木薯種植機切稈試驗臺的設(shè)計

崔振德　鄧干然　李國杰　鄭爽　李玲　劉智強

摘要：針對木薯機械化種植的莖稈實時切斷環(huán)節(jié)，設(shè)計了1種木薯種植機切稈試驗臺，該試驗臺采用彈性夾持、擠切的方式實現(xiàn)木薯莖稈的切斷作業(yè)，可為其他相似高粗莖稈作物機械化種植設(shè)備的研制提供試驗支持。為驗證該試驗臺工作性能，以充分成熟的木薯莖稈作為試驗材料進行切斷性能試驗。驗證結(jié)果表明，該試驗臺性能穩(wěn)定，工作可靠，可根據(jù)試驗要求調(diào)整工作參數(shù)，并對功率消耗進行測試。

關(guān)鍵詞：木薯種植機；切稈裝置；切稈試驗臺；設(shè)計

中圖分類號： S223.93 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）19-0243-03

收稿日期：2016-05-13

基金項目：海南省自然科學(xué)基金（編號：514214）；廣東省省級科技計劃（編號：2015A020209006）。

作者簡介：崔振德（1984—），男，河南周口人，碩士，助理研究員，從事熱帶田間機械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的研究。E-mail：czd2004@qq.com。

通信作者：鄧干然，碩士，研究員，碩士生導(dǎo)師，從事熱帶田間機械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的研究。E-mail：dengganran@163.com。 木薯別稱樹薯、木番薯，在世界上90多個國家和地區(qū)都有種植[1]。木薯塊根用途廣泛，可作為糧食作物，也可以當(dāng)作工業(yè)原料，在非洲等地，木薯塊根及木薯嫩葉被當(dāng)作重要食物來源直接食用[2]。在當(dāng)前糧食供應(yīng)緊張的形勢下，發(fā)展木薯產(chǎn)業(yè)具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益[3-5]。傳統(tǒng)人工種植木薯，勞動強度大，效率低，生產(chǎn)成本逐年增高[6]，而木薯田間生產(chǎn)機械化則是降低成本最有效的途徑[7-9]。作為木薯機械種植核心環(huán)節(jié)之一，莖稈切斷直接影響機械化種植質(zhì)量。由于木薯種植機莖稈切斷工況復(fù)雜，目前對切割裝置的研究還不夠深入，主要集中于種植機整機使用性能等方面，研究周期長、試驗不便、成本高，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進指導(dǎo)作用有限。

木薯莖稈切割試驗臺的研制能夠方便快捷地測試各項性能指標，是改進切稈裝置、改善種植設(shè)備的重要途徑，也是研究木薯莖稈切割機制的重要手段。

目前，木薯莖稈切割方式主要有單圓盤鋸切式和雙輥對切式2種類型。泰國研究人員研制了電動式木薯單圓盤鋸切式切割裝置，并測試了樣機的性能[10]；國內(nèi)科研人員也對單圓盤鋸切式裝置做了相關(guān)研究[11]，而雙輥對切式的研究尚屬空白。但在實際生產(chǎn)中，木薯種植設(shè)備普遍采用雙輥對切式木薯莖稈切斷裝置，該類型切割裝置具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點。

本研究設(shè)計了對輥式木薯莖稈切割試驗臺，可對木薯莖稈機械化切割質(zhì)量的影響因素（單位切割力、切割速度、最大切割力等）進行試驗，可為木薯種植機切稈裝置的研究提供參考依據(jù)，同時也可為甘蔗、王草種植機切稈裝置的設(shè)計提供參考。

1 試驗臺的總體方案設(shè)計

1.1 試驗臺設(shè)計要求

根據(jù)切稈試驗臺的使用目的及操作方式，試驗臺應(yīng)滿足以下要求：（1）能夠模擬切稈裝置在田間的實際作業(yè)狀況，對切稈裝置運轉(zhuǎn)速度進行調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍應(yīng)在40～150 r/min；（2）莖稈喂入方式，應(yīng)能夠便于人工喂入及自動化喂入2種操作方式；（3）應(yīng)能夠通過調(diào)節(jié)切稈裝置，改變木薯莖稈的切斷長度，滿足不同種植需求；（4）機架應(yīng)穩(wěn)定可靠，以避免對輥切刀作業(yè)過程中產(chǎn)生的沖擊對試驗結(jié)果造成影響；（5）為提升該切稈裝置的使用價值，應(yīng)使其具備廣泛的適應(yīng)性，通過簡單調(diào)整可對其他多種高粗莖稈進行切割試驗。

1.2 試驗臺總體結(jié)構(gòu)

