缠绕式籽棉清理机残膜切割效果影响因素分析与试验

杨煜,胡蓉,王虎挺,张若宇,段宏伟,刘磊

(石河子大学机械电气工程学院,新疆 石河子 832003)

中国是棉花生产大国,新疆是我国棉花生产的主要基地[1]。自20世纪80年代新疆规模化引入地膜覆盖技术后,棉花的机械化采收得到大力发展,为中国棉花产业升级发挥重要推动作用[2],同时,受到新疆气候影响导致棉田地膜存在易老化、易破碎[3]的问题,且地膜质地较薄、棉花植株矮等多种因素均导致采棉机作业时易卷入残余地膜,使机采籽棉作业过程中残留地膜的含量较高[4]。刺辊缠绕法为通用的籽棉残膜清除方法[5],但存在缠绕辊上残膜累计较厚影响其余工序的问题,因此本团队前期研制了激光切割装置处理残膜[6]。鉴于激光切割存在明火问题,本研究基于滑切原理设计适用于残膜质地较软且抗冲击特性强的低阻力切割刀具。

国内外学者[7-8]通过力学公式推导证明滑切相对于正切更省力,可使刀具在切割过程中明显降低降低牵引阻力以及切割功耗,其中刀具运动的绝对速度和法向速度方向之间的夹角称为滑切角。康峰等[9]通过自制试验台研究苹果枝条过程中的峰值切割力发现刀具滑切角对峰值切割力影响最大;Wang等[10]对柑橘茎秆切割发现增加切割速度可明显降低峰值切割力;Xie等[11]研究发现改变刀具刃角、滑切角度、刀片厚度和加载速率可有效改变柑橘幼苗切割质量与能耗;Liu等[12]研究发现油料牡丹修剪刀具滑动切割可以明显降低切割力以及所需能量,且在不同时期对应不同的最优滑切角;Wang等[13]研究表明小白菜的切割应力与切割能耗随刃角与切割间隙的增大呈先减小后增大的趋势,并随滑切角的增大呈减小的趋势;顾耀权与贾洪雷[14-15]等研究一种滑刀式开沟器发现滑切角是影响作业性能的主要因素,其最优滑切角为35°～55°。由于塑料地膜材质柔软度较高,在缠绕辊上残膜积累较厚且切割位移较长,相对而言切割残膜过程更类似于耕地形式[16],“V”型刀具更适用。

本文以棉花加工厂缠绕式籽棉残膜清理机中已加工籽棉的残膜作为研究对象,设计切割刀具并自制残膜切割试验台,拟选择刀具滑切角、刀具刃角与平均切割速度作为影响因素,对80 g残膜进行切割试验,以峰值切割力与能耗作为评价标准,确定影响刀具结构参数取值范围,寻求最优切割参数与最佳切割效果,并为样机制作打好基础。

1 材料与方法

1.1 试验样本

试验样本所使用的残膜取自新疆维吾尔自治区某棉花加工厂收购的破碎地膜,为2021年铺设的低密度聚乙烯地膜,密度为0.92 g/cm3,单层厚度为0.01 mm,取样时间为2021年10月。地膜基本完整,将地膜除杂、清土、铺平后进行下一阶段试验。

1.2 残膜切割试验台

本试验采用自制残膜切割试验台,其主体部分由切割机构与检测机构组成,整体如图1所示。

图1 残膜切割试验台

切割机构由底座,刀具,同步带及减速套件,86步进电机,86步进驱动器MC860E,60 V电源组成,步进电机控制器刀具夹具组成;检测机构由P26电量计量表,HYMH-018型压力传感器(0～30 kg),485变送器,24 V电源组成。残膜切割试验台技术参数如表1所示。

表1 残膜切割试验台技术参数

1.3 刀具设计

调查工厂内缠绕式籽棉残膜清理机单次清理缠绕辊残膜的情况后发现:越靠近缠绕辊,残膜缠绕的密度越大。参照原清理机内部空间大小,设计一种带有滑切特性“V”型刀具,使刀具切割累积残膜时具有更低的切割阻力与能耗,刀具参数如图2所示,其中刀具刃部总长c为70 mm,柄部长度b为20 mm,宽度a为50 mm,厚度h为2 mm;α为刀具刃角(°);δ为滑切角余角(°)。

