收獲期馬鈴薯莖秧切割及殺秧刀片設(shè)計與試驗

李曉軍,孫 偉,張 濤,王虎存,張旦主

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

近年來馬鈴薯作為重要的糧菜兼用作物，在我國的種植面積逐年增加，實現(xiàn)馬鈴薯種植和收獲全程機械化越來越受到重視[1]。馬鈴薯收獲前的機械化殺秧作業(yè)能有效促進薯皮老化，降低收獲過程中升運鏈分離器對塊莖的機械損傷，提升收獲質(zhì)量；同時，殺秧作業(yè)能防止莖秧纏繞收獲機分離器，提高薯秧分離效率，減小機具前進阻力，降低殺秧機故障率；此外，采用機械化殺秧還可以避免因使用化學(xué)殺秧劑造成的環(huán)境污染[2]。殺秧刀片是殺秧機的核心工作部件，對整機性能和殺秧效果有顯著影響。目前應(yīng)用于馬鈴薯殺秧機上的刀片大多是鉸接在刀軸上的錘片式甩刀，機具工作時利用高速旋轉(zhuǎn)錘片的離心力將馬鈴薯莖秧砍斷、切碎的方式進行殺秧[3]。錘片式馬鈴薯殺秧機田間作業(yè)時主要存在粉碎長度合格率低、留茬高度不均勻、帶薯率和漏打率高等缺點[4-5]。呂金慶等[2]以殺秧機打碎長度合格率和帶薯率等為試驗指標(biāo)，研究了甩刀排列方式對馬鈴薯殺秧機工作性能的影響；馮斌等[1]以馬鈴薯殺秧機功耗和漏打率為試驗指標(biāo)進行了正交試驗，得出甩刀轉(zhuǎn)速、刀片類型和機具前進速度的最佳參數(shù)；杜宏偉等[4]針對當(dāng)前殺秧機存在粉碎率低、傷薯率高等問題研制了仿壟型馬鈴薯殺秧機；單因素試驗結(jié)果表明：鋸齒形刀的切割力比光刀的切割力要小;切割方式以滑切最省力[6]。 從上述文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)馬鈴薯莖秧切割及粉碎力學(xué)特性，設(shè)計殺秧機切割及粉碎刀片的相關(guān)研究尚不多見。

近年來針對農(nóng)作物秸稈切割力學(xué)特性及切割刀片進行了大量研究。在玉米秸稈切割粉碎力學(xué)試驗中，研究了直徑、切割方式、刀片刀端線速度對切割力和切割功耗的影響，設(shè)計出動定刀支撐滑切式秸稈粉碎裝置[7-8]；在苧麻切割試驗中，采用往復(fù)式雙動刀切割器，切割速度為1.092 m·s-1時，單位長度割幅切割功率為318.814W[9]；在麥秸稈切割試驗中，定刀形式對麥秸稈的切斷速度影響特別顯著，雙定刀在較小刀片間隙時，切斷速度較低；麥秸稈根部切斷速度比中部和頂部低[10]；在超級稻單莖稈切割力學(xué)性能試驗中，切割力隨切割部位不同發(fā)生變化，切割部位越高切割力越?。磺o稈截面積增大時峰值切割力和切割功耗呈線性增加趨勢，切割速度越大切割力和切割功耗逐漸減小[11]。

從目前的研究現(xiàn)狀來看，對作物秸稈的切割及粉碎試驗研究主要集中在玉米、稻麥、油菜等農(nóng)作物秸稈上，對馬鈴薯莖秧的切割及粉碎研究結(jié)果偏少；此外，傳統(tǒng)的馬鈴薯殺秧機切割刀片多數(shù)采用錘片式甩刀，殺秧過程中存在殺秧阻力大、殺秧效果差、功耗高等問題，嚴(yán)重制約了馬鈴薯順利收獲，亟需開展馬鈴薯殺秧機新型切割及粉碎刀片的研制。

針對以上問題，結(jié)合目前中國馬鈴薯殺秧機的研究現(xiàn)狀，依據(jù)馬鈴薯生長特性及馬鈴薯莖秧的切割力學(xué)特性，以最大切割強度為指標(biāo)，研究了鋸齒刀在不同切割方式、切割速度和切割高度下對切割強度的影響，優(yōu)化出一種新型馬鈴薯殺秧機刀片，旨在提高殺秧效果和作業(yè)效率。

