甘蔗收割機切刀負載壓力影響因素試驗研究

麻芳蘭,王旭艷,丁 翔,任曉智,郭衍超,趙 靜

(廣西大學 機械工程學院,南寧 530004)

0 引言

甘蔗是我國南方重要的經濟作物,由于其大部分種植在丘陵地帶,地勢起伏變化較大,國內甘蔗收獲機在機械化收割過程中不能實時控制切刀入土深度,從而造成收割后蔗蔸有長有短及收割損失大等問題[1]。為了降低甘蔗機械化收割過程中破頭率高、切割損失大等問題,國內學者王增等[2]在對甘蔗收割機入土切割甘蔗進行試驗研究及理論分析的基礎上,擬合出入土深度與負載壓力的關系曲線。徐莉萍等[3]在現有的甘蔗收獲機結構基礎上,設計了一種刀盤仿形系統,并在AMESim軟件中對于給定不同的路面高度信號進行仿真,得到此仿真系統跟隨信號的響應情況。楊堅[4]采用數理統計方法及優化仿真技術開展了田間因素和結構因素對甘蔗破頭率的影響機理試驗。

國內學者通過優化結構參數或者設計仿形系統,來解決切割器切割甘蔗出現過切或漏切所導致的切割損失大、高破頭率等問題;但入土切割過程中除了存在上述問題外,還存在著切割功率大等問題。因此,入土切割時切刀負載壓力變化的影響因素是急需解決的關鍵技術問題。設計試驗方案中,二次回歸正交旋轉設計法具有試驗次數少、預測值精度高及統計性較佳的優點,是用于預測目標值和尋優的較好方法[5]。

本文通過試驗研究方法探討甘蔗收割機入土切割時影響切刀馬達進口壓力(即負載壓力)的各因素,如刀盤傾角、入土深度及甘蔗密度等;通過二次回歸正交旋轉設計試驗方法,建立切刀負載壓力與入土切割深度關系的數學模型,找出各影響因素對切刀負載壓力的影響情況,從而為研發隨地形變化而自動調整入土切割深度的切割控制系統提供依據。

1 入土切割試驗設備與方法

1.1 試驗設備與操作參數

試驗利用課題組自主研制的液壓驅動甘蔗切割實驗平臺進行切割試驗。平臺基本組成結構包括固定的砍蔗刀盤、驅動刀盤轉動的液壓馬達及甘蔗輸送裝置,如圖1所示。

1.切割支架 2.液壓馬達 3.提升液壓缸 4.砍蔗刀盤 5.數字變頻器 6.電機 7.減速器 8.土槽 9.甘蔗夾持器 10.傳送鏈 11.行位繼電器 12.液壓站 13.發動機 14.控制柜圖1 切割系統試驗平臺示意圖Fig.1 Scheme of the cutting test platform system。

液壓馬達由液壓工作站驅動,刀盤轉速通過調節調速閥進行無極調速,甘蔗輸送裝置由5、7、8、9、10組成,通過變頻器調節電機的頻率來改變輸送速度,由變頻器的正反開關改變運動方向。該實驗平臺可以實現多種因素的調節試驗,通過調整切割支架的角度實現刀盤切割角度的調節,通過液壓系統可以控制刀盤轉速和刀盤入土切割深度[6]。切割系統參數如表1所示。

表1 切割系統參數Table 1 The parameters of hydraulic system。

試驗在線測試壓力數據采集設備包括:雷諾PT600-05-OC壓力傳感器(最高壓力為420bar),CT渦輪流量傳感器(最大測量流量為1 500L/min,流量精度為滿刻度的1%),LERO智能測試儀,Lenovo聯想筆記本(數據采集軟件lero_htda,數據處理軟件LERO-HTDAD),轉速傳感器(10,000r/min),TZS土壤水分測定儀(含水率單位:%),TYD-2土壤硬度計(精度±0.5%,測量深度0～400mm),電子秤,灑水壺,鐵鍬等。

