甘蔗收割机切刀负载压力影响因素试验研究

麻芳兰,王旭艳,丁 翔,任晓智,郭衍超,赵 静

(广西大学 机械工程学院,南宁 530004)

0 引言

甘蔗是我国南方重要的经济作物,由于其大部分种植在丘陵地带,地势起伏变化较大,国内甘蔗收获机在机械化收割过程中不能实时控制切刀入土深度,从而造成收割后蔗蔸有长有短及收割损失大等问题[1]。为了降低甘蔗机械化收割过程中破头率高、切割损失大等问题,国内学者王增等[2]在对甘蔗收割机入土切割甘蔗进行试验研究及理论分析的基础上,拟合出入土深度与负载压力的关系曲线。徐莉萍等[3]在现有的甘蔗收获机结构基础上,设计了一种刀盘仿形系统,并在AMESim软件中对于给定不同的路面高度信号进行仿真,得到此仿真系统跟随信号的响应情况。杨坚[4]采用数理统计方法及优化仿真技术开展了田间因素和结构因素对甘蔗破头率的影响机理试验。

国内学者通过优化结构参数或者设计仿形系统,来解决切割器切割甘蔗出现过切或漏切所导致的切割损失大、高破头率等问题;但入土切割过程中除了存在上述问题外,还存在着切割功率大等问题。因此,入土切割时切刀负载压力变化的影响因素是急需解决的关键技术问题。设计试验方案中,二次回归正交旋转设计法具有试验次数少、预测值精度高及统计性较佳的优点,是用于预测目标值和寻优的较好方法[5]。

本文通过试验研究方法探讨甘蔗收割机入土切割时影响切刀马达进口压力(即负载压力)的各因素,如刀盘倾角、入土深度及甘蔗密度等;通过二次回归正交旋转设计试验方法,建立切刀负载压力与入土切割深度关系的数学模型,找出各影响因素对切刀负载压力的影响情况,从而为研发随地形变化而自动调整入土切割深度的切割控制系统提供依据。

1 入土切割试验设备与方法

1.1 试验设备与操作参数

试验利用课题组自主研制的液压驱动甘蔗切割实验平台进行切割试验。平台基本组成结构包括固定的砍蔗刀盘、驱动刀盘转动的液压马达及甘蔗输送装置,如图1所示。

1.切割支架 2.液压马达 3.提升液压缸 4.砍蔗刀盘 5.数字变频器 6.电机 7.减速器 8.土槽 9.甘蔗夹持器 10.传送链 11.行位继电器 12.液压站 13.发动机 14.控制柜图1 切割系统试验平台示意图Fig.1 Scheme of the cutting test platform system。

液压马达由液压工作站驱动,刀盘转速通过调节调速阀进行无极调速,甘蔗输送装置由5、7、8、9、10组成,通过变频器调节电机的频率来改变输送速度,由变频器的正反开关改变运动方向。该实验平台可以实现多种因素的调节试验,通过调整切割支架的角度实现刀盘切割角度的调节,通过液压系统可以控制刀盘转速和刀盘入土切割深度[6]。切割系统参数如表1所示。

表1 切割系统参数Table 1 The parameters of hydraulic system。

试验在线测试压力数据采集设备包括:雷诺PT600-05-OC压力传感器(最高压力为420bar),CT涡轮流量传感器(最大测量流量为1 500L/min,流量精度为满刻度的1%),LERO智能测试仪,Lenovo联想笔记本(数据采集软件lero_htda,数据处理软件LERO-HTDAD),转速传感器(10,000r/min),TZS土壤水分测定仪(含水率单位:%),TYD-2土壤硬度计(精度±0.5%,测量深度0～400mm),电子秤,洒水壶,铁锹等。

1.2 试验材料

甘蔗是一种非均质、各向异性的天然高分子材料,且不同品种甘蔗的物理力学特性存在差异[7]。广西地区种植比较普遍的几个品种系列分别是新台糖、桂糖、粤糖、台糖、云糖等。统计表明,新台糖系列品种的种植范围较广泛。试验选择的品种为粤糖0023号、桂糖21号、新台糖16号、台糖172号及新台糖10号,所用甘蔗均从广西大学农学院甘蔗种植基地采取。

1.3 试验设计与试验指标

1.3.1 试验指标

甘蔗收割机收获甘蔗既要考虑入土切割功率,又要考虑切割质量。根据前课题组研究,将切割甘蔗破头率作为辅助考察指标,因此试验考察指标为切割器负载压力[8]。

1.3.2 试验设计

试验研究因素主要有刀盘倾角、刀盘转速、入土深度、甘蔗品种、甘蔗密度及进给速度。根据课题组前期研究和收集资料分析,不同的刀盘倾角对切割负载压力影响是不同的,倾角范围为0°～8°;随着刀盘转速的增加,切割器的负载压力呈逐渐增大趋势;刀盘转速对切断甘蔗所需最大切割力有影响;随着入土深度的增加,土壤对切割器的压力增大;随着甘蔗株数的增加,切割器的切刀与甘蔗接触面积变大;增大输送速度,切割器所受负载压力随之升高,输送速度范围为0.1～0.6m/s。选择以上因素在自主研制试验平台上进行物理试验,并分析各因素对切刀负载压力影响关系。

根据二次回归正交旋转组合设计的方法[5.9],自变量为p个时,需要完成n个试验。本文研究6个因素,所以p=6,所需完成的试验次数计算公式为

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

(1)

(2)

