丁素明 薛新宇 孫竹 蔡晨 顧偉 崔龍飛

摘要：為改善枝條粉碎機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，提高粉碎生產(chǎn)率及切削合格率、降低生產(chǎn)能耗，在構(gòu)建切削裝置試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，以動(dòng)刀數(shù)量、動(dòng)刀楔角及刀盤轉(zhuǎn)速等工作參數(shù)為影響因素，以切削生產(chǎn)率、切削功耗及合格率為目標(biāo)函數(shù)，建立二者之間的多元數(shù)學(xué)回歸模型，探索各因素之間的影響規(guī)律及最佳水平組合。采用Box-Benhnken的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，進(jìn)行3因素3水平試驗(yàn)。同時(shí)利用Design-Expert 8.0.6軟件的回歸分析法和響應(yīng)面分析法，建立數(shù)學(xué)模型，分析各因素對(duì)切削作業(yè)效能的影響，并對(duì)各因素進(jìn)行優(yōu)化分析，得到切削裝置最優(yōu)工作參數(shù)。性能試驗(yàn)結(jié)果表明，切削生產(chǎn)率影響因素顯著順序依次為動(dòng)刀數(shù)量、刀盤轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀楔角;切削功耗影響因素順序依次為動(dòng)刀數(shù)量、動(dòng)刀楔角、刀盤轉(zhuǎn)速;切削合格率影響因素順序依次為刀盤轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀數(shù)量、動(dòng)刀楔角;綜合指標(biāo)影響因素順序依次為動(dòng)刀數(shù)量、刀盤轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀楔角;最優(yōu)參數(shù)組合為動(dòng)刀數(shù)量4把、刀片角度30°、刀盤轉(zhuǎn)速1 600 r/min，生產(chǎn)效率2.02 t/h，功耗3.85 kW·h/t，合格率96.5%。研究結(jié)果可為進(jìn)一步完善切削機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和作業(yè)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：梨樹;枝條粉碎機(jī);農(nóng)業(yè)機(jī)械;優(yōu)化;切削;數(shù)學(xué)模型

中圖分類號(hào)： S220.2;S226.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）15-0241-06

中國(guó)是水果生產(chǎn)大國(guó)，種植面積與產(chǎn)量均居世界第1位[1-3]。由于生產(chǎn)作業(yè)方式要求，每年冬季果樹須進(jìn)行整形修剪[4-5]，從而產(chǎn)生大量廢棄枝條。據(jù)中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒統(tǒng)計(jì)[6]，2013年中國(guó)果樹種植面積為1 237.1萬(wàn)hm2，修剪枝條約為 5 567萬(wàn)t[7]。中國(guó)果園種植規(guī)模小、數(shù)量多[8]，修剪后的枝條大多作為農(nóng)業(yè)廢棄物堆積在田間或直接焚燒，對(duì)環(huán)境造成極大污染[9-10]，針對(duì)這種現(xiàn)狀，果樹枝條的高效綜合利用技術(shù)已成為我國(guó)研究的重要課題。

當(dāng)前對(duì)枝條的有效處理方式主要是粉碎后作為有機(jī)肥還田、食用菌基質(zhì)或生物質(zhì)成型原料等[11-14]，木質(zhì)枝條粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)型式及工作方式?jīng)Q定了粉碎后的枝條利用性能，其技術(shù)關(guān)鍵是低成本高效的切削技術(shù)[15-16]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)枝條切削機(jī)的關(guān)鍵部件、結(jié)構(gòu)原理等方面作了大量研究[17-19]，推動(dòng)了果樹廢棄枝條處理技術(shù)的研究進(jìn)程。管寧進(jìn)行了不同枝條密度的變化對(duì)切削阻力的影響研究[20-21]。郭茜等設(shè)計(jì)了一種等滑切角鋸齒型刀片，研究藤莖類枝條切割過(guò)程中功率消耗[22]。汪建新等利用高速攝像機(jī)對(duì)粉碎過(guò)程中物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究[23]。沈培玉等通過(guò)流場(chǎng)數(shù)值模擬揭示了粉碎室內(nèi)部流場(chǎng)的壓力與速度分布[24]。Horman等研究了枝條特性對(duì)切削刀溫升的影響[25]。Hernandez等研究了刀片數(shù)量與枝條切削厚度之間的關(guān)系[26]。

