切割參數(shù)對芝麻莖稈切割功耗的影響

賀智濤，丁慧玲，李 珍，張永振，李 健

(1.武漢材料保護(hù)研究所，湖北 武漢 430030；2.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；3.高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室，河南 洛陽 471023)

0 引言

芝麻是中國主要油料作物之一，含油率高達(dá)45%～57%[1]。2014—2018年中國芝麻種植面積平均保持在26萬hm2以上，其中河南省芝麻的種植面積約占全國的1/3[2]。芝麻的收獲目前仍以人工為主，制約芝麻機(jī)械化收獲的關(guān)鍵因素在于過高的損失率和切割功耗[3-6]，例如，將谷物聯(lián)合收獲機(jī)用于收割芝麻，割臺損失為17%～22%[7]。切割是芝麻收獲的主要環(huán)節(jié)之一，芝麻莖稈中對其機(jī)械強(qiáng)度起主要作用的纖維素含量高達(dá)47.2%[8]，切割系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量直接影響切割力、切割功耗與機(jī)收時的割臺損失[9]。

各類切割試驗是研究農(nóng)作物莖稈切割過程、切割原理的重要手段，也是合理設(shè)計切割系統(tǒng)參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源。文獻(xiàn)[10]研究了旋轉(zhuǎn)沖擊式芝麻收獲機(jī)性能的影響因素，文獻(xiàn)[11]研制了雙行帶式芝麻撿拾收獲機(jī)，文獻(xiàn)[12]測定了芝麻莖稈的強(qiáng)度和變形參數(shù)，但均未涉及具體的切割試驗。國內(nèi)對芝麻莖稈的切割試驗研究開展較少，文獻(xiàn)[13]研究了芝麻莖稈的剪切特性及不同節(jié)位蒴果與莖稈連接處的拉伸特性，但并未開展不同因素水平下的切割試驗。因此，本文擬采用萬能試驗機(jī)，對芝麻莖稈進(jìn)行切割試驗，以探索芝麻莖稈切割過程中切割速度、刃口角度、切割部位和削切角對切割性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試樣

試驗所用芝麻莖稈于收獲期從洛陽市澗西區(qū)尤東村取樣，品種為豫芝八號。選取外表完整、無明顯損傷的芝麻莖稈，去除芝麻葉，制成長度150 mm，平均直徑(12.0±2.0) mm的試樣。試驗所用芝麻稈采用烘干法測其含水率，含水率為41.66%。

1.2 試驗設(shè)備

所有切割試驗在長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司生產(chǎn)的DNS02電子萬能試驗機(jī)上完成。試驗設(shè)備及刀片安裝方式如圖1所示，選用試驗機(jī)自帶量程為2 000 N的拉壓力傳感器測量切割力，萬能試驗機(jī)的測試系統(tǒng)完成刀片位移的自動控制、數(shù)據(jù)采集和存儲。

圖1 試驗設(shè)備及刀片安裝方式

試驗所用刀片材料為65Mn，經(jīng)淬火處理，硬度約為58HRC。刀片的刃線均為直線，刃口角度共4種，分別為15°、20°、25°和30°。刀片采用專用夾具緊固在試驗機(jī)的壓頭上，試樣橫放于支撐塊上，削切角通過旋轉(zhuǎn)卡鉗進(jìn)行調(diào)整。

1.3 單因素試驗

為了考察刃口角度、切割速度、切割部位和削切角4個因素各自對切割功耗和峰值切割力的影響程度，分別設(shè)計了4組單因素試驗。采用4種刀片(刃口角度分別為15°、20°、25°和30°)開展切割試驗，研究刃口角度對切割功耗的影響。設(shè)置切割速度分別為10 mm/min、100 mm/min、200 mm/min、300 mm/min、400 mm/min和500 mm/min，研究切割速度對切割功耗的影響。分別取芝麻莖稈上、中、下部試樣，研究切割部位對切割功耗的影響。在萬能試驗機(jī)上通過旋轉(zhuǎn)卡鉗調(diào)整削切角分別為10°、15°、20°、25°和30°，研究削切角的大小對切割功耗的影響。為了減小隨機(jī)誤差，所有試驗重復(fù)5次。

