葡萄莖稈切割裝置作業(yè)參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)*

王佳，李紹波，陳春皓，李建平，薛春林，邊永亮

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定，071000)

0 引言

葡萄莖稈整形修剪是一個(gè)季節(jié)性強(qiáng)且需要大量人力的工作，但是農(nóng)村人力迅速下降直接導(dǎo)致從事葡萄生產(chǎn)的人嚴(yán)重不足，對葡萄產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重沖擊[1]。因此，目前急需在葡萄莖稈修剪機(jī)上加大研發(fā)力度。但是農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)主要依靠設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)，并通過樣機(jī)試驗(yàn)、反饋優(yōu)化等過程，較為繁瑣[2]，故消耗成本大設(shè)計(jì)時(shí)間長。虛擬仿真技術(shù)不但可以降低成本、縮短設(shè)計(jì)周期，而且能完善設(shè)計(jì)精度[3-5]。林茂等[6]利用ADAMS軟件對三種不同形狀(矩形、梯形、彎形)圓盤刀片進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析研究，為以后甘蔗收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。Bietresato等[7]利用激光雷達(dá)3D立體視覺系統(tǒng)檢測植物冠層，通過發(fā)射激光獲取果樹枝干方向、直徑、距離等空間信息，根據(jù)空間信息對果樹冠層進(jìn)行三維重建。Botterill等[8]研發(fā)了一種葡萄修剪機(jī)器系統(tǒng)，利用人工智能系統(tǒng)檢測未修剪葡萄莖稈，實(shí)現(xiàn)葡萄修剪的智能化作業(yè)。上述研究表明關(guān)于往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)的往復(fù)式切割器仿真研究尚未報(bào)道，因此應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件對切割裝置的動(dòng)、定刀片切割器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，參照國內(nèi)外荔枝樹枝、蘋果樹枝、蟠桃果樹枝和棉稈等其他的莖稈作物生長特性和力學(xué)性能的研究方法[9]，對葡萄莖稈力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行研究，獲取葡萄莖稈壓縮和剪切等的特性參數(shù)，建立葡萄莖稈的物理模型，為優(yōu)化葡萄莖稈切割裝置作業(yè)參數(shù)提供重要依據(jù)，通過虛擬正交試驗(yàn)，確定了往復(fù)式切割裝置的最優(yōu)工作參數(shù)組合，為往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

1 葡萄莖稈力學(xué)特性試驗(yàn)

1.1 葡萄莖稈壓縮試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)儀器與材料

試驗(yàn)采用WDW-5E型萬能試驗(yàn)機(jī)，分辨率為1/200 000，最大負(fù)荷為20 kN，力值采樣精度0.3%，位移測量精度小于示值的±0.5%；手動(dòng)修枝剪。

試驗(yàn)材料：選擇生長完好、粗細(xì)均勻的葡萄莖稈，將取樣處理后的葡萄莖稈進(jìn)行編號并用保鮮膜密封保存。

1.1.2 試驗(yàn)方法

1) 順紋壓縮特性測定。選取長度為15 mm，試樣兩端平整，試驗(yàn)前保證葡萄莖稈位于萬能試驗(yàn)機(jī)壓頭中間位置，將測量數(shù)據(jù)輸入到萬能試驗(yàn)機(jī)所用軟件中，然后進(jìn)行順紋壓縮試驗(yàn)，加載速度為20 mm/min，記錄下順紋壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同理，通過10次試驗(yàn)得到順紋葡萄莖稈的抗壓強(qiáng)度和斷裂力。

順紋抗壓強(qiáng)度σW按式(1)計(jì)算[10]。

(1)

式中：Pmax——破壞載荷，N；

b——試樣寬度，mm；

t——試樣厚度，mm。

根據(jù)順紋壓縮試驗(yàn)獲得的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，選取直線段。在直線段上選取兩點(diǎn)之間的應(yīng)力變化量和相應(yīng)的應(yīng)變變化量，按式(2)計(jì)算線段的斜率，即彈性模量Es[11]。

