近年来，饲料价格上浮，养殖利润减少，发展新型饲料迫在眉睫。研究表明，芭蕉秆富含纤维、淀粉、碳化物等成分，是理想的猪饲料之一[1-2]。热带、亚热带地区芭蕉资源丰富，但却未得到有效利用。芭蕉秆粗壮且含水量高，现有切碎装置不适用于芭蕉秆。设计芭蕉切碎装置是研发新型芭蕉饲料亟待解决的难题。Chattopadhyay等[3]对不同刀倾角和切削速度进行试验，得出茎秆切割时的功耗。卡那袄依斯基[4]对切割茎秆层的刀刃进行分析，得出功与刀刃受压面积的关系。张开金等[5]以饲料喂入速度和切碎装置转速为因素进行正交试验，得出最优切碎长度和合格率组合。魏天路等[6]对刀具厚度和刀尖角度进行有限元分析，得出最好的等效应力，并以秸秆层厚度、刀具倾斜角度及秸秆含水率为因素做正交试验，得出最小扭矩。薛钊等[7]以切碎装置转速、喂入速度和喂入倾角为因素进行正交试验，分析得到切碎作业的最优性能。郭艳[8]研究了圆弧曲线、直线和等滑切曲线刀刃在切割物料时，切割器的功耗变化。切碎装置核心部件是刀片，其设计对切削效果具有极大影响。本研究拟对切碎装置进行设计，对刀片及刀轴进行有限元分析，对样机进行芭蕉秆切削均匀度的正交试验，最终得到最优的切削转速、进给速度以及入料口倾斜角度。1材料与方法1.1试验装置及材料DLY-2301转速表（测量范围为2.5~99 999 r/min）、TQD-3型汽车拖拉机电器万能实验台（云南农业大学试验室）、自制的切碎装置、传送带、LT501电子天平、游标卡尺、卷尺等。切碎装置工作原理：切碎装置由刀片、刀架、刀轴及皮带轮组成。茎秆喂入装置后，带轮带动刀片及刀架转动，对芭蕉秆进行旋转滑切，实现芭蕉秆切碎。刀片结构与设计：刀片是青饲料切碎机核心部件[9-10]，刀片受力复杂，其性能对切碎质量有显著影响。按结构形式可分为：滚刀式和轮刀式。滚刀式常用于自走式青贮收割机。考虑芭蕉秆茎粗大，本研究采用轮刀式，刀片采用凸面刀片。芭蕉秆切削刀片见图1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F001图1芭蕉秆切削刀片刀片长度确定：调研发现，云南地区芭蕉秆最粗为230 mm。切碎前，需要对芭蕉秆部分假茎进行剥除，实际可用作青饲料的芭蕉秆为200 mm。综合考虑，切碎部分刀片设计长度为230 mm。刀刃角的选择：刃角是刀刃磨刃面与背面夹角，对切割比功（切割每单位面积断面秸秆所消耗的能量）的影响较大。刃角通常在21°~25°之间[11]，刃磨角增大，切割比功也随之增大，但刃角过小时刀片不耐磨[12]。考虑刀刃强度，经试验分析，选用刃角为25°。滑切角的选择：滑切角指刀片上某点速度矢量与该点刃口曲线法平面之间的夹角[13-14]。切削效率受滑切角影响，滑切角在35°~55°之间取值最为合适[15-16]。刀轴的设计：合理刀轴设计可提高整体切碎装置性能。工作过程中，刀轴承受的外力和扭矩较为复杂，同时承受着振动和冲击[17]。产生轴系共振时，易导致刀轴疲劳断裂[18]。刀轴主长设计为300 mm，刀轴前后部位都存在轴承支撑。刀架的设计：刀架是刀片固定的重要部件，既要满足刀轴旋转时产生的惯性要求，又要与刀轴和刀片链接固定，保证切削平稳性。芭蕉秆切削部分见图2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F002图2芭蕉秆切削部分试验材料选取自云南昆明地区野外种植的芭蕉树。1.2试验设计1.2.1刀片有限元设计运用SolidWorks对设计刀片进行三维建模，并存储为Parasolid（*．x_t）格式，方便后续导入有限元软件分析。对刀片进行高速模拟切割，获得刀片不同厚度时的应力、应变以及位移状态。材料参数设置：刀具选取65Mn弹簧钢，其属性见表1。65Mn钢调质后具有良好综合力学性能、切削加工性能等特点，满足刀片性能需求[19]。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.T001表165Mn属性材料名称弹性模量/Pa泊松比质量密度/(kg/m3)65Mn2.11×10110.287.82×103划分网格：对刀片进行网格划分时，选择慢速划分，使网格更加均匀，见图3。甩刀在非刀刃处使用系统默认单元尺寸，茎秆切碎主要受力在刀刃处，需要对刀刃进行局部划分，设置单元尺寸为1 mm，使刀刃处划分网格精度更高，不仅能得到更加准确的参数，而且还能减少运算时间。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F003图3网格划分载荷分析：刀片旋转工作时与芭蕉秆接触开始受力，所受载荷达到屈服极限时会出现变形等失效行为，因此需要对刀片进行应力、位移和变形分析。刀片围绕着刀轴中心做圆周运动，因此在刀架轴心施加转速24 rad/s，并对刀片孔处施加固定支撑。本次分析采用均匀载荷分布，根据万能试验台测得刀片载荷F=805 N，载荷施加示意图见图4。