图2 滑切刀具参数

1.4 试验方案

经过前期调研,棉花加工厂需要根据棉花加工状态清理缠绕辊,缠绕辊通常会累积大量残膜,且在压力作用形成越靠近辊筒壁越紧的状态,针对这种情况,本研究采用在缠绕辊开一条切割槽的形式,使刀具可沿切割槽方向横向切割缠绕的残膜。为确保试验的对比效果,本研究中取已初步清土的残膜,并仿照工厂情况使残膜以内紧外松的形式缠绕于辊筒壁上。本试验选取残膜质量为80 g,控制残膜缠绕厚度为20～25 mm,残膜切割行程为400 mm,为探究各因素分别对残膜切割性能的影响,参考学者Tian[17]的研究采用峰值切割力F与切割能耗W作为评价指标,通过试验得影响因素主要有刀具刃角α、滑切角β、平均切割速度v。

由于残膜材质较为柔软且抗冲击特性强,在缠绕辊高速旋转作用导致残膜越靠近辊壁越坚硬的情况下,平均切割速度快慢对于残膜切割影响作用可能更复杂,不符合如蔬菜、植物茎秆等平均切割速度越快,切割能耗越低且切割力越小[9-10]的规律。前期分别以不同平均切割速度做残膜切割预试验,发现较低速度或者较高速度均会导致残膜压缩较厚,进而影响刀具切割效果,然后将平均切割速度区间设置为100～300 mm/s。参考前人关于刀具滑切特性的研究,切割力通常会因滑切角的增大而减小,然而滑切角增大到一定程度后会产生外滑现象反而降低切割效果[7-8],在本次单因素试验中,根据刀具具体参数设置刀具滑切角为20～30°。在刀具切割时刃角相关理论中,切割力随刀具刃角降低而降低,然而刀具刃角降低到一定程度后会影响刀具强度,故将刃角设置为15～25°。

本研究采用二次回归正交旋转组合试验设计方案,各试验因素分别取3个不同水平且在各水平下试验3次,单因素试验因素和水平如表2所示。

表2 试验因素及各因素水平

分别制作出9把残膜切割刀具(图3),其刃角分别为15°、20°与25°,滑切角分别为20°、25°与30°;材料设置为65 Mn[18];刀具柄部开6 mm直径孔,便于安装于刀架上;刀具前刃部可正对于缠绕辊切割槽中部并贴近缠绕辊,以使刀具可从残膜根部切割。

图3 试验用切割刀具总览

1.5 数据采集与处理

切割试验前将待试验残膜进行初步清土、除杂,然后使用电子秤称一定量残膜并缠绕于缠绕辊上,并使用游标卡尺记录残膜缠绕厚度。通过安装压力传感器自带数据记录软件,记录刀具切割残膜时产生的压力作为切割阻力,可使切割阻力等效于切割力,从记录软件中得到残膜切割力学变化过程,并从中得出峰值切割力。通过记录电量计量显示单次试验开始与结束的数字并将其作为切割一次所消耗电能。

2 结果与分析

2.1 单因素试验分析

2.1.1 各试验因素对峰值切割力的影响

使用高速摄像机记录残膜切割试验过程中发现:刀具接触到残膜时会先挤压残膜,当残膜压缩至一定程度后刀具切割挤压后残膜,此时达到峰值切割力,然后顺势切割后续残膜,最终完成切割动作。

由图4a可见:当设置滑切角为30°及刃角为15°、20°、25°时,刀具峰值切割力随平均切割速度的增大其趋势呈现“V”型,即峰值切割力受平均切割速度影响较大,速度较低或者较高都将导致峰值切割力较大,并且峰值切割力最小处位于平均切割速度200 mm/s附近。这与平均切割速度越大使刀具峰值切割力越小的规律不相符,原因在于高速状态下的峰值切割力受到残膜抗冲击性的影响。

