雙動刀沙棘枝條切割參數分析與試驗

王炳棚 ，雷 金 ※，秦新燕 ，王衛兵 ，王軍揚 ，任子超 ，翟志遠

（1.石河子大學機械電氣工程院, 石河子 832003；2.新疆紅蟻農業科技有限公司, 塔城 834612）

0 引 言

沙棘屬胡頹子沙棘屬，為針狀落葉形灌木，是中國生態經濟作物之一[1]。沙棘抗旱耐寒，可在鹽漬化土地生存[2-4]。國內現有沙棘林200多萬hm2，占世界沙棘總面積90%以上，其中新疆現有的沙棘資源約4萬hm2，是中國最大的沙棘產業基地[5-6]。沙棘果實屬于漿果，短柄、薄皮，叢生于帶刺的果枝，易粘結，很難采摘[7]。由于缺乏沙棘專用收獲機械，目前國內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，對果樹損傷較大，造成近50%的果實被浪費，采摘成本占總成本的50%～70%，成為制約其產業化發展的瓶頸，對機械化采收裝備的需求日益迫切[10]。沙棘機械化收割技術的研究在國內研究較少，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對相關裝備研發具有重要指導意義。

俄羅斯、加拿大和德國等國家已經設計出包括樹干振搖式[11]、樹枝振搖式[12-14]、真空吸收式[15-16]，激素催熟式[17]和整枝采收式[18]沙棘收獲機械，對于相關枝條切割參數的研究卻鮮有報道。開展作物切割參數試驗研究時，由于直接獲取田間試驗數據往往受限于可重復性、數據采集難度、種植模式、季節氣候等外界因素[19]，因此部分學者利用自制的切割裝置對蓖麻[20]、油菜[21]、王草[22]、棉花[23-24]、甘蔗[25-26]、玉米[27]、工業大麻[28]等莖稈作物進行了切割試驗。往復式雙動刀切割的相關研究主要集中在茶葉[29]、油葵[30]、蘋果枝條[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、切割速度等均會對切割過程產生影響[36-37]。本文在借鑒前人研究的基礎上，設計了往復式雙動刀沙棘枝條切割試驗臺并開發切割試驗測控系統和配套數據采集軟件，通過建立數學建模及運動仿真分析，分析了試驗臺關鍵機構運動特性，探討了切割根數、枝條直徑、刀具滑切角、平均切割速度、刀刃高度和動刀組數對單位直徑峰值力及單位面積切割功耗的影響，采用Box-Behnken試驗方法得出沙棘枝條往復式雙動刀切割最優參數組合。

1 材料與方法

1.1 試驗枝條樣本

試驗樣本采自新疆兵團九師額敏縣170團沙棘種植地，品種為深秋紅，樹齡4 a，種植行距210 cm，株距155 cm，采樣果樹20棵，采用理論機采位置下生長狀況良好、果實較多、無病蟲害、無明顯缺陷的枝），樣本長度300 mm（圖1）。采樣結束后，立即用密封標本袋將試驗樣本進行密封保存并標號。參照GB/T 1931[38]采用烘干法測定枝條含水率，烘干前測定沙棘枝條樣本質量，精度為0.001 g；在（103 ± 2）℃下烘干8 h后再次測量質量；以后每隔2 h測量1次，前后2次測量的質量差不超過0.002 g視為烘干完成，計算其含水率。經測定，試驗期間（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的試驗枝條樣本Fig.1 Samples of test branches with different diameters D

1.2 雙動刀切割試驗臺

為實現試驗樣本切割、輸送及切割過程測控功能，本文設計和搭建了沙棘枝條雙動刀切割試驗臺，如圖2a所示。試驗臺總體上由切割裝置、沙棘枝條喂入輸送裝置和測控裝置三部分構成。

