油菜收獲圓盤式切割器的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

　　油菜收獲圓盤式切割器的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)李仲愷謝方平u，劉科唐湘王修善毛利成1（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南長(zhǎng)沙410128）擊試驗(yàn)機(jī)，研究單株油菜的生物物理特性，得出適合油菜切割的高度為200400mm.運(yùn)用自制的自走式切割試驗(yàn)裝置，對(duì)影響切割功耗和落粒損失的切割速度、切割高度、刀盤傾角等進(jìn)行了單因素和多因素正交試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，在切割轉(zhuǎn)速700r/min，切割高度300mm，刀盤切割傾角10時(shí)，其切割功耗為30.19W，落粒損失為1162粒。正交試驗(yàn)結(jié)果表明，切割轉(zhuǎn)速750r/min，切割高度250mm，刀盤切割傾角10°，裝置前進(jìn)速度0.4m/s，刀片6片為最佳參數(shù)，與正交5號(hào)試驗(yàn)相近，其切割功耗36.39W，落粒損失895粒。

　　基金項(xiàng)目：國(guó)家"十二五〃科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD20B08）；湖南省科學(xué)技術(shù)廳重點(diǎn)項(xiàng)目（2013F2006）據(jù)統(tǒng)計(jì)，油菜種植區(qū)近5年平均機(jī)械化種植面積達(dá)691.4萬(wàn)hm2，但平均機(jī)械收獲面積僅有22.3萬(wàn)hm2.油菜聯(lián)合收獲機(jī)是在現(xiàn)有的稻麥聯(lián)合收獲機(jī)的基礎(chǔ)上改裝而成的，由于油菜植株整體成熟不的生物特性，加上往復(fù)式切割器作業(yè)時(shí)振動(dòng)較大，使得油菜籽粒掉落較多，造成割臺(tái)落粒損失較大。油菜收獲損失平均為8.54%，其中割臺(tái)損失占7.69%，因此，有必要對(duì)往復(fù)式切割器進(jìn)行改造，使之更適應(yīng)油菜收獲。

　　有關(guān)甘蔗、玉米、大豆等作物的圓盤式切割器的研究已取得成果。筆者針對(duì)油菜成熟度不致的生物學(xué)特性，結(jié)合切割器與刀片的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種偏心圓弧鋸齒刃圓盤切割器。選擇切割轉(zhuǎn)速、切割位置、切割傾角等影響因素，在自走式切割裝置上進(jìn)行性能試驗(yàn)，以期獲得油菜圓盤式切割器的最優(yōu)工作組合。

　　1圓盤切割器的設(shè)計(jì)與工作原理1.1圓盤切割器結(jié)構(gòu)與刀片參數(shù)選擇考慮到圓盤切割器圓盤在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)慣性力容易平衡、振動(dòng)??；偏心圓弧刀刃口滑切角向外逐漸增大，切割時(shí)省功省力，且具有切割緩沖作用；鋸齒切割功耗低、阻力低，且具有鉗持作用等因素，以偏心圓弧鋸齒刃形式設(shè)計(jì)刀片，并通過(guò)螺栓連接，在刀盤上均勻排布6片刀。切割器的刀片應(yīng)具有耐磨、硬度高、變形小、韌性好的特點(diǎn)，在保證良好切割效率、低折斷率的前提下，根據(jù)油菜莖軒直徑的大小，確定切割器刀盤與刀片參數(shù)為：刀片材料選用65Mn鋼，刀盤直徑200mm，刀高A=30mm，刀寬辦=30mm，刃厚度d=2mm，刃口曲線始端滑切角為30，末端滑切角為60°。

