含水率及切割滑切角對秸稈切割功耗影響規律

閆二偉,王振偉,韓柏和,許斌星,陳永生 ,齊自成

(1.農業部南京農業機械化研究所,南京 210014;2.山東省農業機械科學研究院,濟南 250100 )

0 引言

我國麥秸稈年產量1.27億t,如何有效地收集、轉化利用秸稈資源是當前亟待解決的問題[1-3]。秸稈轉化利用的第1步是收集離田,在打捆或者撿拾拖車離田作業過程中有效地進行秸稈切割對作業效率影響顯著。在切割秸稈過程中,切割滑切角是影響切割效率及穩定性的重要因素,與切割物料的物理特性緊密相關[4]。因此,針對不同秸稈物料設計合理的切割刀具對秸稈物料的快速離田具有重要的意義。

國外學者對秸稈的切割及相應的刀具等做了大量的研究。R.Visvanathan[5]以木薯塊莖為對象研究了刀具刃口角度及切割速度對切割比功耗的影響。M. J. O’Dohgerty[6-8]以牧草為對象系統地分析研究了切刀的各項結構參數,包括了刀具間隙、切割滑切角、刀具刃厚及刀具的運動參數(如速度)等對切割比功的影響,得出對比功耗影響較為顯著的因素有切割速度、刀具刃厚,以及在一定的臨界切割速度內滑切角對比功耗影響也十分顯著。

20世紀80年代,國內高校及研究所等科研單位也開始對農作物秸稈切割性能及與切割刀具相互作用機理進行研究。國內學者尋懷義、龐聲海等[9- 10]從切割理論上對農作物莖稈與切割刀具之間的作用進行了研究,得出切割農作物莖稈時切割阻力與刀具與切割物料相對角度之間的關系,表明了切割物料時應該使物料與刀具之間產生不出現滑移作用的滑切切割。龐聲海[11]在之后又針對滑切理論及滑切角選擇做了進一步研究,得出在考慮切割比阻、切割比功耗時,不同農作物物料切割存在相應的最佳滑切角,以達到切割最低的比阻或比功。侯佳林[12]通過設計小麥秸稈往復式切割試驗平臺進行作物切割性能參數的獲取,得出切割速度、模擬機具行進速度、刀具間隙及切割傾角對秸稈切割影響相對較優的取值區間。權龍哲[13]以玉米根茬為研究對象,得出了最佳滑切角與物料摩擦因數之間的關系模型,設計了多級滑切刃刀具,并通過試驗驗證了多級滑切刃刀具的優良特性。郭茜[14]在對藤莖類秸稈物料的切割刀具設計上通過滑切理論的應用,設計出在切割過程中滑切角不變的切割刀具,并通過對番茄與茄子藤的試驗驗證了等滑切角刀具在降低切割功耗、提高切割效率方面效果顯著。李萍、李林、吳麗麗等[15-17]在設計秸稈切割刀具時均考慮刀具與物料之間的滑切作用,力求通過穩定滑切角的變化使得刀具在切割莖稈時切割阻力值變化幅度較小,從理論上降低切割能耗,提高切割穩定性。鄭智旗[18]在設計玉米秸稈還田粉碎機具中利用等滑切角式切割定刀,同時結合支撐動刀,最終效果是作業中新型機具相對于無支撐式舊式機具可降低作業功耗17.4%,降低了作業成本。

從國內外的研究現狀來看,雖然有部分學者研究,關于刀具結構參數與運動參數對切割麥秸稈的影響關系,但針對麥秸稈不同含水率水平下最佳切割滑切角的確切關系并不是十分明確。麥秸稈含水率水平隨著田間存放時間含水率呈現一定規律變化[19],通過試驗設計將含水率相近的秸稈物料歸為同一水平,研究含水率與最佳滑切角之間的關系,可為設計秸稈收獲機具提供理論參考,并對秸稈離田收獲時間提供一定的依據,以此能夠降低機具作業功耗,提高作業效率。

本文以滑切切割理論為基礎,借助UTM6503萬能試驗機及自制的實現不同滑切角度的試驗刀具進行麥秸稈的切割試驗。本試驗設定6個切割滑切角水平與4個含水率水平,采用全試驗設計進行全因素水平組合試驗安排。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗理論基礎-滑切切割理論

