單馬達(dá)往復(fù)式葡萄剪枝機設(shè)計與試驗

張佳喜 黃 濤 王茂博

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052; 2.烏魯木齊優(yōu)尼克生物科技有限公司， 烏魯木齊 830052)

0 引言

2018年我國葡萄種植面積為8.3×105hm2，年產(chǎn)葡萄1 366.7萬t[1]。隨著葡萄種植面積的增加，葡萄修剪機械逐漸引起重視。葡萄因枝蔓上生有卷須而能纏繞上升[2]，稠密的枝條影響了果實產(chǎn)量和品質(zhì)[3-6]。對葡萄進(jìn)行合理的修剪能夠保證新生枝蔓生長良好[7-8]，從而減少不必要的營養(yǎng)流失[9-10]，而機械修剪可以顯著提高修剪效率[11]。

葡萄剪枝機一般分為往復(fù)割刀式修剪機、轉(zhuǎn)刀式修剪機和圓盤鋸式修剪機[12]。GRANT[13]設(shè)計了一種拖拉機側(cè)掛圓盤刀式修剪機。文獻(xiàn)[14]的電動修剪機采用非選擇性的修剪方式，僅能修剪單側(cè)面。Fred Spagnolo設(shè)計了龍門型圓盤刀式剪枝機，該機可以實現(xiàn)對整個樹冠的修剪，但不能修剪復(fù)雜形狀的果樹冠形[15]。國內(nèi)對葡萄修剪機械的研究起步相對較晚，石河子大學(xué)研制了一種回轉(zhuǎn)圓盤刀式葡萄藤修剪機[16]，其切割能力較強，但高速作業(yè)時易造成枝條飛出[17]。徐麗明等[18]發(fā)明了一種葡萄果樹外部枝葉修剪機，該機通過高速甩動的打草繩將高速旋轉(zhuǎn)葉輪吸入的葡萄枝條打掉。山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院設(shè)計了PJS-1型兩翼式葡萄剪枝機，該機通過液壓控制刀的轉(zhuǎn)速，一次可以完成左右兩側(cè)及頂面葡萄藤的修剪作業(yè)[19]。

本文提出一種葡萄莖桿修剪方式，采用單個液壓馬達(dá)帶動往復(fù)式割刀對葡萄一側(cè)和頂部的枝條同時進(jìn)行修剪，并對漏剪及毛茬產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，設(shè)計并進(jìn)行正交試驗和驗證試驗，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化作業(yè)參數(shù)。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

往復(fù)式葡萄剪枝機由懸掛裝置、下曲柄連桿、傳動鏈條、下齒輪箱、液壓馬達(dá)、傳動軸、機架、豎剪切刀、上齒輪箱、上曲柄連桿、橫剪切刀等主要機構(gòu)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

如圖1所示，往復(fù)式葡萄剪枝機在工作時，由液壓馬達(dá)為整機提供動力，液壓馬達(dá)位于機具下方，通過傳動鏈條向上傳遞動力，同時帶動豎刀驅(qū)動偏心輪和下齒輪箱轉(zhuǎn)動，下齒輪箱通過傳動軸傳遞動力到上齒輪箱，上齒輪箱改變傳動方向帶動橫刀驅(qū)動偏心輪，實現(xiàn)一個馬達(dá)帶動橫刀、豎刀同時修剪葡萄莖桿。剪枝機整機通過懸掛裝置固定在拖拉機前方，方便駕駛員觀察前方地形。如果前進(jìn)時碰到障礙物，避障系統(tǒng)發(fā)揮作用，防止刀片撞壞。液壓控制系統(tǒng)改變工作幅度，液壓動力單元連接有3個液壓缸，可以通過電控手柄分別控制橫刀、豎刀的工作高度以及整機的角度。通過控制進(jìn)入液壓馬達(dá)的油量改變刀片切削速度，拖拉機帶動機具前進(jìn)，通過調(diào)整電控手柄調(diào)整橫刀、豎刀到達(dá)合適的位置，使葡萄莖桿進(jìn)入到刀片切割區(qū)，莖桿受到往復(fù)割刀的切割力被剪斷。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 避障裝置

