釀酒葡萄枝條切割性能試驗分析

朱新月，王麗紅，黃 勇，王 哲，彭慧杰，徐 亭

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆是中國最早引種和栽培葡萄的地區[1-3]，其獨特的氣候和地理位置環境非常適宜葡萄的生長[4]。截至2015年，新疆釀酒葡萄種植面積已超過4萬hm2，位居全國第一[5-6]。釀酒葡萄每年進行4～5次的整形修剪，以保證葡萄的品質和產量[7-8]。目前，釀酒葡萄修剪主要依靠人工，修剪勞動強度大、作業效率低、修剪成本高[9-11]。因此，尋求釀酒葡萄枝條切割性能參數對修剪裝置的研制具有重要意義。

目前，常見的枝條修剪切割器主要包括往復式切割器、轉刀式切割器、圓盤鋸式切割器和圓盤刀式切割器等。胡洋洋等[12-17]設計了往復切割器式葡萄剪稍機，并對葡萄莖稈進行了切割試驗，研究了葡萄枝條直徑、刀片傾角和切割速度對葡萄枝條切割力的影響。張德學等[18]設計了3PJS-1型轉刀式葡萄剪枝裝置，理論分析了轉刀式切割器切割葡萄枝條的轉速范圍。李常營等[19-22]利用自制圓盤鋸式切割器，研究了普通圓盤鋸片和仿生圓盤鋸片的切割速度、玉米秸稈前進速度、切割傾角對玉米秸稈切割性能的影響。

圓盤刀切割器工作時高速轉動、運轉平穩、振動較小，相對于其它形式切割器不發生讓刀現象，割茬修剪整齊，不產生不平衡的慣性力，切割能力較強[23-25]。本文借助自行研制的切割試驗臺，以圓盤刀切割器的轉速、切割傾角和釀酒葡萄枝條前進速度等切割性能指標為研究對象，探索影響各性能指標的主要因素及規律，得到最優的切割參數指標，為圓盤切割式修剪機的研制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取在新疆廣泛種植的赤霞珠釀酒葡萄品種，取樣地點位于石河子市第八師152團六連，取樣時間為2016年6月10日，天氣晴朗，取樣地塊面積大于6.7hm2。試樣為2010年度種植的釀酒葡萄，樹齡6年，釀酒葡萄種植模式為單臂籬架式。選取一致性較好的試驗區域進行取樣，試樣要求枝條沒有損傷，一次性隨機取樣100株。獲取釀酒葡萄枝條試樣后，為防止水分流失而影響釀酒葡萄枝條物料特性，2h以內完成釀酒葡萄枝條切割性能試驗。

1.2 試驗設備及儀器

1.2.1 切割試驗臺

切割試驗臺主要對枝條進行切割性能試驗，并對切割性能試驗的數據進行采集。切割試驗臺主要由導軌、小車、夾具、圓盤刀切割器、扭矩傳感器、電機、機架、電源、變頻器及計算機等組成，如圖1所示。

試驗過程中，將釀酒葡萄枝條固定于夾具上，夾具呈長條狀，分3組平行布置，通過角度測量儀調節夾具的傾斜角度，實現切割傾角的調節；通過變頻器控制電機轉速，實現對圓盤刀切割器轉速的調整，通過轉速測量儀實現對圓盤刀切割器轉速等數據的采集；通過變頻器控制小車前進速度，實現對釀酒葡萄枝條前進速度的調整。

1.2.2 其它儀器

根據釀酒葡萄枝條切割性能試驗要求，所需的其它主要設備及儀器有：①剪枝刀；②鋼卷尺，長度為2m，精度為I級；③游標卡尺，可測長度為200mm，精度為0.05mm；④GAM220型角度測量儀，精度為±1°。

1.導軌 2.小車 3.夾具 4.圓盤刀切割器 5.轉速測量儀 6.電機 7.機架 8.電源 9.變頻器1 10.變頻器2 11.計算機

2 試驗指標及設計

2.1 試驗指標

切割質量是用來衡量枝條切割性能試驗的指標，依據切割試驗臺的工作原理，本試驗以撕裂率和漏剪率為試驗指標，在完成切割性能試驗后的切割面上，對切割后的枝條撕裂個數、未被剪下的枝條個數和枝條總數統計，分別按式(1)和式(2)測定枝條撕裂率和漏剪率，測定結果取平均值。

1)撕裂率是指切割后釀酒葡萄枝條未被剪切撕裂狀態下的百分數值。計算公式為

(1)

