滑剪组合式甘蔗根切装置的设计与试验

摘要

针对甘蔗切割过程中存在的宿根破头率高的问题,该研究通过分析甘蔗茎秆与刀具之间的相互作用关系,设计了一种基于“滑切+剪切”相组合的甘蔗根切装置,旨在提高根切作业质量。首先,通过分析传统圆盘式根切器的无支撑切割与滑剪组合式根切器的有支撑切割的作用原理,表明有支撑切割可以有效降低茎秆的弯曲阻力和惯性力,因此一定程度上阻止了茎秆产生较大的变形,有效保证了茎秆的切割质量,而滑切可有效降低切割阻力。并通过建立茎秆的根切受力模型,对根切器关键零部件的参数进行确定,采用等滑切角式刀片曲线进行滑切作业,滑切角和刀片刃口角分别为40°和45°。基于ANSYS/Workbench对根切器进行了静力学分析及模态分析,得到刀具的屈服强度为450~650 MPa,大于刀具所受最大应力102 MPa,最大变形量为4.94×10^(-5)m,满足使用性能要求。切割电机和喂入电机对应的激振频率分别为0~6.667 Hz和0~11.667 Hz,模态分析结果表明两电机的激振频率远小于根切器的一阶固有频率(60.89 Hz),因此不会引起共振现象,能够保障室内试验的顺利进行。搭建了可调刀盘转速、喂入速度及切割倾角的根切试验台,台架单因素试验结果表明当切割倾角、刀盘转速和喂入速度分别在10°~15°、140~220 r/min、1.1~1.7 m/s时,综合评价值较小,切割质量较优。正交试验方差分析结果表明各因素对综合评价值y均有显著影响;正交试验极差分析表明当切割倾角为15°,刀盘转速180r/min,喂入速度为1.4m/s时为最佳试验水平。经试验验证,此时综合评价值为0.256和0.298,切割质量较优。参考DG/T 117-2021甘蔗收获机械试验方法对甘蔗破头率进行检验,剪切合格率高达90.4%,破头率降低至10%以下,滑剪组合式甘蔗根切器作业质量满足行业要求。该研究可为新型甘蔗根切器的设计与研制提供理论参考。