圖2為剪枝機避障機構(gòu)，當(dāng)剪枝機前進(jìn)工作時，如果切割器在行進(jìn)方向上遇到障礙物，下方弧形板及機具整體受到阻力，使得切割刀具以旋轉(zhuǎn)插銷為中心點轉(zhuǎn)動，從而避開障礙物。在避振軸的外部套接有避振彈簧，避振彈簧具有緩沖作用，防止剪切刀具受力過大，使橫刀向后擺動，避免剪切組件進(jìn)一步受到撞擊，當(dāng)彈簧受到擠壓時頂住機具，彈回原位。在懸掛裝置和切割器整體連接處設(shè)有氣彈簧，起到限制定位的作用，防止機具前進(jìn)過程中因慣性前移。豎刀部分也設(shè)有氣彈簧，遇到障礙物時可以分擔(dān)豎刀受載，防止豎刀受力過大。

2.2 剪切裝置

往復(fù)式剪枝機的剪切功能是靠液壓馬達(dá)提供動力，鏈條和傳動軸傳遞動力，上下兩個齒輪箱改變力傳遞的方向，帶動橫、豎動刀片相對于定刀片同時作往復(fù)運動實現(xiàn)的。莖桿剪切特性受眾多因素影響，莖桿自身包括木質(zhì)素和纖維素含量、莖桿形態(tài)、纖維素的結(jié)構(gòu)、剪切部位及含水率，機具自身影響包括刀具組合、切削速度、切削間隙、機具進(jìn)給速度、切割形式。為了得到良好的修剪效果，對往復(fù)切割刀進(jìn)行運動分析，設(shè)計計算運動參數(shù)。

2.2.1漏剪分析

修剪葡萄莖桿時產(chǎn)生漏剪原因有：進(jìn)給加速度過大，導(dǎo)致莖桿被切割刀推出；葡萄莖桿未能被動、定刀片夾持住，導(dǎo)致莖桿滑出；切削速度過大，導(dǎo)致慣性力過大，機具振動，無法正常工作；刀具間隙過小使得動、定刀片無法順利完成切割或間隙過大導(dǎo)致莖桿纏繞。

為了直觀表達(dá)往復(fù)式剪枝機切削性能，對修剪過程進(jìn)行分析，因剪斷后莖桿狀態(tài)對機具工作無影響，不做分析。如圖3a所示，莖桿表面剛與動、定刀片相接觸，拖拉機向前行進(jìn)，在水平面上給莖桿向前的推力Fa，且受到動、定刀片給的沿著莖桿向上的摩擦合力Ff以及莖桿根部對莖桿的回復(fù)拉力Fb，此時的運動是由機具的前進(jìn)運動、刀片的夾持以及莖桿根部對莖桿的回拉組成。該過程可以分兩種情況討論：若推力和摩擦力的水平分力大于回復(fù)拉力的水平分力，則莖桿會滑出切割副，發(fā)生漏剪；推力和摩擦力水平分力小于回復(fù)拉力的水平分力，可以正常完成修剪。

在修剪剛開始時，動刀片齒尖還未進(jìn)入到莖桿，可能會從切割副中滑出，對此進(jìn)行分析。

如圖4所示，葡萄莖桿與動刀片的相鄰兩齒尖的接觸點為A、C，與定刀片的接觸點為B。莖桿在接觸點受到的正壓力為N1、N2、N3，產(chǎn)生的摩擦力為F1、F2、F3。

當(dāng)葡萄莖桿將要從切割副滑出時，齒尖C上的負(fù)載減小，力N3、F3趨近于零。此時莖桿被動、定刀片夾持住需滿足：F≤Ntanφ(φ為摩擦角)；摩擦力F和壓力N產(chǎn)生的合力需在同一條直線上。以此為條件得出

