雙動(dòng)刀沙棘枝條切割參數(shù)分析與試驗(yàn)

王炳棚 ，雷 金 ※，秦新燕 ，王衛(wèi)兵 ，王軍揚(yáng) ，任子超 ，翟志遠(yuǎn)

（1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程院, 石河子 832003；2.新疆紅蟻農(nóng)業(yè)科技有限公司, 塔城 834612）

0 引 言

沙棘屬胡頹子沙棘屬，為針狀落葉形灌木，是中國(guó)生態(tài)經(jīng)濟(jì)作物之一[1]。沙棘抗旱耐寒，可在鹽漬化土地生存[2-4]。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有沙棘林200多萬(wàn)hm2，占世界沙棘總面積90%以上，其中新疆現(xiàn)有的沙棘資源約4萬(wàn)hm2，是中國(guó)最大的沙棘產(chǎn)業(yè)基地[5-6]。沙棘果實(shí)屬于漿果，短柄、薄皮，叢生于帶刺的果枝，易粘結(jié)，很難采摘[7]。由于缺乏沙棘專用收獲機(jī)械，目前國(guó)內(nèi)沙棘采收方法主要為凍果震落采收、手工器具采收和剪枝采收等幾種方式[8-9]。這些人工采收方式采摘效率低、破碎率高，對(duì)果樹(shù)損傷較大，造成近50%的果實(shí)被浪費(fèi)，采摘成本占總成本的50%～70%，成為制約其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸，對(duì)機(jī)械化采收裝備的需求日益迫切[10]。沙棘機(jī)械化收割技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)研究較少，前期需完成沙棘切割器的研究，而明確沙棘枝條的切割參數(shù)對(duì)相關(guān)裝備研發(fā)具有重要指導(dǎo)意義。

俄羅斯、加拿大和德國(guó)等國(guó)家已經(jīng)設(shè)計(jì)出包括樹(shù)干振搖式[11]、樹(shù)枝振搖式[12-14]、真空吸收式[15-16]，激素催熟式[17]和整枝采收式[18]沙棘收獲機(jī)械，對(duì)于相關(guān)枝條切割參數(shù)的研究卻鮮有報(bào)道。開(kāi)展作物切割參數(shù)試驗(yàn)研究時(shí)，由于直接獲取田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往受限于可重復(fù)性、數(shù)據(jù)采集難度、種植模式、季節(jié)氣候等外界因素[19]，因此部分學(xué)者利用自制的切割裝置對(duì)蓖麻[20]、油菜[21]、王草[22]、棉花[23-24]、甘蔗[25-26]、玉米[27]、工業(yè)大麻[28]等莖稈作物進(jìn)行了切割試驗(yàn)。往復(fù)式雙動(dòng)刀切割的相關(guān)研究主要集中在茶葉[29]、油葵[30]、蘋(píng)果枝條[31]、小麥[32]、苧麻[33-34]、蘆蒿[35]等作物。

切割刀具的材料性能及幾何尺寸、莖稈本身的物料參數(shù)、切割速度等均會(huì)對(duì)切割過(guò)程產(chǎn)生影響[36-37]。本文在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了往復(fù)式雙動(dòng)刀沙棘枝條切割試驗(yàn)臺(tái)并開(kāi)發(fā)切割試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)和配套數(shù)據(jù)采集軟件，通過(guò)建立數(shù)學(xué)建模及運(yùn)動(dòng)仿真分析，分析了試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性，探討了切割根數(shù)、枝條直徑、刀具滑切角、平均切割速度、刀刃高度和動(dòng)刀組數(shù)對(duì)單位直徑峰值力及單位面積切割功耗的影響，采用Box-Behnken試驗(yàn)方法得出沙棘枝條往復(fù)式雙動(dòng)刀切割最優(yōu)參數(shù)組合。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)枝條樣本

