荔枝收獲切割器果梗鋸切功耗影響因素試驗

趙潤茂，王紅軍，唐之富，張炳超，鄒湘軍，葉 敏

（華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642）

荔枝收獲切割器果梗鋸切功耗影響因素試驗

趙潤茂，王紅軍※，唐之富，張炳超，鄒湘軍，葉 敏

（華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642）

為合理設計荔枝收獲裝備切割部件，獲得理想荔枝果、樹分離效果，在確定以回轉鋸切為切割方式的基礎上，搭建果梗鋸切功耗測定平臺并進行荔枝果梗鋸切試驗。研究了鋸齒前面斜磨角、鋸片齒數、進鋸速度、鋸切轉速對果梗鋸切實時功耗的影響；以單因素試驗結果為依據，選定三因素三水平進行正交試驗，得到各因素對鋸切實時功耗峰值影響的主次順序為鋸切轉速、進鋸速度、齒前面斜磨角、鋸片齒數；同時得到在給定因素水平下的最佳組合是采用25°齒前面斜磨鋸片、進鋸速度為60 mm/min、鋸切轉速為550 r/min，此時電機瞬時功耗峰值最小為0.488 J。該研究為荔枝機械化收獲裝備切割部件的設計提供了參考。

機械化；切割；試驗；荔枝收獲；切割器；果梗鋸切；影響因素

0 引言

對荔枝產后采收環節實施機械化作業是推動荔枝產業發展的有效途徑。依據人工采摘方式，荔枝采摘裝備執行機構應具備穩固夾持與切割分離的基本功能，其中，切割機構是該裝備的關鍵行為部件，更為直接影響果實采摘周期、采摘成功率、果枝分離斷面平整度等，因此本文對荔枝果梗切割的影響因素進行試驗研究。

目前針對農林作物莖稈切割特性的研究有：Igathinathane C等[1-3]利用扭力扳手、樹剪、萬能材料試驗機搭建了玉米莖稈切割能測定臺，研究切入角對玉米稈粉碎能耗的影響，并得到其切割力—位移特性；Senthilkumar T等[4]設計多因素試驗研究刀片數量、圓周速度、刃厚、刀前角對棉花秸稈粉碎長度的影響；劉慶庭等在自制單刀切割試驗臺上對影響根茬破壞的因素進行研究[5]，并通過甘蔗莖稈切割力試驗，得到滑切角、刀盤傾角、切割速度對單位切割力及最大切割力的影響效應[6]；其他還有針對油菜[7]、甘藍[8]、龍須草[9]、龍眼[10]、灌木[11-12]等。然而農林作物生長環境各異、不同物種間物料參數不盡相同，其加工特性無法直接遷移使用，因此需對荔枝果梗進行獨立試驗研究。

對于荔枝果梗切割，陳燕等[13]建立了切割速度、切割角度、刃口形式與峰值切割力、切割強度之間的關系；吳良軍等[14]通過試驗測定其剪切強度、剪切功，并說明峰值剪切力、剪切功與果梗橫截面積呈正相關。但其二者研究時采用的往復式割刀不適于荔枝果體單點懸掛、成串采摘的特點，且需要較復雜傳動機構，因此更宜選用圓鋸片作為果梗切割刀具，但直接選用標準化工業鋸片無法最佳貼合荔枝收獲的農藝要求，且目前未見有針對荔枝采摘鋸片選用設計與功耗分析相關的研究。

本文在搭建低成本果梗鋸切功耗測定試驗平臺的基礎上，依據木材切削原理，對荔枝切割器鋸片結構、運動參數進行單因素及多因素試驗，獲得各因素對試驗指標的影響效應及既定因素水平下的最佳組合，以期為荔枝機械化采摘切割方案的制定提供參考。

1 果梗鋸切試驗臺結構與原理

1.1 試驗材料

試樣采自華南農業大學熱帶亞熱帶果樹種質資源圃，樹種桂味，采樣時間2015年7月8日。所采果梗盡可能通直、無病蟲害和少分枝，試樣直徑為5～6 mm，長度剪裁為100 mm左右，采后將果梗編號用小枝葉分層覆蓋保存，并保證所有試驗在試樣采后12 h內完成。依照標準規定（GB/1931-2009）實測含水率范圍為53.48%～65.32%。