F1+F2cos(α+β)=N2sin(α+β)

(1)

N1=F2sin(α+β)+N2cos(α+β)

(2)

F1≤N1tanφ1

(3)

F2≤N2tanφ2

(4)

聯(lián)立式(1)～(4)得出

(5)

由此得出莖桿夾持住的基本條件為

α+β≤φ1+φ2

(6)

式中α——動刀片刃口斜角，(°)

β——定刀片刃口斜角，(°)

φ1——定刀片對葡萄莖桿的摩擦角，(°)

φ2——動刀片對葡萄莖桿的摩擦角，(°)

在單位時間內(nèi)，切削速度越大，往復(fù)割刀切割周期越多，莖桿修剪越干凈，但切削速度不宜過高，因為往復(fù)式切割刀由曲柄連桿作為驅(qū)動機構(gòu)，偏心輪和連桿進(jìn)行回轉(zhuǎn)運動，動刀片和連桿進(jìn)行往復(fù)運動，這兩種運動都會產(chǎn)生不平衡的慣性力，引發(fā)機具振動。過大的慣性力會導(dǎo)致機具作業(yè)中斷、卡滯、刀軸斷裂使得刀片飛出傷人，切割質(zhì)量變差，剪凈率下降。

刀具間隙過小會導(dǎo)致在工作時動、定刀片之間卡入雜物，無法排出，導(dǎo)致刀具卡頓；刀具間隙過大會導(dǎo)致刀具發(fā)生振動或莖桿纏入刀具，因此應(yīng)選擇合適的刀具間隙。

2.2.2毛茬分析

葡萄修剪茬口要求：切口平整、一次性切斷，最為理想的切割端面是較為平滑的橢圓形或圓形，若切口表面形成不光滑的毛茬，不利于次年莖桿生長[20]。毛茬產(chǎn)生的原因分析：如圖3b所示，剪切過程中，刀具已經(jīng)切入莖桿，莖桿受到定刀片給的正壓力N1、摩擦力F1，動刀片給的正壓力N2、摩擦力F2，在刀具進(jìn)入到莖桿一段位置后，可能因莖桿的粗糙度降低導(dǎo)致動刀片和莖桿之間的摩擦因數(shù)降低，使得摩擦力F2減小，此時N1、N2進(jìn)給方向的合力若大于F1、F2反方向的合力，則莖桿被推出導(dǎo)致拽斷；切削速度和進(jìn)給速度不適配，導(dǎo)致切割刀還未剪斷莖桿，就因進(jìn)給速度過大使得莖桿部分還在動、定刀片之間而被拽斷；刀具間隙過大導(dǎo)致纏桿。因此合理控制切削速度和進(jìn)給速度比例以及刀具間隙是控制毛茬面積比的重要因素。

按照刀具工作狀態(tài)的不同，將莖桿截面分為刺入?yún)^(qū)、剪斷區(qū)、拽斷區(qū)，動刀片從刺入?yún)^(qū)進(jìn)入莖桿開始修剪，此時因莖桿外表皮較脆且僅受到齒尖的力，修剪的截面較為整齊，然后進(jìn)入剪斷區(qū)，該區(qū)域大部分為莖桿的中柱，中柱包括中柱鞘、維管束、髓部，相對較硬，但此時刀片已經(jīng)進(jìn)入莖桿，且起到切割作用的為刀具刃面，修剪的最為平整，最后在拽斷區(qū)因刀具的拉力拽斷，在此處產(chǎn)生毛茬，所以莖桿的切斷截面多為修剪前端切口平整，后端有毛茬，圖5分別為不同切削速度、刀具間隙、進(jìn)給速度所得到的莖桿毛茬分布以及莖桿毛茬分區(qū)。

