甘蔗节点的切割试验

李丽萍等

摘要：以海南省临高县青皮甘蔗为对象，利用WD-200B型电子式万能试验机对青皮甘蔗节点进行了切割力学试验研究。试验结果表明，同一加载速度250 mm/min下，甘蔗节点的切割力呈现从中部、根部、梢部、尾部逐渐减小的趋势；同一部位下，甘蔗节点的切割力随着加载速度的增大稍有波动。以加载速度、加载部位直径作为试验影响因素，采用正交试验方法分析各因素对甘蔗节点切割力的影响。结果表明，各因素对甘蔗节点切割力的影响为加载部位直径>加载速度。在加载速度为100 mm/min，粗直径的甘蔗节点的切割力最小。

关键词：甘蔗节点；切割力；切割应力

中图分类号：S183 文献标识码：A 文章编号：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

甘蔗主要种植在广东、广西、海南等地，是我国南方地区主要经济作物之一。气候、土壤等条件对甘蔗生长有重要影响，甘蔗的生长状况存在差异，也对甘蔗收获机外形、质量、工作性能等提出了更高的要求，目前，我国甘蔗收获仍以人工收割为主[1]，耗费劳动力，效率低，发展甘蔗收获技术。采用机械化收获，是提高甘蔗生产率，降低生产成本的重要手段[2]。

切割刀在收获甘蔗过程中会对甘蔗节点有所损伤，甘蔗节点的切割强度会影响收割速率，切口的形状还影响到甘蔗宿根来年的发芽情况[3]。因此，研究甘蔗节点的力学性能对设计切割刀具有重要意义。目前，国内外学者对农作物剪切器及其力学性能进行了相关研究[4-10]，但目前尚未见到关于甘蔗节点剪切力学特性的相关研究。为了设计出质量轻、使用方便、工作效率高的甘蔗切割刀，以海南省临高县青皮甘蔗为试验材料，对甘蔗节点的切割力的力学性能进行试验研究，寻求甘蔗节点切割力的最优方案。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

青皮甘蔗采自海南省临高县，共采集了5根，要求试样通直，无虫害。甘蔗采回去后，去叶，去根毛。

WD-200B型电子式万能试验机（广州试验仪器厂）；0-200 mm电子数显卡尺（桂林量具刃具有限公司）。

1.2 试验方法

对甘蔗编号，分别为1、2、3、4、5号，每根甘蔗均分为四部分，分别记作根部、中部、梢部、尾部，测量节点的直径分为粗、中、细。

1.2.1 单因素试验

1）加载部位对切割力的影响。以250 mm/min的加载速度匀速加载，对2号甘蔗根部、中部、梢部、尾部节点进行切割试验，记录切割力。

2）加载速度对切割力的影响。依次以20、50、100、250 mm/min的加载速度匀速加载，对3号甘蔗尾部节点进行切割试验，记录切割力。

3）不同试样同一部位节点切割力对比试验。以100 mm/min的加载速度匀速加载，对3号、4号、5号甘蔗中部的节点进行切割试验，记录切割力。

以250 mm/min的加载速度匀速加载，对3号、4号、5号甘蔗的梢部节点进行切割试验，记录切割力。

1.2.2 正交试验 以50、100、250 mm/min的加载速度匀速加载，对3号、4号、5号甘蔗不同部位的节点进行切割试验（表1），记录切割力。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 加载部位对切割力的影响 表2记录了2号甘蔗根部、中部、梢部、尾部节点直径以及250 mm/min加载速度下的切割力大小。通过数据处理计算出相应的应力值，应力计算公式如下：

σ=1 000F/A

式中，σ是节点切割应力，MPa；F是节点的切割力，kN；A是节点的横截面积，mm2。

出现重复试验时取平均值作为试验结果，如表3。试验结果表明，加载部位是中部节点时，切割力最大，为1.627 7 kN；加载部位是尾部节点时，切割力最小，为1.144 9 kN。切割力和应力在根部节点和中部节点相差不大，然后在梢部节点、尾部节点处逐渐减小。

2.1.2 加载速度对切割力的影响 依次以20、50、100、250 mm/min的加载速度对3号甘蔗尾部节点匀速加载，试验数据及处理结果如表4所示，结果表明，切割力、应力随加载速度变化规律不明显。

2.1.3 不同试样同一部位节点切割对比试验 试验以100、250 mm/min的加载速度对3号、4号、5号甘蔗中部节点和梢部节点匀速加载，试验数据及处理结果如表5所示。结果表明，同一加载部位下，切割力之间和应力之间相差不大。结果存在差异可能与加载部位的直径不同有关，直径越粗，甘蔗节点部位的木质纤维部分越疏松，包含在营养组织细胞中的液泡较大，能够承受的切割力也越小。

2.2 正交试验结果

以50、100、250 mm/min的加载速度对3号、4号、5号甘蔗的根部节点匀速加载，多个节点重复试验时，结果取平均值，试验以加载速度（A）（mm/min）、加载部位直径（B）为影响因子，建立正交试验如表6所示。

