天然橡胶机械化采收锯切功耗影响因素试验

锯切式割胶是天然橡胶机械化采收的重点研究方向之一,该文以锯切式割胶装置为研究对象,开展锯切功耗影响因素研究。该文设计了天然橡胶锯切功耗测量试验台,研究了锯片直径、锯片齿数、切割电机转速、进给速度对锯切式割胶装置切割功耗的影响。构建了以切割电机转速、进给速度及锯片齿数为因素,以切割功耗为指标的割胶刀具切割功耗影响因素模型,并进行了三因素三水平的正交试验。试验结果表明,各因素对切割功耗影响的主次顺序为锯片齿数、进给速度、电机转速、锯片直径;同时得到在给定因素水平下,切割参数最佳组合为进给速度为30 mm/s、电机转速为500 r/min、锯片齿数为10齿,此时电机切割功耗最小,功耗值为2.597 J。该研究可为天然橡胶机械化采收装置的设计提供参考。     

面向机器人采摘的荔枝果梗力学特性

为了给荔枝采摘机器人夹持与切割器的设计和控制提供依据,对荔枝果梗分别进行了切割性能和夹持性能的影响因素试验以及弯曲试验。试验结果表明:峰值切割力和切割强度随着切割速度增加而减小,随着切割角度的减少而减少,凹刃和凸刃的峰值切割力和切割强度都比平刃小;除果梗直径因素外对峰值切割力和切割强度影响显著的因素均依次为切割角度、刃口形式和切割速度;切割角度每减少1,峰值切割力和切割强度分别减少4.45N和0.16MPa;相比平刃的峰值切割力和切割强度,凸刃分别减少166.90N和2.11MPa,而凹刃分别减少167.39N和4.21MPa。随着夹持力增加,荔枝果梗与夹持物间摩擦力增加,夹持物为橡胶时,摩擦力最大,夹持力对摩擦力的影响大于夹持材料;试验范围内,最大摩擦力为44.54N。荔枝果梗具有较强的抵抗变形的能力,平均弹性模量为867.15MPa;试验范围内,最大弯曲力的平均值为118.95N,抗弯强度的平均值为56.03MPa。该研究为荔枝采摘机器人的夹持与切割机构的优化设计和控制提供了理论依据。     

双动刀沙棘枝条切割参数分析与试验

针对国内缺少沙棘专用机械收获装备、探明沙棘枝条最优切割参数组合,该研究设计了双动刀沙棘枝条切割试验台并开展沙棘枝条切割试验,确定了切割装置关键结构参数,基于LabVIEW开发了沙棘枝条切割特性测控系统和数据采集软件。通过单因素试验探究平均切割速度、刀具滑切角、刀刃高度和动刀组数对单位直径峰值力及单位面积切割功耗的影响;采用Box-Behnken多因素试验设计方法,以平均切割速度、枝条喂入速度和刀具滑切角为试验因素,以单位直径峰值力和单位面积切割功耗为评价指标建立回归模型。试验结果表明,评价指标随着平均切割速度、刀具滑切角和刀刃高度的增大而减小,在双动刀时比单动刀时数值更小。通过响应曲面法优化回归模型,确定最优切割参数组合为平均切割速度0.45 m/s、枝条喂入速度0.64 m/s、刀具滑切角9.4°,该组合下单位直径峰值力为53.33 N/mm,单位面积切割功耗为69.87 N/mm²,模型误差小于5%,切割参数优化结果准确。研究结果可为后续沙棘枝条收获装备的研发提供数据支撑。     