為了得到準(zhǔn)確的莖桿毛茬面積比，需要運用軟件對莖桿面積以及毛茬面積進(jìn)行測量計算，首先對采集的莖桿樣本進(jìn)行拍照，然后將毛茬部分用墨水涂黑，得到兩幅圖像，使用PS軟件對葡萄莖桿水平斷面圖像進(jìn)行前處理，去除光影因素對分析結(jié)果的影響，并將兩幅圖像調(diào)至相同的像素尺寸，運用Matlab圖像處理軟件中imread命令分別讀入經(jīng)過增強處理的圖像，使用im2bw命令對圖像進(jìn)行二值化處理，設(shè)置不同閾值以得出莖桿總面積、莖桿外表皮面積以及莖桿毛茬和外表皮面積(圖6)，做差求比值得出莖桿毛茬率實際值。

2.2.3切割刀具組合比較

2.2.3.1動刀片

選用斜光刀為動刀片時，切割較為省力，割茬較為整齊，功率損耗較少，但使用壽命較短，工作過程中需要磨刃；選用斜齒刀則不需要磨刃，雖然工作阻力及功率損耗較大，但使用較為方便，斜齒刀在修剪莖桿時，斜齒刀的齒刃切入到莖桿后，由齒的兩側(cè)刃對莖桿進(jìn)行滑切，由于齒距比莖桿直徑小，所以在切割時是由多個小齒對莖桿進(jìn)行刺切，使得剪切較為省力[21]。當(dāng)齒刃接觸莖桿時，莖桿開始受壓變形，齒刃切入莖桿后，將莖桿分為若干單元束，各單元束沿著所在齒槽上刃口進(jìn)行滑切，莖桿全部進(jìn)入齒槽后被剪斷，最后順著齒槽方向滑出，若滑切方向改變，將會導(dǎo)致刀片磨損，劃痕呈水平方向，直至左右齒槽貫通，因此要滿足刀片合理磨損，首先要保證莖桿順著齒槽方向滑切。

選用斜齒刀作為動刀片時，根據(jù)齒槽深度是否相等可劃分為2類3種，如圖7所示：等深齒紋三角形斷面(圖7a)和梯形斷面(圖7b)，不等深齒紋變梯形斷面(圖7c)[22]。從齒紋強度來看，不等深齒紋的水平截面為自底面的三角形到梯形過渡；而等深齒紋不同位置的水平截面都為全等三角形或梯形，在其他參數(shù)相同的條件下，不等深齒紋的梯形水平截面強度比等深齒紋的三角形水平截面強度較高。但從自磨性來看，不等深齒紋的齒槽越接近刀刃頂部，越窄而淺，容納不了莖桿運動，部分莖桿與齒槽面摩擦，另一部分與刃面摩擦，在長時間切割后，齒紋溝槽出現(xiàn)磨平的現(xiàn)象，以致齒尖趨向磨鈍；等深齒紋三角形斷面截面呈三角形，實際切割中，莖桿全部茬口與齒槽面摩擦，磨損后只會使刀齒變窄，仍然具有切割能力，相較于三角形齒紋，梯形齒紋會因磨損使得齒尖面積增大，失去切削能力。因葡萄莖桿含水率較高，相對來說較易修剪，且葡萄種植園地形多平坦，拖拉機運行較為平穩(wěn)，抖動較小，切割下來的葡萄枝條容易聚集在切割刀上，因此選用強度較低，但有利于引導(dǎo)已切除莖桿的移動并且能夠增強刀齒自磨性的等深齒紋三角形斷面齒。

往復(fù)式動刀片選用標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型刀片，由GB/T 1209.3—2009 《切割器》可知刀片底寬b為76 mm、頂寬c為17 mm，刃口斜角(與刀片縱軸線的夾角)α為20°～25°，選取刃口斜角為25°，刃高h(yuǎn)為50 mm。