從上述文獻(xiàn)分析可發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)關(guān)于枝條切削裝置工作參數(shù)的優(yōu)化研究尚未見報(bào)道，針對(duì)此種現(xiàn)狀，本試驗(yàn)以木質(zhì)枝條切削機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，以生產(chǎn)效率、切削功耗及切削厚度為控制目標(biāo)，尋求切削機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化組合，以期為進(jìn)一步提高枝條粉碎質(zhì)量提供理論依據(jù)與參考。

1 木質(zhì)枝條切削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

木質(zhì)枝條切削系統(tǒng)主要由喂料口、刀盤、動(dòng)刀、定刀、葉片、壓輥等部分構(gòu)成，工作參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

1.2 工作原理

木質(zhì)枝條切削系統(tǒng)是利用高速旋轉(zhuǎn)的刀片產(chǎn)生切削力，將枝條切斷并輸送至出料口。工作原理是刀盤前端傾斜安裝多把動(dòng)刀，使得動(dòng)刀與刀盤表面形成切削角，并在底板上安裝定刀，與動(dòng)刀構(gòu)成切削室，同時(shí)在刀盤后端安裝多組葉片，枝條從喂料口進(jìn)入，同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)刀沿枝條的徑向產(chǎn)生切削力[27]，將枝條切削為片狀，并通過(guò)動(dòng)刀與刀盤之間的間隙進(jìn)入刀盤后端，片狀枝條在葉片的撞擊及產(chǎn)生的高速氣流作用下輸送至出料口。

2 材料與方法

2.1 材料

試驗(yàn)材料選取江蘇省南京市高淳區(qū)2015年12月修剪的7年生梨樹枝條，枝條含水率為60%左右，平均直徑為 20 mm，梨樹品種為翠冠。試驗(yàn)時(shí)間為2015年12月，試驗(yàn)地點(diǎn)在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室。

2.2 儀器

本試驗(yàn)主要儀器包括TCS-300型電子臺(tái)秤，永康市杰力衡器有限公司;秒表、游標(biāo)卡尺、WT5002N電子天平（測(cè)試范圍0～500 g，精度0.01 g，常州萬(wàn)泰天平儀器有限公司）等。

2.3 目標(biāo)函數(shù)及試驗(yàn)因素的選擇

枝條切削后的粒度對(duì)于其后期用途有著重要影響，同時(shí)切削工作能耗及生產(chǎn)效率是考核切削機(jī)構(gòu)的重要性能指標(biāo)，因此選取粒度合格率、功耗及生產(chǎn)率為目標(biāo)函數(shù)[18]。

相關(guān)學(xué)者研究表明，刀盤轉(zhuǎn)速、動(dòng)刀楔角及動(dòng)刀數(shù)量等參數(shù)對(duì)切削機(jī)構(gòu)的工作性能影響顯著[28-29]，因此選取動(dòng)刀數(shù)量、動(dòng)刀楔角及刀盤轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素。

2.4 試驗(yàn)方案

為了更好地對(duì)切削機(jī)構(gòu)開展深入研究，本試驗(yàn)針對(duì)其作業(yè)特點(diǎn)與結(jié)構(gòu)，創(chuàng)制了切削機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)，主要包括切削裝置、160M1-2三相異步電機(jī)（上海捷速電機(jī)有限公司，功率 11 kW，最高轉(zhuǎn)速2 930 r/min）;STE96-E3Y功率表（額定輸入電流0～5 A，額定輸入電壓0～380 V）;E380變頻器（額定功率22 kW，輸出頻率0～400 Hz，頻率精度0.001 Hz，深圳市四方電氣技術(shù)有限公司）等。切割機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)見圖3。

以動(dòng)刀數(shù)量X1、動(dòng)刀楔角X2及刀盤轉(zhuǎn)速X3為影響因素，以生產(chǎn)率Y1、功率Y2及粒度合格率Y3為目標(biāo)函數(shù)，依據(jù)中心組合設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)3因素3水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)。試驗(yàn)因素與水平見表2。

試驗(yàn)時(shí)設(shè)定每次切削枝條質(zhì)量為50 kg，啟動(dòng)設(shè)備待刀盤轉(zhuǎn)速穩(wěn)定至工作狀態(tài)開始切削，讀取功率表初始數(shù)值，記錄工作時(shí)間，試驗(yàn)結(jié)束后，再次讀取功率表數(shù)值。同時(shí)從出料口隨機(jī)選取0.5 kg切削片，利用手工進(jìn)行測(cè)量篩選，選取尺寸 10 mm×3 mm（長(zhǎng)度×厚度）以下的切削片為合格切削[15]，稱量合格切削片質(zhì)量，重復(fù)3次，取均值。按公式（1）～公式（3）計(jì)算生產(chǎn)率、功耗及粒度合格率。

