郭超凡，李粵，姚德宇，魏思林，吳紫晗，李媛

(1.海南大學(xué)機電工程學(xué)院，?？谑?，570208；2.湖南省工業(yè)設(shè)備安裝有限公司，湖南株洲，412000；3.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，?？谑校?71700)

0 引言

在農(nóng)用香蕉秸稈粉碎還田機進行田間作業(yè)過程中，粉碎刀的形狀及參數(shù)決定著一臺秸稈粉碎還田機作業(yè)質(zhì)量、消耗功率及作業(yè)可靠度的高低。秸稈粉碎還田機的粉碎刀是該機構(gòu)的主要工作部件，經(jīng)常與莖稈、泥土、石塊以及其他田間雜質(zhì)接觸摩擦，工作條件極為惡劣，且由于其轉(zhuǎn)速一般較高，需要承受很大的沖擊力才能達到粉碎莖稈的目的[1]。目前，基于外觀特性，秸稈粉碎刀可分為直刀、甩刀和錘爪刀，其中甩刀又可細(xì)分為L型、T型及Y型[2]。機具田間作業(yè)時，會出現(xiàn)香蕉秸稈纖維容易纏繞在刀具上，導(dǎo)致刀片減阻性能較差，增加整機功耗，而且容易產(chǎn)生形變和磨損，使用壽命低，影響粉碎效率?；诖耍岣叻鬯榈稖p阻性能和提高機器粉碎效率是目前粉碎刀設(shè)計的重點和難點。

在提高減阻降耗性能方面，仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化是一種應(yīng)用十分廣泛的重要方法。王少偉等[3]對鼴鼠前爪第3趾結(jié)構(gòu)的擬合圓弧對開溝刀刃線及表面結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，通過田間試驗表明仿生開溝刀的功耗和磨損質(zhì)量均低于原來齒形開溝刀；朱鳳武[4]通過金龜子前足脛節(jié)外緣齒與深松鏟刀刃曲線擬合，達到減小耕作阻力和節(jié)約能耗的目的；張磊磊[5]根據(jù)河貍下門齒的特征曲線及其變曲率特征，設(shè)計仿生刀片。由此可見，上述仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要利用動物爪趾、牙齒等鋒利部位的特征輪廓線參數(shù)進行刃線設(shè)計。

自然界的一些生物經(jīng)過長期的演化與進化過程，具備了耐磨的體表、材料和結(jié)構(gòu)以及巧妙的捕食和生活技巧[6]。自然已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十億年的進化，它的鬼斧神工常常蘊藏著精妙的設(shè)計思想[7]，貓科動物如虎、獅、豹，犬科動物如狗、狼、狐都具有適合捕獵的鋒利的爪牙，狼在捕獵的過程中用鋒利的爪子撕裂獵物，在農(nóng)業(yè)機械化領(lǐng)域的秸稈粉碎部件的研究中，它們利爪的特有的幾何輪廓為提高秸稈粉碎效果提供了參考。另外在狼、豹等動物進行捕獵時，會隱蔽前行靠近獵物，當(dāng)確定獵物進入他的捕殺范圍，會一躍而起奔撲向獵物，在前撲的過程中，它們的利爪會快速地刺入獵物體內(nèi)，在香蕉秸稈粉碎刀的安裝角度以及運動軌跡的研究中，它們的前爪與撲殺過程為秸稈粉碎部件提供仿生設(shè)計參考。由此可知，狼爪輪廓曲線和刺入角度對狼的捕獵具有重要的影響。

本文基于仿生原理，從狼在捕獵時，它的爪趾易刺入獵物體內(nèi)為切入點，模仿狼爪的輪廓結(jié)構(gòu)，設(shè)計一種仿生式減阻型秸稈粉碎刀，并通過田間試驗來研究仿生結(jié)構(gòu)特征對香蕉秸稈粉碎還田機田間工作性能的影響。

