玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计

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1、玉米根茬铲切刀具的滑切刃曲线优化设计随着石油、煤炭等不可再生资源的日益枯竭，生物质资源的开发和利用日益受到关注，据研究表明玉米根茬占玉米秸秆总量的12～15%，中国年玉米秸秆的产量近2.5亿t，以此推算每年将产生多达0.375亿t玉米根茬，这座巨大的可再生的生物矿藏埋藏于地下，经常被人们所忽视。为减小耕作阻力，降低作业功耗，农业机械中诸多切割部件的优化设计，都运用了滑切原理。材料的摩擦属性等多种因素影响着滑切过程的力学行为。2.2滑动铲切功耗模型的建立理想铲切情况为“原地切割”，即斜刃对根茬实施切割过程中，根茬的位置固定不动，刃口相对于根

2、茬沿τ方向发生滑移，并沿y方向切出一根茬厚度。如图2所示，若以一圆形代表根茬的切割断面，m和n点分别代表滑切过程的初始接触点和终结分离点，m′表示滑切终结时初始接触点m的位置，则理想滑切所产生的各距离之间的几何关系可表示为cosDyθΔ=，brs=Dtgθ（4）式中，Δy为沿y方向的铲切距离，m；D为根须断面直径，m；brS为沿τ方向发生的相对滑移距离，m。考虑到机车在田间匀速行进，单个根茬与刀刃自接触至被切断，所消耗的平均时间可表示为ceytvΔ=（5）式中，ev为机车匀速行驶的速度(m/s)。另外，若假设根茬质点周围的物理环境均一，则

3、在滑切过程中质点所受到的法向反力NF为定值，由式（3）易知ra也为定值，那么二者自相对静止至滑切结束，所发生的相对滑切距离为212crrcs=at（6）式中，crs为相对滑切距离，m；ct为相对滑切的耗时，s。一般来讲，滑切角θ越大，切割阻力NF会随之减小，但在滑切过程中根茬相对于刃口滑过的路径也会随之增大，当滑切角过大时，能量不仅用于切断物料，物料与切割刀刃之间的摩擦力也会增大，虽然切，割阻力会下降，但总功耗仍可能增加[10]，因此需全面分析滑切过程中，滑切功耗同滑切角的函数关系，建立单株根茬的滑切的近似功耗方程yNsbrsvD。则斜刃

4、滑切多株根茬的功耗数学模型可表示为n钢材之间的摩擦系数，采样过程在田间随机选取了15个点，每株根茬制备3～5个试验样本，每个样本测试3次，最后通过错点剔除及平均值计算法，获得各区段物料的平均摩擦系数，数据见表1。以各区段摩擦系数为基本数据，按照所确定的摩擦角与最优滑切角之间的曲线关系，通过线性插值算法，获得各区段理论最优滑切角，2.2铲切功耗的试验研究采用铲切试验的方法[12~15]，验证各区段不同摩擦系数物料同最优滑切角之间的关系。将若干把具有固定滑切角的刀具，分别装卡于万能试验机的卡头上并与力传感器串接刀具可随试验机的卡头沿竖直方向上

5、下往复移动，在刃口下方放置一个铁皮箱体用于盛放试验物料（土壤、根茬等），当刀具斜刃切割箱体中的物料时，计算机实时记录力和位移数据。为真实模拟田间铲切过程，预先填放一定量的田间黑土，在此基础上挖取一截面直径为25mm的半圆柱体空腔，试验之前腔体内不填埋任何物料，记录各刀具对田间黑土的切割功耗，然后再将各区段的物料分别埋于此空腔中，实施铲切试验。将各区段具有不同摩擦角的物料填埋于b中的空腔内，保证刀具刃口全部浸没于物料之中，令刀具以100mm/s的速度下行铲切[12]，铲至斜刃末端到达图5b中的终结位置，同时记载铲切过程中力与位移数据，除去空

6、腔铲切过程的功耗损失，即为留空腔内物料的切割功耗0(()())desMEF为腔内物料及田间黑土铲切力，N；EF为田间黑土铲切力，N；es为刀具下行距离，m。采用6把不同滑切角的刀具，切割各区段的物料，并由式（15）计算切割功耗，每组试验重复实施3～5次，通过错点剔除、平均值计算等统计方法，获得不同滑切角与各区段物料铲切功耗之间的关系，当采用滑切角小于45°的刀具铲切各区段物料时，均呈现出切割功耗随滑切角增大而显著减小的变化规律，且在各理论临界滑切角附近，滑切功耗显著降低；由A区段铲切功耗变化曲线可知，物料的最小切割功耗出现在滑切角为65°

7、处，并且存在继续小幅减小趋势；而B、C区段曲线的最小切割功耗值出现在55°处；D、E区段曲线的最小铲切功耗出现在45°～55°之间。通过试验获得了各区段物料的切割功耗随滑切角的变化规律，并确定了最低切割功耗对应的最优滑切角的大致范围，该范围中的理论最优滑切角相符，因此可作为优化滑切刃口的参考依据。2.3铲切刃口的优化设计由图2中的几何关系可知，刃口切割点的切线τ方向，与x轴的夹角恰为滑切角θ，滑切刃的斜率即为滑切角的正切值，那么由表1中的各区段物料最优滑切角的正切值，则为该段滑切刃的斜率。如图7所示，将此组多级最优滑切角的组合刃口制成刀具

8、，与传统固定滑切刃刀具实施对比试验，试验数据（表3）表明多级滑切刃刀具的铲切功耗最小。3结论1）由铲切试验表明，所建立的切割动力学模型及能耗模型，能够比较客观地描述玉米根茬的铲切过程；物料摩擦