收獲期花生秧蔓切割鋸盤設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

孫居彥，劉志遠(yuǎn)，劉甲振

(山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，濟(jì)南市，250100)

0 引言

花生作為中國(guó)乃至世界的重要作物，兼具油料和經(jīng)濟(jì)雙重作用，全球范圍內(nèi)的花生年產(chǎn)量約為4 600萬t，其中中國(guó)以1 700萬t的花生年產(chǎn)量占據(jù)世界總產(chǎn)量的40.26%位居世界首位[1-3]。近幾年花生機(jī)械化收獲發(fā)展速度加快，但也僅達(dá)30.2%的機(jī)械化占有率，且區(qū)域發(fā)展很不均勻以至于嚴(yán)重影響了花生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4-6]。

目前花生收獲機(jī)械所搭載的摘果方式主要分為半喂入式和全喂入式兩種。其中，半喂入式在一次性投入大量秧果時(shí)，會(huì)因秧果過厚導(dǎo)致兩對(duì)滾筒無法將內(nèi)部的花生果摘凈，而全喂入式在摘果時(shí)因?yàn)榛ㄉ谎淼娜~子包裹導(dǎo)致摘果困難[7-10]。為了達(dá)到節(jié)本增效的目的，通過切除花生秧稈的方式使花生完全暴露，進(jìn)而使花生莢果與摘果網(wǎng)底的接觸面積增大，使花生受摩擦力而脫落，提高摘果性能。一些學(xué)者做了作物斷莖方面的研究，蔣連瓊[11]設(shè)計(jì)并優(yōu)化了綠籬檢修的刀具圓鋸片，并將仿真數(shù)據(jù)結(jié)果同實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了有限元仿真結(jié)果的可靠性和仿真模型的正確性；梁曉[12]借鑒了檸條、苧麻、甘蔗等莖稈比較硬的莖稈作物的收獲機(jī)械切割器研究，對(duì)切割巨菌草刀具進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)刀盤運(yùn)動(dòng)的切割過程進(jìn)行模態(tài)振型分析，證明應(yīng)避免刀盤的固有頻率接近外界頻率；蘭中濤[13]根據(jù)玉米秸稈的特性對(duì)切割裝置進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)，并且通過對(duì)刀盤和動(dòng)刀主軸的有限元分析得出，應(yīng)力主要集中在圓盤鋸刀的三個(gè)固定孔周圍，在刀刃的周邊相對(duì)變化比較大；吳良軍等[14]通過試驗(yàn)得出峰值剪切力、剪切功與果梗橫截面積呈正相關(guān)的結(jié)論。

以上文獻(xiàn)對(duì)切割裝置的研究，均以對(duì)刀具的單個(gè)鋸齒為仿真對(duì)象，缺乏整體性、準(zhǔn)確性，與實(shí)際情況不符。另外上述研究所涉及的試驗(yàn)為單因素鋸切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果缺乏科學(xué)性。本文對(duì)整個(gè)鋸盤與秸稈組成的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，然后通過正交試驗(yàn)確定刀具的最優(yōu)參數(shù)組合。

1 鋸盤運(yùn)動(dòng)特性與關(guān)鍵參數(shù)分析

1.1 鋸盤運(yùn)動(dòng)特性分析

圖1所示為鋸盤的工作狀態(tài)，鋸盤工作時(shí)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即鋸盤上任意一點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為鋸盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)組前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的合成，鋸盤刀齒運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線[15]。

圖1 鋸盤工作狀態(tài)

如圖2所示為刀齒刃上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖2 切割點(diǎn)運(yùn)動(dòng)圖

a點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程

(1)

b點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程

(2)

式中：vm——機(jī)組前進(jìn)速度，m/s；

t——切割時(shí)間，s；

w——鋸盤角速度，rad/s；

R——鋸盤齒頂圓半徑，mm；

θ——鋸盤安裝傾角，(°)；

Rb——鋸盤齒根圓半徑，mm；

β——相鄰兩齒圓心角，(°)。

在機(jī)組前進(jìn)速度0.55 m/s、鋸盤轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)，得到a、b兩點(diǎn)的切割速度，速度曲線如圖3所示。

圖3 刀齒切割速度曲線

由圖3中可以看出，在轉(zhuǎn)速相同的情況下，a點(diǎn)獲得的切割速度明顯大于b點(diǎn)，所以，設(shè)計(jì)各運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量使刀盤外邊緣為主要切割受力點(diǎn)，近齒根部為輔助切割受力點(diǎn)。

1.2 鋸盤刀齒高度

為了防止漏割現(xiàn)象的出現(xiàn)，鋸盤x方向的行進(jìn)距離應(yīng)與刀齒高度近似[16]，為保證切割質(zhì)量，當(dāng)鋸盤直徑取300 mm時(shí)，使刀刃充分工作時(shí)應(yīng)滿足