1.2 試驗用鋸片

在進行荔枝的機械化采收時，農藝學要求果梗應沿垂直于纖維方向的截面被切斷且不留茬；結合木材切削原理，該切斷方式為橫向鋸切，應選擇橫截圓鋸片作為切割刀具。由于荔枝掛果果梗橫截面積小、起支撐作用的木質部含量較少、抗彎能力差，所以必須選用厚度較小的超薄圓鋸片，同時采用一定的撥料量以減少切削過程中鋸片與鋸路壁的摩擦，防止夾鋸。據此確定選用圖1所示鋸片，其結構尺寸參數見表1。

圖1 試驗用硬質合金圓鋸片Fig.1 Carbide saw blade for experimentation

表1 橫截鋸結構參數Table 1 Parameters of cross-cut saw

1.3 試驗設備及工作原理

自行搭建的鋸切力試驗臺總體結構如圖2所示，主要包括：廣州廣材試驗儀器有限公司生產的WD-20KE型精密微控電子式萬能試驗機，精度±0.5%，分辨率±1/120 000；勝利DM6234P+電機轉速儀，精度±(0.05%+1)，分辨力0.1；勝利VC86B數字萬用表，精度±（1.0%+10），采樣頻率3次/S；正科ZGA60FM-G(24 V，600 r/min)型永磁直流減速電機，固緯直流電源供應器（變動率≤0.01%+3 mV），呼和浩特環眾（集團）有限責任公司生產的K01-50三爪卡盤，廣州美默通電子科技有限公司生產的CCM5D數顯直流電機調速器等。

圖2 鋸切試驗臺結構示意圖Fig.2 Structure schematic of test bed for sawing

如圖2所示，試驗在電子式萬能材料試驗機上進行，選用K01-50型三爪卡盤作為物料夾具，卡盤裝配于萬能試驗機上壓頭處；鋸片通過可拆卸法蘭連接桿與電機主軸配合；直流電機與電機調速器、萬用表連接，由直流電源供應器提供穩定電壓，固定于萬能試驗機機架下側平臺，數字萬用表通過RS232串口與計算機實時通訊。試驗時，首先利用電機轉速儀與電機調速器配合調節電機至設計轉速，再控制萬能試驗機上壓頭帶動所夾持物料以設定速度豎直向下進給靠近鋸片直至完成一次切割。該試驗臺實現鋸片可更換、進鋸速度與切割轉速可調并可測；另利用通訊萬用表實時獲得電機電流，以研究鋸切過程中的切割功耗。

2 試驗方法

2.1 試驗指標的確定

果梗切割過程中鋸片受到的切割阻力及產生的能量消耗是進行采摘器動力匹配及鋸片結構優化設計所依據的主要參數，且對延長刀具壽命、提高采摘機械戶外工作時長有重要意義。在實際鋸切過程中，圓鋸片受到的徑向力、切向力大小方向實時變化，傳統的測力方法難以滿足需要，為便于測量分析，以主電機功耗來衡量果梗被切斷的難易程度。果梗鋸切時主電機能量消耗可分解為[15]

式中W為鋸切過程切割電機所做總功，J；W0為電機空載狀態下維持自身運行所需的基本能量，J；W'為鋸斷果梗的能量消耗，J。

直流電機在負載條件下，輸入電壓值恒定，電流值依據動載大小而增減，故鋸切電機所做總功為

式中U為電機輸入電壓，恒值24.0，V；I為電機電流值，可利用萬用表實時測定，A；t為做功時長，s。

2.2 試驗因素的確定

本研究涉及的荔枝果樹是典型的木本植物，其果梗宏觀力學表現為正交各向異性[16]，根據切削刃和主運動相對木材纖維方向的不同，木材直角自由切削分為縱向、橫向和端向3個主要切削方向[17]，顯然，荔枝采摘時的切削為橫向鋸切，如圖3所示。

