè)變量取中間值，即研究切割傾角對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速和喂入速度分別取180r/min和1.1m/s；研究刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)，切割傾角和喂入速度分別取10°和1.1m/s；研究喂入速度對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速和切割傾角分別取180r/min和10°。單因素試驗(yàn)結(jié)果分別在圖9所示。影響時(shí)，另外兩個(gè)變量取中間值，即研究切割傾角對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)盤轉(zhuǎn)速和喂入速取180r/min和1.1m/s；研究刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)，切割傾角和喂入速度分別取10°和1.1m/s；研究喂入速度對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速和切割傾角分別取180r/min和10°。單因素試驗(yàn)結(jié)果分別在圖9所示。影響時(shí)，另外兩個(gè)變量取中間值，即研究切割傾角對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)盤轉(zhuǎn)速和喂入速取180r/min和1.1m/s；研究刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)，切割傾角和喂入速度分別取10°和1.1m/s；研究喂入速度對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y的影響時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速和切割傾角分別取180r/min和10°。單因素試驗(yàn)結(jié)果分別在圖9所示。

圖9 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Single factor test results

由圖9可得表5，由表5可知，切割質(zhì)量的綜合評(píng)價(jià)值y隨著各因素的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，說明各因素對(duì)切割質(zhì)量有較大的影響。

表5 試驗(yàn)結(jié)果分析Table 5 Analysis of test results

刀盤轉(zhuǎn)速相對(duì)較小時(shí)，隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增大，刀片線速度增大，刀片切割甘蔗的速度增大，甘蔗易被剪斷，甘蔗不易被撕裂而破頭; 但刀盤轉(zhuǎn)速較大時(shí)， 隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增大，刀片線速度過大，刀片對(duì)甘蔗的剪切速度過大，刀片對(duì)甘蔗的沖擊增大，甘蔗易被撞裂，故綜合評(píng)價(jià)值y隨刀盤轉(zhuǎn)速的增大，呈先減小后增大的變化。當(dāng)喂入速度較小時(shí)，當(dāng)甘蔗進(jìn)入切割區(qū)域時(shí)存在多次剪切的情況，導(dǎo)致甘蔗撕裂破頭較嚴(yán)重；而當(dāng)喂入速度較大時(shí)，存在漏剪的情況而直接撞破導(dǎo)致甘蔗破損嚴(yán)重。切割傾角較小時(shí)，根據(jù)刀片與莖稈的相互作用關(guān)系，此時(shí)刀片楔面的作用小，甘蔗不易破裂，導(dǎo)致在剪切過程中破損較大；當(dāng)切割傾角增大時(shí)，根切器所需剪切面積增大，導(dǎo)致切割效果變差。當(dāng)切割傾角在10°～15°時(shí)，綜合評(píng)價(jià)值y相對(duì)0°～5°要小，切割質(zhì)量較優(yōu)；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速在140～220 r/min時(shí)，綜合評(píng)價(jià)值y較小，切割質(zhì)量較優(yōu)；當(dāng)喂入速度在1.1～1.7 m/s時(shí)，綜合評(píng)價(jià)值y較小，切割質(zhì)量較優(yōu)。

3.4 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)的目的是為了探究切割傾角、刀盤轉(zhuǎn)速和喂入速度對(duì)綜合評(píng)價(jià)值有無顯著性影響，暫不考慮各因素間的交互作用。試驗(yàn)采用 L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。根據(jù)前期試驗(yàn)可知，隨著各因素水平的增加，綜合評(píng)價(jià)值呈現(xiàn)先減小后增大的變化狀態(tài)，因此正交試驗(yàn)的三因素三水平選取結(jié)果為切割傾角10°、15°、20°；刀盤轉(zhuǎn)速140、180、220 r/min；喂入速度1.1、1.4、1.7 m/s。正交試驗(yàn)結(jié)果及極差分析如表6 所示。

表6 正交試驗(yàn)安排和結(jié)果Table 6 Orthogonal experiment arrangement and results

由運(yùn)用SPSS 21.0對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表7所示。模型P值為0.016<0.05，表示該模型顯著；切割傾角、刀盤轉(zhuǎn)速和喂入速度p值均小于0.05，表示各因素對(duì)綜合評(píng)價(jià)值y有顯著性影響。

表7 正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果Table 7 Analysis of variance results of orthogonal experiments