免耕播种机锯切防堵装置设计及其切割机理的研究

针对我国北方旱地一年两熟地区免耕播种机堵塞现象和已有主动式防堵装置转速高(1500 r/min以上)、功耗大(单位幅宽达16～41.74 kW/m，含牵引功率)的现实问题，设计了一种新型免耕播种机锯切防堵装置，分析了该装置的切割机理，应用有限元ANSYS软件计算了锯齿圆盘切刀的应力分布，得出了锯齿圆盘切刀用于玉米秸秆切割的可行性。土槽试验表明：1)该装置采用逆转式作业，兼有无支撑和有支撑两种切割方式，切割彻底，并能借助刀齿前角和抛撒板将已切断秸秆定向抛送到开沟器后方，实现了切割、定向抛撒一体化功能；2)秸秆切碎率随转速和秸秆含水率的增大而增大，秸秆含水率高时有利于提高切割质量；3)秸秆切碎率在动定刀间隙一定时，随前进速度增大而降低，小间隙时无漏切和撕皮现象，切割质量高，功耗小。理论和试验结果表明：与其他主动式防堵装置相比，锯切防堵装置具有良好的切割性能，其转速低(650 r/min)、功耗小(单位幅宽为2.95 kW/m)、秸秆覆盖量适应性强，为改善免耕播种机防堵性能提供了一条新途径。     

玉米茎秆往复切割力学特性试验与分析

为了研究玉米切割器切割茎秆的切割力与切割功耗,提高切割性能,研制了摆切式茎秆切割试验台。采用悬臂梁称重传感器、高频数据采集卡和LabVIEW软件组成的测试系统进行切割力学性能影响因素试验研究。根据测得的切割力连续变化曲线求得切割功耗,并分析了削切角、切割速度、切割位置、茎秆外皮与节点等因素对切割力及功耗的影响。试验结果表明：峰值切割力和切割功耗随着切割速度的增大和切割位置的增高而逐渐减小,且在削切角为20°左右时较小,切割性能较好;峰值切割力和切割功耗在节点处比节间增加56%,外皮所需切割力占63%～83%。该研究为提高切割器的切割性能提供了理论依据。     

龙须草茎秆往复式切割试验研究

为解决现有往复式切割器收割龙须草的问题,拟对龙须草茎秆进行切割间隙、切割速度、切割刀片组合形式、切割茎秆部位、切割茎秆数量等因素进行了单因素试验,在单因素试验的基础上选取了正交试验的因素水平,完成了茎秆最大剪切力的正交试验,实验结果表明切割间隙和切割刀片组合形式对剪切力影响较大,切割速度对剪切力影响相对较小。最后通过选取斜齿刀-斜光刀组合模式与斜光刀-斜光刀传统刀片组合进行田间试验对比,结果表明斜齿刀-斜光刀组合的切断率提高了23%,刀片缠草率降低了94%,极大地提高了龙须草切割作业质量和作业效率。研究结果表明斜齿刀-斜光刀组合刀片用于龙须草收割是可行的。     

梨树枝条切割装置刀片参数优化与试验

为降低梨树枝条修剪装置刀片切割力与切割功耗,该文在自制切割试验台上进行梨树枝条切割试验。采用BoxBenhnken中心组合试验方法对切割试验台的工作参数进行了试验研究,以切割速度、动刀楔角、动刀前角为影响因素,以峰值切割力、切割功耗为目标函数,建立了两者之间的多元数学回归模型。试验结果表明:峰值切割力影响显著顺序依次为动刀楔角、切割速度、动刀前角;切割功耗影响显著顺序依次为切割速度、动刀前角、动刀楔角;最优工作参数组合为切割速度150 mm/min、动刀楔角30°、动刀前角3.5°,对应的峰值切割力和切割功耗分别为2.99 k N、20.54 J,且各性能指标与理论优化值相对误差均小于10%。试验结果可为寻求省力、低功耗的刀片参数提供参考。     