試驗(yàn)樣本采自新疆兵團(tuán)九師額敏縣170團(tuán)沙棘種植地，品種為深秋紅，樹(shù)齡4 a，種植行距210 cm，株距155 cm，采樣果樹(shù)20棵，采用理論機(jī)采位置下生長(zhǎng)狀況良好、果實(shí)較多、無(wú)病蟲(chóng)害、無(wú)明顯缺陷的枝），樣本長(zhǎng)度300 mm（圖1）。采樣結(jié)束后，立即用密封標(biāo)本袋將試驗(yàn)樣本進(jìn)行密封保存并標(biāo)號(hào)。參照GB/T 1931[38]采用烘干法測(cè)定枝條含水率，烘干前測(cè)定沙棘枝條樣本質(zhì)量，精度為0.001 g；在（103 ± 2）℃下烘干8 h后再次測(cè)量質(zhì)量；以后每隔2 h測(cè)量1次，前后2次測(cè)量的質(zhì)量差不超過(guò)0.002 g視為烘干完成，計(jì)算其含水率。經(jīng)測(cè)定，試驗(yàn)期間（3 d）枝條的含水率為43.13%～53.83%，平均含水率47%。

圖1 不同直徑D的試驗(yàn)枝條樣本Fig.1 Samples of test branches with different diameters D

1.2 雙動(dòng)刀切割試驗(yàn)臺(tái)

為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)樣本切割、輸送及切割過(guò)程測(cè)控功能，本文設(shè)計(jì)和搭建了沙棘枝條雙動(dòng)刀切割試驗(yàn)臺(tái)，如圖2a所示。試驗(yàn)臺(tái)總體上由切割裝置、沙棘枝條喂入輸送裝置和測(cè)控裝置三部分構(gòu)成。

圖2 雙動(dòng)刀切割試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Double movable blades cutting test bench

沙棘枝條的送料方式是切割裝置靜止不動(dòng)，沙棘枝條通過(guò)輸送裝置喂入切割裝置。切割裝置由切割傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、切割電機(jī)及變頻器、切割刀具和機(jī)架組成。切割電機(jī)選用三相交流異步電機(jī)，通過(guò)變頻器進(jìn)行速度控制，驅(qū)動(dòng)切割傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使刀具進(jìn)行往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)。輸送裝置主要包括輸送電機(jī)及減速器、變頻器、沙棘枝條樣本夾具和帶式輸送機(jī)。輸送電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力輸入到主軸，主軸通過(guò)滾筒帶動(dòng)傳送帶運(yùn)行，夾持著沙棘枝條樣本的夾具均布在傳送帶上，隨著傳送帶的平穩(wěn)運(yùn)行喂入到切割部件中。測(cè)控裝置由筆記本電腦、S型拉壓力傳感器及其變送器、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器及其變送器、24 V直流電源組成，可以實(shí)時(shí)采集試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)動(dòng)態(tài)扭矩傳感器和拉壓力傳感器的信號(hào)并保存數(shù)據(jù)，拉壓力傳感器及動(dòng)態(tài)扭矩傳感器安裝位置如圖2b所示。雙動(dòng)刀切割試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of test bench

試驗(yàn)臺(tái)的切割傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（圖2b）采用空間曲柄滑槽-搖桿滑塊機(jī)構(gòu)[33]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2c所示。切割電機(jī)帶動(dòng)切割主軸旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)連接在曲柄上的連桿做偏心運(yùn)動(dòng)，由于上、下?lián)u桿中間部位固定在機(jī)身上，將連桿在豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為水平平面內(nèi)的擺動(dòng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為水平直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)上、下動(dòng)刀進(jìn)行反向切割，完成雙動(dòng)刀往復(fù)式切割。若拆卸下?lián)u桿并固定下動(dòng)刀，該機(jī)構(gòu)仍可驅(qū)動(dòng)上搖桿，并驅(qū)動(dòng)上動(dòng)刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這時(shí)切割機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為單動(dòng)刀切割。

