青飼料收獲機切碎輥刀具的優化設計及試驗

魏天路,杜爽,葛宜元,姜永成,王俊發,劉東旭

(1.蚌埠學院機械與車輛工程學院, 安徽 蚌埠 233030； 2.佳木斯大學機械工程學院, 黑龍江 佳木斯 154007)

玉米是我國主要的糧、經、飼兼用作物之一[1]。玉米秸稈經過青貯或黃貯等處理后營養更為豐富，可與牧草相媲美[2-5]。目前，歐美發達國家青貯玉米的種植面積約占玉米總種植面積的25%，而國內青貯玉米的種植面積及種植規模都相對較小，隨著我國農業產業結構的調整及人們對青貯飼料認可度的提高，青貯玉米的發展空間得到了較大提升[6]。根據秸稈切割器類型的不同，青飼料收獲機上廣泛采用的切碎裝置有兩類：滾刀式和輪刀式[7-8]。輪刀式切碎器傳動復雜、結構不緊湊、圓盤剛度較差，切割過程中滑切角變化幅度較大，進而導致切割阻力矩急劇變化；刀軸負荷不均勻、回轉穩定性差、切割質量差[9]。滾筒式切碎器有螺旋滾筒式和平板刀滾筒式，螺旋滾筒式切碎器的動刀屬于等滑切角切刀，具有工作負荷均勻、機器振動小等顯著特點，滾筒在較低轉速時，仍可獲得較短的切碎段，缺點是切割質量差；平板刀滾筒式切碎器具有良好的切碎和拋送性能，刀片的制造、磨刃和間隙調整方便，但由于輥筒運動參數及刀具安裝參數的影響，會使切割阻力矩增大，導致機具堵塞，甚至出現危險[10-15]。本文以平板刀滾筒式切碎器為研究對象，利用Ansys-Workbench軟件對其進行有限元仿真分析，并通過旋轉正交組合試驗設計方法進行切割阻力試驗，得到切割阻力較小的刀具參數和刀輥運動參數較優值，以提高切割過程中刀具可靠性與整機的工作效率。

1 原理與方法

1.1 青飼料收獲機切碎輥工作原理

青飼料收獲機切碎裝置如圖1所示，主要包括夾持喂入、切碎、調質三個部分。夾持喂入部位安裝四個夾持喂入輥，喂入輥上布有鋸齒和鋼筋，增大喂入摩擦，實現高效率喂入；切碎輥上布置有雙排切刀，確保切割質量；調質機構可以根據飼料直徑大小要求而更換不同的調質輥。青飼料秸稈覆蓋地工作環境相對較差，覆蓋量大，易發生堵塞，因此，在切碎輥主軸上設置了扭矩傳感器，當切碎室內發生堵塞時，會引起切碎輥扭矩的變化，通過扭矩傳感器將實時扭矩值傳到上位機，以便實施相應的策略和語音提示。

1.2 刀具切割原理

切割刀具與切碎輥之間采用螺栓連接。切割過程中，刀具和秸稈的表面都要產生彈性與塑性形變。刀具受力分析如圖2所示。

注：β—刀尖切割時與秸稈的夾角，(°)；F—刀刃面壓力的反作用力，N；Fzg—秸稈對刀具的反作用力，N；Fd—刀具對秸稈的反作用力，N；α—切割前角，動刀與定刀之間的夾角，(°)；T1—秸稈對刀尖的反作用力。Note: β—Angle between the tool nose and the straw, (°); F—Counterforce of the blade pressure, N; Fzg—Counterforce of the straw on the cutting tool, N；Fd—Counterforce of the cutting tool on the straw, N；α—Angle of front cutting tool, the angle between the moving cutting tool and the fixed cutting tool, (°)；T1—Counterforce of the straw on the tool nose, N.圖2 秸稈切割受力分析Fig.2 Stress analysis of straw cutting

由圖2可計算刀刃面壓力的反作用力。

F=Fzgsinα+Fdcosα

(1)

切割過程中刀具刀刃面的摩擦力T2如下。

T2=μF=μ(Fzgsinα+Fdcosα)

(2)

式中，μ為刀具與秸稈間的摩擦系數。

由以上分析可以看出，為完成切割，刀具刀刃垂直方向上的作用力P必需滿足以下條件。

(3)

式中，Fc為被切秸稈對刀具的反作用力;Δ為刀具刀刃厚度，mm；l為刀具刀刃長度，mm；σc為秸稈的壓應力，MPa。

為了分析Fzg與Fd的關系，需要先分析作用在刀刃面上的單元力dFzg與dFd，特引入相對密度ε的概念。

(4)

