雙立軸煙稈切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張武金，孫松林,2*，李軍政,2，肖名濤,2，楊彪,2，尋真福,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410128)

煙稈具有多種用途[1–4]。中國煙葉的種植面積達(dá)1.412×106hm2，每年產(chǎn)生的煙稈約為3.05×106t[5]，對煙稈加以充分利用將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對保護(hù)環(huán)境具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對煙稈進(jìn)行切割，是煙稈綜合利用的基礎(chǔ)。目前有關(guān)農(nóng)作物莖稈的切割機(jī)構(gòu)的研究取得了一定的進(jìn)展。向家偉[6]對甘蔗切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用正交多項(xiàng)式回歸分析方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，通過對該模型切割參數(shù)的優(yōu)化，得出切割損失和切割功耗均較小的最佳切割參數(shù)組合，即刀盤轉(zhuǎn)速為 685 r/min, 刀盤傾角為9°，刀刃滑切角為26°時(shí)，試驗(yàn)效果最佳；蔣韜[7]設(shè)計(jì)了玉米試驗(yàn)臺，通過試驗(yàn)得出最大切割力和切割功耗隨著切割速度和切割角的增大而減小，鋸齒刀的切割力比光滑刀的切割力小，削切角在 20°左右時(shí)較其他角度的切割力小。筆者根據(jù)作物秸稈的力學(xué)特性的相關(guān)試驗(yàn)研究[8–12]，設(shè)計(jì)了一種雙立軸圓盤鋸齒切割機(jī)構(gòu)，在自制的切割試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，以期獲得煙稈切割機(jī)構(gòu)最佳的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，現(xiàn)將結(jié)果報(bào)道如下。

1 煙稈切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工作原理

1.1 煙稈切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

雙立軸圓盤式切割機(jī)構(gòu)由機(jī)架、主動(dòng)軸、從動(dòng)軸、切刀、軸承、軸承座、套筒、撥桿組成(圖1)。撥桿由2 部分組成，上半部分使用彈性材料，下半部分采用剛性材料。主從動(dòng)軸安裝刀片部分為方形。

圖1 煙稈切割機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure for Tobacco stalk cutting mechanism

切割機(jī)構(gòu)的刀片采用鋸齒刃形，根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[13]，刀片選用65 Mn 鋼。65 Mn 鋼的彈性及塑性好，經(jīng)熱處理后的綜合力學(xué)性能優(yōu)于碳鋼，材料經(jīng)濟(jì)，熱處理淬透性好。刀片安裝在方形的切碎軸上，從上到下均勻分布 6個(gè)刀片，刀片之間采用套筒連接，切碎軸的兩端采用螺母對刀片進(jìn)行軸向壓緊。刀片內(nèi)孔為30 mm×30 mm 的方形孔，刀片半徑R=110 mm，散熱孔直徑d=10 mm，刀齒Z=30齒，刃厚度b=2 mm，齒高取20 mm。刀片結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 刀片的結(jié)構(gòu) Fig.2 The structure of blade

1.2 工作原理

切碎機(jī)構(gòu)的動(dòng)力經(jīng)由電機(jī)輸入，電機(jī)的動(dòng)力輸出軸和切碎器的動(dòng)力輸入軸之間通過錐齒輪嚙合，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，切碎軸上的切刀逆時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)，煙稈首先由撥桿撥向高速旋轉(zhuǎn)的切刀，主動(dòng)軸和從動(dòng)軸上的切割刀片的鋸齒連續(xù)對莖稈進(jìn)行切割，直到煙稈被切斷，切斷的煙稈在慣性作用下被拋離切割機(jī)構(gòu)，從而完成1次切割過程。

2 試驗(yàn)設(shè)備

自制煙稈切割試驗(yàn)臺包括機(jī)械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)包括切割機(jī)構(gòu)、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)；測控系統(tǒng)包括扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速儀。如圖3 所示。

圖3 切割試驗(yàn)臺 Fig.3 Cutting test bed structure

將煙稈固定在試驗(yàn)平臺的前方，調(diào)整試驗(yàn)所需的各項(xiàng)參數(shù)，按照試驗(yàn)要求調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺向煙稈方向推進(jìn)，當(dāng)完成一次切割試驗(yàn)后，動(dòng)力停止，再調(diào)節(jié)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行下次試驗(yàn)。如此反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，直到完成所有試驗(yàn)。

3 試材和試驗(yàn)因素的選擇

3.1 試材

煙草品種為HZ07–4–2–5。取煙葉收獲后健壯煙稈20 根，測得煙稈平均高度為1 269 mm。將每根煙稈均分為3 段，分別測量直徑，煙稈基部平均直徑29.84 mm，中部平均直徑23.58 mm，上部平均直徑17.98 mm。