(2)

式中： Δσ——順紋試樣的應(yīng)力變化量，MPa；

Δε——順紋試樣的應(yīng)變變化量，mm。

2) 橫紋壓縮特性測定。橫紋壓縮特性測定所選取的葡萄莖稈樣本直徑與高比為1∶3，將測量數(shù)據(jù)輸入到萬能試驗(yàn)機(jī)所用軟件中，然后進(jìn)行橫紋壓縮試驗(yàn)，加載速度為20 mm/min，記錄下橫紋壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同理，通過10次試驗(yàn)得到橫紋葡萄莖稈的抗壓強(qiáng)度和斷裂力。

橫紋抗壓強(qiáng)度σyW按式(3)計(jì)算[12]。

(3)

式中：P——比例極限載荷，N；

L——試樣長度，mm。

1.1.3 葡萄莖稈壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 順紋壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析。做好相關(guān)試驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，開始進(jìn)行葡萄莖稈順紋壓縮試驗(yàn)，并記錄順紋壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將10組葡萄莖稈自動(dòng)計(jì)算得出的順紋壓縮試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度和斷裂力匯總分析見表1；將葡萄莖稈段視為等直桿[13]，由式(2)計(jì)算出葡萄莖稈彈性模量。

表1 順紋壓縮試驗(yàn)數(shù)值Tab. 1 Along the grain compression test value

由表1可知，葡萄莖稈試樣順紋抗壓強(qiáng)度最大值為16.2 MPa，最小值為7.1 MPa，平均值為10.52 MPa；葡萄莖稈試樣順紋斷裂力最大值為380.55 N，最小值為170.22 N，平均值249.01 N；葡萄莖稈順紋彈性模量最大值110.33 MPa，最小值為50.65 MPa，平均值為80.22 MPa。

2) 橫紋壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析。做好橫紋壓縮相關(guān)試驗(yàn)準(zhǔn)備工作后，開始進(jìn)行葡萄莖稈橫紋壓縮試驗(yàn)，并記錄橫紋壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將10組葡萄莖稈自動(dòng)計(jì)算得出的橫紋壓縮試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度和斷裂力匯總分析見表2；將葡萄莖稈段視為等直桿[13]，由式(2)計(jì)算出葡萄莖稈彈性模量。

表2 橫紋壓縮試驗(yàn)數(shù)值Tab. 2 Horizontal grain compression test value

由表2可知，葡萄莖稈試樣橫紋抗壓強(qiáng)度最大值為11.5 MPa，最小值為6.8 MPa，平均值為9.17 MPa；葡萄莖稈試樣橫紋斷裂力最大值為308.33 N，最小值為128.98 N，平均值為208.25 N；葡萄莖稈橫紋彈性模量最大值為100.22 MPa，最小值為45.22 MPa，平均值為80.55 MPa。

1.2 葡萄莖稈切割試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)材料與方法

1) 試驗(yàn)材料。葡萄莖稈切割試驗(yàn)切割莖稈時(shí)，刀刃的運(yùn)動(dòng)方向?qū)η懈钭枇τ绊戄^大，如果刀刃沿垂直于刃線方向切入莖稈時(shí)，則切割阻力較大；若刀刃沿刃線的垂直線不垂直方向切入莖稈時(shí)，則切割阻力較小。因此，本試驗(yàn)對葡萄莖稈最大切割力的探究均以刀刃沿垂直于刃線方向切入莖稈進(jìn)行葡萄莖稈剪切試驗(yàn)[14]。葡萄莖稈選用備好的試樣，取樣時(shí)選擇生長完好、粗細(xì)均勻的葡萄莖稈，將取樣處理后的葡萄莖稈進(jìn)行編號并用保鮮膜密封保存。

2) 試驗(yàn)方法。試驗(yàn)過程在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，夾具中心與萬能試驗(yàn)機(jī)壓頭中心重合，葡萄莖稈剪切試驗(yàn)原理，如圖1所示。

