基于虛擬正交試驗的蘋果苗木平茬機切割器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

楊振, 楊欣, 楊曉斌, 王鵬飛, 李建平, 劉洪杰, 李雪軍

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.河南省息縣農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所, 河南 信陽 464300)

當(dāng)前蘋果栽培采用的是矮砧密植栽培模式，也是我國蘋果目前發(fā)展的主要模式，隨著國內(nèi)矮砧密植蘋果苗木需求量的不斷增加，蘋果苗木生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)的機械化短板顯露。矮砧密植模式的蘋果苗木在培育過程中需要去除苗木多余枝條進行嫁接，以往此項工作多為人工完成，效率低下且成本較高，急需性能可靠、作業(yè)質(zhì)量優(yōu)良的機械化裝備來實現(xiàn)機械化平茬作業(yè)[1]。目前，平茬處理研究多應(yīng)用于收獲檸條和灌木叢類，蘋果苗木平茬是保留底部的蘋果根茬，為嫁接做準(zhǔn)備，暫無相關(guān)研究。平茬機切割裝置是平茬機的核心部件，多采用旋轉(zhuǎn)式和往復(fù)式，陳誠等[2]研究了往復(fù)式灌木切割器滑切角對灌木的影響，劉金男等[3]設(shè)計了旋轉(zhuǎn)式的檸條平茬機，李丹婷等[4]對沙生灌木旋轉(zhuǎn)式平茬機切割器刃口進行了設(shè)計提高了平茬的效率。平茬機作業(yè)參數(shù)影響切割效果和切割功耗，邱述金等[5]對檸條收獲機圓盤鋸式切割系統(tǒng)進行動力學(xué)仿真并田間試驗，得到了最優(yōu)作業(yè)參數(shù)。

蘋果苗木平茬機設(shè)計采用旋轉(zhuǎn)式圓盤鋸切割裝置，在作業(yè)時，圓盤鋸式切割器高速旋轉(zhuǎn)切割苗木，鋸齒頻繁與苗木接觸，受到較大沖擊力，易導(dǎo)致苗木損傷。為此對切割器進行仿真設(shè)計與分析，確定切割器在作業(yè)時的最優(yōu)參數(shù)組合。

蘋果苗木枝條仿真的切割過程復(fù)雜，是典型的穿透式高速碰撞的范疇[6]。由于鋸齒和砧木之間采用非連續(xù)接觸[7]，通過常規(guī)方法難以分析和觀察圓鋸片與砧木之間的相互作用，本文擬采用ANSYS LS-DYNA的顯示動力學(xué)解決該問題，通過對鋸切過程中的鋸切力的分析計算得到模擬所用到的載荷參數(shù)并應(yīng)用于到試驗樣機上進行驗證，挺高了平茬的效率和質(zhì)量。

1 材料和方法

1.1 蘋果砧木物理參數(shù)測定

試驗所用蘋果砧木來自河北保定蠡縣蘋果苗木種植基地，取樣后制成試樣。

試驗設(shè)備包括上海衡翼精密儀器M221C萬能試驗機、東華測試DH3819無線靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)、HZY電子天平等。采用電測法[8]得到蘋果苗木枝條的物理特性參數(shù)(表1)。

表1 蘋果苗木枝條材料物理參數(shù)Table 1 Apple branch material physical parameters

1.2 切割器切割過程受力分析及仿真

1.2.1切割器切割過程受力分析 果樹苗木平茬機的切割裝置如圖1所示，由傳動軸、鋸片、定刀組成。圓鋸片跟隨刀軸一起轉(zhuǎn)動，定刀與刀軸之間通過軸承連接，定刀不隨著鋸片轉(zhuǎn)動。因此，可以簡化切割器為單一圓盤鋸片切割裝置。

根據(jù)木材切削原理與刀具可知，徑向力Fn是圓盤鋸在切割砧木過程中受到的沖擊力以及機組前進時的反作用力。切向力Ft圓盤鋸在切割過程摩擦力的反作用力，該力與圓盤鋸鋸齒的線速度方向平行但方向相反。軸向力Fa是由圓盤鋸的加工誤差和安裝誤差及擠壓和碰撞枝條產(chǎn)生的力，其方向沿圓盤鋸安裝軸的方向并垂直于圓盤鋸表面[9]。為了簡化計算，徑向力Fn和切向力Ft的合力Fxy可以等效的分解為沿著Oxy平面的Fx和Fy，如圖2所示。因為砧木位于圓盤鋸的中心位置，因此Fx相當(dāng)于Fn，F(xiàn)y相當(dāng)于Ft，F(xiàn)a相當(dāng)于Fz[10]。設(shè)圓鋸片在一定工況下所受合力為F合，因此三個坐標(biāo)軸的合力Fx、Fy、Fz根據(jù)力學(xué)的關(guān)系。

