酿酒葡萄枝条切割性能试验分析

朱新月，王丽红，黄 勇，王 哲，彭慧杰，徐 亭

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆是中国最早引种和栽培葡萄的地区[1-3]，其独特的气候和地理位置环境非常适宜葡萄的生长[4]。截至2015年，新疆酿酒葡萄种植面积已超过4万hm2，位居全国第一[5-6]。酿酒葡萄每年进行4～5次的整形修剪，以保证葡萄的品质和产量[7-8]。目前，酿酒葡萄修剪主要依靠人工，修剪劳动强度大、作业效率低、修剪成本高[9-11]。因此，寻求酿酒葡萄枝条切割性能参数对修剪装置的研制具有重要意义。

目前，常见的枝条修剪切割器主要包括往复式切割器、转刀式切割器、圆盘锯式切割器和圆盘刀式切割器等。胡洋洋等[12-17]设计了往复切割器式葡萄剪稍机，并对葡萄茎秆进行了切割试验，研究了葡萄枝条直径、刀片倾角和切割速度对葡萄枝条切割力的影响。张德学等[18]设计了3PJS-1型转刀式葡萄剪枝装置，理论分析了转刀式切割器切割葡萄枝条的转速范围。李常营等[19-22]利用自制圆盘锯式切割器，研究了普通圆盘锯片和仿生圆盘锯片的切割速度、玉米秸秆前进速度、切割倾角对玉米秸秆切割性能的影响。

圆盘刀切割器工作时高速转动、运转平稳、振动较小，相对于其它形式切割器不发生让刀现象，割茬修剪整齐，不产生不平衡的惯性力，切割能力较强[23-25]。本文借助自行研制的切割试验台，以圆盘刀切割器的转速、切割倾角和酿酒葡萄枝条前进速度等切割性能指标为研究对象，探索影响各性能指标的主要因素及规律，得到最优的切割参数指标，为圆盘切割式修剪机的研制提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取在新疆广泛种植的赤霞珠酿酒葡萄品种，取样地点位于石河子市第八师152团六连，取样时间为2016年6月10日，天气晴朗，取样地块面积大于6.7hm2。试样为2010年度种植的酿酒葡萄，树龄6年，酿酒葡萄种植模式为单臂篱架式。选取一致性较好的试验区域进行取样，试样要求枝条没有损伤，一次性随机取样100株。获取酿酒葡萄枝条试样后，为防止水分流失而影响酿酒葡萄枝条物料特性，2h以内完成酿酒葡萄枝条切割性能试验。

1.2 试验设备及仪器

1.2.1 切割试验台

切割试验台主要对枝条进行切割性能试验，并对切割性能试验的数据进行采集。切割试验台主要由导轨、小车、夹具、圆盘刀切割器、扭矩传感器、电机、机架、电源、变频器及计算机等组成，如图1所示。

试验过程中，将酿酒葡萄枝条固定于夹具上，夹具呈长条状，分3组平行布置，通过角度测量仪调节夹具的倾斜角度，实现切割倾角的调节；通过变频器控制电机转速，实现对圆盘刀切割器转速的调整，通过转速测量仪实现对圆盘刀切割器转速等数据的采集；通过变频器控制小车前进速度，实现对酿酒葡萄枝条前进速度的调整。

1.2.2 其它仪器

根据酿酒葡萄枝条切割性能试验要求，所需的其它主要设备及仪器有：①剪枝刀；②钢卷尺，长度为2m，精度为I级；③游标卡尺，可测长度为200mm，精度为0.05mm；④GAM220型角度测量仪，精度为±1°。

1.导轨 2.小车 3.夹具 4.圆盘刀切割器 5.转速测量仪 6.电机 7.机架 8.电源 9.变频器1 10.变频器2 11.计算机

2 试验指标及设计

2.1 试验指标

切割质量是用来衡量枝条切割性能试验的指标，依据切割试验台的工作原理，本试验以撕裂率和漏剪率为试验指标，在完成切割性能试验后的切割面上，对切割后的枝条撕裂个数、未被剪下的枝条个数和枝条总数统计，分别按式(1)和式(2)测定枝条撕裂率和漏剪率，测定结果取平均值。

1)撕裂率是指切割后酿酒葡萄枝条未被剪切撕裂状态下的百分数值。计算公式为

(1)