圖1 剪切試樣裝置示意圖

取10根葡萄莖稈，用游標(biāo)卡尺測量葡萄莖稈直徑，將測量數(shù)據(jù)輸入到萬能試驗(yàn)機(jī)所用軟件中，然后進(jìn)行剪切試驗(yàn)，將葡萄莖稈固定在萬能試驗(yàn)機(jī)夾具上，使待試驗(yàn)部位處于切刀落點(diǎn)位置，調(diào)整完畢后按下“開始”鍵，夾持裝置夾持切刀下落，從零開始逐漸在試驗(yàn)部位施加載荷，加載速度為150 mm/min，當(dāng)葡萄莖稈發(fā)生斷裂時(shí)按下“停止”鍵結(jié)束試驗(yàn)，記錄下最大剪切載荷。同理，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，通過10次試驗(yàn)得到葡萄莖稈的抗剪強(qiáng)度和切割力，并分析葡萄莖稈剪切特性與莖稈直徑的變化關(guān)系。

1.2.2 葡萄莖稈切割試驗(yàn)結(jié)果分析

為了解葡萄莖稈直徑對最大切割力的影響，對剪切試樣的最大切割力進(jìn)行比較分析，選取含水率相近的葡萄莖稈做最大切割力進(jìn)行比較，對自動(dòng)計(jì)算得出的10組葡萄莖稈抗剪強(qiáng)度和最大切割力匯總，如表3所示。

表3 葡萄莖稈剪切試驗(yàn)數(shù)值Tab. 3 Shear test values of grape stalks

從表3可知，葡萄莖稈直徑為7.2 mm時(shí)，最大切割力為282.51 N；葡萄莖稈直徑為2.5 mm時(shí)，最大切割力為66.52 N；最大切割力平均值為143.19 N；因此在其他條件相同的前提下，隨著葡萄莖稈直徑的增大，最大切割力也隨之增大。另外根據(jù)剪切試驗(yàn)得出葡萄莖稈的抗剪強(qiáng)度在5.0～9.0 MPa之間，在確定切割刀的轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，要超過此抗剪強(qiáng)度，才能對葡萄莖稈進(jìn)行有效切割。

2 往復(fù)式切割器過程有限元分析

2.1 往復(fù)式切割器—葡萄莖稈幾何模型建立

由于往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)切割裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此利用Autodesk Inventor Professional(AIP)三維建模軟件完成往復(fù)式切割器三維實(shí)體模型的建立，如圖2所示，葡萄莖稈長度為50 mm，莖稈直徑為5.5 mm，動(dòng)、定刀片距離為50 mm，葡萄莖稈與定刀片相切，動(dòng)、定刀片厚度均為4 mm，動(dòng)、定刀片切割傾角為9°[15]。

圖2 切割器三維模型

2.2 模型處理

1) Hypermesh網(wǎng)格劃分。對往復(fù)式切割器—葡萄莖稈有限元模型網(wǎng)格劃分，如圖3所示，動(dòng)、定刀片網(wǎng)格尺寸為2 mm，單元個(gè)數(shù)是64 036個(gè)；葡萄莖稈網(wǎng)格尺寸為1 mm，單元個(gè)數(shù)是14 990個(gè)。

圖3 葡萄莖稈切割模型有限元網(wǎng)格劃分

2) 材料參數(shù)的選擇。由于葡萄莖稈是彈性材料，為了方便葡萄莖稈模型的建立，定義葡萄莖稈材料為各向同性的塑性材料。其塑性隨動(dòng)模型如式(4)所示。

(4)

