甘蔗切根刀切割参数组合的优化分析

郭金兵，谢 峰，马小斌，孙艳颜，狄明利

(1.中国农业机械化科学研究院，北京 100083；2.现代农装科技股份有限公司，北京 100083)



甘蔗切根刀切割参数组合的优化分析

郭金兵1，谢 峰1，马小斌1，孙艳颜1，狄明利2

(1.中国农业机械化科学研究院，北京 100083；2.现代农装科技股份有限公司，北京 100083)

摘要使用自行设计的实验平台和甘蔗切根刀，采用正交试验方法，研究刀具滑切角、削切角、斜切角、切割速度和甘蔗直径对切割力最大值和切割冲量的影响，并找出相对较优的参数组合。研究发现，对切割力最大值的影响大小排序依次为滑切角、甘蔗段直径、削切角、斜切角、切割速度；对切割冲量的影响大小顺序依次为切割速度、甘蔗段直径、斜切角、滑切角、削切角。为了在保证切割质量的同时使得切割力最大值和切割冲量二者保持最小，需贴根切割且选择因素的组合是：滑切角8°、削切角5°、斜切角8°及切割速度10 m/s。

关键词甘蔗；切割参数；正交试验；切割力曲线；切割质量

甘蔗是我国广东、广西、云南等地的重要经济作物，但其机械化生产水平较低。目前甘蔗收获时普遍使用收割机械，因此收割机械的刀具切割速度、切割方式等参数，直接影响着作物的切割质量和收获机功耗等[1-2]。笔者将刀具滑切角、削切角、斜切角、切割速度和甘蔗直径对切割力最大值和切割冲量大小的影响进行探索研究，旨在为机械收割机构的设计及生产作业提供依据和参考，在保证切割质量[3]的情况下尽可能地减小切割力最大值和切割冲量，以减小刀具磨损和机械能源消耗。

1实验平台简介

该实验所用平台如图1所示，平台主要由动力及传动系统、碳刷和滑环导电装置、刀具夹持与力采集机构、角度调节机构及附属的气动元件、介质夹持与位置调节机构等几部分组成。其中，动力与传动系统由3 kW变频调速三相异步电机、变频器和梅花形弹性联轴器组成；碳刷和滑环导电装置的碳刷端与DC24V 350 W的开关电源连接；刀具夹持与力采集机构如图2所示，采用杠杆原理进行力采集；角度调节用气动元件，压力为0.6 MPa；介质夹持采用滑轨机构，使用DC24V 170 W电磁铁控制介质的上下运动，电磁铁连接到滑环接线柱上。变频电机带动旋转横臂逆时针转动，旋转半径为0.5 m，切割力F1由F2通过杠杆原理计算得到，该实验平台可用于安装孔直径大于12 mm的多种农作物切割刀，此次实验使用甘蔗段作为介质。

图1　刀具实验平台Fig.1　Test platform of cutting tools

图2　刀具夹持与力采集机构Fig.2　Tool holder and force collection system

2正交试验分析

为了研究滑切角、削切角、斜切角、切割速度和甘蔗段直径5个因素对切割力最大值及切割冲量大小的影响，结合实时切割力曲线[4]，采用正交试验法，选取 L16(45)正交试验表，按照表1安排5因素4水平的试验。每组试验进行3次，试验结果取3次平均值，切割冲量为切割力(g取10 m/s2)对切割时间的积分，试验结果与分析见表2。

从表2切割力最大值极差分析中的R值可以看出，滑切角α的极差R较大，即滑切角对切割力最大值的影响最大，其次是甘蔗段直径d，影响最不显著的是切割速度v。在实际工作中切割力最大值越小，对刀具的冲击磨损越小，因此，根据K值大小确定5个因素α、β、γ、v及d的最佳水平组合为α2β2γ3v2d2。

表1　正交试验因素水平设计

表2　正交试验结果分析

从表2切割冲量极差分析中的R值可以看出，切割速度v的极差R最大，即切割速度对切割冲量的影响最大，其次是甘蔗段直径d，影响最不显著的是削切角β。在实际工作中切割冲量越小，对机器的能耗越小，因此，根据K值大小确定5个因素α、β、γ、v及d的最佳水平组合为α2β1γ1v4d1。

为了同时保证切割力最大值和切割冲量最小，根据对表2中各因素水平的K值大小的再次比较，可得出因素的最佳水平组合为α2β1γ1v4d2，即滑切角8°、削切角5°、斜切角8°及切割速度10 m/s，甘蔗直径在收获生产中不可选择。

在试验中，除了对力采集曲线进行数值记录外，还结合甘蔗切割断面的质量形态对力采集曲线的形状进行了分析。在试验中为避免机械振动造成的刀片与旋转横臂碰撞损坏，自第6组(包含第6组)试验之后将刀刃与甘蔗套筒上表面垂直距离调整为30 mm(图3b)，称之为“半腰切割”；未调整之前的5组试验中刀刃与甘蔗套筒上表面的垂直距离为3 mm(图3a)，可认为是“贴根切割”。