圖2 雙動刀切割試驗臺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，沙棘枝條通過輸送裝置喂入切割裝置。切割裝置由切割傳動機構、切割電機及變頻器、切割刀具和機架組成。切割電機選用三相交流異步電機，通過變頻器進行速度控制，驅動切割傳動機構，使刀具進行往復切割運動。輸送裝置主要包括輸送電機及減速器、變頻器、沙棘枝條樣本夾具和帶式輸送機。輸送電機通過鏈傳動將動力輸入到主軸，主軸通過滾筒帶動傳送帶運行，夾持著沙棘枝條樣本的夾具均布在傳送帶上，隨著傳送帶的平穩運行喂入到切割部件中。測控裝置由筆記本電腦、S型拉壓力傳感器及其變送器、動態扭矩傳感器及其變送器、24 V直流電源組成，可以實時采集試驗臺工作時動態扭矩傳感器和拉壓力傳感器的信號并保存數據，拉壓力傳感器及動態扭矩傳感器安裝位置如圖2b所示。雙動刀切割試驗臺技術參數如表1所示。

表1 試驗臺主要技術參數Table 1 Main technical parameters of test bench

試驗臺的切割傳動機構（圖2b）采用空間曲柄滑槽-搖桿滑塊機構[33]，結構簡圖如圖2c所示。切割電機帶動切割主軸旋轉，驅動連接在曲柄上的連桿做偏心運動，由于上、下搖桿中間部位固定在機身上，將連桿在豎直平面內的運動轉換為水平平面內的擺動，進而轉換為水平直線運動，驅動上、下動刀進行反向切割，完成雙動刀往復式切割。若拆卸下搖桿并固定下動刀，該機構仍可驅動上搖桿，并驅動上動刀往復運動，這時切割機構轉換為單動刀切割。

該傳動機構可分解為1組對心曲柄滑塊機構和2組滑槽連桿機構，如圖2d和2e（由于2組滑槽連桿機構關于X軸對稱，取下動刀進行分析）。該機構滿足以下函數關系：

聯立式（1）～（2）可得關于α 的動刀切割位移函數為

正弦機構從動件運動過程中無沖擊，正負運動對稱性強。而由式（3）繪出的函數圖像與接近正弦波形，表明下動刀的切割軌跡符合理想正弦運動規律，機構在結構上對稱，所以此結論同樣適用于上動刀。

為驗證機構合理性，本文通過SolidWorks Motion對機構模型進行運動學仿真，并考慮重力和裝配間隙等因素產生的影響。

參考已有研究成果[21,25]，為清晰呈現該機構運動規律，設定切割主軸轉速為30 r/min，仿真時間為5 s，得到刀具（仿真對象取下動刀）的位移-時間（圖3a）、速度-時間（圖3b）和加速度-時間（圖3c）曲線。規定行程中點為空間坐標系原點，選取初始位置時下動刀上與行程中點重合的點為參考點，各量在參考點位于XOZ平面右側時為正值，反之則為負值。

圖3 仿真結果Fig.3 Simulation results

仿真結果表明，位移-時間曲線呈現明顯的正弦函數波形且平滑，與理論分析結果一致；速度-時間曲線波形與位移-時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-時間曲線有明顯的突變，正弦函數擬合結果達到設計預期（R2=0.483），該條件下機構滿足試驗需求。由此說明，該機構設計合理。

1.3 刀具參數

本文旨在探究往復式單、雙動刀切割裝置在不同切割速度和枝條喂入速度下，刀片尺寸對切割功耗及切割效果的影響，而國內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行驗證性研究。

根據刀片間距（上刀片間距t1、下刀片間距t2）和切割行程S的關系，往復式切割器分為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：

往復式雙動刀切割器為b型。動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生，沙棘枝條生長姿態較為復雜，枝條喂入切割器時并不是有序的理想狀態，這就使得沙棘枝條容易在高速的切割過程中產生偏移或者滑脫，造成碎果或者漏切。為了避免產生這種現象，本文采用齒刃刃口的刀片作為動刀片。

參考其他莖桿作物收割機雙動刀刀片的幾何結構，本文采用具有六角形外形的梯形動刀片（圖4a）。刃口為梯形，保證修整之后刀身仍然能保持原來的高度。如圖4b所示，單個刀片的切割行程若小于刀片底寬，就會產生切割盲區。為避免初始切割速度為0，應保證底邊間距e＞0。試驗所用的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 試驗用切割刀片及尺寸參數Fig.4 Test cutting blades and their dimensional parameters