2.2.3.2定刀片

定刀片為支承件，一般為光刀，但為防止莖桿向前滑出，使切割刀卡住莖桿，也可采用斜齒刀，定刀片采用65Mn鋼高頻等溫淬火制成。

為了使刀片持久耐用，整機功率損耗較少，能夠得到良好的切割效果，動、定刀片需要保證：刀片有一定的強度、剛度、鋒利度；齒刃具有良好的滑切、刺切功能，以及自磨刃功能；動、定刀片的制造精度和配合精度高，兩者之間要保留合適的間隙；動刀安裝合理，不能過緊、過松，不安裝驅(qū)動裝置時，能夠用手移動動刀片(力為20～50 N)。

2.2.4進(jìn)給速度選擇

動刀片走過一個行程X時，機器整體前進(jìn)的距離稱為割刀進(jìn)距H，為了便于分析割刀進(jìn)距對切割效果的影響，取曲柄轉(zhuǎn)速500 r/min，機具整體進(jìn)給速度1 m/s，計算割刀進(jìn)距為

(7)

式中vm——割刀進(jìn)給速度，m/s

n——曲柄轉(zhuǎn)速，r/min

ω——曲柄角速度，rad/s

切割刀動刀片的絕對運動由機具整體的前進(jìn)運動(速度為vm)和動刀片相對于機具的運動構(gòu)成，刀具絕對運動軌跡方程為

(8)

式中r——曲柄半徑，mm

yH——刀片沿往復(fù)運動方向的坐標(biāo)值，mm

xH——刀片沿進(jìn)給方向的坐標(biāo)值，mm

構(gòu)建兩個相鄰定刀片的中心線和刃線的軌跡(縱向平行線)。通過計算得出割刀進(jìn)距H，將x賦值，求解得出y。坐標(biāo)(y，x)即為動刀片刃線上、下兩端點運動軌跡的點，由此得出該切割器的切割圖，如圖8所示。

Ⅰ區(qū)內(nèi)最大橫向傾斜量計算可假設(shè)切割過程中莖桿不發(fā)生滑動，且莖桿是按照刀刃運動軌跡處切線進(jìn)行傾斜，此時最大橫向傾斜量可表示為

(9)

式中m——最大橫向傾斜量，mm

t0——定刀片節(jié)距，mm

b1——定刀片頂寬，mm

θ——運動軌跡切線與Y軸夾角，(°)

動刀片上點A的軌跡運動方程為

(10)

因此運動軌跡任一點斜率為

(11)

在點E、F處的ωt為90°，所以此時斜率為

(12)

聯(lián)立式(9)、(12)得

(13)

由式(13)可得，最大橫向傾斜量隨著進(jìn)距H和節(jié)距t0的增加而增大。

最大縱向傾斜量為FG之間的距離，點B的運動軌跡方程為

(14)

點F、G的y值為

(15)

將式(15)代入式(14)得

(16)

點C由左向右的運動軌跡為

(17)

將式(15)代入式(17)得

(18)

所以FG長度為

(19)

A為刀片確定參數(shù)組成的系數(shù)，為定值，由此得出最大縱向傾斜量主要取決于割刀進(jìn)距H和刀片刃高h(yuǎn)，隨著割刀進(jìn)距H增大和刀片刃高h(yuǎn)減小，縱向傾斜量增加。

當(dāng)H/h過小時，莖桿還未到達(dá)刀片下方就已被割斷，磨損集中在刀刃前段；當(dāng)H/h過大時，刀片下方負(fù)荷增加。因此要達(dá)到良好的剪切效果，割刀進(jìn)距H和動刀片刃高h(yuǎn)的比例尤為重要，實際修剪應(yīng)取H為(1.1～1.3)h，曲柄轉(zhuǎn)速若低于450 r/min，則剪枝效果不明顯，發(fā)生大面積漏剪現(xiàn)象；曲柄轉(zhuǎn)速若大于750 r/min，機具刀片產(chǎn)生慣性力過大，機具抖動嚴(yán)重。因此由式(7)得

0.83 m/s≤vm≤1.63 m/s

(20)

2.2.5切削速度選擇

切削速度vs和位移S的關(guān)系為

(21)