　　1.2刀片工作原理在刀片不漏割、刀盤不接觸方面，偏心圓弧鋸齒刃與其他圓盤式切割器工作原理樣：刀刃隨刀盤高速旋轉(zhuǎn)，切割前的瞬間，刀刃鋸齒齒尖與油菜莖軒為點(diǎn)接觸，即臨界切割狀態(tài)（-a），點(diǎn)接觸鋸齒產(chǎn)生的壓強(qiáng)能迅速撕裂莖軒；莖軒撕裂后，刀刃開(kāi)始切割，刃口與油菜莖軒的接觸方式轉(zhuǎn)為線型接觸，連續(xù)的鋸齒能夠有效鉗住莖軒，減小切割振動(dòng)（-b）；油菜莖軒被切斷后，在慣性力的作用下飛離切割器?；薪茄厝锌谇€向外逐漸從30增大至60，較小滑切角部分切割有力，較大滑切角部分切割阻力小、切割平穩(wěn)。整個(gè)過(guò)程均是鋸齒鉗持、切割莖軒，刀刃逐漸切入，因滑切角變化，切割阻力由大變小，產(chǎn)生切割緩沖作用。

　　a臨界切割狀態(tài)；b切割狀態(tài)。

　　刀片切割過(guò)程2試驗(yàn)材料與方法2.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)在湖南瀏陽(yáng)北盛鎮(zhèn)油菜機(jī)械化收獲示范基地進(jìn)行。通過(guò)“五點(diǎn)”取樣法抽樣。油菜整株平均高度為1398mm；基部直徑為5.518.5mm，絕大多數(shù)為814.7mm；極少數(shù)底層果莢分枝高度在500mm以下。

　　2.2方法2.2.1沖擊試驗(yàn)采用擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)油菜莖軒進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，測(cè)定單株油菜莖軒的抗沖擊強(qiáng)度和果莢落粒數(shù)量。試驗(yàn)過(guò)程忽略切割沖量的影響，在切割瞬間可視為勻速直線運(yùn)動(dòng)。不考慮摩擦因素，根據(jù)能量守恒定律，切割消耗的功全部用來(lái)切斷油菜莖軒。測(cè)定，并顯示在扭矩轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示儀上。切割功耗所消耗的功；F表示試驗(yàn)材料的橫截面面積。取直徑相同、成熟度相近的油菜莖軒，分別在距地100、200、300、400、500mm處進(jìn)行沖擊，切斷后讀取刻度盤記錄所消耗的功，并統(tǒng)計(jì)果莢落粒數(shù)量。每個(gè)部位重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。

　　2.2.2切割試驗(yàn)切割試驗(yàn)在自制的自走式切割試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。試驗(yàn)裝置主要由自走式切割臺(tái)、可調(diào)式夾持裝置、測(cè)控系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)等部分組成。試驗(yàn)裝置的切割高度可調(diào)范圍為100500mm，切割傾角可調(diào)范圍為030，切割速度可調(diào)范圍為1.88 18.82m/s，切割前進(jìn)速度可調(diào)范圍為0.22m/s，切割刀片數(shù)量可變范圍為26片。將油菜植株固定在3m長(zhǎng)的夾持裝置上，根據(jù)試驗(yàn)要求進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)調(diào)節(jié)；調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸下端的圓盤切割器高速旋轉(zhuǎn)和裝置直線前進(jìn)，切割扭矩通過(guò)扭矩傳感器軸的轉(zhuǎn)速。2.2.3單因素試驗(yàn)為了考查切割轉(zhuǎn)速、切割高度、刀盤切割傾角對(duì)切割功耗和落粒損失的影響，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。保持同一切割高度100mm，優(yōu)選參數(shù)切割傾角進(jìn)行切割試驗(yàn)，并記錄切割扭矩和統(tǒng)計(jì)落粒數(shù)量。試驗(yàn)得到適合圓盤切割油菜的轉(zhuǎn)速區(qū)間后，選擇落粒損失最小的轉(zhuǎn)速700r/min，其他參數(shù)保持不變，分別在莖軒距地高度100、200、300、400、500mm進(jìn)行切割試驗(yàn)。最后設(shè)置3個(gè)切割傾角，即0°、10°、20進(jìn)行切割試驗(yàn)。

　　2.2.4多因素試驗(yàn)對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得知，油菜莖軒切割功耗和切割損失的大小與切割轉(zhuǎn)速、切割位置、切割刀盤傾角等因素有關(guān)。由于切割試驗(yàn)涉及的影響因素較多，采用正交試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行多因素試驗(yàn)。7因素3水平的正交試驗(yàn)表心8（37）設(shè)計(jì)本試驗(yàn)5因素3水平的正交試驗(yàn)表s（35）（表1）。