1.4 測控裝置

測控系統包括電機控制和數據采集模塊。電機控制部分的功能應該包含對電機速度調節、正反向控制等。數據采集模塊實時監測和采集沙棘枝條切割數據。試驗要求測控系統數據采集內容包括：切割力、切割扭矩、時間等。按照功能組成，試驗臺硬件部分分為切割監測單元和機械驅動單元，分別對應測控系統中的數據采集模塊和電機控制模塊，控制系統結構如圖5所示。

圖5 沙棘枝條切割試驗臺控制系統結構Fig.5 Structure of control system for sea buckthorn branch cutting test bench

1.5 數據采集與處理

沙棘切割試驗數據自動采集軟件可以采集不同試驗條件下的切割數據，主要有初始化模塊、用戶操作模塊、索取數據命令模塊、接收數據模塊、處理數據模塊以及退出程序模塊，如圖6所示。各模塊借助串口實現與試驗臺傳感器的連接，讀取并實時顯示計算機處理后傳感器所發送的數據，包括扭矩（顯示的扭矩為動態扭矩傳感器的實際測量值減去空載狀態下的扭矩值）、拉壓力（顯示的拉壓力為2個S型拉壓力傳感器的實際測量值減去空載狀態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據顯示在波形圖表內，用戶可據此分析刀具工作狀態。此外，系統還針對波形圖設置截圖保存功能以及數據保存功能，退出程序時，數據以文本形式保存。

圖6 沙棘切割試驗數據自動采集軟件Fig.6 Automatic data acquisition software for sea buckthorn cutting test

本系統主要有初始化模塊、用戶操作模塊、索取數據命令模塊、接收數據模塊、處理數據模塊以及退出程序模塊，如用戶可在系統界面選擇所連接的串口，然后打開串口，數據就會實時顯示在界面中，用戶還可以在軟件界面內點擊截圖并保存按鈕，根據需要截取任意時刻的波形圖。

1.6 試驗方法

1.6.1 試驗因素確定

往復切割式切割器作業的關鍵技術參數包括機器前進速度、刀片運動速度和切割器機構參數等[29,39]，結合上文確定的刀具參數，本文主要考慮5個試驗因素，分別為平均切割速度、刀具滑切角、刀刃高度、動刀組數及枝條喂入速度。

1.6.2 評價指標

試驗采用的評價指標為單位直徑峰值力和單位面積切割功耗。

在切割過程中，數據采集系統實時采集并記錄拉壓力傳感器的切割力信號及扭矩傳感器的扭矩信號，通過后續對切割力及扭矩數據的處理，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為切割傳動機構曲柄轉動角速度，rad/s；M為扭矩傳感器扭矩隨時間變化曲線函數；t為時間變量，s；T為切割總時間，s。

1.6.3 試驗步驟

在測試之前，對各執行裝置、數據采集軟件、各元器件連接情況等進行檢查；將沙棘枝條樣本插入輸送帶夾具的開孔圓筒中，用水平快速夾具將其緊固；啟動切割電機，調整切割機轉速；開啟數據采集軟件，通過PC端進行數據采集；調整進料裝置的進料速率，使沙棘枝條樣本按試驗要求的速度送入切割器內；數據采集系統收集并存儲切割力及切割扭矩等信息。使輸送電機反轉，返回到合適位置，觀察、記錄割茬截面狀態；每組試驗結束后，將輸送帶及切割器下方的沙棘枝條割茬清掃干凈，每個水平進行3組試驗，采集信息后，再根據試驗設計順序進行后續試驗。

1.6.4 單因素試驗

為探究各影響因素對沙棘枝條切割效果的影響，設計4組單因素試驗，各因素和水平如表2所示。為保證試驗安全，在平均切割速度單因素試驗中，設定切割速度v范圍0.4～0.8 m/s，并以0.1 m/s為梯度設置5個水平；在其他試驗時，取平均切割速度為0.6 m/s。根據現有切割刀具的滑切角設計以及相關經驗，進行刀具滑切角試驗時，分別設置7.5°、15°和22.5°為滑切角α0的3個水平；在進行其他試驗時，滑切角為15°。刀刃高度分別為35和70 mm，在進行其他試驗時，將刀刃高度定為70 mm。動刀組數分別為單動刀和雙動刀，在進行其他試驗時，設定為雙動刀。在進行單因素試驗時，3根枝條為一組，枝條直徑為14 mm，喂入速度設定為0.6 m/s，每組重復3次。