1K-50型果园开沟机开沟部件功耗影响因素分析与试验

为探明1K-50型果园开沟机工作参数和双旋耕刀辊结构参数对作业功耗的影响规律,该文建立了分析开沟部件功耗的切土,运、抛土力学模型,得到了开沟部件功耗与整机工作参数、刀辊结构参数以及土壤力学性能之间的函数关系。搭建了基于土槽试验台的开沟部件功耗测试装置,模拟坚实度为950k Pa的葡萄园土壤环境,以刀辊转速、前进速度、开沟深度和刀辊型式为试验因素,进行单因素试验和多因素正交试验,测得旋耕刀辊在不同结构和工作参数下的功率消耗,得到影响开沟部件功率消耗的因素主次顺序为刀辊型式前进速度刀辊转速开沟深度,其功耗较优参数组合为采用D3型刀辊,刀辊转速为150 r/min,前进速度为0.06 m/s,开沟深度为0.15 m,测得此时开沟部件平均功耗值约为1.22 kW。将装置正交试验表中各因素值代入功耗解析式,利用MATLAB软件进行数值计算与分析,得到影响功率消耗因素的主次顺序与台架试验结果相同,求得功耗理论值与试验值的相对误差百分比最大为12.86%,最小为2.00%,验证了功耗理论模型具有较高的准确性。该研究可为机具改进和小型林果园开沟机的设计提供参考。     

苹果枝条往复式切割剪枝参数分析与试验

为探究苹果枝条剪切力学特性,寻找最优切割参数组合,支撑后续剪枝装备的开发,该研究利用自制的往复式枝条切割试验台,通过单因素试验研究枝条直径、平均切割速度、切割间隙和刀具滑切角对枝条峰值切割力的影响。在单因素试验基础上选取平均切割速度、切割间隙和刀具滑切角为影响因素,以峰值切割力为目标进行多因素试验,并建立回归模型。试验结果表明,峰值切割力与枝条直径呈线性增长关系,随着平均切割速度和滑切角的增大而减小,随着切割间隙的增加先减小后增大。对回归模型进行优化分析,得到最优切割参数组合为平均切割速度0.4m/s、切割间隙1.5 mm、刀具滑切角20°,该组合下的峰值切割力为560.97 N。峰值切割力的预测值与实测值的偏差小于4%,切割参数优化结果可靠。该研究可为后续苹果枝条修剪装备的研发提供数据支撑。     

大蒜联合收获切根试验台设计与试验

为了提高大蒜联合收获切根作业性能,解决大蒜切根过程中根系一次清除率低、蒜头损伤率高等问题,该文设计了一种大蒜联合收获切根试验台,该试验台主要由毛刷辊、前旋转切刀、夹持输送机构、排序-对齐机构、浮动切根机构等组成,可一次性完成蒜株的根系清理和预切、蒜株排序和对齐、根系浮动切割等作业工序。该文确定了切根装置关键结构参数和作业参数,并对影响切根作业质量的主要因素开展了试验研究。试验结果表明,影响切根作业质量的主次作用因素为夹持输送速度、夹持角度、浮动切刀转速,较优参数组合方案为夹持输送速度1.05 m/s、夹持角度79°、浮动切刀转速2 200 r/min(切割线速度为17.3 m/s),此时根系去净率为96.1%,蒜头伤损率为2.39%,满足大蒜切根作业质量要求。该文研究结果可为大蒜联合收获切根装置的设计提供参考。     

苎麻茎秆台架切割试验与分析

为了给苎麻收割机的研制提供切割理论基础,该文进行了苎麻茎秆切割参数的试验研究。该文利用自行设计的试验台架进行苎麻茎秆的切割试验,研究往复式单动刀及双动刀切割器不同刀片几何参数(刀片长度、刀刃类型)、不同切割线速度和不同茎秆喂入速度对切割性能(切割功耗、切割质量和综合评分值)的影响。根据各个因素特点,论文采用多因素正交试验的方法确立两水平因素(刀刃类型、刀片长度和动刀组数)的最优水平组合,然后固定两水平因素的最优水平组合,以切割线速度和茎秆喂入速度为试验因素进行二次回归正交旋转设计试验来获得因素的最佳参数。根据多因素正交试验结果,采用往复式双动刀切割器,选用锯齿刃长刀片(120 mm)为最优水平组合。根据二次回归正交旋转设计试验结果,当切割线速度为0.878 9 m/s、茎秆喂入速度为0.862 4 m/s时,单位长度割幅切割功率最小,为281.408 4 W;当切割线速度为1.161 4 m/s、茎秆喂入速度为0.711 7 m/s时,单位面积切割失败株数最少,为5.691 1株;当切割线速度为1.092 0 m/s、茎秆喂入速度为0.722 9 m/s时,评分值最高,为86.7180分。综合试验结果,苎麻切割试验理论最佳水平组合为:切割线速度1.092 0 m/s、茎秆喂入速度0.722 9 m/s,采用往复式双动刀切割器,选用锯齿刃长刀片(120 mm),此时单位长度割幅切割功率为318.814 5 W,单位面积切割失败株数为6.006 4株。研究结果为后续苎麻收割机切割部件的研制以及切割行走速比的选择提供了基础理论数据。     