將切削速度vs和位移S的圖像縱坐標(biāo)縮小ω倍，得到半圓弧曲線的運動分析示意圖如圖9，圓弧上任一點到水平線的高度和ω的乘積即為該位移點的剪切速度。

實際測量得到的剪切速度為割刀進(jìn)行一個行程所得到的平均速度，因此取平均速度vp為莖桿切割的剪切速度，計算式為

(22)

要達(dá)到功率利用最大，需要曲柄從最左(右)端開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動半周結(jié)束，此時正好為一個切割行程，且動刀片底部恰好完成切割，即

X=2r=b

(23)

得出曲柄半徑r=38 mm，由曲柄轉(zhuǎn)速范圍得出

1.14 m/s≤vp≤2.02 m/s

(24)

2.2.6刀具間隙確定

機具分為橫剪切刀(圖10)和豎剪切刀(圖11)，因豎刀工作時可能在前進(jìn)方向撞到葡萄藤架或地面雜物，而橫刀只修剪葡萄上部，因此為了減小機具質(zhì)量，降低慣性力，僅給豎刀安裝護刃器。因刀具間隙受壓刃器、摩擦片、護刃器的影響，所以實際調(diào)整刀具間隙時，橫刀的壓刃器應(yīng)緊密一些，根據(jù)GB/T 1209.1—2009《切割器》，動刀中心線與定刀中心線重合時，動刀片與定刀片的間隙為：前端允許有不大于0.7 mm的間隙；后端間隙不大于1.2 mm。為了方便測量，本文討論刀具前端間隙，要使刀具達(dá)到一定的制造和配合精度，且能夠順利進(jìn)行往復(fù)運動，選取最小間隙為0.3 mm。

3 田間試驗

3.1 試驗材料、條件與設(shè)備

試驗地點為新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市鄯善縣的樓蘭酒莊，試驗地地處盆地之中，四面高山環(huán)抱，增熱迅速、散熱慢，形成了日照長、氣溫高、晝夜溫差大的特點，適宜葡萄生長。采用立架種植模式，葡萄品種為赤霞珠，葡萄樹齡15 a，葡萄種植行距3 000 mm，株距80 mm，株高1 700～1 900 mm，立桿間距500 mm。

試驗儀器設(shè)備有：往復(fù)式葡萄剪枝機、魯中604大棚王拖拉機(發(fā)動機標(biāo)定功率40.5 kW)、轉(zhuǎn)速儀、卡尺、秒表、白布、皮尺和工具套裝等。往復(fù)式葡萄剪枝機田間試驗現(xiàn)場如圖12所示。

3.2 試驗方法

試驗條件及試驗步驟依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10940—2008《往復(fù)式割草機》，進(jìn)行試驗時隨機選取葡萄植株，按照試驗設(shè)計的因素水平進(jìn)行正交試驗。選取較為平坦的地形，減少因拖拉機顛簸造成的誤差。剪枝機上下工作幅度通過液壓缸調(diào)整，左右幅寬通過調(diào)整機架上的卡扣改變，可以針對不同幅寬的葡萄植株。進(jìn)行每一組試驗前，先清理測試植株下地面掉落的枝條、葉片，改變不同試驗因素進(jìn)行測試，準(zhǔn)備完成后進(jìn)行葡萄枝條修剪，收集修剪下的枝條。

因為割刀進(jìn)距直接受到進(jìn)給速度的影響，為了方便試驗，選取切削速度、刀具間隙和前進(jìn)速度為影響因素開展試驗。

3.3 評價指標(biāo)

為了直觀地表達(dá)出剪枝機的剪切效果和修剪質(zhì)量，選取剪凈率、毛茬率作為評價指標(biāo)，各指標(biāo)為多次試驗的均值，指標(biāo)定義為

(25)

式中P1——葡萄莖桿剪凈率，%

Z1——單位區(qū)域內(nèi)剪凈葡萄莖桿數(shù)

Z——單位區(qū)域內(nèi)葡萄莖桿總數(shù)

(26)