該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可分解為1組對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和2組滑槽連桿機(jī)構(gòu)，如圖2d和2e（由于2組滑槽連桿機(jī)構(gòu)關(guān)于X軸對(duì)稱，取下動(dòng)刀進(jìn)行分析）。該機(jī)構(gòu)滿足以下函數(shù)關(guān)系：

聯(lián)立式（1）～（2）可得關(guān)于α 的動(dòng)刀切割位移函數(shù)為

正弦機(jī)構(gòu)從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)沖擊，正負(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性強(qiáng)。而由式（3）繪出的函數(shù)圖像與接近正弦波形，表明下動(dòng)刀的切割軌跡符合理想正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律，機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上對(duì)稱，所以此結(jié)論同樣適用于上動(dòng)刀。

為驗(yàn)證機(jī)構(gòu)合理性，本文通過(guò)SolidWorks Motion對(duì)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并考慮重力和裝配間隙等因素產(chǎn)生的影響。

參考已有研究成果[21,25]，為清晰呈現(xiàn)該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)定切割主軸轉(zhuǎn)速為30 r/min，仿真時(shí)間為5 s，得到刀具（仿真對(duì)象取下動(dòng)刀）的位移-時(shí)間（圖3a）、速度-時(shí)間（圖3b）和加速度-時(shí)間（圖3c）曲線。規(guī)定行程中點(diǎn)為空間坐標(biāo)系原點(diǎn)，選取初始位置時(shí)下動(dòng)刀上與行程中點(diǎn)重合的點(diǎn)為參考點(diǎn)，各量在參考點(diǎn)位于XOZ平面右側(cè)時(shí)為正值，反之則為負(fù)值。

圖3 仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results

仿真結(jié)果表明，位移-時(shí)間曲線呈現(xiàn)明顯的正弦函數(shù)波形且平滑，與理論分析結(jié)果一致；速度-時(shí)間曲線波形與位移-時(shí)間曲線波形相仿但存在一定的突變，速度范圍為±119 mm/s；在重力和裝配間隙的影響下，加速度-時(shí)間曲線有明顯的突變，正弦函數(shù)擬合結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期（R2=0.483），該條件下機(jī)構(gòu)滿足試驗(yàn)需求。由此說(shuō)明，該機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

1.3 刀具參數(shù)

本文旨在探究往復(fù)式單、雙動(dòng)刀切割裝置在不同切割速度和枝條喂入速度下，刀片尺寸對(duì)切割功耗及切割效果的影響，而國(guó)內(nèi)鮮有沙棘枝條專用切割裝置的研究，所以參考其他莖稈作物收割刀片進(jìn)行驗(yàn)證性研究。

根據(jù)刀片間距（上刀片間距t1、下刀片間距t2）和切割行程S的關(guān)系，往復(fù)式切割器分為a型和b型2種[39]，a型切割器的切割行程與刀片間距相等，b型切割器的切割行程則為刀片間距的1/2，即：

往復(fù)式雙動(dòng)刀切割器為b型。動(dòng)刀片是切割器的主要工作部件，刀片刃口有光刃和齒刃兩種。由于沙棘植株是頂生或側(cè)生，沙棘枝條生長(zhǎng)姿態(tài)較為復(fù)雜，枝條喂入切割器時(shí)并不是有序的理想狀態(tài)，這就使得沙棘枝條容易在高速的切割過(guò)程中產(chǎn)生偏移或者滑脫，造成碎果或者漏切。為了避免產(chǎn)生這種現(xiàn)象，本文采用齒刃刃口的刀片作為動(dòng)刀片。