圖3 果梗鋸切截面Fig.3 Sawing direction of litchi stem

在農業機械研究中，按支撐條件不同將切割分為有支撐切割與無支撐切割，對于荔枝收獲，需在切割工序前利用夾持機構將果梗夾持，以防果實跌落，即切割刀片是以單端支撐切割原理工作的，因此，齒刃最小線速度的大小及其與進鋸速度的匹配程度將直接決定果梗割茬是否產生撕裂。而鋸齒線速度的選擇與莖稈纖維組織的剛柔度有關[18]，為控制生物特性的差異，試驗樣本同批次選自特定果樹同一高度、直徑在5～6 mm范圍內的光滑果梗。

在進鋸過程中，鋸齒側刃必須先于主刃切斷果梗纖維，因此側刃的鋒利程度，即鋸齒前面斜磨角在一定范圍內增加，可減小切削功率[19]；其次，每齒進給量表征鋸片單個齒切削體積的大小，切削量過大導致果柄被鋸片壓倒歪斜、不能完全切斷、斷面傾斜及不平整等現象，切削量太小會降低采摘器的工作效率，每齒進給量為

式中Vz為每齒進給量，mm；v為進鋸速度，m/min；n為鋸片轉速，r/min；z為圓鋸片齒數。

由式（3）可知，齒數、進鋸速度、鋸片轉速對鋸片切削性能有一定影響，且鋸片齒數、鋸片轉速與每齒進給量成反比[20]，進鋸速度與每齒進給量成正比。

2.3 單因素試驗設計

綜上所述，選取鋸片齒前面斜磨角、齒數、進鋸速度、鋸切轉速進行單因素試驗，每個因素取3水平，每個水平重復3次。為排除果梗直徑、含水率對試驗結果的影響，每組因素試驗在同一果梗上完成。果梗直徑使用廣陸數顯游標卡尺（分辨率0.01 mm，誤差±0.03 mm）測量，在鋸切位置的不同方向上測量4次并求均值。

2.4 正交試驗設計

在單因素試驗結果分析的基礎上選取齒前面斜磨角、進鋸速度、鋸切轉速進行正交試驗，以尋求最優化的參數組合。根據正交試驗“盡可能選用小號正交表”的原則，選擇L9(34)正交表進行試驗，并對試驗結果進行方差分析，因素水平如表2所示。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Factors and levels graph for orthogonal test

3 結果與分析

圖4是一次試驗中萬用表獲取的電機電流—時間曲線。電流峰值Imax可以反映鋸切過程中電機瞬時功耗極值，功耗極值通過在鋸切時段對峰值電流的積分獲得。

式中Wc為電機瞬時功耗計算值，J；t1為電流峰值出現時刻，s；t2為電流峰值終止時刻；T為萬用表采樣周期，恒值1/3，s；Imax為果梗鋸切階段電機電流峰值，A。

由圖4可知，隨著進鋸時間（進給量）的增加，電機瞬時功耗逐漸上升，在進給行至果梗直徑一半處到達峰值；繼續進給，電機瞬時功耗則逐步減小直至果梗被完全鋸斷。曲線的形成原因是：在鋸片對果梗的切入段，鋸片進給引起果梗與鋸片的當量接觸弧長增加，即單位時間內鋸齒側刃需承擔更多的切削量，則電機瞬時功耗增大；在切出段，果梗與鋸片的接觸情況與切入段恰為相反，則電機瞬時功耗逐步下降。

3.1 單因素試驗

3.1.1 齒前面斜磨角

依據文獻[17]，一般情況下，硬質合金圓鋸片齒前面斜磨范圍為10°～20°，試驗時拉開水平區間[21]，定制齒前面斜磨角為5°、15°、25°的橫截鋸片鋸切荔枝果梗，每個水平進行3次重復試驗。記錄電機電流峰值，以此計算電機功耗峰值并取均值，計算結果見表3，分析數據得出：電機功耗峰值隨齒前面斜磨角的增大而減小，齒前面25°斜磨的鋸片鋸切效果最好，此時功耗峰值為0.637 J。對數據結果進行方差分析，F=9.949> F0.05(2,6)=5.14，表明鋸片齒前面斜磨角對電機功耗峰值有顯著影響。

3.1.2 鋸片齒數

為避免過大的齒距造成卡鋸現象，鋸片齒數不宜過少，且又考慮到鋸片周長尺寸限制及經濟因素，鋸片齒數有上限。分別試制30、40、50齒橫截鋸片鋸切果梗，各水平試驗重復3次。計算電機功耗峰值及其均值，結果見表3，分析得出：電機功耗峰值隨鋸片齒數增加而減小，50齒鋸片功耗峰值最小為0.795 J。對其進行方差分析，F=1.803