式中，σ為秸稈的擠壓應力；E為秸稈的彈性模量；h為秸稈厚度；hzgx為實際切割前秸稈壓縮深度。秸稈在被壓縮的過程中，其應力和應變符合彈性變量的規律。

(5)

用ε1表示被切割秸稈的相對位移，則由刀刃面側向壓力引起的單元反作用力如下。

dFd=ε1Edhzg

(6)

由工程力學公式可知ε1=εμ′，μ′為泊松比。帶入式(6)并積分可得式(7)。

(7)

刀刃壓力的合力計算如下。

(8)

式中，hzg為秸稈切割深度，mm。

上式中僅第一項是完成切割的有用力，σc只能用于實驗方法確定，其不僅與秸稈的材料與濕度有關，也與刀刃的傾斜角有關。

1.3 刀具有限元優化方法

刀具在切割過程中的變形量直接影響其壽命損耗。本文利用Ansys-Workbench有限元分析軟件，在秸稈直徑和含水率一致的情況下對刀具施加相同方向和大小的切削力，得到刀具在不同材料、不同厚度、不同安裝傾斜角時的應力與形變量情況，得出形變量最小的參數組合。

1.4 切碎輥扭矩試驗方法

1.4.1試驗材料 試驗臺由本課題組自行設計，并由佳木斯市海潤機械制造有限公司生產。為驗證刀具優化結果，于2019年10月在佳木斯大學機械工程中心對切碎輥進行扭矩測試試驗。試驗采用旋轉正交組合試驗設計方法，以秸稈層厚度、刀尖傾斜角度和秸稈含水率為試驗因素。采用斜切的方式，在切割速度保持一致的試驗條件下，考察各因素及其交互作用對切碎輥扭矩的影響。試驗秸稈選擇在佳木斯地區廣泛種植的天農九號玉米秸稈為樣本。

1.4.2試驗水平選取及測量 秸稈直徑通過數字式游標卡尺測量，取平均值。秸稈層厚度水平范圍根據兩個夾持喂入輥之間的距離變化選取，并由直尺測量；秸稈含水率選取以收獲期的青飼料水分為依據，并通過密封噴水處理調節試驗所需含水率。刀尖傾斜角度水平范圍依據仿真結果選取，并由刀座的角度確定。試驗水平如表1所示。

表1 因素水平編碼Table 1 Factors and levels

1.4.3指標測量方法 扭矩通過連接在負載和切碎輥筒之間的扭矩傳感器測得。傳感器指導連接如圖3所示。

圖3 傳感器指導連接Fig.3 Guide connection diagram of sensor

扭矩數值通過配套的轉矩測量儀進行實時顯示,采用5位數碼管，精度達到0.2級。通過RS232總線接口，完成與計算機的數據通訊。同時，扭矩測量儀還可以外接打印機，進行實時的數據打印。

1.4.4環境監測平臺設置 為了更好的觀察試驗臺各部件的工作環境，建立環境監測采集平臺，分別在入料口、切碎輥、出料口及整體試驗區設置攝像機。入料口視頻監控裝置用于實時監控入料口的秸稈狀態，物料切碎部分視頻監控裝置用于實時監控物料在進入切碎滾筒時的狀態，出料口視頻監控裝置用于實時監控物料在進入調質裝置前的狀態，直觀觀察物料的切碎質量等，整體環境視頻監控裝置采用槍式攝像機，用于觀察喂入切碎裝置自動工作時的整體工作環境和安全保障。控制系統由PLC可編程控制器和變頻器組成，通過讀取各個傳感器的測量參數，對各裝置進行實時調整和控制；操作平臺由顯示器、網絡硬盤錄像機、變壓器、交換機等組成，用于顯示各個傳感器的測量參數和各工步監控系統的實時畫面。

1.4.5試驗數據分析方法 試驗數據采用Design-Expert軟件進行分析，該軟件通過選取適當的設計方法可以有效地減少所需的試驗次數，但不改變試驗結果。針對本文的正交試驗設計，Design-Expert軟件可選擇三元二次正交旋轉組合設計方法，利用軟件中的Central Composite Design設計模塊以及分析模塊進行方差分析表并建立回歸方程。該軟件通過Model Graphs查看顯著因素與指標的關系圖，即響應曲面圖。針對回歸方程模型，可通過軟件的優化模塊進行模型優化，得到最優參數組合。

2 結果與分析

2.1 刀具有限元仿真分析

2.1.1不同材料對刀具變形量的影響 為使刀具維持切割性能，變形量是非常重要的衡量指標。因此，選取受力時變形量小的刀具材料尤為重要。選取刀具常用的不銹鋼(9Cr18)、65Mn、45號鋼三種不同材料，對其進行有限元應力仿真。由圖4可知，三種材料的刀具在工作過程中的變形趨勢大致相同，應力集中的部位集中在刀刃正切面的中間和兩端的位置。當刀具材料為65Mn時，刀具的最大變形量最小，為0.451 63 mm，較其他兩種刀具材料壽命損耗小，為較優材料。

