切割參數對芝麻莖稈切割功耗的影響

賀智濤，丁慧玲，李 珍，張永振，李 健

(1.武漢材料保護研究所，湖北 武漢 430030；2.河南科技大學 農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003；3.高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室，河南 洛陽 471023)

0 引言

芝麻是中國主要油料作物之一，含油率高達45%～57%[1]。2014—2018年中國芝麻種植面積平均保持在26萬hm2以上，其中河南省芝麻的種植面積約占全國的1/3[2]。芝麻的收獲目前仍以人工為主，制約芝麻機械化收獲的關鍵因素在于過高的損失率和切割功耗[3-6]，例如，將谷物聯合收獲機用于收割芝麻，割臺損失為17%～22%[7]。切割是芝麻收獲的主要環節之一，芝麻莖稈中對其機械強度起主要作用的纖維素含量高達47.2%[8]，切割系統的設計質量直接影響切割力、切割功耗與機收時的割臺損失[9]。

各類切割試驗是研究農作物莖稈切割過程、切割原理的重要手段，也是合理設計切割系統參數的基礎數據來源。文獻[10]研究了旋轉沖擊式芝麻收獲機性能的影響因素，文獻[11]研制了雙行帶式芝麻撿拾收獲機，文獻[12]測定了芝麻莖稈的強度和變形參數，但均未涉及具體的切割試驗。國內對芝麻莖稈的切割試驗研究開展較少，文獻[13]研究了芝麻莖稈的剪切特性及不同節位蒴果與莖稈連接處的拉伸特性，但并未開展不同因素水平下的切割試驗。因此，本文擬采用萬能試驗機，對芝麻莖稈進行切割試驗，以探索芝麻莖稈切割過程中切割速度、刃口角度、切割部位和削切角對切割性能的影響。

1 材料與方法

1.1 試樣

試驗所用芝麻莖稈于收獲期從洛陽市澗西區尤東村取樣，品種為豫芝八號。選取外表完整、無明顯損傷的芝麻莖稈，去除芝麻葉，制成長度150 mm，平均直徑(12.0±2.0) mm的試樣。試驗所用芝麻稈采用烘干法測其含水率，含水率為41.66%。

1.2 試驗設備

所有切割試驗在長春機械科學研究院有限公司生產的DNS02電子萬能試驗機上完成。試驗設備及刀片安裝方式如圖1所示，選用試驗機自帶量程為2 000 N的拉壓力傳感器測量切割力，萬能試驗機的測試系統完成刀片位移的自動控制、數據采集和存儲。

圖1 試驗設備及刀片安裝方式

試驗所用刀片材料為65Mn，經淬火處理，硬度約為58HRC。刀片的刃線均為直線，刃口角度共4種，分別為15°、20°、25°和30°。刀片采用專用夾具緊固在試驗機的壓頭上，試樣橫放于支撐塊上，削切角通過旋轉卡鉗進行調整。

1.3 單因素試驗

為了考察刃口角度、切割速度、切割部位和削切角4個因素各自對切割功耗和峰值切割力的影響程度，分別設計了4組單因素試驗。采用4種刀片(刃口角度分別為15°、20°、25°和30°)開展切割試驗，研究刃口角度對切割功耗的影響。設置切割速度分別為10 mm/min、100 mm/min、200 mm/min、300 mm/min、400 mm/min和500 mm/min，研究切割速度對切割功耗的影響。分別取芝麻莖稈上、中、下部試樣，研究切割部位對切割功耗的影響。在萬能試驗機上通過旋轉卡鉗調整削切角分別為10°、15°、20°、25°和30°，研究削切角的大小對切割功耗的影響。為了減小隨機誤差，所有試驗重復5次。

1.4 響應面試驗設計

為了考察各因素的交互作用，在單因素試驗的基礎上，以刃口角度、切割速度、削切角和切割部位為試驗因素，以切割功耗為響應，采用中央組合設計(central composite design, CCD)法，設計了四因素五水平響應面試驗[14]，響應面因素與水平如表1所示，每組試驗重復3次。

表1 響應面因素與水平

1.5 數據處理

每次試驗結束后，試驗機自動記錄時間、刀片位移和切割力變化。編制程序自動去除刀刃接觸莖稈之前的無用數據，確定位移零點。對芝麻莖稈的直徑進行歸一化處理，避免試樣直徑不同導致的計算誤差，利用Origin軟件通過數值積分計算切割功耗。