H≤0.47vm/vp

(3)

式中：vp——鋸盤切割線速度，m/s；

H——鋸盤齒頂圓半徑刀齒高度，mm。

由式(3)得出鋸刀齒高度與鋸盤轉(zhuǎn)速和機(jī)組前進(jìn)速度的關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 刀齒高度與鋸盤轉(zhuǎn)速和機(jī)組前進(jìn)速度關(guān)系圖

由式(3)和圖4可以看出，秧蔓切割時(shí)鋸盤轉(zhuǎn)速和機(jī)組前進(jìn)速度是影響切割質(zhì)量，避免漏割的重要參數(shù)，若確定機(jī)組前進(jìn)速度為0.55～1.26 m/s，鋸盤轉(zhuǎn)速500～1 500 r/min時(shí)，刀齒高度H≤16.6 mm。

1.3 鋸盤齒距、齒數(shù)

綜合考量經(jīng)濟(jì)性等諸多因素，花生秧蔓切割鋸盤材料為65Mn鋼，鋸盤齒形為梯形，刃口為光刃直線型，刃口經(jīng)淬火處理[17]。鋸盤直徑為Φ300 mm，則周長(zhǎng)為942 mm，刀盤厚度暫定為5 mm；經(jīng)田間調(diào)查可知，一棵花生地表以上50 mm處直徑約為Φ10 mm左右，那么，刀盤齒距應(yīng)大于10 mm，才能實(shí)現(xiàn)更有效的切割；當(dāng)齒數(shù)為100時(shí)，齒距為9.42 mm，當(dāng)齒數(shù)為60時(shí)，齒距為15.7 mm，取齒數(shù)為60進(jìn)行齒形設(shè)計(jì)，刀齒結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 刀齒二維示意圖

1.4 鋸盤刃傾角

如圖6所示，當(dāng)?shù)度幸砸欢ǖ木€速度切入秧蔓時(shí)，會(huì)受到秧蔓組織沿水平方向的阻力F，該阻力可分解為平行于刀刃斜面的摩擦阻力f和垂直于刀刃斜面的秧蔓對(duì)刀刃的支持力，易知，無論刃傾角α取何值，f和N總有一個(gè)為最大值，所以選取合適的刀刃角可以減少刀刃所受阻力，進(jìn)而提高刀刃耐用度。

圖6 刀刃受力圖

2 秧蔓切割仿真試驗(yàn)

2.1 秧蔓幾何模型

因?yàn)榛ㄉ斩拑?nèi)部組織的力學(xué)性能差，所以將花生秸稈模型簡(jiǎn)化，并假設(shè)花生秸稈材料是均勻的。由于本收獲機(jī)進(jìn)行秸稈切割的目的主要是避免秸稈進(jìn)入摘果裝置，從而提高摘果效率，所以切割部位選擇在距離夾持位置以下100 mm、地表以上約50 mm處?；ㄉ斩捲诒磺懈顣r(shí)，由夾持鏈夾持呈懸吊狀態(tài)，根據(jù)一壟兩行收獲模式，實(shí)際測(cè)量夾持狀態(tài)秧蔓料層寬度約為30 mm，厚度約為10 mm，由于切割部位處于被夾緊狀態(tài)，所以，假定相鄰的花生秸稈之間緊密接觸間隙為0，那么，經(jīng)簡(jiǎn)化后花生秸稈模型為寬30 mm，厚10 mm，高150 mm的長(zhǎng)方體。模型如圖7所示。

圖7 切割系統(tǒng)幾何模型

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

為了確定鋸盤最優(yōu)工作參數(shù)，秧蔓切割仿真試驗(yàn)在ANSYS-LS_DYNA模塊中進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定鋸盤轉(zhuǎn)速500 r/min，進(jìn)給速度0.55 m/s，選取鋸盤厚度、刀齒高度、刃傾角三個(gè)因素為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素設(shè)置三個(gè)水平，以切割力為考察指標(biāo)在不考慮因素交互作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的情況下，選用L9(34)正交表進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

由表1可知隨著盤厚和刃傾角的增大切割力先減小后增大，而在齒高因素下齒高越高最大切割力越小。由表2可知因素A的極差最大，其次是因素C，因素B的極差R最小。通過R值的大小可以看出因素影響切割力的主次關(guān)系為A>C>B。由于切割力越小切割功耗也就越小，所以三個(gè)因素的最優(yōu)水平組合為A2B2C3即盤厚5 mm、刃傾角20°、齒高17 mm。

表2 極差分析結(jié)果

保持其他條件不變，以最優(yōu)組合利用ANSYS/LS_DYNA進(jìn)行切割仿真，得到鋸盤在的X、Y、Z三個(gè)方向的切割分力和總切割力與時(shí)間的變化關(guān)系如圖8、圖9所示。

