陸亮 涂宇

摘要：巨菌草收獲機(jī)切割器的模型與工作參數(shù)直接影響到收割能耗與質(zhì)量?；谔摂M樣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)與切割仿真理論，利用ugnx1847參數(shù)化建立整桿式巨菌草雙圓盤(pán)切割器三維實(shí)體模型及巨菌草物理模型，在adams/view模塊中將巨菌草莖稈柔性化，導(dǎo)入adams中完成虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)并進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真分析，試驗(yàn)驗(yàn)證虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)及仿真的正確性。以刀盤(pán)傾角、刀片刃角、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為影響因素，切割莖稈的切割力為評(píng)價(jià)指標(biāo)表征切割損耗，對(duì)影響切割力與切割損耗的因素設(shè)計(jì)三因素三水平虛擬正交試驗(yàn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析和方差分析。結(jié)果表明：切割器轉(zhuǎn)速為480 r/min，刀片刃角為25°，刀盤(pán)傾斜角為2°時(shí)，切割力為最低水平266 N，切割損耗有效降低，為巨菌草切割器關(guān)鍵部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：巨菌草；收割機(jī)切割器；虛擬仿真；正交試驗(yàn)；切割力

中圖分類號(hào)：S776.31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 03-0041-08

Abstract： The model and working parameters of the cutter of the giant Juncao harvester directly affect the energy consumption and quality of harvesting. Based on the virtual prototype design technology and cutting simulation theory， the ugnx1847 parameterization is used to establish the threedimensional solid model of the wholerod doubledisc cutter of Juncao and the physical model of Juncao， and the stalk of Juncao is flexible in the adams/view module， imported into adams to complete the virtual prototype design and the rigidflexible coupling dynamics simulation analysis， the experiment verified the correctness of the virtual prototype design and simulation. Taking the inclination angle of the cutter head， the blade edge angle， the rotational speed of the cutter head and the forward speed as the influencing factors， and the cutting force of cutting the stalk as the evaluation index to represent the cutting loss， a threefactor and threelevel virtual orthogonal experiment was designed for the factors affecting the cutting force and cutting loss， using statistical software to carry out response surface regression analysis and variance analysis. The results show that the cutter speed is 480 r/min， the blade edge angle is 25°， and the cutting force is the lowest level of 266 N when the cutter head tilt angle is 2°， and the cutting loss is effectively reduced. It provides theoretical and experimental basis for the optimal design of key parts of the giant Juncao cutter.

Keywords： giant Juncao; harvester cutter; virtual simulation; orthogonal experiment; cutting force

0引言

巨菌草不僅可用作營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富的飼料、能量轉(zhuǎn)化率高的生物質(zhì)能源，并且生態(tài)治理效益顯著，是可替代林木培養(yǎng)食藥用菌等微生物的優(yōu)質(zhì)草本植物。由于菌草技術(shù)近年的廣泛推廣與應(yīng)用，生產(chǎn)中急需研制低耗高效的菌草收獲機(jī)，實(shí)現(xiàn)巨菌草機(jī)械化生產(chǎn)。虛擬樣機(jī)研發(fā)異于傳統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)中物理樣機(jī)設(shè)計(jì)-建造-測(cè)試評(píng)估-反饋設(shè)計(jì)的循環(huán)流程，通過(guò)數(shù)字化模擬研發(fā)后再建造物理樣機(jī)，既壓縮產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本與研發(fā)周期，也可與造型、結(jié)構(gòu)分析和控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真使得分析更準(zhǔn)確全面［1］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)作物機(jī)械收獲的莖稈切割性能研究已有一定的進(jìn)展［2］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)莖稈的力學(xué)測(cè)試指標(biāo)主要有抗拉、壓、彎、剪強(qiáng)度以及楊氏模量［34］。劉慶庭等［56］深入研究了甘蔗莖稈切割機(jī)理以及不同工況下的甘蔗莖稈切割的影響因素，并且得出莖稈切割力的理論及經(jīng)驗(yàn)公式。李耀明等［7］對(duì)玉米莖稈切割影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)得到的切割力求出切割功耗。莖稈切割屬于剛性體與柔性體的直接相互作用，切割器性能、莖稈的物理及生物特性、兩者之間的耦合作用會(huì)直接或者交互影響切割效果［89］。莖稈的力學(xué)參數(shù)直接影響到切割效果，直接關(guān)系到收割器的優(yōu)化設(shè)計(jì)［10］。