每組試驗分別統計峰值切割力與切割功耗，并在α=0.05水平下對每組數據進行格拉布斯準則檢驗，剔除異常點。

2 結果與討論

2.1 切割速度的影響

不同切割速度對切割功耗和峰值切割力的影響如圖2a所示。由圖2a可知：切割速度為10 mm/min時的切割功耗最高，達到了1 258 mJ(SD=320.92 mJ)；其余4種切割速度下的平均切割功耗分布于791.26～951.97 mJ。單因素方差分析結果顯示：切割速度對切割功耗和峰值切割力的影響均達到了顯著水平(α=0.05)。Turkey檢驗結果表明：切割速度為10 mm/min時的切割功耗與其他切割速度的切割功耗相比差異均為顯著；而切割速度為100～500 mm/min時，芝麻莖稈的切割功耗沒有顯著差異(α=0.05)。

(a) 不同速度下的切割功耗和峰值切割力 (b) 切割速度分別為10 mm/min和500 mm/min時的切割過程

在支撐切割條件下，切割功耗包括新表面能En、克服摩擦力的功耗Ef，克服被切對象彈塑性變形的功耗Ee和Ep[15]。當切割速度極低時，在切割過程中，被切對象局部產生了充分的彈塑性變形，其變形程度遠比以高速切割時大，故Ee和Ep較大，導致總切割功耗增大。從圖2b可以看出：切割速度為10 mm/min時，切割力曲線有較多的局部下降過程，表明被切對象局部先產生較充分的彈性變形后被切斷，導致切割力小幅下降；切割速度為500 mm/min時，切割力曲線的局部下降次數極少，說明切割對象局部的彈塑性變形-斷裂過程少，消耗的Ee和Ep明顯減小，試樣被破壞的過程更趨于整體一次斷裂。

不同切割速度時芝麻莖稈的斷面如圖3所示。圖3a為500 mm/min切斷后的斷面，切口整齊，邊緣保留完整，無明顯撕裂。圖3b為10 mm/min切斷后的斷面，切口附近的表皮出現劈裂，不必要的變形和斷裂會造成切割功耗的增大。

(a) 切割速度為500 mm/min時的斷面 (b) 切割速度為10 mm/min時的斷面

2.2 刃口角度的影響

刃口角度對切割功耗和峰值切割力的影響如圖4所示。由圖4可知：整體上刃口角度越大，切割功耗和峰值切割力越大，刃口角度對切割功耗和峰值切割力的影響極顯著(P<0.01)。刃口角度為15°～25°時，兩項指標的變化較為平緩。單因素方差分析和Turkey檢驗結果表明：刃口角度為30°時的切割功耗與峰值切割力分別達到了3 008.79 mJ和421.21 N，與其余3種刃口角度的切割功耗相比達到極顯著差異程度(P<0.01)，而刃口角度為15°、20°和25°的切割功耗和峰值切割力分別為968.19～1 440.74 mJ和140.52～209.89 N，沒有顯著差異(α=0.05)。

圖4 刃口角度對切割功耗和峰值切割力的影響

切割在本質上是對莖稈物理結構的破壞過程[16]，在相同的切割條件下，刃口半徑越小，作用于莖稈的局部應力越大，而較小的刃口角度通常會有較小的刃口半徑，刃口破開芝麻莖稈的物理結構更為容易。刃口切入后，刃側擠壓莖稈，使莖稈在切割方向和莖稈軸向產生進一步的變形和破壞，而這一部分的變形往往不是切割所必須的。刃口角度越大，刀片通過刃側面受到莖稈彈塑性變形的反力也越大，從而導致切割功耗和切割力的上升。從刀具耐用性的角度考慮，刃口角度越小，強度越低，越容易變鈍甚至損壞。因此，根據試驗結果，在實際生產中選用20°～25°刃口角度的刀片較為有利。

2.3 切割部位的影響

由于植物莖稈的生長特性，莖稈不同部位的切割性能也不同，切割部位對切割功耗和峰值切割力的影響如圖5所示。由圖5可知：切割點越靠近根部，切割功耗和峰值切割力越大；切割部位越高，切割功耗和峰值切割力越小，芝麻莖稈下部的平均切割功耗為1 806.49 mJ，比中部約高出52%。Turkey檢驗表明：芝麻莖稈下部的切割功耗與中部和上部的切割功耗相比差異極顯著(P<0.01)。

圖5 切割部位對切割功耗和峰值切割力的影響

一般認為靠近根部的莖稈木質化程度較高，造成其機械強度較高，切應力和切割功耗較高[17]。盡管在機械化收獲時，不可避免地要切割芝麻莖稈的下部，但從農機農藝配套的角度分析，開發培育始蒴部位較高的芝麻品種更利于機械化收獲。另外，適當減小芝麻播種的行距也能夠提高始蒴部位[4]。