式中Rs—枝條撕裂率(%)；

S—撕裂枝條數(個)；

Z—枝條總數(個)。

2)漏剪率是指切割后釀酒葡萄枝條未被剪切漏剪狀態下的百分數值。計算公式為

(2)

式中RL—枝條漏剪率(%)；

L—未剪下枝條數(個)。

2.2 試驗設計

以釀酒葡萄枝條的末稍為基準，根據田間調研，釀酒葡萄枝條修剪部位通常距離末稍100～200mm。截取釀酒葡萄枝條長度為600 mm，調節圓盤刀高度，使釀酒葡萄枝條處于要求切割部位，將釀酒葡萄枝條放入夾具中，枝條與枝條之間間隔100mm，葡萄枝條在夾具上水平排列。刀盤轉速、切割傾角和前進速度為自變量，采用二次正交旋轉組合試驗設計，共20個試驗處理，試驗重復3次取平均值。枝條夾具以圓盤刀刀盤主軸為中心對稱分布，相鄰兩夾具中心距為280 mm，圓盤刀刀盤的直徑為480 mm。

2.2.1 試驗影響因素

修剪裝置的前進速度是衡量修剪裝置作業效率的重要指標。根據修剪裝置的實際作業需求，選取釀酒葡萄枝條前進速度的3個水平值為1.5、2、2.5m/s。

修剪裝置作業時，主要通過圓盤刀刀片的高速旋轉將枝條切除。當刀盤轉速過低時，刀片將釀酒葡萄枝條推出切割區域；當刀片轉速過高時，刀片受到很大的離心力，容易造成刀片甩出或刀片破裂。因此，切割性能試驗過程中需要對刀盤轉速進行合理的調節。通過前期的預試驗，選取刀盤轉速的3個水平值為500、1 000 、1 500r/min。

圓盤刀刀片切割枝條在順紋方向容易切割，當切割傾角過大時，容易造成刀片的變形。因此，試驗過程中需要對切割傾角進行合理調節。通過前期的預試驗，選取切割傾角的3個水平值為0°、12.5°、25°。

2.2.2 試驗安排

按照響應曲面分析方法中的二次通用旋轉組合試驗設計(central composite design，CCD)的統計學要求合理安排試驗，因素水平及編碼如表1所示。對試驗數據進行擬合求解，生成相應的回歸方程，診斷預測值與實際值之間的擬合程度。根據二次通用旋轉組合試驗設計原理，分別建立枝條撕裂率與漏剪率的回歸模型并檢驗模型的可靠度。利用F檢驗獲得各因素對回歸模型影響的主次關系，檢驗回歸系數與回歸方程的顯著性。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

根據響應曲面方法合理安排試驗并對試驗結果進行計算，二次通用旋轉組合試驗結果如表2所示。

表1 試驗因素水平及編碼Table 1 Experiment factor levels and encoding

表2 試驗方案及結果Table 2 The process and results of experiment

運用Design-expert.8.0.5b軟件系統對表2中數據進行擬合，分別獲得撕裂率與漏剪率編碼后的回歸模型為

R=1.21+0.32x1+1.32x2+1.27x3+0.025x1x2+

S=1.15+0.25x1-2.50x2-0.46x3-0.20x1x2-

式中x1—前進速度(m/s)；

x2—刀盤轉速(r/min)；

x3—切割傾角(°)。

依據表2試驗數據，利用Design-Expert.8.0.5b軟件處理獲得撕裂率與漏剪率的方差分析結果，如表3和表4所示。

由表3可知：刀盤轉速x2和切割傾角x3對撕裂率影響顯著，前進速度x1與刀盤轉速x2的交互作用不顯著，前進速度x1與切割傾角x3的交互作用不顯著，刀盤轉速x2與切割傾角x3的交互作用不顯著。通過分析可知，影響枝條撕裂率的因素依次為刀盤轉速x2、切割傾角x3和前進速度x1。

表3 撕裂率試驗結果方差分析Table 3 Analysis of variance of tearing rate test results

p≤0.001為極顯著，用**表示；p≤0.05為顯著，用*表示。

表4 漏剪率試驗結果方差分析Table 4 Analysis of variance of leakage shear rate test results

續表4

p≤0.001為極顯著，用**表示；p≤0.05為顯著，用*表示。

由表4可知：刀盤轉速x2對漏剪率影響極顯著，前進速度x1與刀盤轉速x2的交互作用不顯著，前進速度x1與切割傾角x3的交互作用不顯著，刀盤轉速x2與切割傾角x3的交互作用不顯著。對試驗結果分析可知，影響枝條漏剪率的因素依次為刀盤轉速x2、切割傾角x3和前進速度x1。