參考其他莖桿作物收割機(jī)雙動(dòng)刀刀片的幾何結(jié)構(gòu)，本文采用具有六角形外形的梯形動(dòng)刀片（圖4a）。刃口為梯形，保證修整之后刀身仍然能保持原來(lái)的高度。如圖4b所示，單個(gè)刀片的切割行程若小于刀片底寬，就會(huì)產(chǎn)生切割盲區(qū)。為避免初始切割速度為0，應(yīng)保證底邊間距e＞0。試驗(yàn)所用的5種尺寸的刀片如圖4c所示，材料為T9碳素工具鋼，刃口淬火（淬火硬度50～60 HRC）。

圖4 試驗(yàn)用切割刀片及尺寸參數(shù)Fig.4 Test cutting blades and their dimensional parameters

1.4 測(cè)控裝置

測(cè)控系統(tǒng)包括電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集模塊。電機(jī)控制部分的功能應(yīng)該包含對(duì)電機(jī)速度調(diào)節(jié)、正反向控制等。數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集沙棘枝條切割數(shù)據(jù)。試驗(yàn)要求測(cè)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包括：切割力、切割扭矩、時(shí)間等。按照功能組成，試驗(yàn)臺(tái)硬件部分分為切割監(jiān)測(cè)單元和機(jī)械驅(qū)動(dòng)單元，分別對(duì)應(yīng)測(cè)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊和電機(jī)控制模塊，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 沙棘枝條切割試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of control system for sea buckthorn branch cutting test bench

1.5 數(shù)據(jù)采集與處理

沙棘切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件可以采集不同試驗(yàn)條件下的切割數(shù)據(jù)，主要有初始化模塊、用戶操作模塊、索取數(shù)據(jù)命令模塊、接收數(shù)據(jù)模塊、處理數(shù)據(jù)模塊以及退出程序模塊，如圖6所示。各模塊借助串口實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)臺(tái)傳感器的連接，讀取并實(shí)時(shí)顯示計(jì)算機(jī)處理后傳感器所發(fā)送的數(shù)據(jù)，包括扭矩（顯示的扭矩為動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的實(shí)際測(cè)量值減去空載狀態(tài)下的扭矩值）、拉壓力（顯示的拉壓力為2個(gè)S型拉壓力傳感器的實(shí)際測(cè)量值減去空載狀態(tài)下的切割力值的平均值）等，并將所接收的扭矩以及拉壓力數(shù)據(jù)顯示在波形圖表內(nèi)，用戶可據(jù)此分析刀具工作狀態(tài)。此外，系統(tǒng)還針對(duì)波形圖設(shè)置截圖保存功能以及數(shù)據(jù)保存功能，退出程序時(shí)，數(shù)據(jù)以文本形式保存。

圖6 沙棘切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件Fig.6 Automatic data acquisition software for sea buckthorn cutting test

本系統(tǒng)主要有初始化模塊、用戶操作模塊、索取數(shù)據(jù)命令模塊、接收數(shù)據(jù)模塊、處理數(shù)據(jù)模塊以及退出程序模塊，如用戶可在系統(tǒng)界面選擇所連接的串口，然后打開(kāi)串口，數(shù)據(jù)就會(huì)實(shí)時(shí)顯示在界面中，用戶還可以在軟件界面內(nèi)點(diǎn)擊截圖并保存按鈕，根據(jù)需要截取任意時(shí)刻的波形圖。

1.6 試驗(yàn)方法

1.6.1 試驗(yàn)因素確定

往復(fù)切割式切割器作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括機(jī)器前進(jìn)速度、刀片運(yùn)動(dòng)速度和切割器機(jī)構(gòu)參數(shù)等[29,39]，結(jié)合上文確定的刀具參數(shù)，本文主要考慮5個(gè)試驗(yàn)因素，分別為平均切割速度、刀具滑切角、刀刃高度、動(dòng)刀組數(shù)及枝條喂入速度。

1.6.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)采用的評(píng)價(jià)指標(biāo)為單位直徑峰值力和單位面積切割功耗。