2.4 削切角的影響

削切角對切割功耗和峰值切割力的影響如圖6所示。由圖6可以看出：削切角從10°增大到20°時，切割功耗和峰值切割力分別從1 097.69 mJ、154.05 N下降到805.24 mJ、108.81 N。Turkey檢驗結果表明：10°與20°削切角下的切割功耗差異達到了顯著水平(P<0.05)；而從20°增大到30°時，切割功耗與峰值切割力略有上升，差異并不顯著。

圖6 削切角對切割功耗和峰值切割力的影響

植物莖稈多屬于各向異性材料，不同的切割方向受到的切割阻力不同[18]。常見植物莖稈纖維的長徑比均大于1，較大長徑比的纖維通常具有更好的韌性，例如水稻莖稈纖維長徑比為4.47，其韌性較纖維長徑比為2.87的油菜莖稈要好[19]。植物莖稈的纖維組織一般沿莖稈的軸向排列分布，而莖稈結構中的多種組織在其軸向與徑向的結合強度不同，沿軸向切開莖稈要比沿徑向切開更為容易，也就是削切比正切所受到的切割阻力更小，從而降低切割功耗。削切在有效降低切割力的同時，也增大了斷面的面積，這會導致新表面能和刀片摩擦功耗的增大[20]。因此，在切割力、新表面能和摩擦功耗之間必然存在一個平衡，使總切割功耗達到最小值，在本試驗中，當削切角為20°時，切割功耗與峰值切割力均達到了所有水平中的最小值。

2.5 響應面試驗結果與分析

按照表1開展響應面試驗，對試驗結果進行多因素方差分析和多元回歸，得到切割功耗(Y)與刃口角度(A)、切割速度(B)、切割部位(C)及削切角(D)之間的編碼回歸方程為：

Y=949.274 + 205.413 ×A- 136.976 ×B- 235.916 ×C- 155.839 ×D+ 28.824 ×AB+42.652×AC+ 37.405 ×AD- 50.661 ×BC- 0.521 ×BD- 115.062 ×CD，R2=0.671 2。回歸模型的方差分析見表2。

表2 回歸模型方差分析

由表2可知：回歸模型極顯著(P<0.01)，失擬項P值0.636 2>0.05，失擬性差異不顯著。A、C和D 3個因素對切割功耗的影響達到顯著水平，而B切割速度對切割功耗的影響不顯著(P>0.05)，但P值達到0.090 7。所有交互項對切割功耗的影響不顯著(P>0.05)。相關系數R2為0.671 2，變異系數為11.79%，表明該模型較為可靠。

圖7 切割部位與削切角對切割功耗的交互影響

當因素A刃口角度和B切割速度為零水平時，響應值切割功耗與試驗因素C切割部位、D削切角交互作用構成的響應面如圖7所示。由圖7可知：響應面沒有明顯的馬鞍形變化，響應值僅在切割部位從10.2至12.4、削切角從20°至30°同時變化區間內有不明顯的非線性降低，說明C、D兩因素存在一定交互作用，但不明顯，這與方差分析結果相符。觀察AB、AC、AD、BC和BD因素的響應面和等高線，未見明顯曲面變化，其交互作用更弱。

利用Design-Expert軟件的試驗優化功能，以最小化切割功耗為目標，對各因素進行優化分析，優化結果如表3所示。在生產實際中，刃口角度為15°時，其強度和耐磨性較差，切割點不能高于芝麻的始蒴部位，因此限制刃口角度為20°～30°、切割部位為5.8～7.5，則優化結果為：在刃口角度20°、切割速度500 mm/min、切割部位7.5且削切角為30°時，切割功耗達到最小值725.33 mJ。

表3 切割因素優化結果

3 結論

(1)刃口角度、切割速度、切割部位和削切角對切割功耗及峰值切割力兩項指標均有顯著影響，刃口角度20°～25°、削切角20°時，切割功耗與峰值切割力最小。切割速度越高斷面質量越好，切割速度為500 mm/min時芝麻莖稈斷面質量最佳。

(2)刃口角度、切割部位和削切角對切割功耗的影響達到顯著水平(P<0.05)，各因素之間的交互作用對切割功耗的影響均不顯著。考慮實際生產需求，以最小化切割功耗為目標對各因素進行優化，得到各因素的最優水平為：刃口角度20°、切割速度500 mm/min、削切角30°，切割點距根部20 cm。此時單根莖稈的切割功耗為725.33 mJ。