1.4 響應(yīng)面試驗設(shè)計

為了考察各因素的交互作用，在單因素試驗的基礎(chǔ)上，以刃口角度、切割速度、削切角和切割部位為試驗因素，以切割功耗為響應(yīng)，采用中央組合設(shè)計(central composite design, CCD)法，設(shè)計了四因素五水平響應(yīng)面試驗[14]，響應(yīng)面因素與水平如表1所示，每組試驗重復(fù)3次。

表1 響應(yīng)面因素與水平

1.5 數(shù)據(jù)處理

每次試驗結(jié)束后，試驗機(jī)自動記錄時間、刀片位移和切割力變化。編制程序自動去除刀刃接觸莖稈之前的無用數(shù)據(jù)，確定位移零點(diǎn)。對芝麻莖稈的直徑進(jìn)行歸一化處理，避免試樣直徑不同導(dǎo)致的計算誤差，利用Origin軟件通過數(shù)值積分計算切割功耗。

每組試驗分別統(tǒng)計峰值切割力與切割功耗，并在α=0.05水平下對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行格拉布斯準(zhǔn)則檢驗，剔除異常點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 切割速度的影響

不同切割速度對切割功耗和峰值切割力的影響如圖2a所示。由圖2a可知：切割速度為10 mm/min時的切割功耗最高，達(dá)到了1 258 mJ(SD=320.92 mJ)；其余4種切割速度下的平均切割功耗分布于791.26～951.97 mJ。單因素方差分析結(jié)果顯示：切割速度對切割功耗和峰值切割力的影響均達(dá)到了顯著水平(α=0.05)。Turkey檢驗結(jié)果表明：切割速度為10 mm/min時的切割功耗與其他切割速度的切割功耗相比差異均為顯著；而切割速度為100～500 mm/min時，芝麻莖稈的切割功耗沒有顯著差異(α=0.05)。

(a) 不同速度下的切割功耗和峰值切割力 (b) 切割速度分別為10 mm/min和500 mm/min時的切割過程

在支撐切割條件下，切割功耗包括新表面能En、克服摩擦力的功耗Ef，克服被切對象彈塑性變形的功耗Ee和Ep[15]。當(dāng)切割速度極低時，在切割過程中，被切對象局部產(chǎn)生了充分的彈塑性變形，其變形程度遠(yuǎn)比以高速切割時大，故Ee和Ep較大，導(dǎo)致總切割功耗增大。從圖2b可以看出：切割速度為10 mm/min時，切割力曲線有較多的局部下降過程，表明被切對象局部先產(chǎn)生較充分的彈性變形后被切斷，導(dǎo)致切割力小幅下降；切割速度為500 mm/min時，切割力曲線的局部下降次數(shù)極少，說明切割對象局部的彈塑性變形-斷裂過程少，消耗的Ee和Ep明顯減小，試樣被破壞的過程更趨于整體一次斷裂。

不同切割速度時芝麻莖稈的斷面如圖3所示。圖3a為500 mm/min切斷后的斷面，切口整齊，邊緣保留完整，無明顯撕裂。圖3b為10 mm/min切斷后的斷面，切口附近的表皮出現(xiàn)劈裂，不必要的變形和斷裂會造成切割功耗的增大。