圖4 不同材料的刀具應力云圖Fig.4 Stress nephogram of different materials

2.1.2不同厚度對刀具變形量的影響 刀具的厚度影響其工作過程中的變形量以及整體質量，從而影響轉動慣量和切割效率。因此需選取合適的刀具厚度。本文選取65Mn刀具為材料，對比8、9、10 mm三種厚度下刀具的變形量。分析可知,最大形變量出現在刀尖部位，且厚度為8 mm時應力與應變要小于9和10 mm的刀具。為了得到更精確的最優參數，將刀片的厚度細分為7.5、8和8.5 mm進行有限元分析，應變云圖及變形量如圖5所示。由圖5可知，當刀具厚度為8 mm時，刀具的最大變形量最小，為0.394 32 mm。此時刀輥質量適中，切割效率高。

圖5 不同厚度的刀具應力云圖Fig.5 Stress nephogram of different thickness

2.1.3不同刀刃傾角對刀具變形量的影響 刀刃傾角與切割效率和磨損量都有很大關系。本文通過有限元仿真確定最佳傾斜角。刀具采用25°、30°、35°三種不同傾角，通過分析得到不同刀刃角度下的應力云圖和變形云圖如圖6所示。可以看出，傾斜角度不同，最大變形量也不同，分別為0.001 891 3、0.001 270 1、0.001 993 8 mm，但最大變形處均位于刀尖部位。而當刀尖傾斜角度為30°時，其形變量最小，各部位受到的等效應力也最小，為本次分析的最優值。但傾斜角30°時與其他兩個角度相比變形量差別不大。三種角度在同等工作環境下均可滿足性能要求。

圖6 不同傾斜角的刀具應力云圖Fig.6 Stress nephogram of different Inclination angle of cutter

2.2 正交試驗結果與分析

2.2.1正交試驗結果 利用回歸正交試驗考察各因素之間的交互作用,設計方案如表2所示。按照通用旋轉組合設計的試驗點進行試驗，A=z1，B=z2，C=z3，試驗數據如表2所示。

表2 試驗方案及結果Table 2 Test plan and result

2.2.2方差分析 對試驗結果進行方差分析，結果如表3所示。由表3可知，模型項P≤0.01，說明y與z1、z2、z3之間的回歸方程的關系是極顯著的。同理，其他因素對指標影響均為極顯著。因素對指標影響的主次關系為：A2>C2>B2>A>BC>AC>C>B。經Design-Expert軟件處理后，得到各因素編碼與指標之間的響應面方程如下。

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance table

(9)

失擬項越小越好，對應的P值越大越好，如果P>0.1，說明說得方程與實際擬合中非正常誤差所占比例小，方程表示y與z1、z2、z3之間回歸關系是好的，否則可能是有的因素沒有考慮到，如z3項等。響應面方程計算的理論值與實際值的比較如表4所示。

表4 理論值與實際值的比較Table 4 Comparison between theoretical value and actual value

2.2.3單因素影響分析 由圖7可知，當秸稈層厚度處在低水平時，隨著秸稈層厚度的增加，扭矩值增大；當秸稈層厚度處在高水平時，扭矩有下降趨勢，此時易堵塞。當刀具傾斜角處在低水平時，扭矩值變化不大；當刀具傾斜角處在高水平時，隨著刀具傾斜角的增大，扭矩減小。當含水量處在低水平時，含水量增加，扭矩值增大；當含水量處在高水平時，扭矩值變化不大。分析可知，在不考慮交互作用的情況下，應選擇低水平的秸稈層厚度、高水平的刀具傾斜角以及低水平的含水量，此時扭矩值較小。

圖7 單因素影響Fig.7 Influence of single factor

2.2.4交互作用結果分析 由方差分析可知，AC、BC之間存在交互作用。AC交互作用對扭矩影響的回歸方程如下。

(10)

由圖8可知，當秸稈含水率處于低水平時，刀尖傾斜角度增大時，刀輥扭矩變化不大；當秸稈含水率處于高水平時，刀尖傾斜角度增大時，刀輥扭矩減小。而當刀尖傾斜角度處于高水平時，而當秸稈含水率增加時，切割阻力矩變化不大；當刀尖傾斜角度處于低水平時，而當秸稈含水率增加時，切割阻力矩隨之增加。經分析可知，為避免切割阻力矩過大，青秸稈應在水分較高水平、刀尖傾斜角度較大時進行收割。

圖8 A、C交互作用下的等高線圖和響應曲面圖Fig.8 Contouring and response surface under the interaction of A and C