式中：ε1——應(yīng)變率；

σ0——初始屈服應(yīng)力，MPa；

C、P——應(yīng)變率參數(shù)；

εPeff——有效塑性應(yīng)變；

β——硬化參數(shù)；

EP——塑性硬化模量，定義為EP=EtanE/(E-Etan)；

E——彈性模量；

Etan——彈性切向模量。

葡萄莖稈的材料物理參數(shù)如表4所示。

表4 葡萄莖稈的材料物理參數(shù)Tab. 4 Material physical parameters of grape stalk

動(dòng)刀片材料是65Mn，動(dòng)刀片材料物理參數(shù)如表5所示。

表5 動(dòng)刀片材料物理參數(shù)Tab. 5 Physical parameters of moving blade material

3) 定義初始條件以及約束。根據(jù)仿真切割要求，需要對葡萄莖稈底部和上部添加固定約束，對動(dòng)刀片添加運(yùn)動(dòng)約束時(shí)，動(dòng)刀片的往復(fù)切割速度基本保持不變，運(yùn)動(dòng)方向與葡萄莖稈垂直，因此，動(dòng)刀片上所施加的載荷為x方向的水平恒定速度，運(yùn)動(dòng)速度為2.6 m/s。

2.3 ANSYS/LS-DYNA仿真結(jié)果分析

2.3.1 切割過程位移云圖

從圖4中可得，在動(dòng)刀片接觸葡萄莖稈過程中，葡萄莖稈形變量較小。在整個(gè)葡萄莖稈切割過程中，隨著動(dòng)刀片不斷切入到葡萄莖稈中，在切割端口處的形變量變大，動(dòng)、定刀片形變量很小，動(dòng)、定刀片足夠剪斷葡萄莖稈滿足設(shè)計(jì)剛度要求。

(a) 割刀進(jìn)入葡萄莖稈

(b) 割刀切割葡萄莖稈

(c) 割刀切割葡萄莖稈

(d) 葡萄莖稈被切斷

2.3.2 葡萄莖稈切割過程等效應(yīng)力分布

葡萄莖稈在切割過程等效應(yīng)力分布情況如圖5所示，在葡萄莖稈切割過程中，圖5(a)為動(dòng)刀片在0.001 0 s時(shí)，動(dòng)刀片與葡萄莖稈開始接觸，其等效應(yīng)力最大值為10.93 MPa；圖5(b)為動(dòng)刀片切割葡萄莖稈達(dá)到一半位置時(shí)，此時(shí)等效應(yīng)力最大值為21.01 MPa；圖5(c)為動(dòng)刀片在0.003 6 s時(shí)，葡萄莖稈即將斷裂，其等效應(yīng)力達(dá)到最大值為20.33 MPa；圖5(d)為動(dòng)刀片在0.003 8 s時(shí)，葡萄莖稈此時(shí)完全被切斷，此時(shí)最大等效應(yīng)力為18.62 MPa。

(a) 割刀進(jìn)入葡萄莖稈

(b) 割刀切割葡萄莖稈

(c) 割刀切割葡萄莖稈

(d) 葡萄莖稈被切斷

2.3.3 切割力曲線

葡萄莖稈切割過程切割力曲線，如圖6所示。在0.001 s之前，動(dòng)刀片刀尖未接觸葡萄莖稈，當(dāng)切割運(yùn)動(dòng)到0.003 1 s時(shí)，此時(shí)切割力達(dá)到最大值。在整個(gè)切割過程中，切割力逐漸變大，當(dāng)切割到葡萄莖稈一半位置時(shí)，切割力達(dá)到最大值，隨后葡萄莖稈切割力從最大值逐漸減小，直到切割完畢切割力減小到0 N。由此可以得出，從初始切割到葡萄莖稈一半位置時(shí)，切割力逐漸增加到最大值，然后從切割葡萄莖稈一半位置到切割完畢時(shí)，切割力從最大值逐漸減小到零。

圖6 切割力曲線

2.3.4 能量變化

圖7為各種能量與切割時(shí)間的關(guān)系，在0.001 s之前動(dòng)刀片刀尖未接觸葡萄莖稈，動(dòng)刀片內(nèi)能最?。辉?.001～0.004 s時(shí)間段為葡萄莖稈切割過程，動(dòng)刀片的內(nèi)能逐漸增大，當(dāng)切割到葡萄莖稈一半位置時(shí)，內(nèi)能達(dá)到最大值為243.39 J，當(dāng)繼續(xù)切割時(shí)，動(dòng)刀片內(nèi)能從最大值逐漸減??；對動(dòng)刀片的動(dòng)能曲線進(jìn)行分析，在葡萄莖稈切割過程中，動(dòng)刀片動(dòng)能基本不變，說明動(dòng)刀片剛度滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