　　表1正交試驗(yàn)因素水平表序號(hào)D片A切割轉(zhuǎn)速；B切割高度；C刀盤傾角；D刀片數(shù)量；前進(jìn)速度。

　　3結(jié)果與分析3.1油菜莖稈適宜切割高度的確定油菜莖軒的抗沖擊強(qiáng)度表征受到外力載荷時(shí)莖軒抵抗變形和斷裂的能力。沖擊試驗(yàn)結(jié)果（表2）表明，從油菜莖軒距地100mm處切斷，平均消耗的功率為17.5，明顯大于其他部位；在莖軒距地300mm以上的部位切斷，平均消耗的功率變化不大；隨著莖軒高度的增加，油菜莖軒直徑呈減小趨勢(shì)，且莖軒距地300mm以上的部分直徑變化不大，因此，油菜莖軒抗沖擊強(qiáng)度減小，且在莖軒距地300500mm部位趨于穩(wěn)定。另外，從莖軒距地300mm處開(kāi)始，落粒損失又呈增大趨勢(shì)。原因是莖軒抗沖擊強(qiáng)度的減小，莖軒的抗變形能力相對(duì)較弱，進(jìn)而切割力產(chǎn)生的變形較大，引起較多的籽粒掉落。綜合比較，適合切割的油菜莖軒高度為200400mm. 3.3切割高度對(duì)功耗和落粒損失的影響隨著切割高度的增大，因莖軒直徑變小、切斷所需的功變小，導(dǎo)致切割功耗下降，并在30W附近趨于穩(wěn)定。油菜莖軒切割高度超過(guò)300mm后，由于莖軒抗沖擊強(qiáng)度減小，切割落粒損失呈增大趨勢(shì)。綜合比較，較優(yōu)切割高度為250mm.表2油菜莖稈不同切割高度的平均耗功和平均落粒損失莖稈距地高度/mm莖稈平均直徑/mm平均耗功/平均抗沖擊強(qiáng)度/（k.m-2）平均落粒3.2切割轉(zhuǎn)速對(duì)功耗和落粒損失的影響隨著刀盤切割轉(zhuǎn)速的增大，功耗呈明顯上升的趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速較低時(shí)，切割力不足，存在多刀切斷問(wèn)題，當(dāng)轉(zhuǎn)速為700r/mm時(shí)，能一刀切斷油菜莖軒，且落粒損失小于轉(zhuǎn)速較低時(shí)的落粒損失；當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，切割產(chǎn)生的沖擊力也相應(yīng)地增大，切割落粒損失呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。綜合比較，適合切割的轉(zhuǎn)速范圍為600750r/min. 3.4刀盤切割傾角對(duì)功耗和落粒損失的影響分析發(fā)現(xiàn)，隨著刀盤傾角增大，切割功耗呈降低趨勢(shì)。這是因?yàn)榍o軒組織纖維在一定的方向上是由強(qiáng)度相對(duì)較低的材料結(jié)合在一起的，切割時(shí)省功。同時(shí)，切割截面面積也相應(yīng)增大，則莖軒截面受到的沖擊力增大。油菜瞬態(tài)振動(dòng)響應(yīng)對(duì)落粒損失的影響較大，導(dǎo)致落粒損失又呈增大趨勢(shì)。綜合比較，適合切割的傾角為10°。

　　落粒損失刀盤切割傾角/不同切割傾角下的功耗和落粒損失3.5多因素正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)切割功耗和落粒損失的極差分析結(jié)果（表3）表明：影響切割功耗的因素大小依次為切割速度、刀盤傾角、前進(jìn)速度、刀片數(shù)量、切割位置；影響落粒損失的因素大小依次為切割傾角、刀片數(shù)量、切割速度、前進(jìn)速度、切割位置。綜合兩者的影響，使得切割功耗低、落粒損失小的最優(yōu)組合為小的最優(yōu)組合與試驗(yàn)5號(hào)接近，而試驗(yàn)5號(hào)的結(jié)果2褚2￡3五2，即轉(zhuǎn)速為750r/min、切割位置距地250是表3中數(shù)據(jù)較小的一組，因此可以認(rèn)為該組參數(shù)mm、刀盤傾角10°、刀片6片、前進(jìn)速度0.4m/s.組合符合功耗低、落粒損失小的要求