油菜收获圆盘式切割器的设计与性能试验

　　油菜收获圆盘式切割器的设计与性能试验李仲恺谢方平u，刘科唐湘王修善毛利成1（1.湖南农业大学工学院，湖南长沙410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南长沙410128）击试验机，研究单株油菜的生物物理特性，得出适合油菜切割的高度为200400mm.运用自制的自走式切割试验装置，对影响切割功耗和落粒损失的切割速度、切割高度、刀盘倾角等进行了单因素和多因素正交试验。单因素试验结果表明，在切割转速700r/min，切割高度300mm，刀盘切割倾角10时，其切割功耗为30.19W，落粒损失为1162粒。正交试验结果表明，切割转速750r/min，切割高度250mm，刀盘切割倾角10°，装置前进速度0.4m/s，刀片6片为最佳参数，与正交5号试验相近，其切割功耗36.39W，落粒损失895粒。

　　基金项目：国家"十二五〃科技支撑计划项目（2011BAD20B08）；湖南省科学技术厅重点项目（2013F2006）据统计，油菜种植区近5年平均机械化种植面积达691.4万hm2，但平均机械收获面积仅有22.3万hm2.油菜联合收获机是在现有的稻麦联合收获机的基础上改装而成的，由于油菜植株整体成熟不的生物特性，加上往复式切割器作业时振动较大，使得油菜籽粒掉落较多，造成割台落粒损失较大。油菜收获损失平均为8.54%，其中割台损失占7.69%，因此，有必要对往复式切割器进行改造，使之更适应油菜收获。

　　有关甘蔗、玉米、大豆等作物的圆盘式切割器的研究已取得成果。笔者针对油菜成熟度不致的生物学特性，结合切割器与刀片的结构，设计了一种偏心圆弧锯齿刃圆盘切割器。选择切割转速、切割位置、切割倾角等影响因素，在自走式切割装置上进行性能试验，以期获得油菜圆盘式切割器的最优工作组合。

　　1圆盘切割器的设计与工作原理1.1圆盘切割器结构与刀片参数选择考虑到圆盘切割器圆盘在高速旋转时惯性力容易平衡、振动小；偏心圆弧刀刃口滑切角向外逐渐增大，切割时省功省力，且具有切割缓冲作用；锯齿切割功耗低、阻力低，且具有钳持作用等因素，以偏心圆弧锯齿刃形式设计刀片，并通过螺栓连接，在刀盘上均匀排布6片刀。切割器的刀片应具有耐磨、硬度高、变形小、韧性好的特点，在保证良好切割效率、低折断率的前提下，根据油菜茎轩直径的大小，确定切割器刀盘与刀片参数为：刀片材料选用65Mn钢，刀盘直径200mm，刀高A=30mm，刀宽办=30mm，刃厚度d=2mm，刃口曲线始端滑切角为30，末端滑切角为60°。

　　1.2刀片工作原理在刀片不漏割、刀盘不接触方面，偏心圆弧锯齿刃与其他圆盘式切割器工作原理样：刀刃随刀盘高速旋转，切割前的瞬间，刀刃锯齿齿尖与油菜茎轩为点接触，即临界切割状态（-a），点接触锯齿产生的压强能迅速撕裂茎轩；茎轩撕裂后，刀刃开始切割，刃口与油菜茎轩的接触方式转为线型接触，连续的锯齿能够有效钳住茎轩，减小切割振动（-b）；油菜茎轩被切断后，在惯性力的作用下飞离切割器。滑切角沿刃口曲线向外逐渐从30增大至60，较小滑切角部分切割有力，较大滑切角部分切割阻力小、切割平稳。整个过程均是锯齿钳持、切割茎轩，刀刃逐渐切入，因滑切角变化，切割阻力由大变小，产生切割缓冲作用。

　　a临界切割状态；b切割状态。

　　刀片切割过程2试验材料与方法2.1试验材料试验在湖南浏阳北盛镇油菜机械化收获示范基地进行。通过“五点”取样法抽样。油菜整株平均高度为1398mm；基部直径为5.518.5mm，绝大多数为814.7mm；极少数底层果荚分枝高度在500mm以下。

　　2.2方法2.2.1冲击试验采用摆锤冲击试验机对油菜茎轩进行冲击试验，测定单株油菜茎轩的抗冲击强度和果荚落粒数量。试验过程忽略切割冲量的影响，在切割瞬间可视为匀速直线运动。不考虑摩擦因素，根据能量守恒定律，切割消耗的功全部用来切断油菜茎轩。测定，并显示在扭矩转速数字显示仪上。切割功耗所消耗的功；F表示试验材料的横截面面积。取直径相同、成熟度相近的油菜茎轩，分别在距地100、200、300、400、500mm处进行冲击，切断后读取刻度盘记录所消耗的功，并统计果荚落粒数量。每个部位重复5次，结果取平均值。