1 仿生式減阻型粉碎裝置設(shè)計

1.1 狼爪輪廓曲線擬合函數(shù)的獲取

在狼爪輪廓線上選取一組能顯著反映狼爪輪廓特征的點作為待測點，利用SolidWorks三維建模軟件自帶的點坐標(biāo)參數(shù)獲取功能，在狼爪縱剖面上建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系，獲取狼爪輪廓線上待測點的坐標(biāo)，收集到的點集坐標(biāo)如表1所示。利用多項式曲線擬合功能，對點集坐標(biāo)進行多項式擬合，如圖1所示。擬合函數(shù)為

圖1 擬合曲線方程

表1 狼爪輪廓點坐標(biāo)

y=0.161 9x2+33.324x+1 718.3

(1)

R2=0.887 8，回歸系數(shù)接近于1，說明此函數(shù)比較貼合真實狼爪結(jié)構(gòu)。

1.2 仿生式減阻型秸稈粉碎刀設(shè)計與加工

基于之前研制的直型粉碎刀[8]，將狼爪輪廓曲線應(yīng)用于直型粉碎刀。直型粉碎刀由刀柄、具有正切刃的正切面和側(cè)切刃的側(cè)切面組成，刀片刃角為25°，工作幅寬b1為60 mm，旋轉(zhuǎn)半徑R1為360 mm，如圖2(a)所示。在進行香蕉秸稈粉碎試驗時，粉碎刀側(cè)切面具有切割豎直方向秸稈的功能，正切面對絕大部分水平方向的秸稈進行切割，使得粉碎刀整刀功耗較大部分都消耗在正切面上。根據(jù)狼爪結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合直型粉碎刀結(jié)構(gòu)，將狼爪輪廓曲線應(yīng)用于直型粉碎刀的正切面上，如圖2(b)所示。

(a)直型粉碎刀

由圖2可知，直型粉碎刀與仿生式減阻型秸稈粉碎刀的不同在于工作幅寬、刀刃軌跡、刃角。仿生式減阻型秸稈粉碎刀是以狼爪輪廓曲線為刀刃軌跡，減小應(yīng)力集中，增強刀片強度。仿生粉碎刀的工作幅寬b2為110 mm，旋轉(zhuǎn)半徑R2為360 mm，能與更多的香蕉秸稈接觸，增強秸稈粉碎效果。刃角影響著刀片的粉碎效率，刃角過小會使刀片強度降低，容易造成磨損甚至斷裂。為使刀片具有鋒利度和保持度，刀片在多次使用后通過重新打磨使刀刃保持鋒利，刀片的開刃角度選取為30°。

秸稈粉碎還田刀片的刀刃與秸稈、根茬、土壤、砂石等接觸，故要求刀刃具有較好的耐磨性，由于刀片的特殊形狀，故刀片本身要具有一定的剛度，防止在作業(yè)過程中有較大的變形[9]。仿生式減阻型秸稈粉碎刀加工工藝和國標(biāo)旋耕刀的加工工藝相同，仿生式減阻型秸稈粉碎刀的主切削面、主切削刃、側(cè)切削面、側(cè)切削刃一方面被用來切斷秸稈，另一方面由于其與土壤中碎石產(chǎn)生強烈摩擦，需承受較大沖擊載荷，故要求其硬度控制在55～60 HRC[10]。由于在切削香蕉秸稈時，仿生式減阻型秸稈粉碎刀需承受較大作業(yè)反力，導(dǎo)致刀柄需要承受較大的扭矩，因此設(shè)計仿生式減阻型秸稈粉碎刀刀柄時需保證其具有較高的韌性，將其硬度控制在40～48 HRC。

為有效地控制刀具的組織外貌，以免對刀具的使用性能有所影響。仿生式減阻型秸稈粉碎刀采用鍛壓工藝加工，隨后進行鹽浴處理，進行兩次回火達到刀片硬度的設(shè)計要求。第一次回火將刀片的主體部分硬度提升至55～60 HRC，同時消除內(nèi)應(yīng)力；第二次回火主要控制刀柄的硬度，將其加熱至450°，隨后進行回火水冷，從而將其硬度控制在40～48 HRC。根據(jù)此前已有的研究試驗[9]，加工3種厚度分別為8 mm、10 mm以及12 mm的粉碎刀，如圖3所示，用于本文的試驗設(shè)計。