由表6極差分析結(jié)果可知切割傾角、刀盤轉(zhuǎn)速、喂入速度分別在第2水平對(duì)應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)值最小，分別為0.298、0.330和0.349，因此可知最佳參數(shù)組合為切割傾角15°，刀盤轉(zhuǎn)速180 r/min，喂入速度1.4 m/s。

3.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為探究根切器在最佳參數(shù)組合情況下對(duì)甘蔗的切割效果，將根切器工作參數(shù)調(diào)整至最佳進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)（圖10）。共設(shè)置2組試驗(yàn)計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值y，分別為0.256和0.298。在最佳參數(shù)組合下，綜合評(píng)價(jià)值y相對(duì)較小，則切割質(zhì)量較優(yōu)。重割和漏割的發(fā)生次數(shù)，降低了莖稈劈裂的產(chǎn)生的概率，提高了宿根切割質(zhì)量。的發(fā)生次數(shù)，降低了莖稈劈裂的產(chǎn)生的概率，提高了宿根切割質(zhì)量。的發(fā)生次數(shù)，降低了莖稈劈裂的產(chǎn)生的概率，提高了宿根切割質(zhì)量。

圖10 驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.10 Validation test

根據(jù)DG/T 117-2021 甘蔗收獲機(jī)械試驗(yàn)方法，將收割后留在蔗壟中的宿根蔗蔸的切口平面裂開超過一個(gè)蔗節(jié)者或推斷、拔掉老蔗蔸的現(xiàn)象視為甘蔗宿根破頭。割茬平整且無撕裂的情況視為根切合格，試驗(yàn)過程中切割甘蔗總根數(shù)為T，其中造成莖稈損傷的根數(shù)為Ts，則合格率α為

每組試驗(yàn)共剪切10次，設(shè)置5組試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)得五組合格率分別為89%、95%、90%、93%、85%，均值為90.4%。根據(jù)《DG-T 117-2021甘蔗收獲機(jī)》的技術(shù)規(guī)范要求宿根破頭率小于等于20%，而目前圓盤式根切器的破頭率在15%左右[7,33]。本根切器的剪切合格率平均值為90.4%，破頭率降低至10%以下。試驗(yàn)結(jié)果表明，根切器的設(shè)計(jì)與工作參數(shù)可以較好的完成甘蔗的剪切工作，相對(duì)現(xiàn)有根切器提高了切割質(zhì)量。

4 結(jié) 論

1）基于“滑切+剪切”原理設(shè)計(jì)了滑剪組合式甘蔗根切器，通過分析莖稈與根切器的相互作用，確定刀片滑切角和刀片刃口角分別為40°和45°。通過有/無/支撐切割受力對(duì)比分析，表明有支撐切割可有效降低莖稈的彎曲阻力和慣性力，因此一定程度上阻止了莖稈產(chǎn)生較大的變形，有效保證了莖稈的切割質(zhì)量。

2）由靜力學(xué)分析及模態(tài)分析可知刀具所受最大應(yīng)力為102 MPa，最大變形量為4.94×10-5m，滿足使用性能的要求；喂入電機(jī)和切割電機(jī)對(duì)應(yīng)的激振頻率分別為0～6.667 Hz 和 0～11.667 Hz，兩電機(jī)的激振頻率遠(yuǎn)小于根切器的一階固有頻率（60.89 Hz），因此不會(huì)引起共振現(xiàn)象，能夠保障室內(nèi)試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

3）單因素試驗(yàn)表明，當(dāng)切割傾角、刀盤轉(zhuǎn)速和喂入速度分別在10°～15°、140～220 r/min、1.1～1.7 m/s時(shí)，綜合評(píng)價(jià)值較小，切割質(zhì)量較優(yōu)。正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果表明各因素對(duì)綜合評(píng)價(jià)值均有顯著性影響；當(dāng)切割傾角為15°，刀盤轉(zhuǎn)速180 r/min，喂入速度為1.4 m/s時(shí)為最佳試驗(yàn)水平。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，此時(shí)綜合評(píng)價(jià)值為0.256和0.298，切割質(zhì)量較優(yōu)。參考DG/T 117-2021 甘蔗收獲機(jī)械試驗(yàn)方法對(duì)甘蔗破頭率進(jìn)行檢驗(yàn)，剪切合格率高達(dá)90.4%，破頭率降低至10%以下，滑剪組合式甘蔗根切器作業(yè)質(zhì)量滿足行業(yè)要求。研究結(jié)果可為研發(fā)新型、高效甘蔗根切器提供參考。