油菜收獲圓盤式切割器的設(shè)計與性能試驗李仲愷謝方平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，湖南長沙410128）擊試驗機，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.運用自制的自走式切割試驗裝置，對影響切割功耗和落粒損失的切割速度、切割高度、刀盤傾角等進行了單因素和多因素正交試驗。單因素試驗結(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，其切割功耗為30.19W，落粒損失為1162粒。正交試驗結(jié)果表明，切割轉(zhuǎn)速750r/min，切割高度250mm，刀盤切割傾角10°，裝置前進速度0.4m/s，刀片6片為最佳參數(shù)，與正交5號試驗相近，其切割功耗36.39W，落粒損失895粒。

　　基金項目：國家"十二五〃科技支撐計劃項目（2011BAD20B08）；湖南省科學(xué)技術(shù)廳重點項目（2013F2006）據(jù)統(tǒng)計，油菜種植區(qū)近5年平均機械化種植面積達691.4萬hm2，但平均機械收獲面積僅有22.3萬hm2.油菜聯(lián)合收獲機是在現(xiàn)有的稻麥聯(lián)合收獲機的基礎(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)時振動較大，使得油菜籽粒掉落較多，造成割臺落粒損失較大。油菜收獲損失平均為8.54%，其中割臺損失占7.69%，因此，有必要對往復(fù)式切割器進行改造，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行性能試驗，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)時慣性力容易平衡、振動小；偏心圓弧刀刃口滑切角向外逐漸增大，切割時省功省力，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)計刀片，并通過螺栓連接，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，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接觸，即臨界切割狀態(tài)（-a），點接觸鋸齒產(chǎn)生的壓強能迅速撕裂莖軒；莖軒撕裂后，刀刃開始切割，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（-b）；油菜莖軒被切斷后，在慣性力的作用下飛離切割器。滑切角沿刃口曲線向外逐漸從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)。整個過程均是鋸齒鉗持、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)。

　　刀片切割過程2試驗材料與方法2.1試驗材料試驗在湖南瀏陽北盛鎮(zhèn)油菜機械化收獲示范基地進行。通過“五點”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沖擊試驗采用擺錘沖擊試驗機對油菜莖軒進行沖擊試驗，測定單株油菜莖軒的抗沖擊強度和果莢落粒數(shù)量。試驗過程忽略切割沖量的影響，在切割瞬間可視為勻速直線運動。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切斷油菜莖軒。測定，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處進行沖擊，切斷后讀取刻度盤記錄所消耗的功，并統(tǒng)計果莢落粒數(shù)量。每個部位重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。

　　2.2.2切割試驗切割試驗在自制的自走式切割試驗裝置上進行。試驗裝置主要由自走式切割臺、可調(diào)式夾持裝置、測控系統(tǒng)和動力系統(tǒng)等部分組成。試驗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長的夾持裝置上，根據(jù)試驗要求進行各項參數(shù)調(diào)節(jié)；調(diào)速電機驅(qū)動轉(zhuǎn)軸下端的圓盤切割器高速旋轉(zhuǎn)和裝置直線前進，切割扭矩通過扭矩傳感器軸的轉(zhuǎn)速。2.2.3單因素試驗為了考查切割轉(zhuǎn)速、切割高度、刀盤切割傾角對切割功耗和落粒損失的影響，進行單因素試驗。保持同一切割高度100mm，優(yōu)選參數(shù)切割傾角進行切割試驗，并記錄切割扭矩和統(tǒng)計落粒數(shù)量。試驗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進行切割試驗。最后設(shè)置3個切割傾角，即0°、10°、20進行切割試驗。

　　2.2.4多因素試驗對單因素試驗結(jié)果進行分析得知，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)。由于切割試驗涉及的影響因素較多，采用正交試驗來進行多因素試驗。7因素3水平的正交試驗表心8（37）設(shè)計本試驗5因素3水平的正交試驗表s（35）（表1）。

　　表1正交試驗因素水平表序號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度表征受到外力載荷時莖軒抵抗變形和斷裂的能力。沖擊試驗結(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，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處開始，落粒損失又呈增大趨勢。原因是莖軒抗沖擊強度的減小，莖軒的抗變形能力相對較弱，進而切割力產(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300mm后，由于莖軒抗沖擊強度減小，切割落粒損失呈增大趨勢。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/平均抗沖擊強度/（k.m-2）平均落粒3.2切割轉(zhuǎn)速對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，轉(zhuǎn)速較低時，切割力不足，存在多刀切斷問題，當(dāng)轉(zhuǎn)速為700r/mm時，能一刀切斷油菜莖軒，且落粒損失小于轉(zhuǎn)速較低時的落粒損失；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。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。這是因為莖軒組織纖維在一定的方向上是由強度相對較低的材料結(jié)合在一起的，切割時省功。同時，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)振動響應(yīng)對落粒損失的影響較大，導(dǎo)致落粒損失又呈增大趨勢。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多因素正交試驗結(jié)果對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5號接近，而試驗5號的結(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，因此可以認為該組參數(shù)mm、刀盤傾角10°、刀片6片、前進速度0.4m/s.組合符合功耗低、落粒損失小的要求