饲用甜高粱剪切应力和功耗试验研究

郁志宏，张 琪，王春光，王洪波

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

目前，秸秆收获机械存在切割质量不佳、功耗大等问题。杨海[1]等设计了甜高粱收割机割台，通过对切割器的转速与刀片数的分析，设计了合理的切割器。王喜涛[2]等设计了一种专业用于收获甜高粱的收获铺放机3辊喂入切段机构。李耀刚[3]以福田雷沃谷神4LZ-2型谷物联合收获机为基本机型，研制设计了一种高粱联合收获装置。谢峰[4]等研究甘蔗收割器的收割机理，并用ADAMS软件进行仿真，得出甘蔗收割机双圆盘切割器的运动学规律。陈玉香[5]等根据玉米生育期推进茎剪断力的变化情况，分析了含水量及化学成分对剪断力的影响。王妍[6]等利用电子万能试验机对玉米秸秆剪切特性进行试验研究。唐忠[7]等利用Labview的测试软件，通过摆切式试验台进行水稻单茎秆切割试验。陈杰[8]等在微机控制电子万能试验机上对大豆秸秆的剪切力学特性进行了研究。李玉道[9]等对棉花秸秆剪切力学性能进行了研究，获取棉花秸秆低茬切割力学特性参数。黄海东[10]等通过试验获取甜玉米秸秆低茬切割力学特性参数。陈争光[11]等对玉米秸秆皮的拉伸和剪切特性进行了二次回归正交旋转试验研究。李小城[12]等利用质构仪在茎秆节间中心进行横纹剪切试验，运用SPSS软件分析不同加载速率对剪切强度和剪切功的影响。赵湛[13]等在自制的茎秆切割试验台上,对水稻品种和切割参数、超级稻单茎秆切割力和功耗的关系进行研究。宋占华[14]等采用Solid Works进行了虚拟样机设计，利用ADAMS对空载状态下往复式棉秆切割器进行了动力学仿真研究。以上学者研究主要针对小麦、甘蔗和玉米等作物，对高粱秸秆剪切应力及功率消耗研究较少。

本文利用往复式切割试验台研究甜高粱秸秆剪切力学特性，以切割速度、喂入速度及含水率为影响因素，以剪切应力和功率消耗为指标进行响应面(Central composite design，CCD)试验，得出了最佳参数匹配，为饲用甜高粱联合收获打捆的研究提供理论依据。

1 试验设计与方案

1.1 试验材料

试验用甜高粱秸秆选自内蒙古乌兰察布市凉城县，秸秆平均直径10mm，选择甜高粱青贮发酵适宜含水率。

1.2 试验设备

1.2.1 往复式切割器试验台工作原理

根据农业收获机械在田间运行时对秸秆的切割形式要求，设计制作了饲用甜高粱剪切试验台，作用是通过割刀往复运动来模拟田间甜高粱切割的过程，如图1所示。

切割时，电机驱动主轴转动，通过曲柄连杆机构将动力直接传给切割器，驱动切割器完成对甜高粱的切割工作。根据实验要求，改变电机转速可模拟甜高粱秸秆切割实验台不同工作参数。启动数据采集系统，实时记录扭矩变化量及应变的数据，便于后期试验数据分析。

1.秸秆喂入输送机构 2.往复式切割器 3.电阻应变片 4.曲柄连杆机构 5.扭矩传感器 6.切割器电机 7.输送带电机 8.甜高粱秸秆夹持机构

1.2.2 主要技术参数

按照甜高粱秸秆切割技术的要求，确定了切割试验台的主要技术参数，如表1所示。

表1 饲用甜高粱剪切试验台技术参数

1.3 试验设计

1.3.1 试验指标

剪切应力、功率消耗为试验指标，可通过测试切割器动刀应变和扭矩来获得。

动刀切割应力为

E·ε=σ

(1)

式中E—动刀材料的弹性模量，E=2.06×1011Рa；

ε—动刀刀刃的应变(με)；

σ—动刀刀刃的应力(Pa)。

功率与扭矩的关系为

(2)