式中Rs—枝条撕裂率(%)；

S—撕裂枝条数(个)；

Z—枝条总数(个)。

2)漏剪率是指切割后酿酒葡萄枝条未被剪切漏剪状态下的百分数值。计算公式为

(2)

式中RL—枝条漏剪率(%)；

L—未剪下枝条数(个)。

2.2 试验设计

以酿酒葡萄枝条的末稍为基准，根据田间调研，酿酒葡萄枝条修剪部位通常距离末稍100～200mm。截取酿酒葡萄枝条长度为600 mm，调节圆盘刀高度，使酿酒葡萄枝条处于要求切割部位，将酿酒葡萄枝条放入夹具中，枝条与枝条之间间隔100mm，葡萄枝条在夹具上水平排列。刀盘转速、切割倾角和前进速度为自变量，采用二次正交旋转组合试验设计，共20个试验处理，试验重复3次取平均值。枝条夹具以圆盘刀刀盘主轴为中心对称分布，相邻两夹具中心距为280 mm，圆盘刀刀盘的直径为480 mm。

2.2.1 试验影响因素

修剪装置的前进速度是衡量修剪装置作业效率的重要指标。根据修剪装置的实际作业需求，选取酿酒葡萄枝条前进速度的3个水平值为1.5、2、2.5m/s。

修剪装置作业时，主要通过圆盘刀刀片的高速旋转将枝条切除。当刀盘转速过低时，刀片将酿酒葡萄枝条推出切割区域；当刀片转速过高时，刀片受到很大的离心力，容易造成刀片甩出或刀片破裂。因此，切割性能试验过程中需要对刀盘转速进行合理的调节。通过前期的预试验，选取刀盘转速的3个水平值为500、1 000 、1 500r/min。

圆盘刀刀片切割枝条在顺纹方向容易切割，当切割倾角过大时，容易造成刀片的变形。因此，试验过程中需要对切割倾角进行合理调节。通过前期的预试验，选取切割倾角的3个水平值为0°、12.5°、25°。

2.2.2 试验安排

按照响应曲面分析方法中的二次通用旋转组合试验设计(central composite design，CCD)的统计学要求合理安排试验，因素水平及编码如表1所示。对试验数据进行拟合求解，生成相应的回归方程，诊断预测值与实际值之间的拟合程度。根据二次通用旋转组合试验设计原理，分别建立枝条撕裂率与漏剪率的回归模型并检验模型的可靠度。利用F检验获得各因素对回归模型影响的主次关系，检验回归系数与回归方程的显著性。

3 结果与分析

3.1 试验结果

根据响应曲面方法合理安排试验并对试验结果进行计算，二次通用旋转组合试验结果如表2所示。

表1 试验因素水平及编码Table 1 Experiment factor levels and encoding

表2 试验方案及结果Table 2 The process and results of experiment

运用Design-expert.8.0.5b软件系统对表2中数据进行拟合，分别获得撕裂率与漏剪率编码后的回归模型为

R=1.21+0.32x1+1.32x2+1.27x3+0.025x1x2+

S=1.15+0.25x1-2.50x2-0.46x3-0.20x1x2-

式中x1—前进速度(m/s)；

x2—刀盘转速(r/min)；

x3—切割倾角(°)。

依据表2试验数据，利用Design-Expert.8.0.5b软件处理获得撕裂率与漏剪率的方差分析结果，如表3和表4所示。

由表3可知：刀盘转速x2和切割倾角x3对撕裂率影响显著，前进速度x1与刀盘转速x2的交互作用不显著，前进速度x1与切割倾角x3的交互作用不显著，刀盘转速x2与切割倾角x3的交互作用不显著。通过分析可知，影响枝条撕裂率的因素依次为刀盘转速x2、切割倾角x3和前进速度x1。

表3 撕裂率试验结果方差分析Table 3 Analysis of variance of tearing rate test results

p≤0.001为极显著，用**表示；p≤0.05为显著，用*表示。

表4 漏剪率试验结果方差分析Table 4 Analysis of variance of leakage shear rate test results

续表4

p≤0.001为极显著，用**表示；p≤0.05为显著，用*表示。

由表4可知：刀盘转速x2对漏剪率影响极显著，前进速度x1与刀盘转速x2的交互作用不显著，前进速度x1与切割倾角x3的交互作用不显著，刀盘转速x2与切割倾角x3的交互作用不显著。对试验结果分析可知，影响枝条漏剪率的因素依次为刀盘转速x2、切割倾角x3和前进速度x1。