3.1.3 進鋸速度

控制萬能材料試驗機以不同的進給速度帶動鋸片鋸切果梗，各水平試驗重復3次。進行電機功耗峰值及其均值計算，結果見表3，可見隨著進鋸速度的增大，電機功耗峰值逐漸增大，速度為60 mm/min時，鋸切功耗峰值最小為0.525 J。對數據結果進行方差分析，F=69.959>F0.01(2,6)= 10.93，因此進鋸速度對電機功耗峰值有極顯著影響。

表3 單因素試驗方案及結果Table 3 Results of single factor experiment

3.1.4 鋸切轉速

對荔枝果梗的切斷，存在一個臨界鋸切轉速（鋸齒線速度），實際工作時若低于這個臨界速度，鋸齒則無法割斷所切削部分的木纖維，即會造成果梗歪斜切斷、歪斜不斷或劈裂現象[22]。據此，通過預試驗測得9把鋸片均能順利切斷果梗的最低轉速約為230 r/min（此時進鋸速度為120 mm/min），故取250 r/min為正式試驗中鋸切轉速的水平下限。調節電機調速器使鋸片以設定轉速鋸切荔枝果梗，每組試驗重復3次，表3為試驗中電機功耗峰值與峰值均值，可知：鋸片轉速增加，電機功耗降低，當鋸片轉速為550 r/min時，電機功耗峰值最小為0.603 J。進行單因素方差分析，F=271.879>F0.01(2,6)= 10.93，表明鋸切轉速對電機功耗峰值有極顯著影響。

3.2 正交試驗

根據表2進行9組多因素試驗，并對結果進行直觀分析，數據如表4所示。

表4 正交試驗方案及結果Table 4 Results of orthogonal test

由表4可以看出，1、6、8號試驗鋸切功耗明顯高于其他組，6號試驗最高為1.912 J，7號試驗最低為0.488 J。根據極差R值比較，鋸切轉速＞進鋸速度＞齒前面斜磨角，可見C因素是最重要因素，取3水平為好；其次為B因素，取1水平為好；而A因素對結果的影響較小，取3水平為好，即A3B1C3是給定水平下的最佳試驗組合。對正交試驗數據進行方差分析，結果如表5所示。

表5 正交試驗方差分析Table 5 Variance analysis of orthogonal test

方差分析表明：因素“齒前面斜磨角”、“進鋸速度”對鋸切功耗均有顯著影響（P<0.05），但進鋸速度較齒前面斜磨角影響更為顯著；因素“鋸切轉速”對鋸切功耗有極顯著影響（P<0.01），這與極差分析的主次因素結論一致。

A3B1C3恰是表4中7號試驗，其電機功耗峰值在9組試驗中最小，為0.488 J，即直觀分析結論驗證了單因素試驗、正交試驗數據結果。

4 結論

搭建了果梗鋸切功耗測定平臺，并對含水率為53.48%～65.32%、直徑為（5±0.2）mm的“桂味”種荔枝果梗進行鋸切試驗。

1）單因素試驗結果表明：鋸片齒前面斜磨角對電機瞬時功耗峰值有顯著影響，且隨齒前面斜磨角的增大，電機功耗峰值降低；鋸片齒數對電機瞬時功耗峰值無顯著影響；進鋸速度對電機瞬時功耗峰值有極顯著影響，功耗峰值隨進鋸速度的增大而增加；鋸切轉速對電機瞬時功耗峰值有極顯著影響，功耗峰值隨鋸切轉速的增加而減小，在120 mm/min的進鋸速度下，所選鋸片能實現順利鋸切的臨界轉速為230 r/min。

2）正交試驗結果表明：影響鋸切電機瞬時功耗峰值的主次因素依次為：鋸切轉速、進鋸速度、鋸片齒前面斜磨角、鋸片齒數；既定水平下，采用25°齒前面斜磨的鋸片，在60 mm/min進鋸速度、550 r/min鋸切轉速下電機功耗峰值最小為0.488 J。