(1)

1.2.2建立砧木切割動力學(xué)系統(tǒng)方法 本研究采用數(shù)字木材濕度測試儀測量蘋果苗木枝條含水率，在38%～42%之間。果樹苗木莖稈由按規(guī)則排列的纖維細(xì)胞組合而成，外表一層韌皮部，內(nèi)部為實木層，蘋果苗木枝條是一種各向異性的復(fù)雜的生物材料，但韌皮部比實木層韌性和硬度低，因此，只考慮實木層的參數(shù)，將砧木簡化成線彈性正交各向異性材料模型，使用LS-DYNA中的現(xiàn)有材料模型Orthotropic(線彈性正交各向異性材料模型)[11]為砧木的最佳模擬材料。這種材料可以實現(xiàn)單元失效，從而可以模擬苗木被切斷的整個過程，獲得切割砧木時所需要的切割力。在ANSYS LS-DYNA中建立的砧木切割模型如圖3所示。

切割器圓鋸片材料為65 Mn，圓鋸盤的物理參數(shù)[12]如表1所示。

表2 圓鋸片的物理參數(shù)Table 2 Physical parameters of the circular saw

根據(jù)田間生長的枝條將其簡化成均勻的圓柱形狀，本文采用直徑20 mm，長度400 mm的枝條模擬田間試驗的效果，枝條底部全約束固定。

1.3 虛擬正交試驗方法及設(shè)計

在平茬機虛擬樣機試驗中，影響苗木枝條切割性能的主要為機構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。砧木枝條切割作業(yè)中，切割鋸片直徑為400 mm，以圓盤鋸切割部件的齒數(shù)、轉(zhuǎn)速、前進速度為影響因素，應(yīng)用虛擬正交試驗優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，進行三因素三水平正交實驗，觀察各個因素對目標(biāo)的影響。因此取切割部件與砧木間在x、y、z方向上的最大峰值力Fx、Fy、Fz評價修剪效果。

另一個指標(biāo)切割部件的功率P值為切割部件上鋸齒切割枝條所消耗的功率，按照橫向鋸切計算，由木材切削原理與刀具得計算公式[13]如下。

(2)

式中，Pc為鋸齒切割苗木所消耗的功率，W；Mk為切割部件的最大扭矩，N·m-1；vc為齒尖轉(zhuǎn)速，m·s-1；D為圓鋸?fù)鈴?，?.4 m。

切割鋸片采用直徑400 mm的金田木工合金鋸片，齒數(shù)有60、80、100。試驗采用的鋸片厚度2.4 mm，齒前角-15°，齒頂角15°，圓盤鋸選取的齒數(shù)決定茬口質(zhì)量，而茬口質(zhì)量由鋸齒進給量決定，參考每齒進給量的砧木橫向鋸切進給量Uz為0.03～0.2 mm，通過公式(3)[14]計算。

(3)

式中，n為轉(zhuǎn)速，r·min-1，V為進給速度，m·min-1。計算出齒數(shù)分別為60、80、100的鋸盤。

采用中心組合精度設(shè)計方案[15]進行虛擬實驗，因素水平如表3所示。

表3 虛擬試驗因素水平Table 3 Virtual test factor level

1.4 切割效果驗證

1.4.1試驗條件 為驗證有限元仿真結(jié)果，于2018年11月在河北省蠡縣中間砧試驗田進行樣機田間試驗。

試驗設(shè)備采用河北農(nóng)業(yè)大學(xué)蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機械崗自主研發(fā)設(shè)計蘋果苗木平茬機，初始設(shè)計采用轉(zhuǎn)速為4 200 r·min-1，鋸盤齒數(shù)為100齒的圓盤鋸。平茬機的其他主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 蘋果苗木平茬機的主要技術(shù)參數(shù)Table 4 Main technical parameters of apple graft trimmer