對輥式木薯莖稈切割試驗臺主要由1對切稈刀輥、切稈刀輥安裝座、切稈護蓋、機架、液壓無級調(diào)速電機、數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)等組成（圖1、圖2）。每個切稈刀輥都由等角度分布的數(shù)把刀座與刀片、1根切稈刀軸、2個圓盤擋片等組成；切稈刀輥安裝座由槽鋼與角鋼焊接而成；切稈護蓋由不銹鋼板通過折彎焊接等加工而成；機架由方管與鋼板焊接而成；數(shù)據(jù)測量與采集系統(tǒng)由扭矩傳感器、USB數(shù)據(jù)采集卡、12 V穩(wěn)壓電源、數(shù)據(jù)采集程序、計算機等組成。該試驗臺可根據(jù)試驗要求對切稈長度、轉(zhuǎn)速、刀片刃角、刀片數(shù)量、刀輥直徑等工作參數(shù)進行調(diào)整。

1.3 試驗臺工作原理

雙輥對切式木薯莖稈切割試驗臺由液壓無級調(diào)速電機驅(qū)動，工作時，木薯莖稈通過人工或自動化裝置由護蓋正上方的喂料斗放入，1對切稈刀輥在電機驅(qū)動下對向旋轉(zhuǎn)，夾持膠筒將木薯種莖夾持住，并向下傳送，相互配合的1對刀片在轉(zhuǎn)動過程中，逐漸切入木薯莖稈，隨著間隙的不斷減小，木薯莖稈逐漸被切斷，被切斷的木薯莖段在自重的作用下垂直降落，即完成了1段木薯莖稈的切斷過程，而后循環(huán)作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 切稈刀輥

切稈刀輥由等角度分布的數(shù)把刀座與刀片、切稈刀軸、圓盤擋片等組成（圖3）。切稈刀輥直徑與2個切稈刀輥中心距大致相同，切稈刀輥直徑、切稈刀輥中心距、刀片數(shù)量、切稈長度大致存在如下關(guān)系：

L=π×Dn。

式中：L為木薯種莖切斷長度，mm；D為切稈刀輥直徑，mm；n為刀片數(shù)量，個。

由上式可知，當(dāng)木薯種莖切斷長度一定時，刀輥直徑與刀片數(shù)量存在正比例關(guān)系。綜合夾持力度均勻性、作業(yè)穩(wěn)定性等各方面因素考慮，木薯種莖切斷長度設(shè)定為160 mm，每個刀輥共有4個刀片，通過計算可知，刀輥直徑約為204 mm。

刀軸、刀座、圓盤等零件通過焊接成為一個焊合件，當(dāng)需要調(diào)整刀片數(shù)量時，只需更換刀輥焊合件，而當(dāng)需要調(diào)整刀片刃角時，只需要更換所需刃角的刀片。若需要調(diào)整刀輥旋轉(zhuǎn)速度時，只需要調(diào)節(jié)無級變速器。

2.2 切稈刀輥安裝座

切稈刀輥安裝座由槽鋼、角鋼等焊接而成，用于安裝切稈刀輥、切稈護蓋等，為便于調(diào)節(jié)，軸承座安裝位開出長孔（圖4），該基座便于調(diào)節(jié)，且加工簡便、穩(wěn)固可靠。endprint

2.3 機架設(shè)計

如圖5所示，機架主要由方管、鋼板等焊接而成，用于其他零部件配合安裝，是整個切稈試驗裝置的平臺，要求穩(wěn)定可靠，在轉(zhuǎn)速達到150 r/min時，不會出現(xiàn)抖動等，此處選用的方管尺寸為60 mm×60 mm×5 mm，整機質(zhì)量為62.5 kg。

2.4 傳動系統(tǒng)設(shè)計

為方便調(diào)試切稈裝置，采用電機軸、傳感器軸、切稈軸等水平同軸排列的布局方式，通過聯(lián)軸器連接（圖6）。系統(tǒng)工作時，電機經(jīng)聯(lián)軸器Ⅰ帶動傳感器軸轉(zhuǎn)動，傳感器軸的另一端通過聯(lián)軸器Ⅱ與主動切稈刀輥相連，主動刀輥的1對等比傳動齒輪帶動從動刀輥對向轉(zhuǎn)動。

2.5 測量裝置

對輥式木薯莖稈切斷測量裝置如圖7所示，主要包括扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、計算機、雙通道數(shù)據(jù)采集程序、電源等。其中扭矩傳感器為TH4803A型動態(tài)扭矩測速傳感器，量程0～250 N·m，轉(zhuǎn)速0～2 000 r/min。數(shù)據(jù)采集卡為USB-1252型USB 2.0接口數(shù)據(jù)采集設(shè)備，采樣方式為定時采樣，采樣速率可調(diào)，最高為10次/s。