圖3 仿生刀片加工圖

1.3 秸稈粉碎刀軸設(shè)計

田間作業(yè)時，香蕉秸稈粉碎部件在各種作業(yè)反力作用下，部分零部件會產(chǎn)生彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜組合變形?？紤]到節(jié)能減材，在不影響秸稈粉碎部件工作性能的前提下可將秸稈粉碎刀軸設(shè)計成空心軸。與圓鋼等實心鋼材相比，鋼管在抗彎、抗扭強度相同時，重量較輕，是一種經(jīng)濟截面鋼材，并且無縫鋼管具有較強的耐壓性，所以粉碎刀軸的材料選用Q235的無縫鋼管，其內(nèi)徑d=70 mm，外徑D=85 mm，各刀座繞刀軸軸線呈圓周均勻排列，相鄰刀座的徑向夾角α為120°。切割角度為60°時對香蕉果梗纖維的破壞能力最強，且細(xì)的香蕉果梗較粗的香蕉果梗更容易被切割[11]。因此，刀座的彎折角θ為60°。通過螺栓固定連接的方式將刀座與秸稈粉碎刀連接，在受損后方便拆卸與更換，如圖4所示。

圖4 秸稈粉碎刀軸與刀座裝配三維模型

2 田間試驗

2.1 試驗條件

2019年，在海南省澄邁縣福山鎮(zhèn)墩茶村的香蕉秸稈還田示范地進行田間試驗，選取的試驗田的長為40 m，寬為50 m。其中，試驗田內(nèi)香蕉假莖的高度為2 200～2 700 mm。田間試驗中香蕉秸稈還田設(shè)備采用熱帶作物機械化還田課題組自行設(shè)計研制的立式香蕉秸稈粉碎還田機[12-13]，將仿生式減阻型秸稈粉碎刀安裝到立式香蕉秸稈粉碎還田機上，其作業(yè)現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 作業(yè)現(xiàn)場圖

2.2 試驗指標(biāo)測試方法

在機具工作的每個行程中隨機選取5個測試區(qū)(1 m×1 m)，在測試區(qū)中稱取所有秸稈粉碎殘渣的重量m1；稱取秸稈長度大于10 cm的秸稈重量m2[14]。根據(jù)式(2)計算出各個測試區(qū)中的香蕉秸稈粉碎合格率，最后求出5個測試區(qū)中的平均值，即為所求值。

(2)

式中：P——香蕉秸稈粉碎合格率，%。

在試驗過程中轉(zhuǎn)速值則通過安裝在香蕉秸稈還田機動力輸入軸上的CYT-302型旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器測定。

2.3 試驗方法

為確定參數(shù)最佳組合，根據(jù)單因素試驗結(jié)果，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗方法[15-18]。根據(jù)Box-Behnken試驗方案，基于減阻降耗原理，本試驗選取影響香蕉秸稈粉碎合格率的主要因素：刀片厚度、還田機前進速度、刀軸轉(zhuǎn)速，進行三水平三因素試驗，共計17組，每組試驗重復(fù)5次，秸稈粉碎合格率取其平均值，試驗因素水平編碼如表2所示。

表2 因素水平編碼表

3 結(jié)果與分析

在Design-Expert中，通過響應(yīng)曲面Box-Behnken設(shè)計方法進行試驗分析，試驗設(shè)計方案及結(jié)果如表3所示，對秸稈粉碎合格率P與各因素之間建立數(shù)學(xué)模型，并且通過響應(yīng)面分析法，考察兩因素間交互作用效應(yīng)。

表3 試驗設(shè)計方案及結(jié)果

3.1 方差分析

根據(jù)表3試驗結(jié)果得到秸稈粉碎合格率P對各因素編碼值的回歸方程為

P=94.80-0.50A+4.10B+1.02C+2.37A·

B-0.37A·C-0.18B·C-4.91A2-

0.013B2-4.81C2

(3)