1.2 試驗材料

甘蔗是一種非均質、各向異性的天然高分子材料,且不同品種甘蔗的物理力學特性存在差異[7]。廣西地區種植比較普遍的幾個品種系列分別是新臺糖、桂糖、粵糖、臺糖、云糖等。統計表明,新臺糖系列品種的種植范圍較廣泛。試驗選擇的品種為粵糖0023號、桂糖21號、新臺糖16號、臺糖172號及新臺糖10號,所用甘蔗均從廣西大學農學院甘蔗種植基地采取。

1.3 試驗設計與試驗指標

1.3.1 試驗指標

甘蔗收割機收獲甘蔗既要考慮入土切割功率,又要考慮切割質量。根據前課題組研究,將切割甘蔗破頭率作為輔助考察指標,因此試驗考察指標為切割器負載壓力[8]。

1.3.2 試驗設計

試驗研究因素主要有刀盤傾角、刀盤轉速、入土深度、甘蔗品種、甘蔗密度及進給速度。根據課題組前期研究和收集資料分析,不同的刀盤傾角對切割負載壓力影響是不同的,傾角范圍為0°～8°;隨著刀盤轉速的增加,切割器的負載壓力呈逐漸增大趨勢;刀盤轉速對切斷甘蔗所需最大切割力有影響;隨著入土深度的增加,土壤對切割器的壓力增大;隨著甘蔗株數的增加,切割器的切刀與甘蔗接觸面積變大;增大輸送速度,切割器所受負載壓力隨之升高,輸送速度范圍為0.1～0.6m/s。選擇以上因素在自主研制試驗平臺上進行物理試驗,并分析各因素對切刀負載壓力影響關系。

根據二次回歸正交旋轉組合設計的方法[5.9],自變量為p個時,需要完成n個試驗。本文研究6個因素,所以p=6,所需完成的試驗次數計算公式為

n=mc+mr+mo=mc+2p+mo

(1)

(2)

式中n—試驗次數(次);

p—自變量(個);

r—星號臂長度;

mc—二水平試驗數(次);

mr—星號試驗次數,次;

mo—零水平試驗次數(次)。

由式(1)、式(2)可得零水平的試驗次數為8次,則本次試驗安排的總次數為36。各因素水平編碼如表2所示。

表2 因素水平編碼Table 2 Coding of factors and level of experiment。

續表2。

2 二次回歸正交旋轉設計試驗結果處理

本次試驗采取二次回歸正交旋轉設計方法,試驗結果如表3所示。

表3 二次回歸正交旋轉設計試驗結果Table 3 The results of two regression orthogonal rotation design test。

2.1 試驗數據回歸方程

本次試驗研究因素較多,對試驗數據結果分析時只考慮兩兩交互作用,所得數據利用向后剔除法進行處理[10]。運行處理軟件,導入試驗測得數據,在工具欄中選分析中回歸指令;然后數據處理方法用向后剔除,經過計算機算得出的12個回歸模型,根據模型的假設檢驗水平值相比較,最終選擇第12個的回歸模型最優。

F=52. 565,回歸方程的sig=0.000水平上高度顯著,根據模型的假設檢驗水平值得出回歸方程為

y=76.483-7.651x1-0.23x2+1.785x3+56.589x6+

0.12x1x2-0.192x1x3-0.299x1x5-0.054x3x5-

0.599x3x6+0.599x4x5+0.294x12+

(3)

式中x1—刀盤傾角(°);

x2—刀盤轉速(r/min);

x3—入土深度(mm);

x4—甘蔗密度(株);

x5—甘蔗品種;

x6—進給速度(m/s)。

2.2 因素主效應分析

采用數學分析軟件MATHCAD對回歸方程中的每一個因素進行主效應分析,取其中一個因素為自變量,其它因素固定在零水平值,可得到單因素對切割刀盤負載的影響關系曲線[11],如圖2所示。

圖2 不同因素對切刀負載壓力的影響關系Fig.2 The influence of different factors on the cutting load pressure。