圖7 切割能量曲線

2.4 多因素仿真試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)

影響葡萄莖稈切割效率的因素主要有行進(jìn)速度、往復(fù)速度、切割傾角等，其中往復(fù)速度由液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定。切割力是葡萄莖稈切割過程中的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了葡萄莖稈的變形情況和斷裂形態(tài)。因此，為得到往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)最佳工作參數(shù)，以最大切割力為切割性能檢驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行多因素仿真試驗(yàn)，分析液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速、切割傾角、行進(jìn)速度對割刀切割力的影響。利用Design-Expert12.0軟件，以Box-Behnken Design(BBD)響應(yīng)面優(yōu)化法設(shè)計(jì)三因素三水平的試驗(yàn)方案，試驗(yàn)因素水平編碼如表6所示。

表6 試驗(yàn)因素水平編碼表Tab. 6 Test factor level coding table

2.4.2 多因素仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

1) 方差分析。響應(yīng)面試驗(yàn)方案及結(jié)果如表7所示，共需17組試驗(yàn)以完成各因素及其交互作用的評判，利用Design-Expert12.0軟件對切割傾角X1、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速X2、行進(jìn)速度X3進(jìn)行回歸擬合，得到響應(yīng)值葡萄莖稈切割時(shí)的切割力Y的二次多項(xiàng)式回歸擬合模型，如式(5)所示。

Y=70.08+10.11X1-7.89X2-0.501 2X3-

0.110 0X1X2+0.102 5X1X3-0.115 0X2X3+

1.70X12+0.591 7X22-3.68X32

(5)

表7 試驗(yàn)方案及結(jié)果表Tab. 7 Test plan and result table

經(jīng)計(jì)算，得到葡萄莖稈切割力的方差分析結(jié)果如表8所示，根據(jù)方差分析結(jié)果，對回歸方程擬合度進(jìn)行分析，并對模型進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

表8 回歸模型的方差分析Tab. 8 Analysis of variance in regression model

由表8可以看出，葡萄莖稈切割時(shí)的切割力Y的二次回歸模型P值為P<0.000 1，表明該試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆O顯著；失擬項(xiàng)的P值分為0.778 1大于0.05，失擬項(xiàng)不顯著，試驗(yàn)誤差小，表明模型擬合的二次回歸方程與實(shí)際相吻合，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)合理。

對于切割力的X1、X2、X3、X12、X32的P值均小于0.01，為極顯著；X22的P值在0.01與0.05之間，為顯著；X1X2、X1X3、X2X3的P值均大于0.05，為不顯著。說明切割傾角、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速及行進(jìn)速度對葡萄莖稈切割力的影響極顯著；二次項(xiàng)X12、X32對切割力的影響均達(dá)到極顯著水平；二次項(xiàng)X22對切割力的影響達(dá)到顯著水平；其余各項(xiàng)影響較弱。

根據(jù)以上方差分析，剔除二次多項(xiàng)式回歸擬合模型中的不顯著項(xiàng)，保留顯著項(xiàng)(P<0.05)，上述式(5)簡化為式(6)。

Y=70.08+10.11X1-7.89X2-0.5012X3+

1.70X12+0.591 7X22-3.68X32

(6)

2) 響應(yīng)面分析。使用Design-Expert12.0軟件繪制響應(yīng)曲面圖，各因素交互作用對切割力影響的響應(yīng)曲面圖，如圖8所示。