3）單因素試驗結果與多因素試驗及其直觀分析、方差分析結果一致，可為荔枝收獲裝備切割器的設計提供理論依據。

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Experiment on influencing factors of power consumption for sawing stem in cutting device of litchi harvester

Zhao Runmao, Wang Hongjun※, Tang Zhifu, Zhang Bingchao, Zou Xiangjun, Ye Min
(Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

There are 3 main forms of cutter commonly assembled into agricultural harvesters, which are reciprocating cutter, cutter disks and saw blade. Given the fact that the litchi fruits grow in bunches and hang from the bearing shoots, as well as the bionic principle that the cutting-section of the litchi stem must be smooth and unsplit when litchi is picked, it is more suitable to choose the saw blade when the litchi harvester is designed. However, directly using standardized industrial saw blade could not be best in agronomy. Meanwhile, it is indispensable to focus on the studies on the relationship between structure parameters and power consumption of main motor as well as the relationship between motion parameters and power consumption of main motor. After all, the harvester works in outdoor environment. Applying the principles of wood processing and cutting tool technology, the structure and motion parameters were experimentally studied. The experiment was carried out using an universal testing machine, with a 3-jaw chuck mounted on the upper pressure head and the saw blade -motor system installed at the bottom platform. The motor speed, whose current value was real-time measured during the sawing process by a communication multimeter, was controlled by a speed governor. The samples were taken from the Germplasm Collections of Tropical and Subtropical Fruit Species, South China Agricultural University. It was assured that these samples had a length of about 10 mm and a diameter between 5-6 mm, and the branches were straight, with no divergence and free of diseases. Each group of test was conducted on the same stem so as to lower the impact of the diameter and moisture content between different samples. Experiments were designed by using the single-factor method in the study, and 9 kinds of circular saw blades were trial-manufactured, with the combination of 3 kinds of teeth numbers and 3 kinds of face bevel angles. Besides, 3 rotation speed levels were set respectively. There existed a critical rotation speed in the process of stem sawing. If operating speed was lower than the critical speed, stem fibers would not be cut off thoroughly and even cause stem splitting. Therefore, the critical speed of each saw blade was measured by preliminary tests. Finally, a 250 r/min rotation speed was set as the lowest level over the whole experimental process. After all, the results showed that: 1) The instantaneous power consumption of the sawing motor was significantly affected by the face bevel angle (P<0.05), and the rotation speed (P<0.01), but was not affected by the number of teeth; 2) The instantaneous power consumption of the sawing motor increased with the rise of the feeding speed, while decreased with the rise of the face bevel angle and rotation speed. Based on the single-factor experiment, the L9(34) orthogonal experiment was carried out. The results showed that: 1) The order from high to low for the effect of each factor on instantaneous power consumption peak was rotation speed, feeding speed, face bevel angle and number of teeth; 2) At given levels, the lowest instantaneous power consumption of the cutting motor was 0.488 J, which was detected under the optimal combination of parameters, i.e. the face bevel angle was 25°, the feeding speed was 60 mm/min, and the rotation speed was 550 r/min. The study may provide theoretical basis for the design of cutting device of litchi harvester.

mechanization; cutting; experiments; litchi harvesting; cutting device; stem-sawing; influencing factors

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.003

S225.93；S667.1

A

1002-6819(2016)-09-0016-06

趙潤茂，王紅軍，唐之富，張炳超，鄒湘軍，葉 敏. 荔枝收獲切割器果梗鋸切功耗影響因素試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(9)：16－21.

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.003 http://www.tcsae.org

Zhao Runmao, Wang Hongjun, Tang Zhifu, Zhang Bingchao, Zou Xiangjun, Ye Min. Experiment on influencing factors of power consumption for sawing stem in cutting device of litchi harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(9): 16－21. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.09.003 http://www.tcsae.org

2015-09-09

2016-01-13

國家自然科學基金資助項目（51175189）

趙潤茂，男，陜西乾縣人，博士生，主要從事農業機械裝備的研究。廣州 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，510642。Email：Zhrm_2007@163.com

※通信作者：王紅軍，女，重慶人，教授，博士，主要從事智能設計、農業機械裝備的教學和研究。廣州 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，510642。Email：xtwhj@scau.edu.cn