虛擬樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真在作物收獲機(jī)的研制與仿真分析中有一定應(yīng)用，解福祥等［11］采用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種懸掛式整稈甘蔗收割機(jī)整機(jī)模型，并動(dòng)力學(xué)仿真研究了各部件收獲甘蔗時(shí)的物流過(guò)程，為生產(chǎn)物理樣機(jī)提供了參考，李杰等［12］對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的割刀進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，運(yùn)用adams虛擬仿真驗(yàn)證了其運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，為割刀設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)，施印炎等［13］設(shè)計(jì)了自走式蘆蒿有序收獲機(jī)虛擬樣機(jī)，并通過(guò)蘆蒿切割的虛擬動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證了模型的高性能。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于巨菌草收獲機(jī)的研制以及虛擬仿真分析研究很少，巨菌草收割過(guò)程若收獲機(jī)前進(jìn)速度與切割器切割速度不匹配或刀具參數(shù)不合理會(huì)造成重割、漏割以及莖稈與刀盤(pán)碰撞，莖稈受力效果差，造成切割耗能大、收割效率低和菌草破頭率高。因此本文基于虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行整桿式巨菌草雙圓盤(pán)切割裝置的關(guān)鍵部位仿真設(shè)計(jì)并分析，優(yōu)化作業(yè)時(shí)的切割器結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，有效降低切割的切割力與切割損耗。

1莖稈切割力學(xué)理論

1.1切割器與莖稈作用力分析

木材切削學(xué)中，切削力由木材作用在刀片上的切割阻力引起，來(lái)源于變形力、分離力、摩擦力，其中變形力占比最大，切削力受到切削角、樹(shù)木種類、含水率、切削速度、前進(jìn)速度、切削刃的鋒利程度、切削刃角、切削材料變形程度等不同程度影響。圖1是兩面楔形式割刀作用在莖稈上時(shí)的切割力示意圖，其中為刀刃楔邊摩擦角，（°）；γ為刀刃楔角；（°）；P0為刃口處莖稈的阻力，莖稈相同時(shí)決定于刃口的厚度，其方向垂直于刃口，N；N為楔面壓縮莖稈纖維的正壓力，N。

實(shí)際切割過(guò)程中刀盤(pán)前進(jìn)同時(shí)自轉(zhuǎn)即滑切運(yùn)動(dòng)，使得切刀進(jìn)入材料的實(shí)際切割楔角γ′>γ，此時(shí)刀刃所需切割力越小。

1.2切割器運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)莖稈切割理論，作物莖稈切割器的設(shè)計(jì)有割茬整齊、不漏割、不堵刀、功率消耗小等技術(shù)要求［14］。以刀軸與刀盤(pán)中心創(chuàng)建直角坐標(biāo)系，刀盤(pán)前進(jìn)速度在x方向?yàn)関，建立有效工作長(zhǎng)度刀刃上A、D點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程如圖2所示。

刀刃上工作點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在刀盤(pán)傾角為0°時(shí)為余擺線，A、D點(diǎn)行走覆蓋區(qū)域?yàn)槔碚撋系穆└顓^(qū)，為避免漏割，需滿足不等式x（A）－x（D）≤0，求得圓盤(pán)切割器不漏割的一般式條件，如式（4）所示。

2切割器虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)

2.1切割器設(shè)計(jì)與工作參數(shù)