在切割過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并記錄拉壓力傳感器的切割力信號(hào)及扭矩傳感器的扭矩信號(hào)，通過(guò)后續(xù)對(duì)切割力及扭矩?cái)?shù)據(jù)的處理，可獲單位直徑峰值力和單位面積切割功耗，分別由式（6）及式（7）計(jì)算。

式中pq為沙棘枝條單位直徑峰值力，N/mm；Fqmax為沙棘枝條峰值切割力，N；dm為沙棘枝條樣本直徑，mm；w為單位面積切割功耗，kJ/m2；ω為切割傳動(dòng)機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；M為扭矩傳感器扭矩隨時(shí)間變化曲線函數(shù)；t為時(shí)間變量，s；T為切割總時(shí)間，s。

1.6.3 試驗(yàn)步驟

在測(cè)試之前，對(duì)各執(zhí)行裝置、數(shù)據(jù)采集軟件、各元器件連接情況等進(jìn)行檢查；將沙棘枝條樣本插入輸送帶夾具的開(kāi)孔圓筒中，用水平快速夾具將其緊固；啟動(dòng)切割電機(jī)，調(diào)整切割機(jī)轉(zhuǎn)速；開(kāi)啟數(shù)據(jù)采集軟件，通過(guò)PC端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；調(diào)整進(jìn)料裝置的進(jìn)料速率，使沙棘枝條樣本按試驗(yàn)要求的速度送入切割器內(nèi)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集并存儲(chǔ)切割力及切割扭矩等信息。使輸送電機(jī)反轉(zhuǎn)，返回到合適位置，觀察、記錄割茬截面狀態(tài)；每組試驗(yàn)結(jié)束后，將輸送帶及切割器下方的沙棘枝條割茬清掃干凈，每個(gè)水平進(jìn)行3組試驗(yàn)，采集信息后，再根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)順序進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.6.4 單因素試驗(yàn)

為探究各影響因素對(duì)沙棘枝條切割效果的影響，設(shè)計(jì)4組單因素試驗(yàn)，各因素和水平如表2所示。為保證試驗(yàn)安全，在平均切割速度單因素試驗(yàn)中，設(shè)定切割速度v范圍0.4～0.8 m/s，并以0.1 m/s為梯度設(shè)置5個(gè)水平；在其他試驗(yàn)時(shí)，取平均切割速度為0.6 m/s。根據(jù)現(xiàn)有切割刀具的滑切角設(shè)計(jì)以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行刀具滑切角試驗(yàn)時(shí)，分別設(shè)置7.5°、15°和22.5°為滑切角α0的3個(gè)水平；在進(jìn)行其他試驗(yàn)時(shí)，滑切角為15°。刀刃高度分別為35和70 mm，在進(jìn)行其他試驗(yàn)時(shí)，將刀刃高度定為70 mm。動(dòng)刀組數(shù)分別為單動(dòng)刀和雙動(dòng)刀，在進(jìn)行其他試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定為雙動(dòng)刀。在進(jìn)行單因素試驗(yàn)時(shí)，3根枝條為一組，枝條直徑為14 mm，喂入速度設(shè)定為0.6 m/s，每組重復(fù)3次。

表2 單因素試驗(yàn)因素水平表Table 2 Factors and levels of single factor tests

1.6.5 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選定了平均切割速度、枝條喂入速度以及刀具滑切角作為為多因素試驗(yàn)的因素，其因素水平表如表3所示。在切割過(guò)程中，切割線速度與枝條喂入速度的切割速比會(huì)對(duì)切割功耗和切割效果產(chǎn)生影響，所以多因素試驗(yàn)在選取水平時(shí)考慮2個(gè)因素之間的交互作用。根據(jù)Box-Behnken原理，設(shè)計(jì)3因素的3個(gè)水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)中2根枝條設(shè)置為一組，每個(gè)試驗(yàn)方案重復(fù)3次，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表5所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平表Table 3 Factors and levels of orthogonal tests