圖8 動(dòng)態(tài)三向曲線圖

在圖8中，X軸、Y軸、Z軸方向的切割力分別為曲線X-force、Y-force、Z-force，圖9為切割過程中切割力大小的變化曲線。由圖8和圖9可以看出，圓盤鋸刀在切割花生秸稈時(shí)，切割力是由零逐漸增大至最大值而后再逐漸降為零這樣不斷變化的，而不是一個(gè)恒定的值，切割力最大值為50 N。

圖9 切割力曲線圖

結(jié)合如圖10所示的秧蔓切時(shí)的等效應(yīng)力圖更能直觀的看出秧蔓切割過程中切割力的變化情況。圖10(a)為初始狀態(tài)，這時(shí)圓盤鋸刀還未與秸稈接觸；圖10(b)為切入階段，此時(shí)刀盤剛開始切入秸稈，即對(duì)應(yīng)圖9中第一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；圖10(c)所示階段刀盤進(jìn)給到秸稈中間位置，此時(shí)同時(shí)切入秸稈的刀齒數(shù)最多，所以這時(shí)切割力最大，對(duì)應(yīng)圖9中切割力為50 N的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；圖10(d)所示階段為刀盤開始切出，這時(shí)切割力開始快速下降。下降一段時(shí)間后，隨著刀盤的前進(jìn)其上表面開始切割秸稈殘余部分，所以出現(xiàn)一段上升趨勢(shì)，直至刀齒完全切出，即圖10(e)所示；圖10(f)所示階段秸稈掉落，切割力為0。

(a) 初始狀態(tài)

3 秧蔓切割驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 測(cè)力試驗(yàn)臺(tái)

為了驗(yàn)證仿真試驗(yàn)是否具有參考價(jià)值，通過模擬花生秧蔓收獲的實(shí)際狀態(tài)，設(shè)計(jì)了秧蔓大批量進(jìn)給狀態(tài)下切割力測(cè)定試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)而獲得的花生秧蔓切割力。試驗(yàn)臺(tái)主要包括機(jī)架、動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)、秧蔓夾具、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。剪切試驗(yàn)臺(tái)主要包括機(jī)架、動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)、秧蔓夾具、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。試驗(yàn)臺(tái)工作流程如圖11所示，切割狀態(tài)如圖12所示。切割的同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集裝置(電流表、電壓表)，記錄不同切割情況下花生秧蔓剪切時(shí)電機(jī)的功率。

圖11 試驗(yàn)臺(tái)工作流程圖

圖12 花生秧剪切試驗(yàn)

3.2 切割力獲取與結(jié)果分析

秧蔓夾取完成后，調(diào)整鋸盤高度使切割位置位于秧蔓離地50 mm處，在電壓400 V下設(shè)定切割電機(jī)頻率為50 Hz，待電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，開啟進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)行切割秧蔓，待電流表穩(wěn)定后記錄切割時(shí)得電流表讀數(shù)，調(diào)整轉(zhuǎn)速為500 r/min和進(jìn)給速度為0.55 m/s進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

Fc=UIη/vp

(4)

式中：U——切割電機(jī)工作電壓，V；

I——切割電機(jī)工作電流，A；

η——傳動(dòng)效率，取0.75～0.85；

Fc——切割力，N。

驗(yàn)證試驗(yàn)工作參數(shù)的選取與仿真試驗(yàn)一致的情況下，驗(yàn)證試驗(yàn)所得切割力為51.62 N，驗(yàn)證值與仿真值相對(duì)誤差為3.24%，說明有限元仿真對(duì)花生秧蔓切割力的測(cè)定是可行的。

4 結(jié)論

1) 通過對(duì)鋸盤刀刃上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析，確定了刀齒高度的取值范圍，即機(jī)組前進(jìn)速度為0.55～1.26 m/s，鋸盤轉(zhuǎn)速500～1 500 r/min時(shí)，刀齒高度H≤16.6 mm。

2) 通過對(duì)切割過程的仿真計(jì)算，得出圓盤鋸刀在切割花生秸稈時(shí)，切割力的變化規(guī)律是由零逐漸增大至最大值而后再逐漸降為零的過程。在盤厚5 mm、刃傾角20°、齒高17 mm時(shí)，花生秧蔓的切割力最大值為50 N。

3) 通過搭建測(cè)力試驗(yàn)臺(tái)，得到驗(yàn)證值與仿真值相對(duì)誤差為3.24%，說明仿真對(duì)花生秧蔓切割力的測(cè)定是可行的。

為了更加真實(shí)的獲得花生秧蔓的切割力，今后應(yīng)對(duì)大田作業(yè)時(shí)的花生收獲機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的切割力測(cè)定。