2.1.1巨菌草收獲原理

巨菌草收獲機(jī)雙圓盤(pán)切割系統(tǒng)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，工作時(shí)前方兩側(cè)的螺旋分離器把壟間的分葉分離開(kāi)，并將稍向外側(cè)傾伏的菌草歸攏到雙圓盤(pán)切割器前方，隨后根部切割器將巨菌草從根部割斷，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)控制曲柄連桿的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)調(diào)整根部切割器刀盤(pán)的傾斜角度，來(lái)適應(yīng)巨菌草不同倒伏狀態(tài)的收割以及與其他運(yùn)動(dòng)參數(shù)的匹配，最后通過(guò)喂入滾筒將切斷的菌草喂入收割機(jī)箱，收割作業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了歸攏、收割、輸送與收集的機(jī)械化收獲。

2.1.2切割器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的整桿式巨菌草雙圓盤(pán)切割器主要部件包括液壓發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱體、固定套筒支座、切割器刀軸、刀盤(pán)、刀片。查閱《木材切削學(xué)》與GB/T 699—1999《高性能高速鋼》，考慮承載能力與切割時(shí)抗振與沖擊韌性的工作性能，刀盤(pán)和刀軸采用45號(hào)鋼，刀片采用高速鋼。針對(duì)甘蔗收割過(guò)程中甘蔗破頭率高、損失率大的問(wèn)題，不同結(jié)構(gòu)（矩形、梯形、彎形刀片）及工作參數(shù)的單圓盤(pán)切割器與甘蔗破頭率關(guān)系的研究中，設(shè)計(jì)彎形刀片比矩形與梯形刀片的切割器效果好［15］。

刀軸是輸送齒輪傳動(dòng)的動(dòng)力到刀盤(pán)的關(guān)鍵部件，為保證穩(wěn)定的工作性能，需增大軸使用剛度和減少軸的承載扭矩及受迫振動(dòng)的振幅，應(yīng)適當(dāng)減少刀軸總長(zhǎng)、適當(dāng)增大軸徑。圖3為雙圓盤(pán)整桿式巨菌草切割機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位的參數(shù)化設(shè)計(jì)三維圖。相同條件下雙圓盤(pán)切割器一般不會(huì)發(fā)生漏割，單雙圓盤(pán)切割器在刀盤(pán)傾角、刀片切割角與速比均小時(shí)破頭率都較低，但雙圓盤(pán)切割器效果更明顯，針對(duì)實(shí)際田間壟寬，此樣機(jī)設(shè)計(jì)為雙圓盤(pán)切割器。

2.1.3工作參數(shù)

參照實(shí)際甘蔗收割機(jī)機(jī)型泉州勁里4GL-1［16］，UG參數(shù)化設(shè)計(jì)切割器部件，行走過(guò)程中兩刀盤(pán)軸心線方向最大軌跡距離設(shè)計(jì)應(yīng)不小于巨菌草叢生分布直徑。刀具主要參數(shù)：刀盤(pán)前傾角度為0°～20°，刀片數(shù)量為4，切刀有效刃長(zhǎng)為100 mm，刀片厚度為5 mm，刀片刃角為25°～45°，刀盤(pán)半徑為360 mm。整桿式巨菌草收獲機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：割幅為700～1 000 mm，割茬高度為50 mm，刀盤(pán)數(shù)為2，配備動(dòng)力為13～15 kW，刀盤(pán)中心距為400～500 mm，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為300～500 r/min，關(guān)鍵部件質(zhì)量約230 kg。

2.2巨菌草柔性體設(shè)計(jì)

2.2.1多體系統(tǒng)仿真學(xué)理論

對(duì)于需考慮構(gòu)件形變的特殊構(gòu)件（如軸的危險(xiǎn)截面、振動(dòng)形變）、形變分析精度高的精密儀器、需要研究某個(gè)構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力的動(dòng)態(tài)變化，這時(shí)我們需要用到柔性體分析。切割時(shí)莖稈并非如剛體直接折斷，而是經(jīng)過(guò)切割碰撞和莖稈彈性、塑性變形等復(fù)雜過(guò)程，應(yīng)基于莖稈物料應(yīng)力應(yīng)變深入研