1 材料與方法

1.1 材料的采集

試驗材料采用隴中黃土高原旱農(nóng)區(qū)蘭州市西固區(qū)西柳溝街道柴家臺試驗田種植的青薯9號馬鈴薯，于2017年9月15日采集。采集時馬鈴薯處于成熟期，選取80株生長良好、莖秧粗壯、沒有病蟲害損傷和缺陷的地表以上莖秧作為試驗樣本，將莖秧沿土壤慢慢取出，保持根系完整，取同一株莖秧上(距根部10～15 cm)、中(距根部5～10 cm)、下(距根部3～5 cm)三部分作為試驗對象，對莖秧各部分參數(shù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

1.2 試驗設(shè)備及刀具

試驗在深圳SANS公司制造的CMT2502型微機控制電子萬能力學(xué)試驗機上進行，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗機能完成金屬、非金屬材料的拉伸、壓縮、剪切、彎曲試驗。試驗機的測力范圍為1～500 N，加載速度可在1～500 mm·min-1范圍內(nèi)任意選取。試驗前預(yù)先設(shè)定切割速度，切割力由力傳感器測定，并對試驗數(shù)據(jù)和試驗曲線進行記錄，試驗結(jié)束后對數(shù)據(jù)進行整理并分析試驗結(jié)果[12]。切割刀片采用鋸齒形刀，刀片厚度2 mm，材料為65Mn鋼，如圖2所示。

表1 馬鈴薯莖秧基本參數(shù)

1.直線導(dǎo)軌;2.測力傳感器;3.刀具夾具;4.切割刀片 5.夾具;6.急停按鈕;7.控制按鈕;8.底座1. Linear guide;2. Force sensor;3. Tool jig;4. Cutting blade; 5. Jig;6. Scram button;7. Control button;8. Base圖1 CMT2502型力學(xué)試驗機Fig.1 CMT2502 mechanics testing machine

正切和滑切試驗中，先松開刀片夾緊裝置螺釘，調(diào)整切割刀片裝夾角度到所需角度后擰緊螺釘，一般取滑切角為20°～55°[13-14]。本次試驗中取滑切角為30°，切割過程中始終保持刀片所在平面與莖秧軸線所在平面(水平面)垂直?；袝r，改變莖秧軸線在水平面內(nèi)的角度，使之與刀具平面之間的夾角處于0°～90°，可實現(xiàn)斜切，切割過程中刀片刃口與馬鈴薯莖秧軸線傾斜，經(jīng)過多次試驗結(jié)果分析，取斜切角為45°[15]。

1.3 試驗方法及試驗設(shè)計

1.3.1 試驗方法 每次試驗所取馬鈴薯莖秧形狀和粗細(xì)基本一致，用游標(biāo)卡尺多次測量取其最大和最小外徑平均值作為試驗材料直徑，預(yù)先設(shè)置好3種不同的加載速度(見表2)。試驗時，將馬鈴薯莖秧一端用橡膠軟管包裹夾持于試驗臺夾具上，另一端采用光滑球面支撐形成光滑面約束，兩支撐之間的距離為8～15 mm，然后將切割刀具快速向下移動到測試對象的上方附近位置，再通過程序選擇相應(yīng)的切割速度進行切割試驗。切割完成后快速上移切割刀具到適當(dāng)位置，為下次切割做好準(zhǔn)備。每次試驗均采用新鮮的馬鈴薯莖秧試樣。

本研究對馬鈴薯莖秧切割強度的測定采用剪切強度理論，其計算方程為

(1)

圖2 切割刀片示意圖Fig.2 Diagram of cutting blade

式中,P為切割強度(MPa)；Fmax為力傳感器記錄的切割力最大值(N)；S為馬鈴薯莖秧切割位置橫截面面積(mm2)，通過計算可以得到切割強度。

1.3.2 多因素試驗設(shè)計 綜合馬鈴薯殺秧機的結(jié)構(gòu)和工作原理，影響其作業(yè)效果的因素主要有切割方式(橫斷切、正滑切、斜滑切)、切割速度(350～450 mm·min-1)、切割高度(50、100、150 mm)。因此根據(jù)Box-Behnken試驗設(shè)計原理，以切割方式(X1)、切割速度(X2)、切割高度(X3)作為試驗因素，以切割強度(Y)作為評價指標(biāo)，采用三因素三水平試驗。各試驗因素水平編碼如表2所示。

共實施17組響應(yīng)面分析試驗(表3)，每組試驗重復(fù)5次，取5次試驗結(jié)果的平均值。試驗時，首先根據(jù)因素參數(shù)對CMT2502型微機控制電子萬能力學(xué)試驗機進行工作參數(shù)調(diào)整，然后對馬鈴薯莖秧進行切割，觀察試驗效果并對切割力曲線和試驗數(shù)據(jù)進行記錄，最后利用Design-Expert 8.06軟件對試驗數(shù)據(jù)處理分析[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文采用Microsoft Excel 2013進行數(shù)據(jù)處理并制作圖表，利用SPSS 19.0對切割強度進行方差分析和顯著性檢驗(P=0.05)，圖中數(shù)據(jù)均為5次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型及檢驗