滑切原理示意圖如圖1所示。圖1中,刀具在切割物料時,刀具沿著V方向運動時,切割滑切角為α;當α=0°時,刀具切割物料形式為砍切,切割阻力較大;當0°<α<90°時,刃口垂直方向與刀具前進方向成一定角度,此時刀具切割物料形式為滑切,切割阻力相對較小。刀具在切割同一種材料、相同切割環境下(物料特性相同),切割滑移量S(切割滑切角α)越大,所需切割力越小,即切割越省力[20]。

圖1 滑切原理示意圖

圖1中,V為刀具絕對速度;S為刀具切向滑行距離;d為刀具法向切割距離;m-m’為刀具沿速度方向移動距離;B為刀具寬度;α為切割滑切角。

滑切切割的定義在不同的文獻中有所不同:在參考文獻《滑切理論探討》 (尋懷義, 1979)中,當切割滑切角大于物料與刀具之間的摩擦角時才產生滑切作用;而在參考文獻關于《滑切理論與滑切角的選用》 (龐聲海,1982)中,廣義化了滑切切割的概念,認為只要刀具切割方向與刀具作用于物料的正壓力方向不重合即可產生滑切,也就是說物料與刀具之間可以在不發生相對于刀具刃口方向滑移的情況下產生滑切切割作用。根據實踐情況,本文中所涉及滑切切割概念均與龐聲海所述滑切切割的定義一致。

1.2 試驗材料

試驗材料采用江蘇省建湖縣鐘莊某300m×80m地塊小麥全喂入收獲后秸稈。采樣方法如下:秸稈采樣連續5天(2018年6月13日～6月17日),每天上午6:00在田間通過五點采樣法進行,采樣的秸稈包含麥穗以下兩節,形態通直,無明顯缺陷損傷。

根據不同采樣時間進行秸稈含水率的抽樣測取。含水率測定方法如下:將試驗所用秸稈抽取部分進行剪碎,然后利用恒溫烘干箱進行干燥處理,根據含水率進行秸稈樣品的大致分組為A、B、C、D,測得含水率如表1所示。

秸稈含水率計算公式為

(1)

其中,M為秸稈含水率(%);M0為秸稈烘干前質量(g);M1為恒溫烘干12h后質量(g)。

表1 麥秸稈含水率

表中含水率取平均值,括號內是平均值的標準差。

1.3 試驗設備

試驗中使用的設備主要有深圳三思縱橫科技有限公司生產的UTM6503電子萬能試驗機(精度等級0.5,含夾具若干)1臺、卷尺、游標卡尺(精度0.1mm)、202-2型恒溫干燥箱、電子臺秤(精度0.01mm)和剪刀等。

試驗刀具包括刃口角度為0°、15°、25°、35°、45°、55°共6種刀具,刀具材料為65錳鋼,厚度4mm,刃口斜角為30度,刃厚1mm。刀具實物如圖2所示。

圖2 不同刃口角度的刀具

圖2中,刀具由左至右刃口角度(圖3中標明)依次為0°、15°、25°、35°、45°、55°。

1.4 試驗方法與內容

針對麥秸稈,采用全因素水平組合試驗設計方法進行試驗。在試驗前選取形狀較為一致的秸稈,再根據含水率的不同隨機挑選100～150根秸稈;按照試驗順序從A組中選出6組秸稈記為S1～S6,每個小組中秸稈數量為12根,每次切割試驗消耗秸稈為4根,即相同刃口角度刀具將進行3次重復試驗。

測定待試驗秸稈外徑D與壁厚h,使用游標卡尺進行秸稈相關數據的測量,并計算相應的截面積Cs,如表2所示。

表2 麥秸稈結構尺寸參數

相應秸稈結構參數為測量數據均值,括號里為平均值的標準差;A組、B組、C組、D組代表不同含水率組別,S1～S6代表切割滑切角由0°～55°。

采用秸稈切割試驗中所利用的方法[21-24],研究秸稈物料含水率與切割滑切角之間的關系。將6組具有固定刃口角度的刀具(見圖2),分別裝卡于萬能試驗機的夾具上,如圖3(a)所示。夾具保證試驗秸稈不發生垂直于刀具行進方向的移動,刀具可隨萬能試驗機的夾具上下往復運動。在刀具下方放置秸稈夾具,當刀具刃口接觸到試驗秸稈時,計算機記錄力與位移數據,并實時顯示切割力曲線,如圖4所示。由圖4可以看出:當切割力達到峰值后,秸稈完成壓縮與切割,之后的切割力波動是由于秸稈斷面與刀具之間摩擦力所致。