2.2.2巨菌草物理特性及柔性體建模

對(duì)井岡山菌草基地多年生菌草進(jìn)行隨機(jī)抽樣，選取成熟期巨菌草基部莖稈為試驗(yàn)材料，即生長(zhǎng)良好、底部莖稈直徑18～23 mm內(nèi)的成熟期巨菌草，對(duì)植株物理特性進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示，據(jù)此建立符合巨菌草物理特性的模型，對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)：半年生巨菌草平均分蘗數(shù)為15，底部叢生分布半徑為300 mm，巨菌草底部莖稈直徑為20 mm，平均株高為3 950 mm，切割過(guò)程中葉片倒伏狀態(tài)不影響動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，可忽略，將含有葉子、葉鞘、莖稈的巨菌草簡(jiǎn)化為包含莖稈茬和莖稈兩部分的實(shí)心圓柱體，如圖4所示。巨菌草的泊松比取0.35，密度為700 kg/mm3，彈性模量約600 MPa，基部成熟區(qū)的剪切強(qiáng)度為30～35 MPa［18］，并在Adams設(shè)置合理柔性體參數(shù)。

3莖稈切割動(dòng)力學(xué)仿真

3.1虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真

參數(shù)化設(shè)計(jì)菌草物理模型和關(guān)鍵切割部件，因結(jié)構(gòu)質(zhì)心位置決定動(dòng)力學(xué)仿真，簡(jiǎn)化不影響仿真的零件，切割器的裝配是根據(jù)零件間的實(shí)際裝配關(guān)系和各部件間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，設(shè)置符合實(shí)際工況的約束類型，使各部件即不互相干涉，又能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能。導(dǎo)入adams進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，測(cè)量切割機(jī)構(gòu)位置、速度、加速度隨時(shí)間的變化曲線以及切割器刀刃單點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡，觀察試驗(yàn)是否符合莖稈切割運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，并分析不同工況割刀對(duì)莖稈切割力的影響，設(shè)計(jì)虛擬正交試驗(yàn)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并基于響應(yīng)面分析法得出最優(yōu)參數(shù)。

3.1.1接觸力設(shè)置

切割器切割莖稈的接觸碰撞系統(tǒng)在碰撞瞬間構(gòu)型不變，但接觸的剛體動(dòng)量變化。接觸碰撞屬單邊約束，兩剛體邊界無(wú)法相互侵入。基于計(jì)算接觸力中連續(xù)接觸力法相較恢復(fù)系數(shù)法可將接觸碰撞處理為連續(xù)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的優(yōu)越性，這里采用沖擊函數(shù)法impact來(lái)處理接觸力。接觸碰撞中均伴隨摩擦，依據(jù)庫(kù)侖定律，摩擦對(duì)系統(tǒng)的收斂性影響大不可忽略。

3.1.2設(shè)計(jì)虛擬仿真試驗(yàn)

1）? ug參數(shù)化建立不同刃角的切割器三維模型，導(dǎo)出為admas可讀取的.x_t格式，導(dǎo)入adams時(shí)原有裝配關(guān)系和質(zhì)量屬性均失效，只提供了切割器的模型及構(gòu)件間的相互關(guān)系，重新定義各零件材料屬性，并設(shè)置重力進(jìn)行驗(yàn)證。

2）? 對(duì)模型設(shè)計(jì)添加符合實(shí)際裝配與運(yùn)動(dòng)關(guān)系的約束與驅(qū)動(dòng)，刀片與刀盤(pán)間添加固定副，刀盤(pán)與刀軸間添加旋轉(zhuǎn)副，軸與地面之間添加滑移副。莖稈與茬之間必須添加固定副，否則因無(wú)有效連接無(wú)法將莖稈柔性化。創(chuàng)建連接后將莖稈柔性化，設(shè)置材料類型、模數(shù)以及部件網(wǎng)格劃分參數(shù)，柔性化完成后再將莖稈與茬的固定副刪除以實(shí)現(xiàn)后續(xù)切割動(dòng)態(tài)仿真。莖稈茬與地面之間創(chuàng)建固定副。

