藤莖類秸稈切割機(jī)理與性能試驗(yàn)研究.pdf

1、中國地大物博，是歷史悠久的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物種類豐富、分布廣泛、產(chǎn)量巨大，因此也是農(nóng)作物秸稈資源最為充裕的國家之一。番茄藤等藤莖類秸稈與殘茬，數(shù)量巨大，作為重要的生物資源開發(fā)利用日益受到重視。這類秸稈由于難于粉碎、分解吸收處理，隨意廢棄致使病蟲害嚴(yán)重發(fā)生，而普遍焚燒處理又嚴(yán)重威脅交通安全、污染社會(huì)環(huán)境。針對(duì)量大面廣的藤莖類秸稈焚燒處理普遍、切割粉碎困難等問題，以及秸稈切割機(jī)理深入系統(tǒng)研究缺乏、切割功耗高、效率低等不足，選擇番茄藤和茄子藤秸

2、稈為研究對(duì)象，結(jié)合秸稈切割小型化和便捷性的要求，從藤莖類秸稈微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性入手，研究藤莖類秸稈的切割機(jī)理，為設(shè)計(jì)、改進(jìn)加工設(shè)備和加工工藝提供理論依據(jù)；從切割形式和刀片的結(jié)構(gòu)工作參數(shù)入手，研究切割形式、刀片結(jié)構(gòu)工作參數(shù)對(duì)秸稈切割性能影響規(guī)律，優(yōu)化秸稈切割工藝參數(shù)，解決秸稈切割效率低、功耗高難題，降低秸稈切割成本，促進(jìn)秸稈資源化利用和推廣。具體工作如下：
　　（1）首先通過藤莖類秸稈微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定試驗(yàn)，分析藤莖類秸稈微觀組織結(jié)構(gòu)

3、對(duì)秸稈切割性能的影響；對(duì)番茄藤和茄子藤秸稈進(jìn)行拉伸和剪切試驗(yàn)，并以秸稈的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、剪切強(qiáng)度和剪切模量為指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)藤莖類秸稈與一般農(nóng)作物秸稈在力學(xué)特性上存在差異，為開發(fā)藤莖類秸稈專用高效切割機(jī)械提供理論依據(jù)。
　　（2）根據(jù)傳統(tǒng)切割理論和對(duì)秸稈力學(xué)特性的研究，設(shè)計(jì)了等滑切角鋸齒型刀片，并建立了秸稈切割的力學(xué)模型，分析了切割力與刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系；通過切割力單因素試驗(yàn)研究，分析了秸稈橫截面積、刀片型式、切割速度對(duì)切割力的

4、影響，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者的趨勢(shì)和數(shù)值大體一致；通過切割力正交試驗(yàn)研究，分析了三個(gè)因素對(duì)切割力影響的顯著程度依次是：刀片型式、切割方式、切割速度。在滿足切割要求的前提下，最后確定的最優(yōu)切割方案為：選擇滑切、鋸齒型刀片。
　?。?）運(yùn)用有限元軟件分析了秸稈橫截面積和刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)等滑切角鋸齒型刀片應(yīng)力場(chǎng)和變形的影響：切割力隨著秸稈橫截面積的增加，刀片楔角的增加而逐漸增大，隨著刀片后角的增加呈下降的趨勢(shì)。通過有限元分析方法對(duì)

5、普通刀片和專用切割刀片的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：普通刀片在相同的切割力作用下受到的應(yīng)力和變形都比較集中，不利于切割，刀片在切割過程中很容易被破壞和磨損；專用切割刀片的受力比較均勻，分散了刀片的應(yīng)力集中，將刀片的變形位置轉(zhuǎn)移，從而不會(huì)影響切割的質(zhì)量。對(duì)專用切割刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行局部靈敏度和全局靈敏度分析，選擇刀片的厚度、螺栓孔上直徑、螺栓孔下直徑和兩個(gè)螺栓孔中心距四個(gè)參數(shù)對(duì)刀片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到最佳的一組設(shè)計(jì)參數(shù)，使刀片在滿足強(qiáng)度和剛度的條件下質(zhì)量

6、有所減少，尺寸的確定更加合理，切實(shí)提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。
　　（4）運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)切割過程中的切割應(yīng)力和秸稈的能量變化等進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明：隨著切割速度的增大，相應(yīng)的切割應(yīng)力有一定的加大。從計(jì)算結(jié)果可以看出，理論計(jì)算的切割應(yīng)力與模擬分析、切割試驗(yàn)得到的切割應(yīng)力在數(shù)值上比較接近，從而證明了前面所推導(dǎo)的刀片切割力計(jì)算方法的正確性。運(yùn)用離散元分析軟件EDEM對(duì)藤莖類秸稈在秸稈粉碎機(jī)中的切割過程進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明：滑切角為

7、40°的等滑切角鋸齒型刀片在切割過程中受到的合力較小，受力比較均勻，波動(dòng)較小，切割效果明顯好于其余三種刀片，因而是藤莖類秸稈切割的最佳刀片選擇；隨著轉(zhuǎn)速的增加，秸稈切割消耗的能量和切割力都相應(yīng)增加，但切割效果更好。對(duì)于藤莖類秸稈，經(jīng)過模擬分析和試驗(yàn)研究等綜合考慮，選擇刀片的轉(zhuǎn)速為4000r/min。
　?。?）通過對(duì)成熟期番茄藤和茄子藤在不同水分下的切割試驗(yàn)，結(jié)果表明：40°等滑切角鋸齒型刀片切割番茄藤和茄子藤消耗的切割功耗少、切