1.4.2試驗方法 在蘋果苗圃種植地隨機選擇若干2 m×2 m的地塊，對選取地塊內(nèi)長勢較為均勻的蘋果樹苗進行編號。試驗砧木選用矮化中間砧木，在田間通過手持式木材水分檢測儀(標(biāo)智儀表GM610)測定砧木樣品的含水率，為40%。機組按照虛擬仿真優(yōu)化的前進速度為1 km·h-1，轉(zhuǎn)速為4 200 r·min-1，鋸盤齒數(shù)為100齒的圓盤鋸時的參數(shù)進行試驗。

1.4.3合格率評價 在平茬機作業(yè)后的工作區(qū)域內(nèi)，每個行程在測區(qū)長度方向上等間距測量區(qū)域內(nèi)全部的修剪信息，查看所有砧木的茬口破損信息，計算碎頭率。

(4)

式中,Cp為砧木碎頭率；Np為測定區(qū)域內(nèi)砧木碎頭的株數(shù)，單位為棵；Na為測定區(qū)內(nèi)總棵樹，單位為棵。

為了獲取苗木平茬的指標(biāo)，采用平茬機的斷口截面質(zhì)量以及留茬高度為評判依據(jù)，由于我國對于蘋果苗木平茬機的田間試驗暫時沒有國家標(biāo)準(zhǔn)，因此試驗方案依據(jù)GB/T5262—2008[16]和JBT6275—2007[17]甘蔗收獲機械試驗方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 仿真切割結(jié)果與分析

應(yīng)用Design-Expert響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計軟件對所得到的數(shù)據(jù)進行響應(yīng)面的分析處理，分別得到x、y、z軸方向力和功率，如表5所示。

表5 仿真實驗的響應(yīng)面設(shè)計方案和試驗結(jié)果Table 5 Response surface design scheme and test results of simulation experiments

各因素值的響應(yīng)面方程如下。

Fx=436.139 63-15.999 5a-0.050 516b-329.976 39c+0.001 778 12ab+1.345 70ac+0.063 364a2+96.688 95c2

(5)

Fy=481.953 25-1.562 67a-0.045 266b+11.492 00c

(6)

Fz=-533.912 58+1.341 42a+0.331 52b-218.137 03c+4.888 75E-4ab+2.542 85ac+0.071 760bc-0.031 219a2-6.079 85E-5b2-137.873 62c2

(7)

P=-10.432 80+0.325 90a+4.952 50E-4b-2.621 90c-2.254 17E-5ab-0.011 800ac+8.466 67E-4bc-1.503 62E-3a2+1.181 94E-7b2+0.488 20c2

(8)

式中，a為齒數(shù)；b為轉(zhuǎn)速；c為前進速度。

Fx為切割部件正面切割苗木的受力，此作用力有利于苗木切割，但是不宜過大，否則會推倒苗木枝條；Fy為切割部件前進時沿苗木向上或向下的力，是切割部件與苗木之間發(fā)生相對位移的摩擦力，越小越好;Fz為切割部件滑切苗木力，越大越好。同時考慮功率P，在平茬機切割系統(tǒng)額定功率內(nèi)取最大值，苗木修剪效果最佳。

2.2 虛擬正交試驗因素交互影響分析

2.2.1試驗因素對Fx的影響 如圖4所示，當(dāng)轉(zhuǎn)速越大、齒數(shù)越多時，F(xiàn)x值越?。积X數(shù)越多、前進速度越大，F(xiàn)x值越大；轉(zhuǎn)速越高、前進速度越小，F(xiàn)x值越小。

2.2.2試驗因素對Fy的影響 圖5為轉(zhuǎn)速和齒數(shù)對于Fy的交互影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速越高、齒數(shù)越多時，F(xiàn)y值越小;選擇轉(zhuǎn)速為4 200 r·min-1和100齒時,Fy值最優(yōu)。

2.2.3試驗因素對Fz的影響 圖6為轉(zhuǎn)速、齒數(shù)、前進速度對于Fz的交互影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 200 r·min-1時、齒數(shù)為60時Fz的值最大；當(dāng)前進速度最大、齒數(shù)最少時，F(xiàn)z的值最大；當(dāng)轉(zhuǎn)速最小、前進速度最大時,Fz的值最大。

2.2.4試驗因素對P值的影響 圖7為轉(zhuǎn)速、齒數(shù)及進給速度對于功率P值得交互影響，轉(zhuǎn)速越大、齒數(shù)適中時功率值P最大；前進速度越大、齒數(shù)適中時功率P值最大；轉(zhuǎn)速最大、前進速度最大時,功率值P最大。