图4 各试验因素于峰值切割力的关系

图4b显示:刃角与速度之间存在一定关系且影响切割力。将设置滑切角固定为25°,平均切割速度为100 mm/s时,峰值切割力随刃角增大呈现先增大后减小的趋势;平均切割速度为200 mm/s时,峰值切割力随刃角增大呈现增大的趋势;平均切割速度为300 mm/s时,刃角峰值切割力随刃角增大呈现先增大后减小的趋势;峰值切割力最小值为平均切割速度200 mm/s时、刃角15°条件下的试验值。

图4c显示:将刃角固定为25°,当均切割速度100 mm/s时峰值切割力随滑切角的增大呈现先减小后增大的趋势;平均切割速度为200、300 mm/s时,峰值切割力随滑切角的增大呈现先增大后减小的趋势,25°的滑切角对应峰值切割力最小。

试验中发现并不是平均切割速度越快时峰值切割力就越小,其主要原因在于平均切割速度越快会造成一种冲击的特性,导致难以切割残膜;切割速度较低也并未导致峰值切割力更小。由此认为存在一个中间值可使峰值切割力较低,这与吴昆等[18]研究结果“各参数刀具各对应一个使切割效果最佳的最优平均切割速度”一致。

综上可知:平均切割速度、滑切角与刃角间有良好的交互性,且存在一组参数使峰值切割力最低。

2.1.2 各试验因素对切割能耗的影响

由图5可见:平均切割速度、刃角与滑切角3个因素对试验中的切割能耗具有一定的影响,其中:平均切割速度越快,切割能耗越低;刃角越大,切割能耗越高;滑切角越大,切割能耗越低;同时,切割能耗的大小也受到切割力的影响,即峰值切割力越大会导致切割能耗加大。

图5 各试验因素与切割能耗的关系

2.2 多因素试验分析

2.2.1 多因素试验结果

根据Box-Behnken试验方案,本试验进行了三因素三水平响应面试验,共排列出17组试验,分别将每组试验重复3次,取平均值作为最终试验数据,得到最终试验方案与结果(表3)。经Design-Expert 12软件对试验结果处理后,分别得出峰值切割力F、切割能耗W方差分析结果(表4)。

表3 残膜切割试验方案与结果

表4 峰值切割力回归方程方差分析

根据Design-Expert 12软件计算推荐:峰值切割力F的方差分析使用Quadratic方法,切割能耗W的方差分析使用Mean方法。使用响应面法对于表3中的试验结果进行分析,建立出残膜切割峰值切割力F与各影响因素间的二次多项回归模型为:

F=-1 001.35+91.04α+30.807 5β-0.942 625v-0.474αβ+0.034 7αv+0.025 35βv-2.087 5α2-0.612 5β2-0.000 181v2。

(1)

由于切割能耗数据较小且变化幅度较小,无回归模型。

表4显示:峰值切割力F的显著水平为极显著(P<0.000 1),且峰值切割力F模型失拟项分别为0.165 3,大于0.05,表明此模型拟合程度较高;峰值切割力F的模型相关系数R2为0.983 6,说明峰值切割力的变化有98.36%来源于所选因素,调整相关系数为0.962 5,预测相关系数为0.812 4,且差值小于0.2,表示模型合理;模型信噪比为17.924 1,其比例大于4,表示模型较为优秀可用于优化预测。模型中刀具刃角、滑切角与平均切割速度一次项对于峰值切割力的影响均为极显著(P<0.01);刃角、滑切角与平均切割速度交互作用对于目标值的影响均为显著(P<0.05);其中刃角与平均切割速度交互为极显著(P<0.01),3个影响因素均有较好的交互性;刃角与滑切角的二次项对目标值影响极其显著(P<0.01);平均切割速度的二次项对于目标值影响不显著(P>0.05)。

综合分析残膜峰值切割力影响因素的主次顺序为平均切割速度、滑切角、刃角。经过分析,剔除不显著项保留显著项(P<0.05),简化后模型为:

