甘蔗節點的切割試驗

李麗萍等

摘要：以海南省臨高縣青皮甘蔗為對象，利用WD-200B型電子式萬能試驗機對青皮甘蔗節點進行了切割力學試驗研究。試驗結果表明，同一加載速度250 mm/min下，甘蔗節點的切割力呈現從中部、根部、梢部、尾部逐漸減小的趨勢；同一部位下，甘蔗節點的切割力隨著加載速度的增大稍有波動。以加載速度、加載部位直徑作為試驗影響因素，采用正交試驗方法分析各因素對甘蔗節點切割力的影響。結果表明，各因素對甘蔗節點切割力的影響為加載部位直徑>加載速度。在加載速度為100 mm/min，粗直徑的甘蔗節點的切割力最小。

關鍵詞：甘蔗節點；切割力；切割應力

中圖分類號：S183 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）13-3174-03

Cutting Experiments of Sugarcane Nodes

Li li-ping1，Wang tao1，Fang sai-ping1，Li yue1，Zhang Xi-rui1，Wei jing2

（1. Institute of Electrical and Mechanical Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China；2. Products Quality Supervision and Testing Institute of Hainan Province， Haikou 570203， China）

Abstract： The green-skinned sugarcane from Lingao county in Hainan province was used as the test material. The cutting characteristics of the nodes of the green-skinned sugarcane was studied on the WD-200B electronic universal testing machine. Results showed that cutting force of sugarcane nodes decreased gradually along with the roots， central， tip and the tail under the same loading speed of 250 mm/min. Cutting force of the sugarcane nodes affected slightly with the increase of loading velocity under the same parts. Factors such as loading speed and loading parts diameter on sugarcane cutting force were analyzed with orthogonal test. Factors affecting the cutting force of sugarcane node were in order of loading parts diameter > loading speed. Cutting force of sugarcane node with thicker diameter was found to be the minimum when loading speed was 100 mm/min.

Key words： sugarcane node； cutting force； cutting stress

甘蔗主要種植在廣東、廣西、海南等地，是我國南方地區主要經濟作物之一。氣候、土壤等條件對甘蔗生長有重要影響，甘蔗的生長狀況存在差異，也對甘蔗收獲機外形、質量、工作性能等提出了更高的要求，目前，我國甘蔗收獲仍以人工收割為主[1]，耗費勞動力，效率低，發展甘蔗收獲技術。采用機械化收獲，是提高甘蔗生產率，降低生產成本的重要手段[2]。

切割刀在收獲甘蔗過程中會對甘蔗節點有所損傷，甘蔗節點的切割強度會影響收割速率，切口的形狀還影響到甘蔗宿根來年的發芽情況[3]。因此，研究甘蔗節點的力學性能對設計切割刀具有重要意義。目前，國內外學者對農作物剪切器及其力學性能進行了相關研究[4-10]，但目前尚未見到關于甘蔗節點剪切力學特性的相關研究。為了設計出質量輕、使用方便、工作效率高的甘蔗切割刀，以海南省臨高縣青皮甘蔗為試驗材料，對甘蔗節點的切割力的力學性能進行試驗研究，尋求甘蔗節點切割力的最優方案。