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F004图4载荷施加示意图1.2.2刀轴模态分析设计利用模态分析方法分析刀轴在受力过程中振动情况。材料参数设置：刀轴材料选取具有良好力学性能的45钢[19]，其属性见表2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.T002表245钢属性材料名称弹性模量/Pa泊松比质量密度/(kg/m3)45钢2.09×10110.277.89×103划分网格：网格划分应考虑网格经济性。采用六面体划分方法，控制网格划分精度，划分单元为5 mm。网格生成后有34 958节点和10 695单元。施加条件：轴上主要由两个轴承座，一个皮带轮和刀架组成，因此在轴承座处施加支撑，并在刀架和皮带轮处施加载荷，刀轴载荷施加示意图见图5。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F005图5刀轴载荷施加示意图1.2.3正交试验设计为了更好地分析各个因素对芭蕉秆切削均匀度的影响，本试验将刀轴转速、喂入速度、倾斜角度作为3个试验因素，以芭蕉秆切削均匀度为试验指标，设计正交试验。1.2.4试验方法安装芭蕉秆切削试验台，刀片装配于切碎试验台上，用TQD-3型汽车拖拉机电器万能试验台进行带动调速。进行芭蕉秆切碎装置刀轴转速、喂入速度、倾斜角度不同的情况下的单因素试验。试验茎秆平均直径200 mm。对试验台进行空载调试和保养，使工作状态良好。试验时，保证电机在额定电压下正常工作。试验过程中所获取的试验指标为切碎长度均匀度。在切除的物料中随机选取3组重100 g的物料，求平均值。当刀轴转速为1 200 r/min、喂入速度为11 m/min时，调节传送带不同倾斜角度，分别测试不同倾斜角度对切削均匀度的影响。当倾斜角度固定为35°、喂入速度为11 m/min时，调节万能试验台不同的切削速度，分别测试不同刀轴转速对切削均匀度的影响。当倾斜角度固定为35°、刀轴速度为1 200 r/min时，调节传送带不同的喂入速度，分别测试不同喂入速度对切削均匀度的影响。每组测试3次，取平均值。为进一步探究芭蕉秆切碎装置参数对切削效果的影响，设计芭蕉秆青饲料切碎装置参数的正交试验。根据单因素试验结果，选取切碎装置的刀轴转速为1 300~1 500 r/min，喂入速度选取为11~15 m/min，喂入倾斜角度选取为30°~40°，采用3因素3水平正交试验，以切碎均匀度为指标进行试验。试验因素水平设计见表3。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.T003表3试验因素水平设计水平A刀轴转速/(r/min)B喂入速度/(m/min)C倾斜角度/(°)11 300113021 400133531 5001540将准备好的芭蕉秆放入传送带中，利用自制的芭蕉秆青饲料切碎装置进行切削，保证秸秆在切削过程中无滑动趋势。试验过程结束，手动测量芭蕉秆切碎后的长度，并记录每次试验后的切削均匀度。对试验数据进行分析，试验每组数据重复3次。每次切削试验后，随机收集切削后芭蕉秆段并测量长度[20]，计算切削均匀度。u=∑i=1q(1-xi-x¯x¯)q×100% (1)x¯=∑i=0nxiq (2)式中：q为单次样本数量；x¯为样本期望（mm）；xi为测量值（i = 1，2，…，q）；u为切削均匀度。2结果与分析2.1刀片分析结果不同厚度的刀片与芭蕉秆接触切削应力与变形见表4。由表4可知，刀片厚度在3~4 mm之间，变形量无太大差距。但刀片重量越大，所受惯性就越大。综合考虑，刀片厚度设计为3 mm。3 mm刀片的应力应变分析见图6。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.T004表4不同厚度刀片与芭蕉秆接触切削应力与变形刀片厚度/mm最大应力/MPa最小应力/MPa等效应力/MPa总变形/mm2128.85-89.57167.100.56373.76-46.98106.510.29472.68-46.17104.810.28图63 mm刀片的应力应变分析10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F6a1(a)最大主应力10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F6a2(b)最小主应力10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F6a3(c)等效应力10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F6a4（d）总变形2.2模态分析在上述有限元网格模型基础上进行模态分析。刀轴前6阶振型见图7。工作时各种激振频率相对较低，因此只考虑低阶固有模态。前6阶模态分析见表5。由表5可知，通过对运动分析，此次的轴振动频率在1阶和2阶时，分别为主动绕轴心转动和前后振动的频率，无参考价值。