从极差的角度分析，各因素水平对结果的影响是A3>A1>A2，B2>B3>B1，通过对结果的分析得出，最优方案是A2B1，即加载速度100 mm/min，甘蔗节点直径粗的条件下切割力最小。

3 结论

对青皮甘蔗试样节点进行切割试验时发现，同一加载速度下，切割力沿着中部、根部、梢部、尾部节点逐渐减小；对同一部位节点进行切割时，切割力随着加载速度的增大稍有波动；通过设置正交试验，探究甘蔗节点切割力的影响因子主次关系表明，加载部位直径的影响大于加载速度。

参考文献：

[1] 彭明戈，陈星富，陈润忠.甘蔗收获机收割现状及发展对策初探[J].农业研究与应用，2013（4）：63-65.

[2] 莫建霖，刘庆庭.我国甘蔗收获机械化技术探讨[J].农机化研究，2013（3）：12-18.

[3] 杨丹彤，区颖刚，黄世醒，等.甘蔗人工砍切过程的仿真方法探讨[J].农机化研究，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] 刘庆庭，区颖刚，卿上乐，等.甘蔗茎秆切割力试验[J].农业工程学报，2007，23（7）：90-94.

[6] 尹 秋，王 涛，张喜瑞，等.香蕉果梗切割力学特性试验[J].中国农机化学报，2013，34（4）：75-77.

[7] 李玉道，杜现军，宋占华，等.棉花秸秆剪切力学性能试验[J].农业工程学报，2011，27（2）：124-128.

[8] 吴明亮，官春云，汤楚宙，等.油菜茎秆切割力影响因素试验[J].农业工程学报，2009，25（6）：141-144.

[9] 曹 玉，刘伟峰，张欣达.玉米茎秆切割力影响因素试验研究[J].农机化研究，2012（11）：129-132，137.

[10] 李耀明，秦同娣，陈 进，等.玉米茎秆往复切割力学特性试验与分析[J].农业工程学报，201l，27（1）：160-164.

以250 mm/min的加载速度匀速加载，对3号、4号、5号甘蔗的梢部节点进行切割试验，记录切割力。

1.2.2 正交试验 以50、100、250 mm/min的加载速度匀速加载，对3号、4号、5号甘蔗不同部位的节点进行切割试验（表1），记录切割力。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 加载部位对切割力的影响 表2记录了2号甘蔗根部、中部、梢部、尾部节点直径以及250 mm/min加载速度下的切割力大小。通过数据处理计算出相应的应力值，应力计算公式如下：

σ=1 000F/A

式中，σ是节点切割应力，MPa；F是节点的切割力，kN；A是节点的横截面积，mm2。

出现重复试验时取平均值作为试验结果，如表3。试验结果表明，加载部位是中部节点时，切割力最大，为1.627 7 kN；加载部位是尾部节点时，切割力最小，为1.144 9 kN。切割力和应力在根部节点和中部节点相差不大，然后在梢部节点、尾部节点处逐渐减小。

2.1.2 加载速度对切割力的影响 依次以20、50、100、250 mm/min的加载速度对3号甘蔗尾部节点匀速加载，试验数据及处理结果如表4所示，结果表明，切割力、应力随加载速度变化规律不明显。

2.1.3 不同试样同一部位节点切割对比试验 试验以100、250 mm/min的加载速度对3号、4号、5号甘蔗中部节点和梢部节点匀速加载，试验数据及处理结果如表5所示。结果表明，同一加载部位下，切割力之间和应力之间相差不大。结果存在差异可能与加载部位的直径不同有关，直径越粗，甘蔗节点部位的木质纤维部分越疏松，包含在营养组织细胞中的液泡较大，能够承受的切割力也越小。

2.2 正交试验结果

以50、100、250 mm/min的加载速度对3号、4号、5号甘蔗的根部节点匀速加载，多个节点重复试验时，结果取平均值，试验以加载速度（A）（mm/min）、加载部位直径（B）为影响因子，建立正交试验如表6所示。

从极差的角度分析，各因素水平对结果的影响是A3>A1>A2，B2>B3>B1，通过对结果的分析得出，最优方案是A2B1，即加载速度100 mm/min，甘蔗节点直径粗的条件下切割力最小。

3 结论

对青皮甘蔗试样节点进行切割试验时发现，同一加载速度下，切割力沿着中部、根部、梢部、尾部节点逐渐减小；对同一部位节点进行切割时，切割力随着加载速度的增大稍有波动；通过设置正交试验，探究甘蔗节点切割力的影响因子主次关系表明，加载部位直径的影响大于加载速度。

参考文献：

[1] 彭明戈，陈星富，陈润忠.甘蔗收获机收割现状及发展对策初探[J].农业研究与应用，2013（4）：63-65.

[2] 莫建霖，刘庆庭.我国甘蔗收获机械化技术探讨[J].农机化研究，2013（3）：12-18.