3）? 柔性連接可設(shè)置軸套力。在莖稈與茬之間建立平面副與軸套力，設(shè)置參數(shù)，模擬切割時(shí)莖稈滑移狀態(tài)以及茬與莖稈的內(nèi)部作用力連接。在莖稈與所有刀片間設(shè)置柔—?jiǎng)傮w的接觸碰撞，并將法向力設(shè)置為碰撞，摩擦力設(shè)置為庫(kù)侖。對(duì)虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真，依據(jù)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)、切割器轉(zhuǎn)速與收獲機(jī)前進(jìn)速度的匹配及仿真效果設(shè)置仿真時(shí)間與步數(shù)。

4）? 仿真測(cè)量軸套力值，觀察軸套力多大時(shí)莖稈發(fā)生錯(cuò)位斷裂，選取軸套力的合適值。創(chuàng)建傳感器與腳本。（1）定義事件：表達(dá)式為軸套力測(cè)量值。（2）觸發(fā)條件：茬軸套力測(cè)量值大于等于選定值。（3）停止當(dāng)前仿真轉(zhuǎn)而運(yùn)行設(shè)計(jì)的仿真腳本。腳本類型設(shè)置為adams solver命令，添加ACF命令使平面副與軸套力失效，達(dá)到莖稈切割斷裂效果。仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

3.2仿真分析與驗(yàn)證

切割器最大標(biāo)記點(diǎn)在位移方向的位置、速度、加速度變化曲線如圖5所示，除接觸碰撞瞬間外，其時(shí)間函數(shù)均為簡(jiǎn)諧函數(shù)，符合物理樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律。繪制刀刃最外側(cè)及最內(nèi)側(cè)工作標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線（圖6），切割軌跡范圍符合實(shí)際切割轉(zhuǎn)速與機(jī)器前進(jìn)速度比的要求，能夠全面覆蓋單叢菌草分布區(qū)域，達(dá)到不漏割要求。

4切割虛擬仿真試驗(yàn)

4.1虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在眾多莖稈切割研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注了切割力、切割功耗、莖稈損傷等目標(biāo)值［1922］。保證巨菌草莖稈的順利收割以及割茬質(zhì)量取決于莖稈與切割器之間的切割力。巨菌草莖稈多次切割過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)刀片與莖稈多次接觸碰撞，隨著切入深度增加，碰撞產(chǎn)生的彈性力和相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力越大，接觸力隨之增大，莖稈被切斷脫落之后接觸力變小。結(jié)合切割仿真學(xué)理論及莖稈切割研究［1922］，本次試驗(yàn)仿真以柔性體莖稈與刀片之間的最大接觸力為試驗(yàn)指標(biāo)表征切割損耗，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)，屆時(shí)最大碰撞接觸力越小，在相同莖稈切割效果下，切割力與切割功耗越小，仿真試驗(yàn)效果越好。

在整桿型巨菌草切割系統(tǒng)虛擬樣機(jī)試驗(yàn)中，主要研究影響切割性能以及切割損耗的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，考慮巨菌草收割地形以及實(shí)際作業(yè)條件，結(jié)合叢生直徑范圍以及前期試驗(yàn)研究，為保證不漏割和避免堵刀，收獲機(jī)前進(jìn)速度設(shè)置為1.2（350 mm/s）。以刀盤(pán)傾斜角度、刀片刃口角度、切割器轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，參照國(guó)內(nèi)外甘蔗收獲機(jī)切割器主要工作參數(shù)，選擇合適的因素水平，采用boxbehnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)響應(yīng)面試驗(yàn)，表3為因素水平表。

4.2虛擬仿真結(jié)果分析與優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)的虛擬正交試驗(yàn)表調(diào)整切割器運(yùn)動(dòng)參數(shù)及切割部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真，虛擬正交試驗(yàn)仿真得到不同工況下的最大接觸力值。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

通過(guò)designexpert11對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)面回歸分析，得到各因素與指標(biāo)的擬合方程。