式中n—试验次数(次);

p—自变量(个);

r—星号臂长度;

mc—二水平试验数(次);

mr—星号试验次数,次;

mo—零水平试验次数(次)。

由式(1)、式(2)可得零水平的试验次数为8次,则本次试验安排的总次数为36。各因素水平编码如表2所示。

表2 因素水平编码Table 2 Coding of factors and level of experiment。

续表2。

2 二次回归正交旋转设计试验结果处理

本次试验采取二次回归正交旋转设计方法,试验结果如表3所示。

表3 二次回归正交旋转设计试验结果Table 3 The results of two regression orthogonal rotation design test。

2.1 试验数据回归方程

本次试验研究因素较多,对试验数据结果分析时只考虑两两交互作用,所得数据利用向后剔除法进行处理[10]。运行处理软件,导入试验测得数据,在工具栏中选分析中回归指令;然后数据处理方法用向后剔除,经过计算机算得出的12个回归模型,根据模型的假设检验水平值相比较,最终选择第12个的回归模型最优。

F=52. 565,回归方程的sig=0.000水平上高度显著,根据模型的假设检验水平值得出回归方程为

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—刀盘倾角(°);

x2—刀盘转速(r/min);

x3—入土深度(mm);

x4—甘蔗密度(株);

x5—甘蔗品种;

x6—进给速度(m/s)。

2.2 因素主效应分析

采用数学分析软件MATHCAD对回归方程中的每一个因素进行主效应分析,取其中一个因素为自变量,其它因素固定在零水平值,可得到单因素对切割刀盘负载的影响关系曲线[11],如图2所示。

图2 不同因素对切刀负载压力的影响关系Fig.2 The influence of different factors on the cutting load pressure。

由图2(a)、(b)可知:随着入土深度、甘蔗密度的增加,刀盘阻力增大,切割压力增加。由图2(c)可知:随着刀盘倾角增大,切割压力呈先减小后增大趋势,刀盘倾角为4°～6°时,切割压力较小。由图2(d)可知:入土切割时,刀盘转速增加,切割压力先呈缓慢增加趋势,但转速达到650 r/min后刀盘负载压力呈急剧增加趋势,因此刀盘转速调至650 r/min较为理想。由图2(e)可知:台糖172弹性模量和抗压应力很大,甘蔗比较硬,需要的负载压力大;新台糖10的弹性模量和抗压力较小,甘蔗较软,需要的负载压力小。刀盘负载压力变化在2.9 ～31.5MPa之间,可见甘蔗品种对负载压力影响小。由图2(f) 可知:进给速度在0.2～0.5 m/s范围内时,入土切割刀盘负载压力随着速度的增加而增加;在0.5～0.6m/s范围内时,切割压力基本不变。

2.3 因素交互效应分析

在进行甘蔗切割试验时,需要考虑两两因素的交互影响。通过采用数学分析软件MATHCAD对回归方程中的两两因素进行交互效应分析,取其中两个因素为自变量,其它因素固定在零水平值,分析双因素对刀盘负载压力指标的影响关系曲线图,如图3所示。

图3 两种不同因素的交互作用对切刀负载压力的影响关系Fig.3 The influence of the interaction of two different factors on the cutting load pressure。

由图3(a )可以看出:刀盘倾角较小时,刀盘转速对切割压力影响较小;随着刀盘倾角与刀盘转速增大,切割压力也会随之增大;刀盘倾角4°～8°和刀盘转速在550～600 r/min范围内时切割压力较小。所以,刀盘倾角和刀盘转速两者交互作用对切割压力有显著影响。

由图3(b) 可以看出:非入土切割时,刀盘倾角对切割压力影响较小;随着入土深度增加,刀盘倾角对切割压力影响也较大,入土深度在20mm以上压力有快速上升趋势,在4°～8°时切割压力较小。所以,刀盘倾角和入土深度两者交互作用对切割压力有显著影响;入土深度20mm和刀盘倾角在4°～8°范围内时,切割压力小。

由图3(c )可以看出:刀盘倾角不变时,甘蔗品种对切割压力影响很小;同品种甘蔗,当刀盘倾角增大,切割压力呈先减小后增大的趋势;甘蔗品种为新台糖10号和刀盘倾角为4°～8°的组合可以得到较小的压力;在刀盘倾角与甘蔗品种的交互作用影响中,刀盘倾角起主要影响作用。

由图3(d) 可以看出:入土深度在10mm以下时,随着进给速度加快,切割压力增加;入土深度在10～30mm时,切割压力呈先增加后减小的趋势。所以,入土深度和进给速度交互作用对切割压力影响有显著影响。

由图3(e )可以看出:甘蔗品种无论怎样改变,切割压力随着入土深度增加而增加;在入土深度与甘蔗品种的交互作用影响中,入土深度起主要影响作用。

由图3(f )可以看出:甘蔗品种的改变对切割压力影响较小;随着甘蔗密度增加,切割压力也增大;在甘蔗密度与甘蔗品种的交互作用影响中,甘蔗密度起主要影响作用。

由上述结果可知:刀盘转速、刀盘倾角、甘蔗密度、进给速度及入土深度对切割压力影响是显著的,甘蔗品种较其他因素影响较小。当切割入土深度为20mm、刀盘倾角为4°～8°、进给速度为0.2 m/s、刀盘转速为650～700 r/min时,切割压力小。

3 结论

1)通过入土切割试验建立了各因素与切割负载压力的关系模型,为甘蔗收割机刀盘入土切割深度自动控制系统研发提供数据支撑。

2)研究结果表明:刀盘转速、刀盘倾角、甘蔗密度、进给速度及入土深度对切割压力影响是显著的,甘蔗品种较其他因素影响较小,从而为后续的仿真分析与试验研究提供了依据。

3)研究表明:切割入土深度20mm、刀盘倾角在4°～8°、进给速度0.2m/s、刀盘转速650～700 r/min条件下,切割压力小。