3 木薯莖稈切斷性能試驗

3.1 試驗材料

為驗證該試驗臺的工作性能，選取新鮮木薯莖稈進行切斷性能試驗。莖稈取自廣東省湛江市遂溪縣城月鎮(zhèn)乾塘村木薯種植基地，選取長度、直徑較為一致的木薯莖稈作為試驗材料。為模擬木薯田間種植情況，木薯莖稈采收后，先于陰涼處放置15 d，再進行試驗。

3.2 試驗指標及測試方法

3.2.1 莖稈損傷率 莖稈損傷率即木薯莖段損傷數(shù)量占木薯莖段總數(shù)量的百分比，計算公式如下：

S1=Ms1Ms×100%。

式中：S1為木薯莖稈損傷率，%；Ms為試驗?zāi)臼砬o段總數(shù)量，個；Ms1為試驗?zāi)臼砬o段損傷數(shù)量，個。

3.2.2 長度合格率 即木薯莖段長度合格數(shù)量占木薯莖段總數(shù)量的百分比，木薯種莖長度以（160±10）mm為合格，計算公式如下：

S2=Ls1Ls×100%。

式中：S2為長度合格率，%；Ls為試驗?zāi)臼砬o段總數(shù)量，個；Ls1為試驗?zāi)臼砬o段不合格數(shù)量，個。

3.2.3 功率消耗 動態(tài)扭矩傳感器將測得的電信號通過數(shù)據(jù)采集傳遞到計算機中的數(shù)據(jù)采集程序中，經(jīng)程序計算處理，可實時顯示在計算機主界面上，并可將數(shù)據(jù)保存為xls格式的文件，便于后期對數(shù)據(jù)進行分析。

3.3 試驗方法

采集試驗樣品時，應(yīng)選擇直徑、高度相差不大的木薯莖稈，自地表20 cm處截取。而后測量試驗樣品的直徑與質(zhì)量等物理參數(shù)，去除差別較大的樣品個體，以確保試驗樣品的一致性，另外還要確保試驗樣品健壯無病蟲害、外表完整無物理損傷，最終篩選出20根木薯莖。

試驗前，連接好數(shù)據(jù)線及電源線，檢查計算機及數(shù)據(jù)采集程序，確保硬件、軟件正常運轉(zhuǎn)，并調(diào)節(jié)好試驗臺工作參數(shù)：刀輥直徑為200 mm，刀組數(shù)量為4對，刀片刃角為25°，切稈長度為160 mm。試驗時，先將切稈試驗臺低速空轉(zhuǎn)10 min，對其進行預(yù)熱，而后調(diào)節(jié)液壓無極變速器，使其轉(zhuǎn)速平穩(wěn)保持在 40 r/min。操作人員將木薯莖稈由喂料斗放入，在放入木薯莖稈時，保證前一根木薯稈與后一根木薯稈頭尾相接，待切稈刀輥切下第1刀后，操作人員松開木薯種莖，使其在切稈刀輥作用下自由切斷，同時由扭矩傳感器實時采集數(shù)據(jù)，并且通過數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行存儲。試驗重復(fù)20次。

4 結(jié)果與分析

經(jīng)試驗測定，當(dāng)切稈試驗臺工作參數(shù)調(diào)整至刀輥直徑為200 mm、切刀數(shù)量為4對、刀片角度為25°、轉(zhuǎn)速為40 r/min時，木薯莖稈切斷試驗臺莖稈損傷率為3.98%，長度合格率為85.46%，平均穩(wěn)態(tài)扭矩為8.53 N·m，功率消耗為3576 W。

3.98%的莖稈損傷率，表明該試驗裝置對木薯莖稈存在一定的損傷，經(jīng)觀察對比分析可知，莖稈表皮及腋芽損傷主要是由于喂料斗處木薯莖稈與喂料斗摩擦所致；85.46%的長度合格率，表明該切稈裝置對木薯莖稈切斷長度控制一般，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，不合格莖段幾乎集中于木薯莖稈第1段與最后1段，主要是切稈裝置自身固有特性所致，去除頭尾后所得長度合格率為98.43%，說明該切斷裝置在莖稈切斷的第1刀與最后1刀存在問題，還需要進一步調(diào)整和改善，扭矩和功率的測量為木薯莖稈切斷裝置的設(shè)計提供了參考。

5 結(jié)語

本研究設(shè)計加工了1種木薯種植機切稈試驗臺，可對木薯莖稈進行切斷試驗，同時也可對木薯種植機切稈裝置進行測定。試驗臺采用雙刀輥對向轉(zhuǎn)切的作業(yè)方式來完成木薯種莖切斷工作，其特點是作業(yè)平穩(wěn)、沖擊小、工作可靠，可根據(jù)試驗要求對切稈刀輥直徑、刀片數(shù)量、刀片刃角、旋轉(zhuǎn)速度等工作參數(shù)進行調(diào)整，可對功率消耗進行測量。

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