　　2.2.2切割试验切割试验在自制的自走式切割试验装置上进行。试验装置主要由自走式切割台、可调式夹持装置、测控系统和动力系统等部分组成。试验装置的切割高度可调范围为100500mm，切割倾角可调范围为030，切割速度可调范围为1.88 18.82m/s，切割前进速度可调范围为0.22m/s，切割刀片数量可变范围为26片。将油菜植株固定在3m长的夹持装置上，根据试验要求进行各项参数调节；调速电机驱动转轴下端的圆盘切割器高速旋转和装置直线前进，切割扭矩通过扭矩传感器轴的转速。2.2.3单因素试验为了考查切割转速、切割高度、刀盘切割倾角对切割功耗和落粒损失的影响，进行单因素试验。保持同一切割高度100mm，优选参数切割倾角进行切割试验，并记录切割扭矩和统计落粒数量。试验得到适合圆盘切割油菜的转速区间后，选择落粒损失最小的转速700r/min，其他参数保持不变，分别在茎轩距地高度100、200、300、400、500mm进行切割试验。最后设置3个切割倾角，即0°、10°、20进行切割试验。

　　2.2.4多因素试验对单因素试验结果进行分析得知，油菜茎轩切割功耗和切割损失的大小与切割转速、切割位置、切割刀盘倾角等因素有关。由于切割试验涉及的影响因素较多，采用正交试验来进行多因素试验。7因素3水平的正交试验表心8（37）设计本试验5因素3水平的正交试验表s（35）（表1）。

　　表1正交试验因素水平表序号D片A切割转速；B切割高度；C刀盘倾角；D刀片数量；前进速度。

　　3结果与分析3.1油菜茎秆适宜切割高度的确定油菜茎轩的抗冲击强度表征受到外力载荷时茎轩抵抗变形和断裂的能力。冲击试验结果（表2）表明，从油菜茎轩距地100mm处切断，平均消耗的功率为17.5，明显大于其他部位；在茎轩距地300mm以上的部位切断，平均消耗的功率变化不大；随着茎轩高度的增加，油菜茎轩直径呈减小趋势，且茎轩距地300mm以上的部分直径变化不大，因此，油菜茎轩抗冲击强度减小，且在茎轩距地300500mm部位趋于稳定。另外，从茎轩距地300mm处开始，落粒损失又呈增大趋势。原因是茎轩抗冲击强度的减小，茎轩的抗变形能力相对较弱，进而切割力产生的变形较大，引起较多的籽粒掉落。综合比较，适合切割的油菜茎轩高度为200400mm. 3.3切割高度对功耗和落粒损失的影响随着切割高度的增大，因茎轩直径变小、切断所需的功变小，导致切割功耗下降，并在30W附近趋于稳定。油菜茎轩切割高度超过300mm后，由于茎轩抗冲击强度减小，切割落粒损失呈增大趋势。综合比较，较优切割高度为250mm.表2油菜茎秆不同切割高度的平均耗功和平均落粒损失茎秆距地高度/mm茎秆平均直径/mm平均耗功/平均抗冲击强度/（k.m-2）平均落粒3.2切割转速对功耗和落粒损失的影响随着刀盘切割转速的增大，功耗呈明显上升的趋势，转速较低时，切割力不足，存在多刀切断问题，当转速为700r/mm时，能一刀切断油菜茎轩，且落粒损失小于转速较低时的落粒损失；当转速继续增大，切割产生的冲击力也相应地增大，切割落粒损失呈现增大的趋势。综合比较，适合切割的转速范围为600750r/min. 3.4刀盘切割倾角对功耗和落粒损失的影响分析发现，随着刀盘倾角增大，切割功耗呈降低趋势。这是因为茎轩组织纤维在一定的方向上是由强度相对较低的材料结合在一起的，切割时省功。同时，切割截面面积也相应增大，则茎轩截面受到的冲击力增大。油菜瞬态振动响应对落粒损失的影响较大，导致落粒损失又呈增大趋势。综合比较，适合切割的倾角为10°。

　　落粒损失刀盘切割倾角/不同切割倾角下的功耗和落粒损失3.5多因素正交试验结果对切割功耗和落粒损失的极差分析结果（表3）表明：影响切割功耗的因素大小依次为切割速度、刀盘倾角、前进速度、刀片数量、切割位置；影响落粒损失的因素大小依次为切割倾角、刀片数量、切割速度、前进速度、切割位置。综合两者的影响，使得切割功耗低、落粒损失小的最优组合为小的最优组合与试验5号接近，而试验5号的结果2褚2￡3五2，即转速为750r/min、切割位置距地250是表3中数据较小的一组，因此可以认为该组参数mm、刀盘倾角10°、刀片6片、前进速度0.4m/s.组合符合功耗低、落粒损失小的要求