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

平均切割速度的試驗(yàn)結(jié)果如圖7a所示。由圖可知，總體呈下降趨勢(shì)且逐漸變緩。這是由于沙棘枝條在被切割前存在被擠壓的過(guò)程，該過(guò)程消耗的時(shí)間隨著平均切割速度的增大逐步縮短，當(dāng)平均切割速度持續(xù)增大，擠壓過(guò)程消耗時(shí)間變化逐漸緩慢，從而造成評(píng)價(jià)指標(biāo)減小趨勢(shì)逐漸變緩，最終趨于穩(wěn)定。

圖7 單因素試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Single factor test results

通過(guò)對(duì)記錄的切割過(guò)程的攝像圖像分析發(fā)現(xiàn)，切割速度為0.4 m/s（圖8a）和0.5 m/s（圖8b）時(shí)，由于喂入速度過(guò)快，刀具在接觸韌皮部后發(fā)生了一定程度的滑移，造成韌皮部發(fā)生嚴(yán)重破損，嚴(yán)重時(shí)由于沙棘枝條不能被完全切割，被輸送裝置推倒在切割器刀梁上強(qiáng)制折斷，造成割茬呈現(xiàn)斜面甚至出現(xiàn)劈裂。出現(xiàn)以上情況時(shí)，割茬截面積的增大不但增加了切割功耗，同時(shí)切斷過(guò)程中刀片的滑移會(huì)影響刀具的使用壽命。而當(dāng)切割速度為0.6 m/s（圖8c）、0.7 m/s（圖8d）和0.8 m/s（圖8e）時(shí)，沙棘枝條能夠被刀具一次切斷，滑移現(xiàn)象明顯改善，此時(shí)沙棘枝條韌皮部破損程度小，割茬截面較為平整。

圖8 不同平均切割速度下枝條的切割截面Fig.8 Cutting cross section of branches at different average cutting speeds

刀具滑切角試驗(yàn)結(jié)果（圖7b）表明，隨著刀具滑切角增加，評(píng)價(jià)指標(biāo)均呈下降態(tài)勢(shì)。這是由于當(dāng)?shù)毒呋薪窃龃髸r(shí)，沙棘枝條樣本沿刀具刃口的滑移量會(huì)變大，切割作用增強(qiáng)，因此評(píng)價(jià)指標(biāo)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

不同刀具滑切角下沙棘枝條割茬截面情況如圖9所示，當(dāng)?shù)毒呋薪欠謩e為7.5°、15°和22.5°時(shí)，刀具滑切角對(duì)割茬截面質(zhì)量的影響并不明顯，切割刃口均保持較好的平整度。

圖9 不同刀具滑切角下枝條的切割截面Fig.9 Cutting section of branches with different sliding cutting angle of blade

刀刃高度及動(dòng)刀組數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著刀刃高度的增大，評(píng)價(jià)指標(biāo)均呈下降的態(tài)勢(shì)。刀刃高度增加，實(shí)際切割刀刃長(zhǎng)度有所增加，進(jìn)而切割效果增強(qiáng)，因此評(píng)價(jià)指標(biāo)有減小的趨勢(shì)。雙動(dòng)刀的評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值均低于單動(dòng)刀。采用雙動(dòng)刀時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)上、下動(dòng)刀的相對(duì)位移增加，節(jié)省了一定功耗。因此動(dòng)刀組數(shù)增加，評(píng)價(jià)指標(biāo)有減小的趨勢(shì)。

表4 刀刃高度及動(dòng)刀組數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響Table 4 Effect of blade height and number of movable blade sets on evaluation index

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5所示。利用Design-Expert 13軟件對(duì)表5的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸擬合，得到單位直徑峰值力與單位面積切割功耗預(yù)估模型，如式（8）～（9）所示。

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 5 Design scheme and results of orthogonal tests