(a) 切割速度為500 mm/min時的斷面 (b) 切割速度為10 mm/min時的斷面

2.2 刃口角度的影響

刃口角度對切割功耗和峰值切割力的影響如圖4所示。由圖4可知：整體上刃口角度越大，切割功耗和峰值切割力越大，刃口角度對切割功耗和峰值切割力的影響極顯著(P<0.01)。刃口角度為15°～25°時，兩項指標(biāo)的變化較為平緩。單因素方差分析和Turkey檢驗結(jié)果表明：刃口角度為30°時的切割功耗與峰值切割力分別達(dá)到了3 008.79 mJ和421.21 N，與其余3種刃口角度的切割功耗相比達(dá)到極顯著差異程度(P<0.01)，而刃口角度為15°、20°和25°的切割功耗和峰值切割力分別為968.19～1 440.74 mJ和140.52～209.89 N，沒有顯著差異(α=0.05)。

圖4 刃口角度對切割功耗和峰值切割力的影響

切割在本質(zhì)上是對莖稈物理結(jié)構(gòu)的破壞過程[16]，在相同的切割條件下，刃口半徑越小，作用于莖稈的局部應(yīng)力越大，而較小的刃口角度通常會有較小的刃口半徑，刃口破開芝麻莖稈的物理結(jié)構(gòu)更為容易。刃口切入后，刃側(cè)擠壓莖稈，使莖稈在切割方向和莖稈軸向產(chǎn)生進(jìn)一步的變形和破壞，而這一部分的變形往往不是切割所必須的。刃口角度越大，刀片通過刃側(cè)面受到莖稈彈塑性變形的反力也越大，從而導(dǎo)致切割功耗和切割力的上升。從刀具耐用性的角度考慮，刃口角度越小，強(qiáng)度越低，越容易變鈍甚至損壞。因此，根據(jù)試驗結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)中選用20°～25°刃口角度的刀片較為有利。

2.3 切割部位的影響

由于植物莖稈的生長特性，莖稈不同部位的切割性能也不同，切割部位對切割功耗和峰值切割力的影響如圖5所示。由圖5可知：切割點(diǎn)越靠近根部，切割功耗和峰值切割力越大；切割部位越高，切割功耗和峰值切割力越小，芝麻莖稈下部的平均切割功耗為1 806.49 mJ，比中部約高出52%。Turkey檢驗表明：芝麻莖稈下部的切割功耗與中部和上部的切割功耗相比差異極顯著(P<0.01)。

圖5 切割部位對切割功耗和峰值切割力的影響

一般認(rèn)為靠近根部的莖稈木質(zhì)化程度較高，造成其機(jī)械強(qiáng)度較高，切應(yīng)力和切割功耗較高[17]。盡管在機(jī)械化收獲時，不可避免地要切割芝麻莖稈的下部，但從農(nóng)機(jī)農(nóng)藝配套的角度分析，開發(fā)培育始蒴部位較高的芝麻品種更利于機(jī)械化收獲。另外，適當(dāng)減小芝麻播種的行距也能夠提高始蒴部位[4]。

2.4 削切角的影響

削切角對切割功耗和峰值切割力的影響如圖6所示。由圖6可以看出：削切角從10°增大到20°時，切割功耗和峰值切割力分別從1 097.69 mJ、154.05 N下降到805.24 mJ、108.81 N。Turkey檢驗結(jié)果表明：10°與20°削切角下的切割功耗差異達(dá)到了顯著水平(P<0.05)；而從20°增大到30°時，切割功耗與峰值切割力略有上升，差異并不顯著。

圖6 削切角對切割功耗和峰值切割力的影響

植物莖稈多屬于各向異性材料，不同的切割方向受到的切割阻力不同[18]。常見植物莖稈纖維的長徑比均大于1，較大長徑比的纖維通常具有更好的韌性，例如水稻莖稈纖維長徑比為4.47，其韌性較纖維長徑比為2.87的油菜莖稈要好[19]。植物莖稈的纖維組織一般沿莖稈的軸向排列分布，而莖稈結(jié)構(gòu)中的多種組織在其軸向與徑向的結(jié)合強(qiáng)度不同，沿軸向切開莖稈要比沿徑向切開更為容易，也就是削切比正切所受到的切割阻力更小，從而降低切割功耗。削切在有效降低切割力的同時，也增大了斷面的面積，這會導(dǎo)致新表面能和刀片摩擦功耗的增大[20]。因此，在切割力、新表面能和摩擦功耗之間必然存在一個平衡，使總切割功耗達(dá)到最小值，在本試驗中，當(dāng)削切角為20°時，切割功耗與峰值切割力均達(dá)到了所有水平中的最小值。