圖8(a)為切割傾角位于中心水平(12°)時(shí)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速與行進(jìn)速度交互作用的響應(yīng)曲面圖，由圖可知液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速與行進(jìn)速度交互影響。切割力隨液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的增大而減小，切割力隨行進(jìn)速度的增大先增加后減小，其中，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速對切割力的影響相對更顯著。圖8(b)為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速位于中心水平(500 r/min)時(shí)，切割傾角與行進(jìn)速度交互作用的響應(yīng)曲面圖，由圖可知切割傾角與行進(jìn)速度的交互影響。切割力隨行進(jìn)速度的增大先增大后減小，隨切割傾角的增大而增大，其中，切割傾角對切割力的影響更為顯著。

(a) X1=0

(b) X2=0

(c) X3=0

圖8(c)為行進(jìn)速度位于中心水平(1.5 m/s)時(shí)，切割傾角與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速交互作用的響應(yīng)曲面圖，由圖可知切割傾角與液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速交互影響。切割力隨切割傾角編碼值的增大而增大，隨液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的增大而減小，其中，切割傾角對切割力的影響更為顯著。

根據(jù)響應(yīng)面結(jié)果分析可知，切割力隨液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨行進(jìn)速度的增大先增加后減小，切割力隨切割傾角編碼值的增大而增大，這與已有研究中[16]切割器切割莖稈結(jié)果相符，這是因?yàn)轳R達(dá)轉(zhuǎn)速越大，割刀往復(fù)速度越快切割阻力越小，切割力變??；行進(jìn)速度影響割刀進(jìn)距，行進(jìn)速度增大時(shí)切割莖稈數(shù)量增加，故切割阻力變大，切割力變大，當(dāng)行進(jìn)速度過高，可能造成漏割，故切割阻力變小，導(dǎo)致切割力變??；切割傾角越大，切割器阻力越大，切割力也越大[17]。

由圖8分析可知，各因素對響應(yīng)面的影響規(guī)律與二次多項(xiàng)式回歸擬合模型方差分析的結(jié)果基本一致。

3) 試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化求解。為獲得往復(fù)式葡萄莖稈切割裝置的最佳參數(shù)組合，使其發(fā)揮較優(yōu)的工作性能，運(yùn)用Design-Expert12.0軟件的優(yōu)化分析功能，在3因素3水平試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出往復(fù)式葡萄莖稈切割裝置的最優(yōu)編碼組合：切割傾角為-1、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為1、行進(jìn)速度為1，此時(shí)的切割力為50.08 N。各因素的編碼值對應(yīng)的實(shí)際值為：切割傾角為9°、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為700 r/min、行進(jìn)速度為1.5 m/s。

3 往復(fù)式切割器作業(yè)性能試驗(yàn)

3.1 模型建立與樣機(jī)試制

將往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)的各個(gè)零部件和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢后，同步在AIP軟件中繪制同等比例的三維模型，對各個(gè)零件進(jìn)行裝配和約束，調(diào)取螺栓、螺母、墊片等標(biāo)準(zhǔn)件和設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行組裝成完往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)模型，根據(jù)裝配模型生成用于指導(dǎo)加工生產(chǎn)的二維圖紙。

3.2 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證往復(fù)式葡萄莖稈切割裝置的最優(yōu)參數(shù)作業(yè)效果，在河北省保定市定州市黃家葡萄酒莊基地進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)葡萄樹樹齡8年，品種為“北醇”釀酒葡萄，行距3 m，株距100 cm，機(jī)具配套拖拉機(jī)為邢臺同德404型，并對修剪后的葡萄莖稈狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

切割質(zhì)量是用來衡量往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)切割裝置性能的指標(biāo)，本試驗(yàn)以漏剪率、撕裂率為試驗(yàn)指標(biāo)，在完成葡萄莖稈修剪試驗(yàn)后，對修剪后的葡萄莖稈撕裂個(gè)數(shù)、未剪下的葡萄莖稈數(shù)和葡萄莖稈總數(shù)進(jìn)行總數(shù)統(tǒng)計(jì)，分別按式(7)和式(8)測定葡萄莖稈的漏剪率和撕裂率，測定結(jié)果取平均值。