龙眼树枝修剪机具刀片切割力的影响因素试验

为降低机械化修剪机具刀片切割力,提高切口质量,该文在自制切割试验台上进行了石硖品种龙眼树枝切割试验。对树枝直径、切割速度、切割间隙、动刀刃角和动刀刃形5因素进行了单因素试验。在单因素试验的基础上选取正交试验的因素水平,进行了刀片峰值切割力正交试验。单因素试验结果表明,刀片峰值切割力均值与树枝直径呈极显著幂函数正相关关系,与切割速度之间呈显著对数函数负相关关系,与切割间隙之间呈显著二次多项式函数关系,与动刀刃角之间呈极显著指数函数正相关关系;外圆弧形刃口刀片切断同样直径的树枝时最省力。正交试验结果表明,切割速度为500mm/min,切割间隙为0.9mm,动刀刃角为10°时,峰值切割力最小为1.58kN。试验结果为设计省力、切割质量好的刀片提供了依据。     

甘蓝根茎切割力影响因素分析

为了合理设计4YB-1型甘蓝收获机切割装置,使其对甘蓝根切割效果更好.该文在微机控制多功能试验机上,进行单因素和多因素正交试验,研究了切割方式、切割刀片形式、切割速度和切割位置对甘蓝根茎切割力的影响.结果表明,切割位置对切割力的影响最大,切割力随着切割位置接近甘蓝顶层叶而减小,较优的切割位置距顶层着叶5~40 mm处,根径为22~30 mm用锯齿刀滑切时能大大降低甘蓝根茎的切割力;切割力随着切割速度的增加而减小,切割速度为150 mm/min 时有利于顺利切割,此时最大切割力为97.8 N;甘蓝根茎切割采用锯齿刀、滑切方式为宜.研究结果为4YB-I型甘蓝收获机切割器的设计和安装提供了理论依据.     

免耕播种机有支撑滚切式防堵装置设计与试验

针对玉米秸秆覆盖、留茬地免耕播种时存在根茬和玉米秸秆不易破除等问题,设计一种同时设有被动卧式旋转部件和主动卧式旋转部件的有支撑滚切式防堵装置,通过试验和理论分析的方法分别设计被动切割刀片和主动切割刀片,其中被动切割刀片的刀刃曲线采用等滑切角曲线,主动切割刀片的刀刃曲线采用阿基米德螺线。为确定刀刃曲线最佳参数进行土槽试验,分别对主动卧式旋转刀具和被动卧式旋转刀具进行二次旋转组合试验,运用Design-Expert软件建立各因素与各指标之间的回归方程,得出最佳参数组合为:主动卧式旋转刀具转动速度为120 r/min、主动切割刀片回转半径为240 mm;被动切割刀片回转半径为185 mm,被动切割刀片作业深度为95 mm;并此状态下进行田间验证试验,得出玉米秸秆根茬切断率平均值为91.3%,单把主动刀片功率消耗平均值为145.2 W,该研究可为玉米留茬覆盖地免耕播种机整机设计提供参考。     