[3] 杨丹彤，区颖刚，黄世醒，等.甘蔗人工砍切过程的仿真方法探讨[J].农机化研究，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] 刘庆庭，区颖刚，卿上乐，等.甘蔗茎秆切割力试验[J].农业工程学报，2007，23（7）：90-94.

[6] 尹 秋，王 涛，张喜瑞，等.香蕉果梗切割力学特性试验[J].中国农机化学报，2013，34（4）：75-77.

[7] 李玉道，杜现军，宋占华，等.棉花秸秆剪切力学性能试验[J].农业工程学报，2011，27（2）：124-128.

[8] 吴明亮，官春云，汤楚宙，等.油菜茎秆切割力影响因素试验[J].农业工程学报，2009，25（6）：141-144.

[9] 曹 玉，刘伟峰，张欣达.玉米茎秆切割力影响因素试验研究[J].农机化研究，2012（11）：129-132，137.

[10] 李耀明，秦同娣，陈 进，等.玉米茎秆往复切割力学特性试验与分析[J].农业工程学报，201l，27（1）：160-164.

以250 mm/min的加载速度匀速加载，对3号、4号、5号甘蔗的梢部节点进行切割试验，记录切割力。

1.2.2 正交试验 以50、100、250 mm/min的加载速度匀速加载，对3号、4号、5号甘蔗不同部位的节点进行切割试验（表1），记录切割力。

2 结果与分析

2.1 单因素试验结果

2.1.1 加载部位对切割力的影响 表2记录了2号甘蔗根部、中部、梢部、尾部节点直径以及250 mm/min加载速度下的切割力大小。通过数据处理计算出相应的应力值，应力计算公式如下：

σ=1 000F/A

式中，σ是节点切割应力，MPa；F是节点的切割力，kN；A是节点的横截面积，mm2。

出现重复试验时取平均值作为试验结果，如表3。试验结果表明，加载部位是中部节点时，切割力最大，为1.627 7 kN；加载部位是尾部节点时，切割力最小，为1.144 9 kN。切割力和应力在根部节点和中部节点相差不大，然后在梢部节点、尾部节点处逐渐减小。

2.1.2 加载速度对切割力的影响 依次以20、50、100、250 mm/min的加载速度对3号甘蔗尾部节点匀速加载，试验数据及处理结果如表4所示，结果表明，切割力、应力随加载速度变化规律不明显。

2.1.3 不同试样同一部位节点切割对比试验 试验以100、250 mm/min的加载速度对3号、4号、5号甘蔗中部节点和梢部节点匀速加载，试验数据及处理结果如表5所示。结果表明，同一加载部位下，切割力之间和应力之间相差不大。结果存在差异可能与加载部位的直径不同有关，直径越粗，甘蔗节点部位的木质纤维部分越疏松，包含在营养组织细胞中的液泡较大，能够承受的切割力也越小。

2.2 正交试验结果

以50、100、250 mm/min的加载速度对3号、4号、5号甘蔗的根部节点匀速加载，多个节点重复试验时，结果取平均值，试验以加载速度（A）（mm/min）、加载部位直径（B）为影响因子，建立正交试验如表6所示。

从极差的角度分析，各因素水平对结果的影响是A3>A1>A2，B2>B3>B1，通过对结果的分析得出，最优方案是A2B1，即加载速度100 mm/min，甘蔗节点直径粗的条件下切割力最小。

3 结论

对青皮甘蔗试样节点进行切割试验时发现，同一加载速度下，切割力沿着中部、根部、梢部、尾部节点逐渐减小；对同一部位节点进行切割时，切割力随着加载速度的增大稍有波动；通过设置正交试验，探究甘蔗节点切割力的影响因子主次关系表明，加载部位直径的影响大于加载速度。

参考文献：

[1] 彭明戈，陈星富，陈润忠.甘蔗收获机收割现状及发展对策初探[J].农业研究与应用，2013（4）：63-65.

[2] 莫建霖，刘庆庭.我国甘蔗收获机械化技术探讨[J].农机化研究，2013（3）：12-18.

[3] 杨丹彤，区颖刚，黄世醒，等.甘蔗人工砍切过程的仿真方法探讨[J].农机化研究，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] 刘庆庭，区颖刚，卿上乐，等.甘蔗茎秆切割力试验[J].农业工程学报，2007，23（7）：90-94.

[6] 尹 秋，王 涛，张喜瑞，等.香蕉果梗切割力学特性试验[J].中国农机化学报，2013，34（4）：75-77.

[7] 李玉道，杜现军，宋占华，等.棉花秸秆剪切力学性能试验[J].农业工程学报，2011，27（2）：124-128.

[8] 吴明亮，官春云，汤楚宙，等.油菜茎秆切割力影响因素试验[J].农业工程学报，2009，25（6）：141-144.

[9] 曹 玉，刘伟峰，张欣达.玉米茎秆切割力影响因素试验研究[J].农机化研究，2012（11）：129-132，137.

[10] 李耀明，秦同娣，陈 进，等.玉米茎秆往复切割力学特性试验与分析[J].农业工程学报，201l，27（1）：160-164.