因素水平試驗設(shè)計與結(jié)果如表3所示。

借助Design-Expert 8.06對測得的試驗結(jié)果進行分析，獲得各因素編碼值表示的切割強度值Y的二次回歸模型：

Y=0.82-0.25X1-0.13X2+0.20X3-0.042X1X2

-0.062X1X3-0.13X2X3+0.12X12+0.00225X22

+0.63X32

(2)

表2 試驗因素水平編碼

對式(2)進行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗，結(jié)果見表4?；貧w模型的P<0.001，表明回歸模型是極其顯著的。其中模型的一次項X1(切割方式)、X3(切割高度)對切割強度影響極顯著，X2(切割速度)對切割強度影響顯著；二次項X12、X22對切割強度的影響不顯著，X32的影響極其顯著(P<0.001)；交互項X1X2、X1X3、X2X3對切割強度影響均不顯著。根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)和P值大小，可得到影響切割強度的各因素主次順序為X1、X3、X2，即切割方式、切割高度、切割速度。

表3 響應(yīng)面試驗設(shè)計與結(jié)果

2.2 模型交互項的解析

根據(jù)二次回歸模型(2)作出各因素之間關(guān)系的響應(yīng)曲面圖，如圖3，圖4，圖5所示。

由圖3可知，切割方式對切割強度的影響明顯大于切割速度，這與方差分析的結(jié)果一致。而且隨著切割方式的變化，切割強度也在發(fā)生變化，橫斷切時的切割強度最大，斜滑切時的切割強度最小；切割速度增大時，切割強度逐漸減小。

由圖4可知，切割速度越大，切割強度越小。隨著切割高度的不同，切割強度變化顯著，切割高度越低，切割強度越大。這是因為馬鈴薯莖秧離地面越近的部位，其木質(zhì)素含量越高，木質(zhì)化程度越明顯，抵抗破壞的能力越強。

由圖5可知，當(dāng)切割高度一定時，隨著切割方式的變化，切割力的大小也隨之變化。當(dāng)切割方式一定時，切割力隨切割高度的增加而減小，但是切割高度對切割強度大小影響變化趨勢較小，說明切割方式是影響切割強度大小的最主要因素，這與方差分析結(jié)果相一致。

3 等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的設(shè)計

根據(jù)傳統(tǒng)秸稈切割理論，基于馬鈴薯莖秧的力學(xué)特性，應(yīng)用對數(shù)螺線方程設(shè)計一種等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片，旨在解決馬鈴薯殺秧機作業(yè)過程中刀片受力不均、滑切角變化幅度較大、切割功耗高、切割及殺秧效率低等問題。

表4 回歸方程方差分析

圖3 不同切割方式與切割速度對切割強度的影響Fig.3 Impact of different cutting types and cutting speeds on cutting strength

圖4 不同切割高度與切割速度對切割強度的影響Fig.4 Impact of different cutting heights and cutting speeds on cutting strength

圖5 不同切割高度與切割方式對切割強度的影響Fig.5 Impact of different cutting heights and cutting types on cutting strength

3.1 對數(shù)螺線方程

對數(shù)螺線的極坐標(biāo)方程為[17]：

ρ=aemφ

(3)

3.2 等滑切角(對數(shù)螺線)鋸齒型刀片刃線方程的建立

建立刀具直角坐標(biāo)系，取刀具一條邊線與坐標(biāo)軸OX重合，刀片繞極點O旋轉(zhuǎn)時進行切割，如圖6所示。

注：OX與OY分別為坐標(biāo)軸；r為矢徑(mm)；r′為轉(zhuǎn)動角度dθ后的矢徑(mm)；v為M′點速度(m·s-1)，vn為M′點法向速度(m·s-1)，vt為M′點切向速度(m·s-1)。Note:OXandOYare the coordinate axis;ris the radius vector(mm);r′ is the radius of the vector after being rearranged at dθ(mm);vis the velocity at pointM′(m·s-1),vnis the normal velocity at pointM′(m·s-1),vtis the tangent velocity at pointM′(m·s-1).圖6 等滑切角鋸齒型刀刃曲線Fig.6 Equal slide cutting angle curve of saw-tooth blade

(4)

若切割曲線上滑切角τ為給定常數(shù)，且令tanτ=k(k為常數(shù))，對(4)式變形后得：

(5)