1 材料與方法

1.1 材料及設備

青皮甘蔗采自海南省臨高縣，共采集了5根，要求試樣通直，無蟲害。甘蔗采回去后，去葉，去根毛。

WD-200B型電子式萬能試驗機（廣州試驗儀器廠）；0-200 mm電子數顯卡尺（桂林量具刃具有限公司）。

1.2 試驗方法

對甘蔗編號，分別為1、2、3、4、5號，每根甘蔗均分為四部分，分別記作根部、中部、梢部、尾部，測量節點的直徑分為粗、中、細。

1.2.1 單因素試驗

1）加載部位對切割力的影響。以250 mm/min的加載速度勻速加載，對2號甘蔗根部、中部、梢部、尾部節點進行切割試驗，記錄切割力。

2）加載速度對切割力的影響。依次以20、50、100、250 mm/min的加載速度勻速加載，對3號甘蔗尾部節點進行切割試驗，記錄切割力。

3）不同試樣同一部位節點切割力對比試驗。以100 mm/min的加載速度勻速加載，對3號、4號、5號甘蔗中部的節點進行切割試驗，記錄切割力。

以250 mm/min的加載速度勻速加載，對3號、4號、5號甘蔗的梢部節點進行切割試驗，記錄切割力。

1.2.2 正交試驗 以50、100、250 mm/min的加載速度勻速加載，對3號、4號、5號甘蔗不同部位的節點進行切割試驗（表1），記錄切割力。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 加載部位對切割力的影響 表2記錄了2號甘蔗根部、中部、梢部、尾部節點直徑以及250 mm/min加載速度下的切割力大小。通過數據處理計算出相應的應力值，應力計算公式如下：

σ=1 000F/A

式中，σ是節點切割應力，MPa；F是節點的切割力，kN；A是節點的橫截面積，mm2。

出現重復試驗時取平均值作為試驗結果，如表3。試驗結果表明，加載部位是中部節點時，切割力最大，為1.627 7 kN；加載部位是尾部節點時，切割力最小，為1.144 9 kN。切割力和應力在根部節點和中部節點相差不大，然后在梢部節點、尾部節點處逐漸減小。

2.1.2 加載速度對切割力的影響 依次以20、50、100、250 mm/min的加載速度對3號甘蔗尾部節點勻速加載，試驗數據及處理結果如表4所示，結果表明，切割力、應力隨加載速度變化規律不明顯。

2.1.3 不同試樣同一部位節點切割對比試驗 試驗以100、250 mm/min的加載速度對3號、4號、5號甘蔗中部節點和梢部節點勻速加載，試驗數據及處理結果如表5所示。結果表明，同一加載部位下，切割力之間和應力之間相差不大。結果存在差異可能與加載部位的直徑不同有關，直徑越粗，甘蔗節點部位的木質纖維部分越疏松，包含在營養組織細胞中的液泡較大，能夠承受的切割力也越小。

2.2 正交試驗結果

以50、100、250 mm/min的加載速度對3號、4號、5號甘蔗的根部節點勻速加載，多個節點重復試驗時，結果取平均值，試驗以加載速度（A）（mm/min）、加載部位直徑（B）為影響因子，建立正交試驗如表6所示。

從極差的角度分析，各因素水平對結果的影響是A3>A1>A2，B2>B3>B1，通過對結果的分析得出，最優方案是A2B1，即加載速度100 mm/min，甘蔗節點直徑粗的條件下切割力最小。

3 結論

對青皮甘蔗試樣節點進行切割試驗時發現，同一加載速度下，切割力沿著中部、根部、梢部、尾部節點逐漸減??；對同一部位節點進行切割時，切割力隨著加載速度的增大稍有波動；通過設置正交試驗，探究甘蔗節點切割力的影響因子主次關系表明，加載部位直徑的影響大于加載速度。

參考文獻：

[1] 彭明戈，陳星富，陳潤忠.甘蔗收獲機收割現狀及發展對策初探[J].農業研究與應用，2013（4）：63-65.

[2] 莫建霖，劉慶庭.我國甘蔗收獲機械化技術探討[J].農機化研究，2013（3）：12-18.

[3] 楊丹彤，區穎剛，黃世醒，等.甘蔗人工砍切過程的仿真方法探討[J].農機化研究，2004（6）：48-50.

[4] ODOURI M F，SAKAI J，GUPTA C P.Kinematics of revolving-knife disk-type sugarcane basecutter-1[J].AMA，1992，23（4）：9-15.

[5] 劉慶庭，區穎剛，卿上樂，等.甘蔗莖稈切割力試驗[J].農業工程學報，2007，23（7）：90-94.

[6] 尹 秋，王 濤，張喜瑞，等.香蕉果梗切割力學特性試驗[J].中國農機化學報，2013，34（4）：75-77.

[7] 李玉道，杜現軍，宋占華，等.棉花秸稈剪切力學性能試驗[J].農業工程學報，2011，27（2）：124-128.

[8] 吳明亮，官春云，湯楚宙，等.油菜莖稈切割力影響因素試驗[J].農業工程學報，2009，25（6）：141-144.