式中P2——葡萄莖桿毛茬率，%

A1——葡萄莖桿橫截面上毛茬面積，mm2

Atotal——葡萄莖桿橫截面總面積，mm2

3.4 正交試驗

3.4.1試驗設(shè)計

為了更好地優(yōu)化參數(shù)以及確定試驗因素之間的交互性，由計算分析確定試驗因素切削速度A、刀具間隙B、進(jìn)給速度C的范圍，以剪凈率P1、毛茬率P2為響應(yīng)值進(jìn)行三因素三水平二次回歸正交試驗，試驗因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼

3.4.2試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗原理設(shè)計的三因素三水平試驗結(jié)果[23]如表2所示。

表2 正交試驗方案及結(jié)果

3.4.3回歸模型建立與顯著性檢驗

借助Design-Expert軟件對葡萄剪凈率P1和毛茬率P2進(jìn)行多元線性回歸以及二次項擬合[24]，如表3，分別得出P1和P2二次回歸方程為

P1=-13.955+34.925A+170.69B+34.377C+55AB-31.37AC+66.5BC-0.037 5A2-487.65B2+1.962 5C2

(27)

P2=254.58-214.73A-57.632B-44.277C-7.123AB-12.5AC-17BC+59.381 2A2+121.525B2+29.068 7C2

(28)

由表3可知，葡萄莖桿剪凈率二次回歸模型P<0.000 1，說明回歸模型極顯著；失擬項P>0.05，失擬不顯著，表明模型所擬合的二次回歸方程與實際相符合，能夠正確反映莖桿剪凈率P1與切削速度A、刀具間隙B、進(jìn)給速度C之間的關(guān)系，回歸模型可以較好地對優(yōu)化試驗中各種試驗結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。方差分析得出各因素對莖桿剪凈率影響的顯著性由大到小順序：切削速度A、刀具間隙B、進(jìn)給速度C，交互項AB、AC、BC影響均顯著，證明切削速度、刀具間隙、進(jìn)給速度有交互作用。

表3 回歸方程方差分析

葡萄莖桿毛茬率二次回歸模型P<0.000 1，說明回歸模型極顯著；失擬項P>0.05，失擬不顯著，表明模型所擬合的二次回歸方程與實際相符合。方差分析得出各因素對莖桿毛茬率影響的顯著性由大到小順序：進(jìn)給速度C、切削速度A、刀具間隙B，交互項AC影響極顯著，BC影響顯著。

3.4.4響應(yīng)面分析

機具在修剪葡萄莖桿時，主要靠莖桿剪凈率和毛茬率來評判修剪效果，本文使用Design-Expert軟件繪制響應(yīng)面圖，對影響葡萄莖桿剪凈率和毛茬率的切削速度、刀具間隙、進(jìn)給速度進(jìn)行分析。

圖13a為進(jìn)給速度位于中心水平(1.25 m/s)時，機具切削速度與刀具間隙交互作用對葡萄莖桿剪凈率P1影響的響應(yīng)面。莖桿剪凈率隨切削速度增大而增大，隨刀具間隙增大先增大后減小，機具切削速度對莖桿剪凈率的影響更為顯著。

圖13b為切削速度位于中心水平(1.6 m/s)時，刀具間隙與進(jìn)給速度交互作用對葡萄莖桿剪凈率P1影響的響應(yīng)面，由圖可知機具刀具間隙速度和進(jìn)給速度交互影響，莖桿剪凈率隨進(jìn)給速度增大而增大，隨刀具間隙增大先增大后減小，刀具間隙對莖桿剪凈率的影響更為顯著。

圖13c為刀具間隙位于中心水平(0.5 mm)時，機具切削速度與進(jìn)給速度交互作用對葡萄莖桿剪凈率P1影響的響應(yīng)面，由圖可知機具切削速度和進(jìn)給速度交互影響，莖桿剪凈率隨切削速度增大而增大，隨進(jìn)給速度增大而增大，機具切削速度對莖桿剪凈率的影響更為顯著。

