现代科技铸造的大马士革刀：狼的利爪到底有多强悍
文 | 楼先
编辑 | 楼先
引言
在农用香蕉秸秆粉碎还田机进行田间作业过程中，粉碎刀的形状及参数决定着一台秸秆粉碎还田机作业质量、消耗功率及作业可靠度的高低。
秸秆粉碎还田机的粉碎刀是该机构的主要工作部件，经常与茎秆、泥土、石块以及其他田间杂质接触摩擦，工作条件极为恶劣，且由于其转速一般较高，需要承受很大的冲击力才能达到粉碎茎秆的目的。
基于仿生原理，从狼作为切入点，模仿狼爪的轮廓结构，设计一种仿生式减阻型秸秆粉碎刀，并通过田间试验来研究仿生构特征对香蕉秸秆粉碎还田机田间工作性能的影响。
一、仿生式减阻型粉碎装置设计
1、狼爪
自然界的一些生物经过长期的演化与进化过程，具备了耐磨的体表、材料和结构以及巧妙的捕食和生活技巧。
自然已经经历了数十亿年的进化，它的鬼斧神工常常蕴藏着精妙的设计思想，猫科动物如虎、狮、豹。
犬科动物如狗、狼、狐都具有适合捕猎的锋利的爪牙，狼在捕猎的过程中用锋利的爪子撕裂猎物，在农业机械化领域的秸秆粉碎部件的研究中，它们利爪的特有的几何轮廓为提高秸秆粉碎效果提供了参考。
另外在狼、豹等动物进行捕猎时，会隐蔽前行靠近猎物，当确定猎物进入他的捕杀范围，会一跃而起奔扑向猎物，在前扑的过程中，它们的利爪会快速地刺入猎物体内。
在香蕉秸秆粉碎刀的安装角度以及运动轨迹的研究中，它们的前爪与扑杀过程为秸秆粉碎部件提供仿生设计参考，由此可知,狼爪轮廓曲线和刺入角度对狼的捕猎具有重要的影响。
2、狼爪轮廓
在狼爪轮廓线上选取一组能显著反映狼爪轮廓特征的点作为待测点，利用SolidWorks三维建模软件自带的点坐标参数获取功能，在狼爪纵剖面上建立基准坐标系，获取狼爪轮廓线上待测点的坐标。
利用多项式曲线拟合功能，对点集坐标进行多项式拟合，拟合函数为：y=0.1619x² 33.324x 1718.3
R²=0.8878，回归系数接近于1，说明此函数比较贴合真实狼爪结构。
基于已经研制出的直型粉碎刀，将狼爪轮廓曲线应用于直型粉碎刀，直型粉碎刀由刀柄、具有正切刃的正切面和侧切刃的侧切面组成，刀片刃角为25°，工作幅宽b₁为60mm，旋转半径R₁为360mm。
在进行香蕉秸秆粉碎试验时，粉碎刀侧切面具有切割竖直方向秸秆的功能，正切面对绝大部分水平方向的秸秆进行切割，使得粉碎刀整刀功耗较大部分都消耗在正切面上。
根据狼爪结构特征,结合直型粉碎刀结构，将狼爪轮廓曲线应用于直型粉碎刀的正切面上。
通过比较可知，直型粉碎刀与仿生式减阻型秸秆粉碎刀的不同在于工作幅宽、刀刃轨迹、刃角，仿生式减阻型秸秆粉碎刀是以狼爪轮廓曲线为刀刃轨迹，减小应力集中，增强刀片强度。
仿生粉碎刀的工作幅宽b₂为110mm，旋转半径R₂为360mm，能与更多的香蕉秸秆接触，增强秸秆粉碎效果。
刃角影响着刀片的粉碎效率，刃角过小会使刀片强度降低，容易造成磨损甚至断裂，为使刀片具有锋利度和保持度，刀片在多次使用后通过重新打磨使刀刃保持锋利，刀片的开刃角度选取为30°。
秸秆粉碎还田刀片的刀刃与秸秆、根茬、土壤、砂石等接触，故要求刀刃具有较好的耐磨性，由于刀片的特殊形状，故刀片本身要具有一定的刚度，防止在作业过程中有较大的变形。
仿生式减阻型秸秆粉碎刀加工工艺和国标旋耕刀的加工工艺相同，仿生式减阻型秸秆粉碎刀的主切削面、主切削刃、侧切削面、侧切削刃一方面被用来切断秸秆，另一方面由于其与土壤中碎石产生强烈摩擦，需承受较大冲击载荷，故要求其硬度控制在55~60 HRC。
由于在切削香蕉秸秆时，仿生式减阻型秸秆粉碎刀需承受较大作业反力，导致刀柄需要承受较大的扭矩,因此设计仿生式减阻型秸秆粉碎刀刀柄时需保证其具有较高的韧性，将其硬度控制在40~48 HRC。
二、田间试验
1、桔梗粉碎刀轴设计
田间作业时，香蕉秸秆粉碎部件在各种作业反力作用下，部分零部件会产生弯曲、剪切、扭转等复杂组合变形，考虑到节能减材，在不影响秸秆粉碎部件工作性能的前提下可将秸秆粉碎刀轴设计成空心轴。
与圆钢等实心钢材相比，钢管在抗弯、抗扭强度相同时，重量较轻，是一种经济截面钢材,并且无缝钢管具有较强的耐压性，所以粉碎刀轴的材料选用Q235的无缝钢管。