在回歸方程中，系數(shù)絕對值的大小決定了該因素對秸稈粉碎合格率的影響大小，從而可以得出3個因素對秸稈粉碎合格率的顯著性順序由大到小為B、C、A。

對表3的結(jié)果通過逐步回歸法進行秸稈粉碎合格率的三元二次回歸分析及方差分析，結(jié)果見表4。

由表4方差分析可知，一次項中B為極顯著(P<0.01)，C為顯著(P<0.05)，二次項中AB、A2、C2均為極顯著(P<0.01)，由此可知各個因素之間存在交互作用，并且各個因素對秸稈粉碎合格率的影響并不是呈單純的線性關(guān)系。失擬項P=0.404 8>0.05，不顯著，說明模擬效果好。模型的決定系數(shù)R2=0.978 8，即回歸模型擬合度為97.88%，說明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實際結(jié)果擬合精度高[19]，通過此模型對秸稈粉碎合格率進行分析。且影響因素B(刀軸轉(zhuǎn)速)>C(刀片厚度)>A(還田機前進速度)，與式(3)所得結(jié)果一致。

表4 秸稈粉碎合格率方差分析

3.2 秸稈粉碎合格率與各參數(shù)響應(yīng)曲面的分析

根據(jù)表3試驗數(shù)據(jù)，各因素對秸稈粉碎合格率的響應(yīng)曲面如圖6所示，根據(jù)圖6中等高線可判定二者交互效應(yīng)的強弱[20-26]，交互作用由強到弱依次為：還田機前進速度和刀軸轉(zhuǎn)速(AB)、還田機前進速度和刀片厚度(AC)、刀軸轉(zhuǎn)速和刀片厚度(BC)，與表4的顯著性相對應(yīng)。

由圖6(a)可知，還田機前進速度與刀軸轉(zhuǎn)速(AB)存在交互作用。當(dāng)?shù)镀穸忍幱?水平時，秸稈粉碎合格率先隨還田機前進速度增大至最大值后逐漸減小，如圖7(a)所示。這是因為當(dāng)還田機前進速度從-1水平逐漸提高時，秸稈粉碎合格率逐漸增大，當(dāng)增大到一定值時，由于前進速度過快，導(dǎo)致秸稈喂入量過多，刀具無法有效粉碎香蕉秸稈，秸稈粉碎合格率隨之降低；秸稈粉碎合格率隨刀軸轉(zhuǎn)速的增大而逐漸增大，如圖7(b)所示。這是因為刀軸轉(zhuǎn)速越大，加快了對秸稈的粉碎效率，但考慮到機具結(jié)構(gòu)承載，以及機具在實際作業(yè)中的功耗情況，在保證秸稈粉碎合格率的條件下，刀軸轉(zhuǎn)速在合理范圍內(nèi)選取810～1 650 r/min。

(a)P=f(A,B,0)

由圖6(b)知，刀片厚度與還田機前進速度(AC)存在交互作用。當(dāng)?shù)遁S轉(zhuǎn)速處于0水平時，秸稈粉碎合格率先隨刀片厚度增大至最大值后逐漸減小，如圖7(c)所示。這是由于若刀片厚度過小，刀片強度不夠從而導(dǎo)致作業(yè)過程中變形，粉碎合格率降低；若刀片厚度過大，致使粉碎裝置慣性增大，使得機具震動劇烈，刀片的運動軌跡不規(guī)律，導(dǎo)致粉碎合格率降低。同時，由式(3)和表4可得，刀軸轉(zhuǎn)速與刀片厚度(BC)交互作用不顯著。

(a)A對P的影響

由圖6的響應(yīng)曲面可以看出，還田機前進速度與刀軸轉(zhuǎn)速(AB)變化時，秸稈粉碎合格率的變化幅度較大；還田機前進速度和刀片厚度(AC)變化時，秸稈粉碎合格率的變化幅度相對較小，說明還田機前進速度與刀軸轉(zhuǎn)速(AB)的交互作用是影響秸稈粉碎合格率的主要因素，與表4分析一致。

通過Design-Expert軟件的Optimization功能，進行優(yōu)化分析，得出三因素的最優(yōu)參數(shù)組合：還田機前進速度A為4.72 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速B為1 626.67 r/min、刀片厚度C為9.84 mm，此時，香蕉秸稈粉碎合格率為97.28%。