由回歸方程的方差分析表5可知，模型P＜0.000 1，該模型具有顯著性；失擬項(xiàng)P=0.073 1＞0.05，失擬項(xiàng)不顯著，由擬合統(tǒng)計(jì)分析可知校正決定系數(shù)adjR2=0.993 4＞0.8（P＜0.05），說(shuō)明該回歸方程擬合程度較高，可用來(lái)分析預(yù)測(cè)各因素對(duì)指標(biāo)的影響。

對(duì)回歸方程各項(xiàng)的方差分析結(jié)果表明，方程的一次項(xiàng)B、C及二次項(xiàng)A2、B2、C2的P值均小于0.01，差異極顯著，一次項(xiàng)A、BC小于0.05，差異顯著狀態(tài)，交互項(xiàng)AB、AC不顯著，通過(guò)回歸方程可知影響指標(biāo)的順序?yàn)榈度薪牵镜侗P(pán)傾角＞刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。

對(duì)響應(yīng)面回歸方程進(jìn)行各因素效應(yīng)檢驗(yàn)，各因素在零水平上均為顯著水平，影響指標(biāo)的順序?yàn)榈度薪牵镜侗P(pán)傾角＞刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，與虛擬正交試驗(yàn)結(jié)果分析相同，表明該擬合方程回歸精度較高?；谇懈盍Ρ碚髑懈罟牡脑?，在滿足收獲機(jī)前進(jìn)速度與收割質(zhì)量的基本條件下，依據(jù)切割力與切割功耗最小原則，在合適的因素區(qū)間，RSM優(yōu)化預(yù)測(cè)的最優(yōu)組合為切割器轉(zhuǎn)速480 r/min，刀片刃角25°，刀盤(pán)傾斜角2°，此時(shí)的切割力為265.95 N，切割功耗降到最低水平。各因素交互作用影響的響應(yīng)面如圖7所示。

4.3分析驗(yàn)證

試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)與李鴻［16］對(duì)切割器轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)傾角、刀片數(shù)量對(duì)切割功耗與破頭率的影響試驗(yàn)相較，切割功耗參數(shù)明顯降低。仿真研究設(shè)計(jì)了虛擬正交試驗(yàn)，并且采用響應(yīng)面分析了影響因素對(duì)指標(biāo)的擬合回歸方程得到最優(yōu)參數(shù)組合，現(xiàn)在使用最優(yōu)參數(shù)組合為切割器轉(zhuǎn)速480 r/min，刀片刃角25°，刀盤(pán)傾斜角2°對(duì)巨菌草莖稈切割進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證結(jié)果表明，測(cè)量的切割力有效降低值至266 N，與響應(yīng)面試驗(yàn)的預(yù)測(cè)值一致。

5結(jié)論

1）? 應(yīng)用NX ug軟件建立整桿式雙圓盤(pán)巨菌草切割部件三維實(shí)體模型，通過(guò)約束裝配，完成關(guān)鍵切割部位虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，將簡(jiǎn)化的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型導(dǎo)入Adams后設(shè)置相應(yīng)約束與驅(qū)動(dòng)及試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，從切割運(yùn)動(dòng)學(xué)理論上驗(yàn)證了該虛擬樣機(jī)動(dòng)力仿真的正確性。

2）? 針對(duì)切割部件結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)不合理造成莖稈切割損耗大的問(wèn)題，對(duì)模型設(shè)計(jì)三因素三水平正交虛擬試驗(yàn)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真試驗(yàn)擬合度較高。通過(guò)正交試驗(yàn)的方差分析發(fā)現(xiàn)影響切割力的因素為刀刃角＞刀盤(pán)傾角＞刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，各因素在零水平上均呈現(xiàn)顯著影響，獲得最佳組合方案為A3B1C1，應(yīng)用響應(yīng)面優(yōu)化，模型預(yù)測(cè)得到前進(jìn)速度為350 mm/s時(shí)，刀盤(pán)傾角為2°、刀刃角為25°、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為480 r/min，此時(shí)莖稈與刀片切割力為最低水平266 N，切割損耗有效降低，為巨菌草切割器關(guān)鍵部位的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

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