3切割断面与对应切割力曲线的分析

在16组48次试验中，甘蔗断面的质量形态与力采集曲线的形状之间的对应关系可大致分为4类。

第1类，甘蔗断面劈裂对应的力采集曲线最大值出现在约占切割时间1/3的时刻(图4)。试验1、2、9、10、11、12及15的情况均属于第1类所述关系。

第2类，甘蔗断面劈裂对应的力采集曲线出现多个峰值且切割力最大值不是第1个峰值(图5)，试验6、8、14属于此类关系。自第6组试验开始，甘蔗段为半腰切割，根基不稳，径向方向可轻微移动，切割后甘蔗切割断面为斜面且整体呈明显的倾斜状态(图5a)，图5b所示的力采集曲线在出现最大值之前可大致分为A、B、C 3个阶段，根据实际情况猜测A、B、C分别代表切割阶段、推倒阶段和继续切割阶段，由于第1个峰值小于最大值，因此，A阶段中可能是推倒和切割同时进行。

第3类，甘蔗断面整齐无劈裂或有轻微劈裂，其对应的力采集曲线较平滑且只有1个峰值(图6)，峰值出现在约占总切割时间1/2的时刻。试验3、4、5属于断面无劈裂情况，试验13和16的断面有轻微劈裂。

第4类，甘蔗断面呈阶梯状(图7a)，其对应的力采集系统出现等时间间隔(时间间隔大小为电机每转一周所用的时间)的波峰(图7b)，甘蔗断面有8个梯级，对应的等时间间隔波峰也为8个，多次重复切割，每个波峰的微观形态又有2个主峰(图7c)。试验7属于此类关系。第1个波峰的微观形状，其形状与图5b所示的切割力曲线形状较类似，也可认为在切割过程中有甘蔗段被推倒的情况。

图3　切割示意Fig.3　Schematic diagram of cutting

图4　试验2切割断面与力采集曲线Fig.4　The cutting section and force collection curve of test 2

图5　试验14切割断面与力采集曲线Fig.5　The cutting section and force collection curve of test 14

由上述甘蔗断面的质量形态与对应的力采集曲线的形状可知，相对来说，切割速度越大，其切割断面越整齐且切割力曲线越平滑，贴根切割时的断面质量要优于半腰切割。因此，为保证甘蔗断面的切割质量，建议在甘蔗收获时提高切割速度并将刀片贴根切割。

4结论

该研究中5个因素对切割力最大值的影响大小顺序依次为滑切角、甘蔗段直径、削切角、斜切角、切割速度；对切割冲量的影响大小顺序依次为切割速度、甘蔗段直径、斜切角、滑切角、削切角。为了同时保证切割质量及切割力最大值和切割冲量最小，需贴根切割，在该试验条件下最佳因素组合是：滑切角8°、削切角5°、斜切角8°及切割速度10 m/s。

图6　试验3切割断面与力采集曲线Fig.6　The cutting section and force collection curve of test 3

图7　试验7切割断面与力采集曲线Fig.7　The cutting section and force collection curve of test 7

参考文献

[1] 王雪坤.切割角对玉米茎秆切割力影响的试验研究[J].中国农资，2013(32)：122，123.

[2] ODURI M F，SAKAI J，GUPTA C P.Kinematics of revolving knife-type disk-type sugarcane basecutter.I. Fundamental mathematical relationships[J].Agricultural mechanization in Asia，Africa and Latin America，1992，23(4):9-15.

[3] 杨坚，陈国晶，梁北新，等.单圆盘甘蔗切割器切割破头率影响因素的试验[J].农业机械学报，2007，38(3)：69-74.

[4] 胡孟谦.甘蔗切割过程动态测试系统的设计与试验[D].广州：华南农业大学，2006.

Optimization of Sugarcane Blade Cutting Parameters in Orthogonal Test Method

GUO Jin-bing, XIE Feng, MA Xiao-bin et a

(Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083)

AbstractTest platform and sugarcane blade were self-designed. Orthogonal test was used to research the effects of sliding cutting angle, whittling angle, beveling angle, cutting speed and sugarcane diameter on the maximum cutting force and cutting impulse. Meanwhile, the optimal combination of cutting parameters was found out. The influencing order on cutting force was sliding cutting angle,sugarcane diameter,whittling angle,beveling angle,cutting speed; the influencing order on cutting impulse was cutting speed，sugarcane diameter,beveling angle,sliding cutting angle,whittling angle. In order to ensure the cutting quality and the least influences of cutting force and maximum cutting impulse, cutting should be carried out along the root and the combination should be 8° sliding cutting angle, 5° whittling angle, 8° beveling angle and 10 m/s cutting speed.

Key wordsSugarcane; Cutting parameters; Orthogonal test; Cutting force curve; Cutting quality

作者简介郭金兵(1992- )，男，山东聊城人，硕士研究生，研究方向：机械设计及理论。

收稿日期2016-02-19

中图分类号S 225.5+3

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)10-248-03