3.3 驗證試驗

為進一步檢驗上述優(yōu)化試驗結(jié)果的實際應(yīng)用效果，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果及試驗的可操作性，將設(shè)備參數(shù)固化為最優(yōu)解[27]，將還田機前進速度、刀軸轉(zhuǎn)速分別調(diào)整為4.7 km/h、1 630 r/min，研制刀片厚度為9.8 mm，在此條件下進行田間驗證試驗。為避免隨機誤差，在作業(yè)總面積為60 m2的田間進行5次試驗，最后取5次試驗的平均值，得到在調(diào)整為優(yōu)化參數(shù)情況下，香蕉秸稈粉碎合格率的田間試驗值為96.94%，與軟件優(yōu)化值(97.28%)間的誤差為0.34%，由此可見，軟件優(yōu)化值較為合理。

3.4 對比試驗

為更加清楚地看出參數(shù)優(yōu)化后的各項性能指標(biāo)的提高程度，故將樣機裝配直型粉碎刀后加入到此次的田間試驗，還田機前進速度同樣控制為4.7 km/h，刀軸轉(zhuǎn)速同樣設(shè)置為1 630 r/min，在同一個作業(yè)面積為60 m2的試驗田進行5次試驗，對香蕉秸稈粉碎還田機進行作業(yè)性能對比試驗，最后取平均值，得到的試驗結(jié)果如表5所示。

表5 香蕉秸稈粉碎還田機的作業(yè)性能對比

試驗結(jié)果表明：裝配仿生式減阻型秸稈粉碎刀的立式香蕉秸稈粉碎還田機的秸稈粉碎合格率比裝配直型粉碎刀的粉碎還田機提高2.34個百分點。在進行田間試驗時，裝配仿生式減阻型秸稈粉碎刀的立式香蕉秸稈粉碎還田機沒有出現(xiàn)纖維纏繞刀盤的情況，但裝配直型粉碎刀的粉碎還田機的刀片出現(xiàn)纖維局部纏繞的現(xiàn)象，進一步驗證了仿狼爪秸稈粉碎刀在切割時起到了減阻作用，進而提高了香蕉秸稈粉碎合格率，在工作性能上有了一定的改進和提升。

4 結(jié)論

1)本文通過狼爪獲取靈感，基于仿生減阻機理，提出一種模仿狼爪輪廓曲線的仿生秸稈粉碎刀的設(shè)計方案，獲取仿狼爪輪廓曲線刀刃曲線方程，將仿生曲線方程應(yīng)用在秸稈粉碎刀刃設(shè)計上，結(jié)合香蕉秸稈的結(jié)構(gòu)特性，采用鍛壓工藝的方式加工出符合結(jié)構(gòu)參數(shù)和硬度要求的仿生式減阻型秸稈粉碎刀。

2)在Design-Expert中，通過響應(yīng)曲面Box-Behnken設(shè)計方法進行試驗分析，得出3個因素對秸稈粉碎合格率的顯著性順序由大到小為刀軸轉(zhuǎn)速、刀片厚度、還田機前進速度。通過優(yōu)化分析，得出三因素的最優(yōu)參數(shù)組合：還田機前進速度為4.72 km/h、刀軸轉(zhuǎn)速為1 626.67 r/min、刀片厚度為9.84 mm，此時，香蕉秸稈粉碎合格率為97.28%。將優(yōu)化后的參數(shù)應(yīng)用于香蕉秸稈粉碎設(shè)備上進行田間試驗，秸稈粉碎合格率實際可達96.94%，與軟件優(yōu)化值(97.28%)間的誤差為0.34%，由此可見，優(yōu)化參數(shù)可以滿足香蕉秸稈粉碎的實際要求。

3)通過對比試驗，裝配仿生式減阻型秸稈粉碎刀的立式香蕉秸稈粉碎還田機的秸稈粉碎合格率比裝配直型粉碎刀的粉碎還田機的粉碎合格率提高2.34個百分點，且秸稈纏繞減少。

該研究對刀具進行合理的仿生結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為香蕉秸稈的有效還田起到一定的推動作用，它對實現(xiàn)秸稈粉碎刀的減阻特性有一定的啟發(fā)。