[9] 曹 玉，劉偉峰，張欣達.玉米莖稈切割力影響因素試驗研究[J].農機化研究，2012（11）：129-132，137.

[10] 李耀明，秦同娣，陳 進，等.玉米莖稈往復切割力學特性試驗與分析[J].農業工程學報，201l，27（1）：160-164.

以250 mm/min的加載速度勻速加載，對3號、4號、5號甘蔗的梢部節點進行切割試驗，記錄切割力。

1.2.2 正交試驗 以50、100、250 mm/min的加載速度勻速加載，對3號、4號、5號甘蔗不同部位的節點進行切割試驗（表1），記錄切割力。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 加載部位對切割力的影響 表2記錄了2號甘蔗根部、中部、梢部、尾部節點直徑以及250 mm/min加載速度下的切割力大小。通過數據處理計算出相應的應力值，應力計算公式如下：

σ=1 000F/A

式中，σ是節點切割應力，MPa；F是節點的切割力，kN；A是節點的橫截面積，mm2。

出現重復試驗時取平均值作為試驗結果，如表3。試驗結果表明，加載部位是中部節點時，切割力最大，為1.627 7 kN；加載部位是尾部節點時，切割力最小，為1.144 9 kN。切割力和應力在根部節點和中部節點相差不大，然后在梢部節點、尾部節點處逐漸減小。

2.1.2 加載速度對切割力的影響 依次以20、50、100、250 mm/min的加載速度對3號甘蔗尾部節點勻速加載，試驗數據及處理結果如表4所示，結果表明，切割力、應力隨加載速度變化規律不明顯。

2.1.3 不同試樣同一部位節點切割對比試驗 試驗以100、250 mm/min的加載速度對3號、4號、5號甘蔗中部節點和梢部節點勻速加載，試驗數據及處理結果如表5所示。結果表明，同一加載部位下，切割力之間和應力之間相差不大。結果存在差異可能與加載部位的直徑不同有關，直徑越粗，甘蔗節點部位的木質纖維部分越疏松，包含在營養組織細胞中的液泡較大，能夠承受的切割力也越小。

2.2 正交試驗結果

以50、100、250 mm/min的加載速度對3號、4號、5號甘蔗的根部節點勻速加載，多個節點重復試驗時，結果取平均值，試驗以加載速度（A）（mm/min）、加載部位直徑（B）為影響因子，建立正交試驗如表6所示。

從極差的角度分析，各因素水平對結果的影響是A3>A1>A2，B2>B3>B1，通過對結果的分析得出，最優方案是A2B1，即加載速度100 mm/min，甘蔗節點直徑粗的條件下切割力最小。

3 結論

對青皮甘蔗試樣節點進行切割試驗時發現，同一加載速度下，切割力沿著中部、根部、梢部、尾部節點逐漸減??；對同一部位節點進行切割時，切割力隨著加載速度的增大稍有波動；通過設置正交試驗，探究甘蔗節點切割力的影響因子主次關系表明，加載部位直徑的影響大于加載速度。

參考文獻：

[1] 彭明戈，陳星富，陳潤忠.甘蔗收獲機收割現狀及發展對策初探[J].農業研究與應用，2013（4）：63-65.

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[5] 劉慶庭，區穎剛，卿上樂，等.甘蔗莖稈切割力試驗[J].農業工程學報，2007，23（7）：90-94.

[6] 尹 秋，王 濤，張喜瑞，等.香蕉果梗切割力學特性試驗[J].中國農機化學報，2013，34（4）：75-77.

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[8] 吳明亮，官春云，湯楚宙，等.油菜莖稈切割力影響因素試驗[J].農業工程學報，2009，25（6）：141-144.

[9] 曹 玉，劉偉峰，張欣達.玉米莖稈切割力影響因素試驗研究[J].農機化研究，2012（11）：129-132，137.

[10] 李耀明，秦同娣，陳 進，等.玉米莖稈往復切割力學特性試驗與分析[J].農業工程學報，201l，27（1）：160-164.