由圖2(a)、(b)可知:隨著入土深度、甘蔗密度的增加,刀盤阻力增大,切割壓力增加。由圖2(c)可知:隨著刀盤傾角增大,切割壓力呈先減小后增大趨勢,刀盤傾角為4°～6°時,切割壓力較小。由圖2(d)可知:入土切割時,刀盤轉速增加,切割壓力先呈緩慢增加趨勢,但轉速達到650 r/min后刀盤負載壓力呈急劇增加趨勢,因此刀盤轉速調至650 r/min較為理想。由圖2(e)可知:臺糖172彈性模量和抗壓應力很大,甘蔗比較硬,需要的負載壓力大;新臺糖10的彈性模量和抗壓力較小,甘蔗較軟,需要的負載壓力小。刀盤負載壓力變化在2.9 ～31.5MPa之間,可見甘蔗品種對負載壓力影響小。由圖2(f) 可知:進給速度在0.2～0.5 m/s范圍內時,入土切割刀盤負載壓力隨著速度的增加而增加;在0.5～0.6m/s范圍內時,切割壓力基本不變。

2.3 因素交互效應分析

在進行甘蔗切割試驗時,需要考慮兩兩因素的交互影響。通過采用數學分析軟件MATHCAD對回歸方程中的兩兩因素進行交互效應分析,取其中兩個因素為自變量,其它因素固定在零水平值,分析雙因素對刀盤負載壓力指標的影響關系曲線圖,如圖3所示。

圖3 兩種不同因素的交互作用對切刀負載壓力的影響關系Fig.3 The influence of the interaction of two different factors on the cutting load pressure。

由圖3(a )可以看出:刀盤傾角較小時,刀盤轉速對切割壓力影響較小;隨著刀盤傾角與刀盤轉速增大,切割壓力也會隨之增大;刀盤傾角4°～8°和刀盤轉速在550～600 r/min范圍內時切割壓力較小。所以,刀盤傾角和刀盤轉速兩者交互作用對切割壓力有顯著影響。

由圖3(b) 可以看出:非入土切割時,刀盤傾角對切割壓力影響較小;隨著入土深度增加,刀盤傾角對切割壓力影響也較大,入土深度在20mm以上壓力有快速上升趨勢,在4°～8°時切割壓力較小。所以,刀盤傾角和入土深度兩者交互作用對切割壓力有顯著影響;入土深度20mm和刀盤傾角在4°～8°范圍內時,切割壓力小。

由圖3(c )可以看出:刀盤傾角不變時,甘蔗品種對切割壓力影響很小;同品種甘蔗,當刀盤傾角增大,切割壓力呈先減小后增大的趨勢;甘蔗品種為新臺糖10號和刀盤傾角為4°～8°的組合可以得到較小的壓力;在刀盤傾角與甘蔗品種的交互作用影響中,刀盤傾角起主要影響作用。

由圖3(d) 可以看出:入土深度在10mm以下時,隨著進給速度加快,切割壓力增加;入土深度在10～30mm時,切割壓力呈先增加后減小的趨勢。所以,入土深度和進給速度交互作用對切割壓力影響有顯著影響。

由圖3(e )可以看出:甘蔗品種無論怎樣改變,切割壓力隨著入土深度增加而增加;在入土深度與甘蔗品種的交互作用影響中,入土深度起主要影響作用。

由圖3(f )可以看出:甘蔗品種的改變對切割壓力影響較小;隨著甘蔗密度增加,切割壓力也增大;在甘蔗密度與甘蔗品種的交互作用影響中,甘蔗密度起主要影響作用。

由上述結果可知:刀盤轉速、刀盤傾角、甘蔗密度、進給速度及入土深度對切割壓力影響是顯著的,甘蔗品種較其他因素影響較小。當切割入土深度為20mm、刀盤傾角為4°～8°、進給速度為0.2 m/s、刀盤轉速為650～700 r/min時,切割壓力小。

3 結論

1)通過入土切割試驗建立了各因素與切割負載壓力的關系模型,為甘蔗收割機刀盤入土切割深度自動控制系統研發提供數據支撐。

2)研究結果表明:刀盤轉速、刀盤傾角、甘蔗密度、進給速度及入土深度對切割壓力影響是顯著的,甘蔗品種較其他因素影響較小,從而為后續的仿真分析與試驗研究提供了依據。

3)研究表明:切割入土深度20mm、刀盤傾角在4°～8°、進給速度0.2m/s、刀盤轉速650～700 r/min條件下,切割壓力小。