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近年来,我国设施园艺的栽培面积已超过5000万亩,居于世界首位。大量园艺秸秆与残茬如何低功耗高效切割粉碎,实现就近资源化利用,成为设施园艺可持续发展必须解决的难题之一。黄瓜藤秸秆是一种典型的、产量较多的园艺秸秆,具有韧性高、含水率高等特点,其切割特性与麦秸、稻草等一般农作物特性有所不同,因此,开展黄瓜藤秸秆切割性能研究,对研制黄瓜藤等藤蔓类园艺秸秆专用高效切割粉碎机械,具有非常重要参考价值,在丰富完善高效切割技术方面具有一定理论价值。
秸秆的切割过程除了与秸秆本身的自有特性有关,还与切刀型式、切割方式和切割速度等密切相关。因此,本文以黄瓜藤为研究对象,通过对秸秆拉伸特性试验和微观结构观察分析,研制秸秆切割性能试验平台,开展黄瓜藤秸秆切割性能测试等试验研究。具体工作如下:
首先利用电子万能试验机对不同状态下黄瓜藤秸秆抗拉强度和弹性模量等力学性能参数进行测定,利用电子显微镜对不同状态下黄瓜藤秸秆微观结构观察,分析其微观结构特点。试验得到:黄瓜藤秸秆根部、中部和头部的平均抗拉强度分别为7.35MPa、6.30MPa和4.68MPa,平均弹性模量分别是280.58MPa、198.81MPa和137.22MPa;通过微观结构观察,发现黄瓜藤秸秆由表皮、机械组织、维管束、薄壁组织组成,是一种多孔、筛状、不均匀的复合材料。结果表明:秸秆的机械组织越发达,表皮越厚,维管束越多,叶片抵抗外载荷的能力越强。综上,黄瓜藤秸秆具有较高的强度和良好的弹性,从根部到头部,其抵抗变形能力逐渐降低。
其次,研制了秸秆切割试验台,其主要由切割机构、输送机构和测控系统组成,切割机构可在0~1500r/min的切割速度范围内进行调节,输送机构可以对秸秆进行夹紧和输送。测控系统由测力传感器、数据采集卡、运动控制卡以及Labview软件组成,可实现输送速度和切割速度连续可调、试验数据自动采集的功能,并将数据以EXCEL格式保存,便与观察分析。
然后,使用单摆式切割试验台对影响黄瓜藤切割性能的秸秆横截面积、切割速度、刀具型式和切割方式进行了单因素试验和多因素交互试验,试验数据分析得到:横截面积越大、切割速度越小,则切割力越大,同等条件下,采用直刃刀和削切方式可减小切割力;通过切割方式、刀片型式和切割速度的多因素方差分析,得出:切割方式、刀片型式和切割速度对应的F值分别为21.316、49.141和0.222,这说明切割方式和刀片型式对切割力影响较为显著。
最后,进一步使用3FC-500型小型秸秆切割粉碎机进行切割粉碎试验,考查单次加料量、含水率、筛网孔径等因素,结果分析得到:较佳切割方案是采用削切方式、直刃型刀片、筛网孔径16mm、秸秆含水率为27%左右时,秸秆的切割粉碎效果较好、切割功耗较低。这为黄瓜藤等藤蔓类园艺秸秆专用高效切割粉碎机改进和优化设计提供了理论基础。