圖13d為進(jìn)給速度位于中心水平(1.25 m/s)時，機具切削速度與刀具間隙交互作用對葡萄莖桿毛茬率P2影響的響應(yīng)面，由圖可知莖桿毛茬率隨切削速度增大先降低后增加，隨刀具間隙增大先下降后上升，機具切削速度對毛茬率的影響更顯著，因響應(yīng)曲面形狀為圓形，表示兩因素交互作用不顯著[25]。

圖13e為切削速度位于中心水平(1.6 m/s)時，機具刀具間隙與進(jìn)給速度交互作用對葡萄莖桿毛茬率P2影響的響應(yīng)面，由圖可知刀具間隙和進(jìn)給速度交互影響，莖桿毛茬率隨刀具間隙增大先下降后上升，隨進(jìn)給速度增大整體下降，機具進(jìn)給速度對莖桿毛茬率的影響更為顯著。

圖13f為刀具間隙位于中心水平(0.5 mm)時，機具切削速度與進(jìn)給速度交互作用對葡萄莖桿毛茬率P2影響的響應(yīng)面，由圖可知機具切削速度和進(jìn)給速度交互影響，莖桿剪凈率隨切削速度增大先下降后上升，隨進(jìn)給速度增大先下降后上升，機具進(jìn)給速度對莖桿毛茬率的影響更為顯著。

由圖13可知，因素影響響應(yīng)面變化規(guī)律與模型及回歸方程方差分析結(jié)果基本一致。

3.5 參數(shù)優(yōu)化及驗證試驗

為了得到最優(yōu)參數(shù)，使單馬達(dá)往復(fù)式葡萄剪枝機發(fā)揮較優(yōu)修剪性能，在三因素三水平正交試驗的基礎(chǔ)上利用Design-Expert軟件由RAM預(yù)測最優(yōu)值，得出最優(yōu)組合：切削速度1.66 m/s、進(jìn)給速度1.46 m/s、刀具間隙0.47 mm時，剪凈率為91.71%、毛茬率為3.70%。需要對較優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合進(jìn)行重復(fù)試驗驗證，依照前述試驗方法進(jìn)行試驗。驗證試驗品種：赤霞珠；地點：新疆維吾爾自治區(qū)昌吉市三工鎮(zhèn)。選取優(yōu)化后的因素參數(shù)組合進(jìn)行試驗，試驗前后效果對比如圖14所示，結(jié)果如表4所示。得到的剪凈率為90.66%、毛茬率為4.71%，與模型預(yù)測結(jié)果基本一致。

表4 試驗結(jié)果

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了單馬達(dá)往復(fù)式葡萄剪枝機，闡述了其結(jié)構(gòu)及工作原理，通過對剪切部件以及漏剪和毛茬產(chǎn)生原因的分析，確定了影響剪切效果的因素和取值范圍。

(2)采用Box-Benhnken中心組合試驗方法研究了機具切削速度、刀具間隙、進(jìn)給速度對剪凈率、毛茬率的影響，建立了以剪凈率、毛茬率為相應(yīng)指標(biāo)的回歸方程。各因素對剪凈率的影響顯著性順序由大到小依次為切削速度、刀具間隙、進(jìn)給速度；各因素對毛茬率的影響顯著性順序由大到小依次為進(jìn)給速度、切削速度、刀具間隙。

(3)采用響應(yīng)面組合試驗法對單馬達(dá)往復(fù)式葡萄剪枝機的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使用Design-Expert軟件對莖桿剪凈率、毛茬率的回歸方程進(jìn)行優(yōu)化求解，結(jié)果表明，當(dāng)切削速度1.66 m/s、進(jìn)給速度1.46 m/s、刀具間隙0.47 mm時，莖桿剪凈率為91.71%、毛茬率為3.70%。在該條件下進(jìn)行驗證試驗，得出剪凈率為90.66%、毛茬率為4.71%，與模型預(yù)測值相近，說明所建模型合理。