式(5)所表示的極坐標(biāo)方程為對數(shù)螺線方程(等滑切角曲線方程)，其幾何特性是經(jīng)過極點O的各條射線與曲線交點的切線間夾角均相等，均等于刀片刃線的給定滑切角，即為對數(shù)螺線(等滑切角)刀片設(shè)計理論依據(jù)[19]。

3.3 等滑切角鋸齒型切割及粉碎刀片的設(shè)計

藤莖類秸稈由薄壁組織、維管束、纖維組織、表皮組成，其微觀結(jié)構(gòu)呈多孔形態(tài)并形成發(fā)達(dá)的纖維組織[20]。馬鈴薯莖秧的根部表皮較厚，有較多的維管束，韌性較好，具有很強的抵抗外載荷的能力，殺秧時不易切斷。因此，在等滑切角切割刀片的刀刃上設(shè)計成鋸齒型，當(dāng)切割刀具刃口沿材料切向滑移時，這些鋸齒的齒端在被切割的莖秧上做向前的切割運動的同時又做向下的切割運動，在二者聯(lián)合作用下，使莖秧更容易被切斷[21]。

根據(jù)自磨刃犁鏵的工作原理和設(shè)計參數(shù)，切割刀片設(shè)計中材料選用65Mn鋼，刀片的刃口角度取30°，滑切角τ取40°。為防止切割粉碎刀片在殺秧過程中產(chǎn)生變形、磨損而影響殺秧效果，初步確定刀片厚度為6 mm，并進行中頻淬火，刀片熱處理后其表面和芯部具有較高強度和剛度，并獲得足夠的耐磨性[22]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.折彎半徑;2. 折彎角;3.鋸齒;4. 滑切角;5. 鉸接孔1. Bending radius;2. Bending angel;3. Saw-tooth; 4.Slide-cutting angel;5. Articulated hole圖7 等滑切角鋸齒型切割刀片F(xiàn)ig.7 Saw-tooth type blade of equal slide-cutting angle

4 驗證試驗

4.1 試驗條件

試驗地點在甘肅省定西市安定區(qū)香泉鎮(zhèn)關(guān)門口村試驗基地。旱地大壟雙行壟播，試驗區(qū)壟長大于150 m，壟距為1 200 mm，壟高200 mm，壟播株距約為250 mm，結(jié)薯深度為100～200 mm，莖秧高度為300～400 mm，田間伴有少量雜草。馬鈴薯殺秧機配套動力為東方紅404型拖拉機，功率為29.4 kW。以殺秧機作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)為依據(jù)[23]，將安裝了等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的馬鈴薯殺秧機田間殺秧質(zhì)量指標(biāo)與之相對照，驗證其殺秧性能。

4.2 試驗結(jié)果分析

安裝了等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的馬鈴薯殺秧機田間殺秧性能指標(biāo)與相關(guān)參照指標(biāo)進行對比，結(jié)果如表5所示。

由表5可知，安裝等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的馬鈴薯殺秧機殺秧性能試驗指標(biāo)均優(yōu)于作為參照的馬鈴薯相關(guān)指標(biāo)。其中帶薯率較低，由于等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片設(shè)計合理，增加了刀片切割時的滑切作用，可以更好地切割及粉碎馬鈴薯莖秧；打碎長度合格率比相關(guān)的參照指標(biāo)提高16.7%，主要原因在于馬鈴薯莖秧能被等螺旋鋸齒型切割刀片順利切割，拋帶進入護罩內(nèi)的莖秧被進一步打碎；留茬高度比相關(guān)參照指標(biāo)最大值低105 mm，主要原因是等滑切角鋸齒型切割刀片在切割過程中滑切作用增強，切割時間減小，切割及粉碎能力增強，切割效率提高，有效降低了留茬高度。驗證試驗結(jié)果表明等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片馬鈴薯殺秧機的殺秧性能可以滿足馬鈴薯殺秧作業(yè)要求。

表5 試驗結(jié)果與參照指標(biāo)對照表

5 結(jié) 論

1)通過Design-Expert 8.06軟件進行三因素三水平響應(yīng)面分析，得出各因素對馬鈴薯莖秧切割強度影響的顯著性順序從大到小依次均為：切割方式、切割高度、切割速度。

2)基于滑切原理設(shè)計了等滑切角鋸齒型切割刀片，殺秧過程中滑切作用明顯增強，馬鈴薯莖秧更容易被切斷。

3)對安裝等滑切角鋸齒型切割及殺秧刀片的馬鈴薯殺秧機作業(yè)效果進行了田間試驗，結(jié)果表明，打碎長度合格率為96.7%，留茬高度為45 mm，帶薯率為0.15%，各項指標(biāo)均優(yōu)于參照指標(biāo)數(shù)值，滿足馬鈴薯殺秧機的殺秧作業(yè)要求。