其内径d=70mm，外径D=85mm，各刀座绕刀轴轴线呈圆周均匀排列，相邻刀座的径向夹角a为120°。切割角度为60°时对香蕉果梗纤维的破坏能力最强,且细的香蕉果梗较粗的香蕉果梗更容易被切割。
因此，刀座的弯折角0为60°，通过螺栓固定连接的方式将刀座与秸秆粉碎刀连接，在受损后方便拆卸与更换。
2、试验条件
2019年，在海南省澄迈县福山镇墩茶村的香蕉秸秆还田示范地进行田间试验，选取的试验田的长为40m，宽为50m，其中，试验田内香蕉假茎的高度为2200~2700 mm。
田间试验中香蕉秸秆还田设备采用热带作物机械化还田课题组自行设计研制的立式香蕉秸秆粉碎还田机，将仿生式减阻型秸秆粉碎刀安装到立式香蕉秸秆粉碎还田机上。
3、试验指标测试方法
在机具工作的每个行程中随机选取5个测试区，在测试区中称取所有秸秆粉碎残渣的重量m₁，称取秸秆长度大于10cm的秸秆重量m₂。
在试验过程中，转速值则通过安装在香蕉秸秆还田机动力输入轴上的CYT-302型旋转扭矩传感器测定。
为确定参数最佳组合，根据单因素试验结果，采用二次正交旋转组合设计试验方法，根据BoxBehnken试验方案。
基于减阻降耗原理，本试验选取影响香蕉秸秆粉碎合格率的主要因素：刀片厚度、还田机前进速度、刀轴转速，进行三水平三因素试验，共计17组，每组试验重复5次，秸秆粉碎合格率取其平均值。
三、结果与分析
1、方差分析
在Design-Expert中，通过响应曲面Box-Behnken设计方法进行试验分析，对秸秆粉碎合格率P与各因素之间建立数学模型，并且通过响应面分析法,考察两因素间交互作用效应。
根据表3试验结果得到秸秆粉碎合格率P对各因素编码值的回归方程为：
P=94.80-0.50A 4.10B 1.02C 2.37A-
B-0.37A·C-0.18B·C-4.91 A-
0.013B²-4.81C²
在回归方程中,系数绝对值的大小决定了该因素对秸秆粉碎合格率的影响大小，从而可以得出3个因素对秸秆粉碎合格率的显著性顺序由大到小为 B、C、A。
2、桔梗粉碎合格率分析
根据试验数据，可判定二者交互效应的强弱，交互作用由强到弱依次为：还田机前进速度和刀轴转速(AB)、还田机前进速度和刀片厚度(AC)、刀轴转速和刀片厚度(BC)，由此可知还田机前进速度与刀轴转速(AB)存在交互作用。
当刀片厚度处于0水平时，秸秆粉碎合格率先随还田机前进速度增大至最大值后逐渐减小，这是因为当还田机前进速度逐渐提高时，秸秆粉碎合格率逐渐增大，当增大到一定值时，由于前进速度过快，导致秸秆喂人量过多，刀具无法有效粉碎香蕉秸秆,秸秆粉碎合格率随之降低。
秸秆粉碎合格率随刀轴转速的增大而逐渐增大，这是因为刀轴转速越大，加快了对秸秆的粉碎效率，但考虑到机具结构承载，以及机具在实际作业中的功耗情况，在保证秸秆粉碎合格率的条件下，刀轴转速在合理范围内选取810~1650r/min。
从图中可以看出，刀片厚度与还田机前进速度(AC)存在交互作用，当刀轴转速处于0水平时,秸秆粉碎合格率先随刀片厚度增大至最大值后逐渐减小。
这是由于若刀片厚度过小，刀片强度不够从而导致作业过程中变形，粉碎合格率降低，若刀片厚度过大，致使粉碎装置惯性增大，使得机具震动剧烈，刀片的运动轨迹不规律，导致粉碎合格率降低。
还田机前进速度与刀轴转速(AB)变化时，秸秆粉碎合格率的变化幅度较大，还田机前进速度和刀片厚度(AC)变化时，秸秆粉碎合格率的变化幅度相对较小,说明还田机前进速度与刀轴转速(AB)的交互作用是影响秸秆粉碎合格率的主要因素。
通过Design-Expert软件的Optimization功能，进行优化分析，得出三因素的最优参数组合：还田机前进速度A为4.72km/h，刀轴转速B为1626.67r/min，刀片厚度C为9.84 mm，此时，香蕉秸秆粉碎合格率为97.28%。
结论
试验结果表明，装配仿生式减阻型秸秆粉碎刀的立式香蕉秸秆粉碎还田机的秸秆粉碎合格率比装配直型粉碎刀的粉碎还田机抬高了很多。
在进行田间试验时，装配仿生式减阻型秸秆粉碎刀的立式香蕉秸秆粉碎还田机没有出现纤维缠绕刀盘的情况。
但装配直型粉碎刀的粉碎还田机的刀片出现纤维局部缠绕的现象，进一步验证了仿狼爪秸秆粉碎刀在切割时起到了减阻作用，进而提高了香蕉秸秆粉碎合格率，在工作性能上有了一定的改进和提升。