2.2.2 方差分析

對(duì)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行回歸方差分析，結(jié)果如表6所示。數(shù)據(jù)表明，模型的顯著水平P值均小于0.01，回歸模型極顯著；兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的失擬項(xiàng)P值均大于0.05，回歸模型失擬項(xiàng)不顯著，說(shuō)明模型擬合性較好，可用于后續(xù)最優(yōu)切割參數(shù)優(yōu)化分析。

表6 回歸方程方差分析Table 6 Analysis of the variance of the peak cutting torque regression equation

兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)模型決定系數(shù)R2值分別為0.970 1和0.974 0，表明分別有97.01%和97.4%的評(píng)價(jià)指標(biāo)變化取決于選定的試驗(yàn)因素。

各因素對(duì)單位直徑峰值力的影響如下：平均切割速度和刀具滑切角一次項(xiàng)P值小于0.01，對(duì)單位直徑峰值力的影響極顯著；枝條喂入速度二次項(xiàng)P值小于0.01，對(duì)單位直徑峰值力的影響極顯著；刀具滑切角二次項(xiàng)P值小于0.05，對(duì)單位直徑峰值力的影響顯著；其余項(xiàng)P值均大于0.05，對(duì)單位直徑峰值力的影響不顯著。

各因素對(duì)單位面積切割功耗的影響如下：平均切割速度和刀具滑切角一次項(xiàng)P值小于0.01，對(duì)單位面積切割功耗的影響極顯著；枝條喂入速度二次項(xiàng)P值小于0.01，對(duì)單位面積切割功耗的影響極顯著；刀具滑切角二次項(xiàng)P值小于0.05，對(duì)單位面積切割功耗的影響顯著；其余項(xiàng)P值均大于0.05，對(duì)單位面積切割功耗的影響不顯著。

通過(guò)以上分析可知，各因素對(duì)沙棘枝條切割性能評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的程度由大到小為刀具滑切角、平均切割速度、枝條喂入速度。

通過(guò)逐步回歸分析，剔除式（8）～（9）中的不顯著項(xiàng)，保留顯著項(xiàng)（P<0.05），簡(jiǎn)化模型得：

各因素交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響如圖10所示。隨著平均切割速度和刀具滑切角的增大、枝條喂入速度的減小，單位直徑峰值力和單位面積切割功耗減小，符合單因素試驗(yàn)獲得的相關(guān)結(jié)論。

圖10 評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)各試驗(yàn)因素交互作用的響應(yīng)曲面Fig.10 Evaluation of the response surfaces of the indicators to the interaction of the test factor

將沙棘枝條切割性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值作為優(yōu)化目標(biāo)，并限定Fmin＞0，Tmin＞0，其余試驗(yàn)因素水平均限定在-1～1內(nèi)，通過(guò)響應(yīng)曲面法，利用Design-Expert 13軟件對(duì)式（10）和式（11）進(jìn)行優(yōu)化求解，得到往復(fù)式雙動(dòng)刀沙棘枝條切割裝置最優(yōu)參數(shù)組合：平均切割速度0.45 m/s、枝條喂入速度0.64 m/s、刀具滑切角9.4°，此時(shí)單位直徑峰值力為53.33 N/mm，單位面積切割功耗為69.87 kJ/m2。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為檢驗(yàn)通過(guò)響應(yīng)曲面法獲得的往復(fù)式雙動(dòng)刀沙棘枝條切割器最優(yōu)切割參數(shù)的準(zhǔn)確性，選擇其他3組不同切割參數(shù)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)模型開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，所選參數(shù)與試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，通過(guò)式（10）和式（11）計(jì)算的評(píng)價(jià)指標(biāo)預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)獲得的評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值的誤差低于5%，試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值擬合性較好，求解的最優(yōu)參數(shù)準(zhǔn)確可靠。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Table 7 Results of verifying tests