3.2 各因素對性能指標的影響

3.2.1 各因素對撕裂率的影響

釀酒葡萄枝條切割性能指標受多種因素的影響，情況較為復雜，不同因素間存在一定的交互作用。本文將因素兩兩組合，研究其對撕裂率的影響趨勢。撕裂率的相應曲面及相應的等高線圖如圖2所示。

由圖2(a)可知：釀酒葡萄枝條撕裂率隨刀盤轉速的增加，先減小后增大；當前進速度增加時，枝條撕裂率變化平緩。由撕裂率變化趨勢可知，兩者交互作用不顯著。由等高線圖可知：當前進速度為1.50～1.70m/s、刀盤轉速為750～1 000r/min時，撕裂率最小。

由圖2(b)可知：釀酒葡萄枝條撕裂率隨刀片傾角的增加，先減小后增大；當前進速度增加時，枝條撕裂率變化平緩。由撕裂率變化趨勢可知，兩者交互作用不顯著。由等高線圖可知：當前進速度為1.50～1.70m/s、刀片傾角為5～15°時，撕裂率最小。

由圖2(c)可知：釀酒葡萄枝條撕裂率隨刀盤轉速的增加，先減小后增大；當刀片傾角增加時，撕裂率先減小后增大。由撕裂率變化趨勢可知，兩者交互作用不顯著。由等高線圖可知：當刀片傾角為5°～15°、刀盤轉速為750～1 000r/min時，撕裂率最小。

圖2 撕裂率的相應曲面及相應的等高線圖Fig.2 Response surface and contour map of tear rate

3.2.2 各因素對漏剪率的影響

漏剪率的響應曲面及相應的等高線圖如圖3所示。

圖3 漏剪率的響應曲面及相應的等高線圖Fig.3 Response surface and contour map of leakage shear rate

由圖3(a)可知：釀酒葡萄枝條漏剪率隨刀盤轉速的增加，先減小后增大；當前進速度增加時，枝條漏剪率變化平緩。由漏剪率變化趨勢可知，兩者交互作用不顯著。由等高線圖可知：當前進速度為1.70～2.10m/s、刀盤轉速為1 500r/min左右時，漏剪率最小。

由圖3(b)可知：釀酒葡萄枝條漏剪率隨刀盤轉速的增加，先減小后增大；當前進速度增加時，枝條漏剪率變化平緩。由漏剪率變化趨勢可知，兩者交互作用不顯著。由等高線圖可知：當刀盤轉速為1 500r/min左右、刀片傾角為10～20°時，漏剪率最小。

由圖3(c)可知：釀酒葡萄枝條漏剪率隨刀盤轉速的增加，先減小后增大；當前進速度增加時，枝條漏剪率先減小后增大。由漏剪率變化趨勢可知，兩者交互作用不顯著。由等高線圖可知：當前進速度為1.70～2.10m/s、刀片傾角為10°～20°時，漏剪率最小。

3.3 結果分析

運用Design-Expert 8.0.5b軟件所提供的最優化(Optimization)功能，以撕裂率和漏剪率最小尋求所對應的影響因素最佳參數組合為：釀酒葡萄枝條前進速度1.63m/s、刀盤轉速1 085.72r/min、切割傾角9.62°。此時，釀酒葡萄枝條撕裂率和漏剪率最小，分別為1.10%和0.85%，可靠度為0.99。

4 結論

1)采用二次通用旋轉組合試驗設計方法，對刀盤轉速、切割傾角和前進速度對撕裂率和漏剪率的影響進行了分析，并建立了撕裂率、漏剪率與各影響因素的回歸模型。

2)影響枝條撕裂率和漏剪率的因素主要有刀盤轉速、切割傾角和前進速度。其中，刀盤轉速和切割傾角對枝條撕裂率的影響較為顯著，刀盤轉速對枝條漏剪率的影響極其顯著。

3)當釀酒葡萄枝條前進速度1.63m/s、刀盤轉速1 085.72r/min、切割傾角9.62°時，釀酒葡萄枝條撕裂率為1.10%，漏剪率為0.85% ，圓盤刀切割器工作性能最好。

該試驗對影響釀酒葡萄枝條修剪的多因素進行了分析，研究了各因素對撕裂率和漏剪率等參數的影響。由于本試驗僅考慮了刀盤轉速、切割傾角和前進速度的影響，對圓盤刀的材質、不同品種的葡萄枝條及含水率等因素未展開相應試驗，因此在考慮上述因素的基礎上對葡萄枝條切割技術應進一步探討。