2.5 響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

按照表1開展響應(yīng)面試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行多因素方差分析和多元回歸，得到切割功耗(Y)與刃口角度(A)、切割速度(B)、切割部位(C)及削切角(D)之間的編碼回歸方程為：

Y=949.274 + 205.413 ×A- 136.976 ×B- 235.916 ×C- 155.839 ×D+ 28.824 ×AB+42.652×AC+ 37.405 ×AD- 50.661 ×BC- 0.521 ×BD- 115.062 ×CD，R2=0.671 2?；貧w模型的方差分析見表2。

表2 回歸模型方差分析

由表2可知：回歸模型極顯著(P<0.01)，失擬項P值0.636 2>0.05，失擬性差異不顯著。A、C和D 3個因素對切割功耗的影響達(dá)到顯著水平，而B切割速度對切割功耗的影響不顯著(P>0.05)，但P值達(dá)到0.090 7。所有交互項對切割功耗的影響不顯著(P>0.05)。相關(guān)系數(shù)R2為0.671 2，變異系數(shù)為11.79%，表明該模型較為可靠。

圖7 切割部位與削切角對切割功耗的交互影響

當(dāng)因素A刃口角度和B切割速度為零水平時，響應(yīng)值切割功耗與試驗因素C切割部位、D削切角交互作用構(gòu)成的響應(yīng)面如圖7所示。由圖7可知：響應(yīng)面沒有明顯的馬鞍形變化，響應(yīng)值僅在切割部位從10.2至12.4、削切角從20°至30°同時變化區(qū)間內(nèi)有不明顯的非線性降低，說明C、D兩因素存在一定交互作用，但不明顯，這與方差分析結(jié)果相符。觀察AB、AC、AD、BC和BD因素的響應(yīng)面和等高線，未見明顯曲面變化，其交互作用更弱。

利用Design-Expert軟件的試驗優(yōu)化功能，以最小化切割功耗為目標(biāo)，對各因素進(jìn)行優(yōu)化分析，優(yōu)化結(jié)果如表3所示。在生產(chǎn)實(shí)際中，刃口角度為15°時，其強(qiáng)度和耐磨性較差，切割點(diǎn)不能高于芝麻的始蒴部位，因此限制刃口角度為20°～30°、切割部位為5.8～7.5，則優(yōu)化結(jié)果為：在刃口角度20°、切割速度500 mm/min、切割部位7.5且削切角為30°時，切割功耗達(dá)到最小值725.33 mJ。

表3 切割因素優(yōu)化結(jié)果

3 結(jié)論

(1)刃口角度、切割速度、切割部位和削切角對切割功耗及峰值切割力兩項指標(biāo)均有顯著影響，刃口角度20°～25°、削切角20°時，切割功耗與峰值切割力最小。切割速度越高斷面質(zhì)量越好，切割速度為500 mm/min時芝麻莖稈斷面質(zhì)量最佳。

(2)刃口角度、切割部位和削切角對切割功耗的影響達(dá)到顯著水平(P<0.05)，各因素之間的交互作用對切割功耗的影響均不顯著。考慮實(shí)際生產(chǎn)需求，以最小化切割功耗為目標(biāo)對各因素進(jìn)行優(yōu)化，得到各因素的最優(yōu)水平為：刃口角度20°、切割速度500 mm/min、削切角30°，切割點(diǎn)距根部20 cm。此時單根莖稈的切割功耗為725.33 mJ。