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

1.6.5 正交試驗

根據單因素試驗結果，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的因素，其因素水平表如表3所示。在切割過程中，切割線速度與枝條喂入速度的切割速比會對切割功耗和切割效果產生影響，所以多因素試驗在選取水平時考慮2個因素之間的交互作用。根據Box-Behnken原理，設計3因素的3個水平正交試驗。試驗中2根枝條設置為一組，每個試驗方案重復3次，試驗方案與結果如表5所示。

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

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

平均切割速度的試驗結果如圖7a所示。由圖可知，總體呈下降趨勢且逐漸變緩。這是由于沙棘枝條在被切割前存在被擠壓的過程，該過程消耗的時間隨著平均切割速度的增大逐步縮短，當平均切割速度持續增大，擠壓過程消耗時間變化逐漸緩慢，從而造成評價指標減小趨勢逐漸變緩，最終趨于穩定。

圖7 單因素試驗結果Fig.7 Single factor test results

通過對記錄的切割過程的攝像圖像分析發現，切割速度為0.4 m/s（圖8a）和0.5 m/s（圖8b）時，由于喂入速度過快，刀具在接觸韌皮部后發生了一定程度的滑移，造成韌皮部發生嚴重破損，嚴重時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制折斷，造成割茬呈現斜面甚至出現劈裂。出現以上情況時，割茬截面積的增大不但增加了切割功耗，同時切斷過程中刀片的滑移會影響刀具的使用壽命。而當切割速度為0.6 m/s（圖8c）、0.7 m/s（圖8d）和0.8 m/s（圖8e）時，沙棘枝條能夠被刀具一次切斷，滑移現象明顯改善，此時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

刀具滑切角試驗結果（圖7b）表明，隨著刀具滑切角增加，評價指標均呈下降態勢。這是由于當刀具滑切角增大時，沙棘枝條樣本沿刀具刃口的滑移量會變大，切割作用增強，因此評價指標呈現減小的趨勢。

不同刀具滑切角下沙棘枝條割茬截面情況如圖9所示，當刀具滑切角分別為7.5°、15°和22.5°時，刀具滑切角對割茬截面質量的影響并不明顯，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

刀刃高度及動刀組數的試驗結果如表4所示。試驗結果表明，隨著刀刃高度的增大，評價指標均呈下降的態勢。刀刃高度增加，實際切割刀刃長度有所增加，進而切割效果增強，因此評價指標有減小的趨勢。雙動刀的評價指標數值均低于單動刀。采用雙動刀時，相同時間內上、下動刀的相對位移增加，節省了一定功耗。因此動刀組數增加，評價指標有減小的趨勢。

表4 刀刃高度及動刀組數對評價指標的影響Table 4 Effect of blade height and number of movable blade sets on evaluation index

2.2 正交試驗結果與分析

2.2.1 正交試驗結果

正交試驗方案及結果如表5所示。利用Design-Expert 13軟件對表5的試驗結果進行二次多項式回歸擬合，得到單位直徑峰值力與單位面積切割功耗預估模型，如式（8）～（9）所示。

表5 正交試驗設計方案及結果Table 5 Design scheme and results of orthogonal tests

2.2.2 方差分析

對兩個評價指標的預測模型進行回歸方差分析，結果如表6所示。數據表明，模型的顯著水平P值均小于0.01，回歸模型極顯著；兩個評價指標的失擬項P值均大于0.05，回歸模型失擬項不顯著，說明模型擬合性較好，可用于后續最優切割參數優化分析。

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

兩個評價指標模型決定系數R2值分別為0.970 1和0.974 0，表明分別有97.01%和97.4%的評價指標變化取決于選定的試驗因素。

各因素對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P值小于0.01，對單位直徑峰值力的影響極顯著；枝條喂入速度二次項P值小于0.01，對單位直徑峰值力的影響極顯著；刀具滑切角二次項P值小于0.05，對單位直徑峰值力的影響顯著；其余項P值均大于0.05，對單位直徑峰值力的影響不顯著。