以250 mm/min的加載速度勻速加載，對3號、4號、5號甘蔗的梢部節點進行切割試驗，記錄切割力。

1.2.2 正交試驗 以50、100、250 mm/min的加載速度勻速加載，對3號、4號、5號甘蔗不同部位的節點進行切割試驗（表1），記錄切割力。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果

2.1.1 加載部位對切割力的影響 表2記錄了2號甘蔗根部、中部、梢部、尾部節點直徑以及250 mm/min加載速度下的切割力大小。通過數據處理計算出相應的應力值，應力計算公式如下：

σ=1 000F/A

式中，σ是節點切割應力，MPa；F是節點的切割力，kN；A是節點的橫截面積，mm2。

出現重復試驗時取平均值作為試驗結果，如表3。試驗結果表明，加載部位是中部節點時，切割力最大，為1.627 7 kN；加載部位是尾部節點時，切割力最小，為1.144 9 kN。切割力和應力在根部節點和中部節點相差不大，然后在梢部節點、尾部節點處逐漸減小。

2.1.2 加載速度對切割力的影響 依次以20、50、100、250 mm/min的加載速度對3號甘蔗尾部節點勻速加載，試驗數據及處理結果如表4所示，結果表明，切割力、應力隨加載速度變化規律不明顯。

2.1.3 不同試樣同一部位節點切割對比試驗 試驗以100、250 mm/min的加載速度對3號、4號、5號甘蔗中部節點和梢部節點勻速加載，試驗數據及處理結果如表5所示。結果表明，同一加載部位下，切割力之間和應力之間相差不大。結果存在差異可能與加載部位的直徑不同有關，直徑越粗，甘蔗節點部位的木質纖維部分越疏松，包含在營養組織細胞中的液泡較大，能夠承受的切割力也越小。

2.2 正交試驗結果

以50、100、250 mm/min的加載速度對3號、4號、5號甘蔗的根部節點勻速加載，多個節點重復試驗時，結果取平均值，試驗以加載速度（A）（mm/min）、加載部位直徑（B）為影響因子，建立正交試驗如表6所示。

從極差的角度分析，各因素水平對結果的影響是A3>A1>A2，B2>B3>B1，通過對結果的分析得出，最優方案是A2B1，即加載速度100 mm/min，甘蔗節點直徑粗的條件下切割力最小。

3 結論

對青皮甘蔗試樣節點進行切割試驗時發現，同一加載速度下，切割力沿著中部、根部、梢部、尾部節點逐漸減??；對同一部位節點進行切割時，切割力隨著加載速度的增大稍有波動；通過設置正交試驗，探究甘蔗節點切割力的影響因子主次關系表明，加載部位直徑的影響大于加載速度。

參考文獻：

[1] 彭明戈，陳星富，陳潤忠.甘蔗收獲機收割現狀及發展對策初探[J].農業研究與應用，2013（4）：63-65.

[2] 莫建霖，劉慶庭.我國甘蔗收獲機械化技術探討[J].農機化研究，2013（3）：12-18.

[3] 楊丹彤，區穎剛，黃世醒，等.甘蔗人工砍切過程的仿真方法探討[J].農機化研究，2004（6）：48-50.

[4] ODOURI M F，SAKAI J，GUPTA C P.Kinematics of revolving-knife disk-type sugarcane basecutter-1[J].AMA，1992，23（4）：9-15.

[5] 劉慶庭，區穎剛，卿上樂，等.甘蔗莖稈切割力試驗[J].農業工程學報，2007，23（7）：90-94.

[6] 尹 秋，王 濤，張喜瑞，等.香蕉果梗切割力學特性試驗[J].中國農機化學報，2013，34（4）：75-77.

[7] 李玉道，杜現軍，宋占華，等.棉花秸稈剪切力學性能試驗[J].農業工程學報，2011，27（2）：124-128.

[8] 吳明亮，官春云，湯楚宙，等.油菜莖稈切割力影響因素試驗[J].農業工程學報，2009，25（6）：141-144.

[9] 曹 玉，劉偉峰，張欣達.玉米莖稈切割力影響因素試驗研究[J].農機化研究，2012（11）：129-132，137.

[10] 李耀明，秦同娣，陳 進，等.玉米莖稈往復切割力學特性試驗與分析[J].農業工程學報，201l，27（1）：160-164.