3.2 各因素对性能指标的影响

3.2.1 各因素对撕裂率的影响

酿酒葡萄枝条切割性能指标受多种因素的影响，情况较为复杂，不同因素间存在一定的交互作用。本文将因素两两组合，研究其对撕裂率的影响趋势。撕裂率的相应曲面及相应的等高线图如图2所示。

由图2(a)可知：酿酒葡萄枝条撕裂率随刀盘转速的增加，先减小后增大；当前进速度增加时，枝条撕裂率变化平缓。由撕裂率变化趋势可知，两者交互作用不显著。由等高线图可知：当前进速度为1.50～1.70m/s、刀盘转速为750～1 000r/min时，撕裂率最小。

由图2(b)可知：酿酒葡萄枝条撕裂率随刀片倾角的增加，先减小后增大；当前进速度增加时，枝条撕裂率变化平缓。由撕裂率变化趋势可知，两者交互作用不显著。由等高线图可知：当前进速度为1.50～1.70m/s、刀片倾角为5～15°时，撕裂率最小。

由图2(c)可知：酿酒葡萄枝条撕裂率随刀盘转速的增加，先减小后增大；当刀片倾角增加时，撕裂率先减小后增大。由撕裂率变化趋势可知，两者交互作用不显著。由等高线图可知：当刀片倾角为5°～15°、刀盘转速为750～1 000r/min时，撕裂率最小。

图2 撕裂率的相应曲面及相应的等高线图Fig.2 Response surface and contour map of tear rate

3.2.2 各因素对漏剪率的影响

漏剪率的响应曲面及相应的等高线图如图3所示。

图3 漏剪率的响应曲面及相应的等高线图Fig.3 Response surface and contour map of leakage shear rate

由图3(a)可知：酿酒葡萄枝条漏剪率随刀盘转速的增加，先减小后增大；当前进速度增加时，枝条漏剪率变化平缓。由漏剪率变化趋势可知，两者交互作用不显著。由等高线图可知：当前进速度为1.70～2.10m/s、刀盘转速为1 500r/min左右时，漏剪率最小。

由图3(b)可知：酿酒葡萄枝条漏剪率随刀盘转速的增加，先减小后增大；当前进速度增加时，枝条漏剪率变化平缓。由漏剪率变化趋势可知，两者交互作用不显著。由等高线图可知：当刀盘转速为1 500r/min左右、刀片倾角为10～20°时，漏剪率最小。

由图3(c)可知：酿酒葡萄枝条漏剪率随刀盘转速的增加，先减小后增大；当前进速度增加时，枝条漏剪率先减小后增大。由漏剪率变化趋势可知，两者交互作用不显著。由等高线图可知：当前进速度为1.70～2.10m/s、刀片倾角为10°～20°时，漏剪率最小。

3.3 结果分析

运用Design-Expert 8.0.5b软件所提供的最优化(Optimization)功能，以撕裂率和漏剪率最小寻求所对应的影响因素最佳参数组合为：酿酒葡萄枝条前进速度1.63m/s、刀盘转速1 085.72r/min、切割倾角9.62°。此时，酿酒葡萄枝条撕裂率和漏剪率最小，分别为1.10%和0.85%，可靠度为0.99。

4 结论

1)采用二次通用旋转组合试验设计方法，对刀盘转速、切割倾角和前进速度对撕裂率和漏剪率的影响进行了分析，并建立了撕裂率、漏剪率与各影响因素的回归模型。

2)影响枝条撕裂率和漏剪率的因素主要有刀盘转速、切割倾角和前进速度。其中，刀盘转速和切割倾角对枝条撕裂率的影响较为显著，刀盘转速对枝条漏剪率的影响极其显著。

3)当酿酒葡萄枝条前进速度1.63m/s、刀盘转速1 085.72r/min、切割倾角9.62°时，酿酒葡萄枝条撕裂率为1.10%，漏剪率为0.85% ，圆盘刀切割器工作性能最好。

该试验对影响酿酒葡萄枝条修剪的多因素进行了分析，研究了各因素对撕裂率和漏剪率等参数的影响。由于本试验仅考虑了刀盘转速、切割倾角和前进速度的影响，对圆盘刀的材质、不同品种的葡萄枝条及含水率等因素未展开相应试验，因此在考虑上述因素的基础上对葡萄枝条切割技术应进一步探讨。