B、C兩者之間的交互作用對扭矩影響的回歸方程如下。

(11)

由圖9可知，當厚度處于低水平時，秸稈含水率增加時，扭矩變化不大，趨于平穩；當厚度處于高水平時，秸稈含水率增加時，扭矩隨之增大。當秸稈含水率處于低水平時，厚度增加，扭矩增加較少；當秸稈含水率處于高水平時，厚度增加，扭矩變化不大，趨于平穩。經分析，應選取適宜的含水率以及較小的厚度進行切割試驗。

圖9 B、C交互作用下的等高線圖和響應曲面圖Fig.9 Contouring and response surface under the interaction of B and C

2.3 模型優化及驗證結果分析

2.3.1試驗模型的優化 為保證合適的扭矩和功率，應選取較大的刀具傾角，適宜的含水率以及較小的秸稈厚度進行收割工作。以三個因素為設計變量，因素的水平范圍為約束條件，扭矩回歸方程作為響應變量函數進行模型優化，如式(12)所示。

(12)

應用Design-Expert8.0.6軟件進行優化求解。在三個因素約束的范圍內求目標函數扭矩的最小值。指標最小值圓整后為647 N·m，最小值點為(z1、z2、z3)=(-1,1，-1)，換算為實際值如下。

(13)

即因素最優組合為秸稈層厚度7.5 mm、角度35°、含水率35 %。

2.3.2驗證結果分析 選取最優試驗條件進行驗證性試驗，指標平均值為(646.4±8.12 )N·m，與優化值相當，證明優化值真實可信。

3 討論

青飼料收獲機是實施秸稈飼料化的重要機具，而刀片是最關鍵的部件。刀具自身材料、結構參數及安裝參數直接影響切割效率和切割質量。刀具材料影響刀具與秸稈的接觸情況，從而影響切割效率，同時也影響刀具的使用壽命。刀具切割青飼料秸稈性能的好壞取決于刀具切割部位的材料。刀具應具有足夠的硬度、良好的耐磨性、足夠的強度和韌性、高耐熱性、熱導率大以及較好的工藝性能。刀具厚度影響其工作過程中的變形量以及整體質量，從而影響轉動慣量和切割效率。刀具刀刃的傾斜角不同將會直接影響到刀具的使用壽命以及切割質量等問題。減小刀刃傾斜角，增大切割速率的同時，伴隨著刀具刀刃的過度磨損，甚至整機的損壞；增大刀刃的傾斜角，將會降低切割速率，耗費能源。故刀刃傾斜角的選擇尤為重要。本文以滾刀式切碎器為研究對象，運用Ansys Workbench軟件，分別以刀具材料、刀片厚度、刀刃安裝傾斜角為仿真因素，得到刀具形變量的應力云圖，并得出形變最小的仿真因素取值范圍。此時切碎輥工作負荷均勻、整機震動小，達到增大刀具壽命，提高整機工作效率的目的。相似研究中，周春燕[16]利用ANSYS軟件對螺旋刀片進行了有限元分析，提出了提高刀片性能、延長使用壽命的改進措施。劉洋[17]通過對動刀的有限元分析得出，刀刃兩端應力集中和變形嚴重，由此確定了合理的動刀結構尺寸。

目前，針對秸稈切碎理論和整機性能方面對切碎能耗和切碎質量進行了大量研究。呂金慶等[18]針對玉米青貯收獲機切碎性能開展研究，探究了撥禾輪間高度、撥禾輪圓筒轉速、動刀轉速和收獲機前進速度對切碎質量的影響。薛釗等[19]利用自制青飼玉米收獲機切碎試驗臺開展作業參數優化試驗，考察切碎裝置轉速、喂入速度和喂入傾角對切碎比能耗、標準草長率的影響規律。本文為了適應不同品種以及不同長勢的青飼料秸稈切割需求，設計了青飼料喂入、切割、調質一體化試驗平臺，平臺配置扭矩實時監測及防堵報警系統，具有喂入效率高、消耗功率小、實時監測扭矩等特點，可搭載不同類型的切碎輥進行試驗。為獲得較優的切碎參數，以秸稈層厚度、刀具傾斜角度、秸稈含水率為試驗因素，進行旋轉正交組合試驗設計。考察了各因素對刀輥扭矩變化影響的主次順序，并分析了兩因素交互作用對指標的影響，得到指標較優的參數組合。

總之，青飼料收獲機刀具以及切碎器的設計是保證收獲機切碎質量和整機性能的重要環節。刀具材料、耐磨處理工藝、結構參數等都會影響刀具的性能。除此之外，機具的切碎器的防堵監測以及整機的智能控制系統是今后研究的重點。