F=-1 001.35+91.04α+30.807 5β-0.942 625v-0.474αβ+0.034 7αv+0.025 35βv-2.087 5α2-0.612 5β2。

(2)

切割能耗分析结果(表5)显示:切割能耗W为显著水平无P,其模型失拟项为0.492 2,大于0.05,表明模型拟合程度较高。

表5 切割能耗分析

2.2.2 响应曲面法分析

通过响应面软件并结合回归方程分析不同影响因素对目标响应值交互作用,结果(图6)显示:当平均切割速度为200 mm/s时,峰值切割力的变化随刃角的增加呈现先增大后减小的趋势,随滑切角的增加呈现减小的趋势(图6a);当刃角固定为20°时,峰值切割力随滑切角的增加呈现先增大后减小的趋势,随平均切割速度的增加而呈现增大的趋势(图6b);当滑切角固定为25°时,峰值切割力随刃角的增加呈现先增大后减小的趋势,随平均切割速度的增加而呈现增大的趋势(图6c)。

图6 刃角、滑切角、平均切割速度对于残膜峰值切割力的影响

2.3 设计参数优化结果

经过上述试验结果的多种分析得到各影响因素对峰值切割力与切割能耗的影响效果,但由于各因素对不同响应值的影响趋势与贡献效果各不相同,不可能使每个参数都同时达到最优,因此,为提高残膜切割的效果和降低切割能耗,需要在多目标间进行权衡与协调,寻找最优参数组合。本文用响应面软件对多目标进行优化,以峰值切割力与切割能耗的最小值作为优化目标,以刃角、滑切角、平均切割速度作为优化对象进行分析,对回归方程求解并寻优。目标与约束方程为:

(3)

使用Design-Export 12软件求最优值,根据试验数据筛选后得到最优切割参数为:刃角24.944°、滑切角26.892°、平均切割速度101.571 mm/s,对应峰值切割力为97.813 N,切割能耗为0.005 kW·h。为确保结果准确性,采用上述最优参数组合进行进一步验证试验,并重复3次,分别与预测值进行对比,但由于预测值各项参数较为精确难以进行试验,因此本试验采用相近参数的刀具进行试验:选择刃角25°、滑切角25°的刀具在平均切割速度为100 mm/s的条件下进行试验,结果(表6)显示:

表6 试验验证的结果

在3组最优参数条件下,峰值切割力的试验值与预测值的相对误差分别为8.68%、7.86%与5.2%,由于所试验刀具实际参数相对于预测值不精确,且存在残膜缠绕不均匀以及带有尘土的情况,误差值在合理范围内;切割能耗试验值均为0.005 kW·h,与预测值无明显相对误差,故响应面法对于残膜刀具工作参数的优化可靠。

经过对试验数据处理及分析,得到最优参数组合为:刃角24.944°、滑切角26.892°、平均切割速度101.571 mm/s。这与其他材料的切割特性不相似。

2.4 残膜切割效果

残膜切割结果(图7)显示:在试验参数之外的参数组合可能会导致切割失败的情况,即产生不完全切割且切割表面较为粗糙(图7a);试验参数内使用刀具均可完全切割缠绕残膜,且切割后残膜较为均匀(图7b)。

图7 两种切割效果

3 结论

(1)在一定平均切割速度下,最佳的刃角和滑切角组合可以使峰值切割力和切割能耗最小化。

(2)切割缠绕辊累积残膜的最优工作组合:刃角24.944°、滑切角26.892°、平均切割速度101.571 mm/s,此时切割相同残膜时峰值切割力预测值为97.813 N,切割能耗预测值为0.005 kW·h。

(3)残膜峰值切割力目标值的实测值与预测值平均误差为7.25%,切割能耗的平均实测值与预测值的平均误差为0。

(4)本研究所制作的残膜切割试验台可较为准确地测量出刀具切割残膜时所需的峰值切割力与切割能耗,可有效降低切割机构工作中的应力变形与能耗,进而为研究更高效的残膜清理设备提供参考。