3 討 論

本文設(shè)計(jì)的雙動(dòng)刀沙棘枝條切割試驗(yàn)臺(tái)相較于萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)，在進(jìn)行切割性能試驗(yàn)時(shí)，能夠以較高平均切割速度完成沙棘枝條切割，考慮了切割時(shí)慣性力對(duì)切割性能的影響，更接近實(shí)際作業(yè)狀態(tài)；能夠改變枝條喂入速度這一運(yùn)行參數(shù)，可模擬沙棘收獲機(jī)械在田間的行駛速度變化，具有探究平均切割速度與枝條喂入速度的交互作用對(duì)切割性能影響的能力。

本文選定單位直徑峰值力和單位面積切割功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)，消除了因刀具傾角變化導(dǎo)致最大切割厚度變化及沙棘枝條切割部位由于莖桿節(jié)造成的直徑差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。此外，不同于以峰值切割力或切割功耗為評(píng)價(jià)指標(biāo)的單一定性分析，通過(guò)響應(yīng)面法分析Box-Behnken試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文選定的評(píng)價(jià)指標(biāo)從定量和定性兩個(gè)方面來(lái)分析雙動(dòng)刀切割器運(yùn)行參數(shù)及刀具幾何參數(shù)對(duì)沙棘枝條切割性能及切割效果的影響，明確刀具滑切角與平均切割速度對(duì)沙棘枝條切割性能影響顯著（P<0.01），枝條喂入速度確定時(shí)平均切割速度為影響切割截面質(zhì)量的主要因素。

優(yōu)化改進(jìn)方面：該測(cè)試臺(tái)在進(jìn)行切割試驗(yàn)時(shí)的工作環(huán)境處于室內(nèi)，在切割過(guò)程中表現(xiàn)出較好的魯棒性，這與田間作業(yè)機(jī)具在復(fù)雜地形行駛時(shí)高強(qiáng)度振動(dòng)的實(shí)際工況有所差異，下一步研究需考慮外界環(huán)境對(duì)切割過(guò)程產(chǎn)生的振動(dòng)激勵(lì)，優(yōu)化試驗(yàn)方案；分析平均切割速度對(duì)切割截面質(zhì)量的影響發(fā)現(xiàn)，枝條喂入速度與平均切割速度的比值是雙動(dòng)刀沙棘枝條切割器的一個(gè)重要參數(shù)，后續(xù)可引入切割速比這一參數(shù)開(kāi)展相關(guān)影響研究；在刀具參數(shù)的選擇上，本文只采用通用刀具進(jìn)行驗(yàn)證性研究，要使雙動(dòng)刀沙棘切割器性能達(dá)到更好的效果，還需要開(kāi)展沙棘專用刀具的研制工作。

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)并搭建了往復(fù)式雙動(dòng)刀沙棘枝條切割試驗(yàn)臺(tái)，采用空間曲柄滑槽-搖桿滑塊機(jī)構(gòu)作為切割傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型以及SolidWorks Motion進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)特性滿足正弦波形；基于Lab VIEW開(kāi)發(fā)了沙棘切割試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集軟件以滿足試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集需求。

2）單因素試驗(yàn)探究了刀具滑切角、平均切割速度、刀刃高度及動(dòng)刀組數(shù)對(duì)單位直徑峰值力和單位面積切割功耗的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著平均切割速度、刀具滑切角和刀刃高度的增大而減小，雙動(dòng)刀比單動(dòng)刀時(shí)的更小。

3）正交試驗(yàn)各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的主次順序?yàn)椋旱毒呋薪?、平均切割速度、枝條喂入速度，與單因素試驗(yàn)結(jié)果相符；通過(guò)響應(yīng)曲面法得到雙動(dòng)刀沙棘枝條最優(yōu)切割參數(shù)組合為平均切割速度0.45 m/s、枝條喂入速度0.64 m/s、刀具滑切角9.4°，此時(shí)，單位直徑峰值力為53.33 N/mm，單位面積切割功耗為69.87 kJ/m2。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，模型誤差低于5%，證明擬合性較好，模型可靠。