差速锯切式水稻秸秆粉碎还田机设计与试验

为解决东北稻区秸秆粉碎质量不达标、影响后期作业的问题,该文基于差速锯切原理,设计了一种秸秆粉碎还田机,可实现锯盘刀与粉碎刀同向差速配合,提高切削秸秆的摩擦力及相对线速度,以达到支撑锯切的目的,改善秸秆粉碎效果。通过理论分析,对粉碎刀和锯盘刀等关键部件进行设计;利用Fluent仿真分析,得到正扇叶型粉碎刀能够提高粉碎腔内风速;对秸秆切碎过程进行动力学分析,确定影响粉碎效果的主要因素为粉碎刀转速及其与锯盘刀间的倾斜角度。选取粉碎刀转速和倾斜角度作为试验因素,以秸秆粉碎平均长度和秸秆粉碎长度合格率为评价指标,进行二因素三水平田间试验,结果表明:粉碎刀转速和倾斜角度对秸秆粉碎平均长度和秸秆粉碎长度合格率均有显著影响。综合考虑秸秆粉碎效果和功耗等因素,最终确定优化组合为粉碎刀转速1800 r/min,倾斜角度65°,相应的锯盘刀转速为600 r/min。优化组合条件下的田间试验结果为:秸秆粉碎平均长度9.58cm,长度10cm以下的秸秆占93.23%,秸秆抛撒不均匀度20.89%,满足东北稻区秸秆粉碎抛撒质量要求。通过与现有秸秆粉碎还田机进行性能对比试验,得出研制的差速锯切式水稻秸秆粉碎还田机秸秆粉碎效果更优,后期翻耕秸秆掩埋率达98.92%。机具的设计对解决东北稻区秸秆还田关键技术问题具有重要意义和应用价值。     

藤茎类秸秆专用切割刀片的设计与试验

为了解决传统切割刀片滑切角变动幅度大、受力不均、波动较大等问题,该文应用对数螺线方程,设计了藤茎类秸秆专用的等滑切角锯齿型刀片。通过对成熟期番茄藤和茄子藤在不同水分下的切割试验,结果表明:在刀轴转速为4 000 r/min、切割速度约为85 m/s的条件下,与普通刀片和等滑切角平型刀片相比,等滑切角锯齿型刀片切割番茄藤和茄子藤的电能分别为0.18和0.25 k W·h,消耗的切割电能少、切割效率高、切割效果好;40°等滑切角锯齿型刀片与45°的相比,40°等滑切角锯齿型刀片切割番茄藤和茄子藤的电能分别为0.38和0.49 k W·h,消耗的切割电能少、切割效率高、切割效果好;材料为Cr12Mo V的等滑切角锯齿型刀片与65Mn的相比,Cr12Mo V的刀片切割番茄藤和茄子藤的电能分别为0.17和0.24 k W·h,切割效果较好。该文设计的刀片在切割过程中受力较均匀,具有降低切割功耗、提高切割效率的作用,对于改进秸秆切割机械的工作性能和减小切割过程的能量消耗具有重要意义。     

滑剪组合式甘蔗根切装置的设计与试验

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。本研究可为新型甘蔗根切器的设计与研制提供理论参考。     

农作物秸秆切割试验台测控系统的研制与试验

为了准确测量农作物秸秆在切割过程中的力学特性,研究各因素对秸秆切割性能的影响,在已有秸秆切割试验台的基础上,研制了一套基于LabVIEW虚拟仪器的秸秆切割特性测控系统。该系统主要有电动机控制系统、数据采集系统及上位机系统3部分组成,实现了秸秆切割速度、喂入速度的连续可调,切割过程中的主轴扭矩、切割力、切割速度、喂入速度等信号可高速实时采集与显示,并具有数据保存和回放等功能。试验表明,该测控系统能够较好地实现切割速度与喂入速度在0～2 m/s范围内的任意组合以及切割扭矩、切割力和转速在0～10 kHz采集频率下的测量与分析,为切割刀具参数的优化和秸秆收割收获装备的开发提供了理论依据与技术支持。