各因素對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P值小于0.01，對單位面積切割功耗的影響極顯著；枝條喂入速度二次項P值小于0.01，對單位面積切割功耗的影響極顯著；刀具滑切角二次項P值小于0.05，對單位面積切割功耗的影響顯著；其余項P值均大于0.05，對單位面積切割功耗的影響不顯著。

通過以上分析可知，各因素對沙棘枝條切割性能評價指標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。

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

各因素交互作用對評價指標的影響如圖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，符合單因素試驗獲得的相關結論。

圖10 評價指標對各試驗因素交互作用的響應曲面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價指標的最小值作為優化目標，并限定Fmin＞0，Tmin＞0，其余試驗因素水平均限定在-1～1內，通過響應曲面法，利用Design-Expert 13軟件對式（10）和式（11）進行優化求解，得到往復式雙動刀沙棘枝條切割裝置最優參數組合：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 驗證試驗

為檢驗通過響應曲面法獲得的往復式雙動刀沙棘枝條切割器最優切割參數的準確性，選擇其他3組不同切割參數對評價指標預測模型開展驗證試驗，每組試驗重復3次，所選參數與試驗結果如表7所示。由試驗結果可知，通過式（10）和式（11）計算的評價指標預測值與試驗獲得的評價指標實際值的誤差低于5%，試驗值與預測值擬合性較好，求解的最優參數準確可靠。

表7 試驗驗證結果Table 7 Results of verifying tests

3 討 論

本文設計的雙動刀沙棘枝條切割試驗臺相較于萬能電子試驗機，在進行切割性能試驗時，能夠以較高平均切割速度完成沙棘枝條切割，考慮了切割時慣性力對切割性能的影響，更接近實際作業狀態；能夠改變枝條喂入速度這一運行參數，可模擬沙棘收獲機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價指標，消除了因刀具傾角變化導致最大切割厚度變化及沙棘枝條切割部位由于莖桿節造成的直徑差異對試驗結果的影響。此外，不同于以峰值切割力或切割功耗為評價指標的單一定性分析，通過響應面法分析Box-Behnken試驗數據，本文選定的評價指標從定量和定性兩個方面來分析雙動刀切割器運行參數及刀具幾何參數對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沙棘枝條切割性能影響顯著（P<0.01），枝條喂入速度確定時平均切割速度為影響切割截面質量的主要因素。

優化改進方面：該測試臺在進行切割試驗時的工作環境處于室內，在切割過程中表現出較好的魯棒性，這與田間作業機具在復雜地形行駛時高強度振動的實際工況有所差異，下一步研究需考慮外界環境對切割過程產生的振動激勵，優化試驗方案；分析平均切割速度對切割截面質量的影響發現，枝條喂入速度與平均切割速度的比值是雙動刀沙棘枝條切割器的一個重要參數，后續可引入切割速比這一參數開展相關影響研究；在刀具參數的選擇上，本文只采用通用刀具進行驗證性研究，要使雙動刀沙棘切割器性能達到更好的效果，還需要開展沙棘專用刀具的研制工作。

4 結 論

1）本文設計并搭建了往復式雙動刀沙棘枝條切割試驗臺，采用空間曲柄滑槽-搖桿滑塊機構作為切割傳動機構，并通過建立數學模型以及SolidWorks Motion進行仿真分析，驗證其運動特性滿足正弦波形；基于Lab VIEW開發了沙棘切割試驗數據自動采集軟件以滿足試驗數據采集需求。

2）單因素試驗探究了刀具滑切角、平均切割速度、刀刃高度及動刀組數對單位直徑峰值力和單位面積切割功耗的影響。試驗結果表明，評價指標隨著平均切割速度、刀具滑切角和刀刃高度的增大而減小，雙動刀比單動刀時的更小。

3）正交試驗各因素對評價指標影響的主次順序為：刀具滑切角、平均切割速度、枝條喂入速度，與單因素試驗結果相符；通過響應曲面法得到雙動刀沙棘枝條最優切割參數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，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。經試驗驗證，模型誤差低于5%，證明擬合性較好，模型可靠。