3.2 試驗(yàn)因素的選擇

參照文獻(xiàn)[14–16]，以切割刀的轉(zhuǎn)速、機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度、主從切割刀片的徑向重疊量為試驗(yàn)因素，以功耗和煙稈的切斷率作為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行單因素和多因素試驗(yàn)。切割速度可調(diào)范圍為125～1 230 r/min，機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度可調(diào)范圍為0.2～2 m/s，刀片間重疊量的調(diào)節(jié)范圍為0 ～20 mm。煙稈的切斷率由公式η=(G–G1)/G×100%來確定，G 為單根煙稈的總質(zhì)量；G1為切碎后單根煙稈長度小于或者等于100 mm 的總質(zhì)量。切割功耗根據(jù)公式P=T×n/9 550計(jì)算，T 為由扭矩傳感檢測到的切割機(jī)構(gòu)工作過程產(chǎn)生的扭矩；n 為切割刀的轉(zhuǎn)速，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[17]，η 應(yīng)大于90%。

3.3 單因素試驗(yàn)

分別考查切割速度、機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度、主從切割刀片的徑向重疊量對切割功耗和切斷率的影響。機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度0.2 m/s、主從切割刀片的徑向重疊量10 mm，調(diào)節(jié)切割速度分別為200、250、350 和400 r/min，進(jìn)行切割試驗(yàn)，記錄每次試驗(yàn)過程中的切割扭矩，并計(jì)算煙稈切斷率和功耗。得到適合的轉(zhuǎn)速區(qū)間，選擇煙稈切斷率最大所對應(yīng)的切割速度，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度分別為0.2、0.6、1.0 m/s；設(shè)置主從切割刀片的徑向重疊量分別為0、5、10、15、20 mm，計(jì)算功耗和切斷率。

3.4 多因素試驗(yàn)

對切割速度(A)、主從刀片徑向重疊量(B)、機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度(C)采用水平正交法進(jìn)行正交試驗(yàn)[18]，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平 Table 1 Factors and levels of the experiment

4 結(jié)果與分析

4.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

4.1.1 切割速度對功耗和切碎率的影響

隨著切割速度的不斷增加，功耗不斷增加，與此同時(shí)，煙稈的切斷率也在不斷提高。切割速度較低時(shí)，煙稈的切斷率較低，達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定 (90%以上)。當(dāng)切割速度達(dá)到350 r/min 時(shí)，切斷率可達(dá)到最大值，為94.33%，功耗為1 718.8 W，再增大轉(zhuǎn)速，切斷率趨于平穩(wěn)，因而煙稈切割速度以300 ～ 400 r/min 為宜。

4.1.2 主從切割刀片的徑向重疊量對功耗和切碎率的影響

隨著主從切割刀片的徑向重疊量不斷加大，功耗和切斷率都呈上升趨勢，當(dāng)重疊量達(dá)到15 mm時(shí)，切斷率達(dá)到最大值，為95.6%，功耗為1 500.73 W，再增加重疊量，功耗增大，切斷率下降。綜合考慮，主從切割刀片間的重疊量以15 mm 為宜。

4.1.3 機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度對功耗和切碎率的影響

隨著機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度的不斷增大，切割機(jī)構(gòu)的切割功耗不斷增大，切斷率也在不斷提高。當(dāng)裝置的前進(jìn)速度達(dá)到0.6 m/s 時(shí)，切斷率達(dá)到最大值，為96.83%，功耗為1 608.13 W，再增大前進(jìn)速度，切斷率下降。煙稈切割的前進(jìn)速度以0.6 m/s 為宜。

4.2 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果列于表2。影響煙稈切割功耗的因素大小依次為切割速度、裝置的前進(jìn)速度、主從切割刀片的徑向重疊量；影響煙稈切斷率的因素大小依次為主從切割刀片的徑向重疊量、切割速度、裝置的前進(jìn)速度。最低功耗的最優(yōu)組合為A1B2C1，切斷率最大的最優(yōu)組合為A3B2C3，根據(jù)影響因素的大小順序，確定最優(yōu)組合為A1B2C1，即轉(zhuǎn)速為 300 r/min、主從切割刀片的徑向重疊量為15 mm、機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度 0.6 m/s，功耗為1 480.26 W，切斷率為97.21%，A1B2C1組合可以滿足功耗低、切斷率高的要求。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果 Table 2 The results of orthogonal test

5 結(jié)論

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他因素不變的情況下，改變切割速度，最佳切割速度350 r/min；在其他因素不變的情況下，改變主從切割刀片的徑向重疊量，最佳切割重疊量為15 mm；在其他因素不變的情況下，改變裝置的前進(jìn)速度，最佳前進(jìn)速度為0.6 m/s。

多因素試驗(yàn)結(jié)果表明：影響煙稈切割功耗的因素大小依次為切割速度、機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度、主從切割刀片的徑向重疊量；影響煙稈切斷率的因素大小依次為主從切割刀片的徑向重疊量、切割速度、機(jī)構(gòu)的前進(jìn)速度。

正交試驗(yàn)得出最佳組合為A1B2C1，即在切割速度為 300 r/min、主從切割刀片的徑向重疊量為15 mm、裝置的前進(jìn)速度為0.6 m/s 時(shí)，功耗為1 480.26 W，切斷率為97.21%，符合功耗較低、切斷率較高的設(shè)計(jì)要求。

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