2.2.5響應(yīng)面模型因素效應(yīng)分析 對響應(yīng)值進行響應(yīng)面模型因素效應(yīng)檢驗，分析結(jié)果如表6所示，對指標(biāo)Fx影響因素主次順序為b、a、c，各因素效應(yīng)檢驗均顯著；對于Fy影響因素主次順序為a、b、c，各因素效應(yīng)檢驗不顯著；對于Fz影響因素主次順序為c、a、b，各因素效應(yīng)檢驗均顯著；對于P影響因素主次順序為b、c、a，各因素效應(yīng)檢驗不顯著。

表6 響應(yīng)面模型因素效應(yīng)檢驗Table 6 Response surface model factor effect test

設(shè)計苗木平茬機單組圓盤鋸切割部件的功率為1～3.5 kW，在該條件下，按照Fy取最小值，F(xiàn)z取最大值原則進行響應(yīng)面脊分析，得到最佳試驗因素組合，即圓盤鋸的齒數(shù)為96.49、轉(zhuǎn)速為4 164.55 r·min-1、前進速度為1.23 km·h-1，此時平茬機的平茬效率最高。

2.3 切割效果驗證分析

砧木切割截面及測量位置如圖8所示，根據(jù)調(diào)查結(jié)果對切割效果進行評價分析。

2.3.1切割碎頭率分析 田間試驗砧木平茬碎頭率如表7所示，僅兩個測點高于5%，平均值為3.78%，表明平茬切割合格率較高。

表7 蘋果苗木平茬合格率Table 7 Root cutting rate

2.3.2切割留茬高度分析 在測量行程內(nèi)選定4個點，測定每點1 m2范圍內(nèi)的平均留茬高度，留茬高度評價指標(biāo)為從位置1到位置2長度為300 mm，大于300 mm為優(yōu)，小于300 mm為差。從表8可以看出，留茬高度平均值為344.85 mm，滿足蘋果平茬的農(nóng)藝要求。

表8 留茬高度Table 8 Stubble height

3 討論

目前我國蘋果苗木平茬機還處于初級研制階段，對于蘋果苗木平茬機采用旋轉(zhuǎn)式切割裝置有利于提高切割效率和切割茬口的平整性。本研究設(shè)計的蘋果苗木平茬機能夠完成中間砧木切割的農(nóng)藝要求，并且能保證茬口的完整性，實現(xiàn)了嫁接過程中快速去除多余枝條的過程，降低人工勞動強度。通過仿真正交試驗及響應(yīng)面曲線及影響因素效應(yīng)檢驗，影響切割力Fx的主次因素是轉(zhuǎn)速、齒數(shù)、前進速度；影響切割力Fy的主次因素為齒數(shù)、轉(zhuǎn)速、前進速度；影響切割力Fz的主次因素是前進速度、齒數(shù)、轉(zhuǎn)速；影響切割功率P的主次因素是轉(zhuǎn)速、前進速度、齒數(shù)，其中影響切割力Fy和功率P在正交實驗中個因素不顯著。仿真優(yōu)化實驗的最佳工作參數(shù)組合：轉(zhuǎn)速為4 200 r·min-1，前進速度為1 km·h-1，齒數(shù)為100齒，仿真試驗結(jié)果功率為1.801 kW。

通過優(yōu)化實驗得出最優(yōu)的的組合參數(shù)，在田間試驗平茬過程中發(fā)現(xiàn)機械會導(dǎo)致小部分砧木破損，因此也為改進機械提出了新的挑戰(zhàn)。

評判依據(jù)為切割端口整齊為優(yōu)，按照國家標(biāo)準(zhǔn)[18]，蘋果苗木中間砧木長度為200～300 mm，通過種植戶調(diào)研確定砧木長度為250 mm，在嫁接前對砧木進行第二次修剪去10～20 mm，因此裂紋長度切割有茬口裂紋且裂紋長度不超過30 mm的為良好，裂紋超過30 mm的為不合格。本研究中，蘋果苗木平茬機切割碎頭率平均3.78%,低于于5%，切割留茬高度高于300 mm，蘋果苗木平茬機的工作性能完全可以滿足平茬的農(nóng)藝要求，平茬機目前僅完成嫁接過程中平茬這一環(huán)節(jié)的工作，對于后期的果樹枝條處理還缺乏相應(yīng)的研究。