圖3 切割試驗示意圖

試驗過程中,利用控制萬能試驗機使得試驗刀具由預設起始位置運動至終止位置,刀具下行速度為100mm/min,期間記錄切割過程力與位移數據,即可得出切割過程的峰值切割力;然后,通過對切割力在位移的積分可得出切割過程的切割功耗,即

(2)

其中,W為秸稈物料的切割功耗(J);F為切割過程中的切割力(N);s為刀具的位移(m);s0、s1為行程初始與行程末端位移。

圖4 切割力變化曲線

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

通過24×3次(設置3次重復)有效的切割試驗,獲得了關于秸稈不同切割滑切角及不同含水率的切割力與切割功耗數據。利用奇異點剔除、平均值計算等統計方法,形成如表3所示數據。

根據表3中試驗數據獲得秸稈物料含水率、切割滑切角共同作用的切割力峰值及切割比功耗關系曲線,如圖5、圖6所示。

2.2 試驗結果分析

由圖5可知:在一定的切割滑切角范圍內,麥秸稈切割峰值力隨著切割滑切角的增大而逐漸減小;當切割滑切角小于45°時,秸稈切斷效果較好;當切割滑切角大于45°時,雖然切割峰值力較小,但秸稈切斷效果差,在秸稈含水率較大的情況下,甚至出現秸稈切不斷現象。由圖6可知:隨著切割滑切角的增加,秸稈切割比功耗先出現下降趨勢,在滑切角25°～30°區間達到最小切割比功耗,然后隨著切割滑切角的增大,切割比功耗呈現迅速上升的趨勢,說明刀具切割麥秸稈物料確存在最省功切割滑切角;根據含水率不同,最佳切割滑切角在25°～30°之間,隨著秸稈物料含水率的增加,切割比功耗整體上呈現上升趨勢,同時最佳切割滑切角也在逐漸增大。

表中每一個編號行中相應參數代表該自變量條件下的三次重復試驗數據的均值,峰值力取1位小數,比功耗進行四舍五入圓整數據。

圖6 切割比功耗等高線圖

利用MatLab的曲線擬合工具箱CFTool(Curve Fitting Toolbox)對切割滑切角與比功耗進行多項式擬合分析,去除滑切角為0的點,得出擬合曲線,R2值均大于0.9,具體如圖7所示。圖7中,各個區組中的切割比功耗最小值點坐標分別是(27.3,445.2)、(29.1,465.5)、(32.3,484.7)、(35.4,506.2),比功耗最小值點橫坐標對應各個區組的最佳滑切角。

利用擬合工具箱對秸稈物料含水率與最佳切割滑切角進行二次擬合,R2大于0.99,擬合效果很好。

擬合曲線方程為

αoptimal=0.006M2-0.03M+26.91

(3)

其中,αoptimal為秸稈物料最佳切割滑切角(°);M為秸稈物料含水率(%)。

方程(3)曲線如圖8所示。由圖8可以看出:在一定秸稈物料含水率范圍內,秸稈的最佳切割滑切角隨著秸稈物料含水率的上升而上升。因此,可以根據秸稈含水率的不同,選擇相對合適刃口角度的刀具進行作業,節約作業成本。

圖7 切割滑切角與比功耗關系擬合曲線

圖8 最佳切割滑切角與含水率關系擬合曲線

3 結論

1)通過設計不同刃口角度的秸稈切割刀具進行麥秸稈切割試驗,得到了切割麥秸稈時秸稈物料含水率與切割最佳滑切角之間的規律,并建立相應的關系模型。

2)由于秸稈物料含水率難以進行有效的控制,試驗中所采用的秸稈物料含水率水平數相對較少,可能對試驗結果及模型的精確性有一定的影響,因此應通過進一步的實踐研究,對最佳切割滑切角與秸稈物料含水率模型進行修正改善。