图7刀轴前6阶振型10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F7a1（a）1阶模态振型10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F7a2（b）2阶模态振型10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F7a3（c）3阶模态振型10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F7a4（d）4阶模态振型10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F7a5（e）5阶模态振型10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F7a6（f）4阶模态振型10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.T005表5前6阶模态分析项目数值1阶02阶0.333阶123.744阶123.755阶152.606阶152.61Hz根据3阶模态分析可得，轴振动频率为123.74 Hz，则临界值转速为7 424.4 r/min，该机器的工作转速远达不到该临界值，因此不会在工作过程中产生激励共振。2.3单因素试验结果2.3.1倾斜角度对切削均匀度的影响（见图8）由图8可知，随着倾斜角度增大，芭蕉秆切削均匀度先升高后降低，在切削角度为35°时，切削效果最好。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F008图8倾斜角度对切削均匀度的影响2.3.2刀轴转速对切削均匀度的影响（见图9）由图9可知，芭蕉秆的切削均匀度随转速增加有所提升。当转速为1 300 r/min时，切削均匀度增速较快；在1 400 r/min时，增速较慢。芭蕉秆转速越大，功耗随之提升，综合选择芭蕉秆的最佳转速为1 400 r/min。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F009图9刀轴转速对切削均匀度的影响2.3.3喂入速度对切削均匀度的影响（见图10）由图10可知，喂料速度对芭蕉秆切削均匀度无显著影响。综合分析，选择喂入速度11 m/min最为合适。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.F010图10喂入速度对切削均匀度的影响2.4正交试验结果（见表6、表7）由表6可知，最大的切削均匀度体现在第4组，切削因素水平组合分别为切碎装置刀轴转速1 400 r/min、喂入速度11 m/min、倾斜角度35°。最小的切削均匀度体现在第3组，因素水平组合分别为切碎装置刀轴转速1 300 r/min、喂入速度15 m/min、倾斜角度40°。切削均匀度越大越好，根据R值对比，各因素对切削均匀度的影响大小顺序为：刀轴转速＞倾斜角度＞喂入速度。刀轴转速和倾斜角度的改变对切削均匀度影响显著，喂入速度的改变对切削均匀度影响不显著，与表7中的方差结果一致。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.T006表6正交试验结果项目A刀轴转速B喂入速度C倾斜角度切削均匀度/%111186.73212286.96313386.51421287.32522387.03623187.11731387.09832187.15933287.31k186.7387.0587.00k287.1587.0587.20k387.1886.9786.88R0.450.090.3210.13557/j.cnki.issn1002-2813.2023.13.027.T007表7正交试验方差分析结果项目平方和自由度均方F值P值A刀轴转速0.38020.19070.3330.014B喂入速度0.01020.0051.8150.355C倾斜角度0.15720.07829.0370.033误差0.00520.003总和68 158.0979注：P0.05表示影响显著。根据k值，最优因素水平组合为A3B2C2和A3B1C2，而切削过程中最大均匀度出现在4号试验，因素水平组合为A2B1C2，因此需要对组合A3B2C2和A3B1C2进行验证试验。经验证，A3B2C2的切削均匀度为87.26%，A3B1C2的切削均匀度为87.29%，均小于4号试验，即最优组合为A2B1C2。对应的最优条件为刀轴转速1 400 r/min、喂入速度11 m/min、倾斜角度35°。3结论芭蕉秆青饲料切碎装置的刀轴设计符合标准，刀片设计的最优厚度为3 mm。正交试验结果显示，切削速度和倾斜角度为显著因素，喂入速度为不显著因素。因此，芭蕉秆在切削过程中的最优组合为刀轴转速1 400 r/min、喂入速度11 m/min、倾斜角度35°。