式中 Р—功率(kW)；

N—电机转速(r/min)；

T—扭矩(N·m)。

功率消耗为切割器试验台的总功率消耗与空载功率消耗之差，通过以上公式计算可得剪切应力和功率消耗。

1.3.2 测试系统设计

1)功率信号测试系统设计。功率信号测试系统采用JSC-456型智能数字式扭矩传感器进行扭矩和转速的监测，通过采集的扭矩和转速的数据可计算得到功率的数值。将扭矩传感器(见图2)输出的数值通过扭矩转速测量仪进行记录，最后通过计算机进行数据分析，测试框图如图3所示。

图2 扭矩传感器安装图

图3 扭矩传感器测试框图

2)剪切应力信号测试系统设计。采用北京必创科技有限公司生产的电阻应变片测试动刀端部应变，SG404型无线电阻应变节点采集数据，BS903无线网关接收数据。此应变片面积为2mm2，电阻值为(120±0.1)Ω，灵敏系数为(2.16±1)%，测试精度高，数据测试精确。

动刀表面切割深度为1mm缝隙，将电阻应变片竖直固定在动刀缝隙中(见图4)，接收信号应用BeeDate数据处理软件进行分析，可得动刀做往复式运动时对甜高粱秸秆的剪切应力等特性参数。测试系统框图如图5所示。

1.4 试验方案

根据单因素试验结果，选取最大切割速度、喂入速度、秸秆含水率为影响因素，剪切应力和功率消耗为试验指标，应用Central Composite Design(CCD)-中心组合响应曲面优化法进行剪切应力和功率消耗的研究。试验因素及编码水平表如表2所示，试验结果如表3所示。

1.电阻应变片 2.应变片引线

图5 应变测试系统框图

表2 因素编码水平表

2 试验结果与分析

采用逐步回归法对表3结果进行剪切应力和功率消耗的三元二次回归分析及方差分析，结果如表4和表5所示。根据表4和表5试验结果得到剪切应变(公式3)和功率消耗(公式4)的编码值简化回归数学模型为

R1=3.7248.64-3008.67A+6870.31B+

1707.47C+1138.77AB-980.61AC-

4545.49BC-4007.66A2+168753.85B2-

8857.62C2

(3)

R2=0.1817+0.0503A-0.0009B-

0.0006C+0.0007AB+0.0011AC-

0.0215A2+0.0048B2+0.0032C2

(4)

其中，A、B、C分别为切割速度、喂入速度和含水率对应的编码值。

表3 试验结果

续表3

表4 剪切应力方差分析

*(P<0.05)为显著，**(P<0.01)为极显著。

由表4可知：模型P=0.012 2>0.01，表明回归模型影响较为显著；失拟项P=0.230 9>0.05，表明失拟项不显著，误差较小；决定系数R2=0.807 9，表明该模型拟合度较高，可以用于饲用甜高粱的剪切特性试验研究。

回归方程系数的显著性分析结果表明：模型的一次项切割速度A(P=0.150 6>0.01),影响不显著；喂入速度B(P=0.005 2<0.01)影响极显著；含水率C(P=0.397 7>0.05)影响不显著。方差分析结果表明：喂入速度对饲用甜高粱秸秆剪切效果的影响程度最大，含水率的影响最小。

表5 扭矩变化量方差分析

由表5可知：模型P<0.000 1<0.01，表明回归模型影响极显著；失拟项P=0.232 1>0.05，表明失拟项不显著，误差较小；决定系数R2=0.989 7，表明模型拟合度较高，可用于饲用甜高粱剪切特性试验研究。

根据切割应力小、功率消耗低的目标要求，对回归方程模型进一步优化，得到饲用甜高粱秸秆的剪切最优参数组合为：秸秆含水率60%，切割速度0.95m/s，喂入速度5m/s。

3 结论

1)试验结果表明：喂入速度对工作性能影响最为显著，切割速度的影响次之，秸秆含水率均对往复式切割器工作性能影响最小。

2)饲用甜高粱秸秆的剪切最优参数组合为：秸秆含水率为60%，切割速度0.95m/s，喂入速度5m/s。