撕裂率TS是指切割后葡萄莖稈未被剪切撕裂狀態(tài)下的百分?jǐn)?shù)值。

(7)

式中：S——撕裂葡萄莖稈數(shù)，個(gè)；

Z——枝條總數(shù)，個(gè)。

漏剪率Yl是指切割后葡萄莖稈未被剪切漏剪狀態(tài)下的百分?jǐn)?shù)值。

(8)

式中：l——漏剪葡萄莖稈數(shù)，個(gè)。

3.4 試驗(yàn)方案

進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)，往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)工作參數(shù)設(shè)定為仿真結(jié)果最優(yōu)參數(shù)選擇動(dòng)、定刀片切割傾角9°，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為700 r/min，行進(jìn)速度為1.5 m/s。為保證試驗(yàn)的合理性，試驗(yàn)選取10個(gè)區(qū)域進(jìn)行莖稈修剪單側(cè)測試，對測試區(qū)域葡萄莖稈撕裂個(gè)數(shù)、未剪下的葡萄莖稈數(shù)和葡萄莖稈總數(shù)進(jìn)行總數(shù)統(tǒng)計(jì)，測試結(jié)果取平均值。

3.5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對修剪機(jī)進(jìn)行修剪測試試驗(yàn)，單位面積隨機(jī)選取10個(gè)區(qū)域進(jìn)行單側(cè)測試，往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)作業(yè)完成后對測試點(diǎn)進(jìn)行葡萄莖稈修剪情況記錄，并定義未修剪的為漏剪，非平整剪斷為撕裂。葡萄莖稈枝條修剪質(zhì)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表9所示。

表9 葡萄莖稈修剪質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab. 9 Statistics of pruning quality data of grape stem branches

葡萄莖稈修剪撕裂率平均值為4.6%，葡萄莖稈修剪漏剪率平均值為5.4%。由于液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速越快切割阻力越小，撕裂率越低，但液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速不能過快，否則很容易造成漏割，漏剪率變大；當(dāng)行進(jìn)速度過高，切割阻力變小，撕裂率越低，但行進(jìn)速度不能過快，過快可能造成漏割，漏剪率變大；切割傾角越大，切割器阻力越大，撕裂率越低。試驗(yàn)結(jié)果表明，往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定，往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)葡萄莖稈漏剪率為5.4%、斷口撕裂率為4.6%，因此往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)為動(dòng)定刀片切割傾角9°，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為700 r/min，行進(jìn)速度為 1.5 m/s 時(shí)滿足園藝修剪要求。

4 結(jié)論

1) 測定了修剪期葡萄莖稈的順紋抗壓強(qiáng)度為10.5 MPa、彈性模量為80.22 MPa，莖稈的橫紋抗壓強(qiáng)度為9.17 MPa、彈性模量為80.55 MPa，莖稈的最大剪切力為66.52～282.51 N，并且葡萄莖稈隨著直徑的增大，最大剪切力也隨之增大。

2) 利用ANSYS/LS-DYNA軟件仿真分析了往復(fù)式切割器工作過程，得到葡萄莖稈修剪過程中位移云圖、等效應(yīng)力云圖、能量曲線和切割力曲線；通過三因素三水平Box-Behnken Design正交試驗(yàn)仿真分析得到往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)作業(yè)優(yōu)化參數(shù)為動(dòng)定刀片切割傾角為9°、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為700 r/min、行進(jìn)速度為1.5 m/s。

3) 將往復(fù)式修剪機(jī)作業(yè)參數(shù)設(shè)置為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為700 r/min，行進(jìn)速度為1.5 m/s，動(dòng)定刀片切割傾角為9°時(shí)，田間試驗(yàn)表明：往復(fù)式葡萄莖稈修剪機(jī)的葡萄莖稈漏剪率為5.4%，撕裂率為4.6%，滿足葡萄園莖稈機(jī)械化修剪作業(yè)要求。