式中：Ec為生產(chǎn)率，t/h;Qc為工作時(shí)間內(nèi)切削量，kg;tc為切削工作時(shí)間，h;P為噸料功耗，kW·h/t;Gn為工作時(shí)間耗電量，kW·h;η為切削合格率，%;m1為切削后隨機(jī)選取一定數(shù)量的切削片質(zhì)量，kg;m2為合格切削片質(zhì)量，kg。

2.5 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8.0.6軟件（Stat-Ease Inc.，USA）進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸分析，采取響應(yīng)面分析法對(duì)各因素相關(guān)性和交互效應(yīng)的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)3因素3水平分析試驗(yàn)，共計(jì)17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，其中包括5個(gè)零點(diǎn)估計(jì)誤差，重復(fù)3次。試驗(yàn)方案與結(jié)果見表3。

3.2 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

針對(duì)表2中的樣本數(shù)據(jù)，利用Design-Expert8.0.6軟件開展多元回歸擬合分析，建立粒度合格率Y1、功率Y2、生產(chǎn)率Y3對(duì)刀盤轉(zhuǎn)速X1、動(dòng)刀楔角X2及動(dòng)刀數(shù)量X3等3個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，如公式（4）～公式（6）所示，并對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析[30-31]，結(jié)果見表4。

式中：X1為動(dòng)刀數(shù)量;X2為動(dòng)刀楔角，°;X3為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min;Y1為生產(chǎn)率，t/h;Y2為功耗，kW·h/t;Y3為合格率，%。

通過(guò)分析表4結(jié)果可知，切削生產(chǎn)率Y1、切削功耗Y2、切削合格率Y3的響應(yīng)面模型的P值分別為<0.000 1、<0.000 1、0000 5（均小于0.01），表明3個(gè)模型顯著性極好;其失擬項(xiàng)的P值分別為0.116 8、0.308 0、0.356 9（均大于0.05），表明3個(gè)模型在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，擬合程度較高;其確定系數(shù)R2值分別為0.987 7、0.983 6、0.957 7，表明95%以上的響應(yīng)值均可以由這3個(gè)模型解釋。可見，該模型可以預(yù)測(cè)與分析切削裝置的工作參數(shù)。

同時(shí)切削生產(chǎn)率Y1響應(yīng)面模型中的X1、X3、X12對(duì)模型影響極顯著; 切削功耗Y2響應(yīng)面模型中的X1、X2、X3、X12對(duì)模型影響極顯著，X1X2對(duì)模型影響顯著;切削合格率Y3響應(yīng)面模型中的X1、X3模型影響極顯著，X2、X32對(duì)模型影響顯著。模型Y1、Y2、Y3各交互項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)影響基本不顯著，在保證模型P<0.01、失擬項(xiàng)P>0.05的基礎(chǔ)上，剔除對(duì)模型影響不顯著的其他回歸項(xiàng)，對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，如公式（7）～公式（9）所示。

3.3 單因素對(duì)性能影響效應(yīng)分析

各單因素對(duì)模型Y的重要性可通過(guò)貢獻(xiàn)率K值進(jìn)行比較[31]，貢獻(xiàn)率K值計(jì)算如公式（10）～公式（11）所示，各因素對(duì)切削生產(chǎn)率Y1貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)閯?dòng)刀數(shù)量X1>刀盤轉(zhuǎn)速X3>動(dòng)刀楔角X2;各因素對(duì)切削功耗Y2貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)閯?dòng)刀數(shù)量X1>動(dòng)刀楔角X2>刀盤轉(zhuǎn)速X3;各因素對(duì)切削合格率Y3貢獻(xiàn)率大小順序?yàn)榈侗P轉(zhuǎn)速X3>動(dòng)刀數(shù)量X1>動(dòng)刀楔角X2，分析結(jié)果見表5。

式中：F值為回歸方程中各回歸項(xiàng)的F值;δ值為回歸項(xiàng)對(duì)F值的考核值;K值為各回歸項(xiàng)貢獻(xiàn)率值。

3.4 交互因素對(duì)性能影響規(guī)律分析

通過(guò)表3試驗(yàn)結(jié)果，分析試驗(yàn)因素對(duì)切削生產(chǎn)率、功耗及合格率的交互影響作用，并繪制響應(yīng)面圖。

3.4.1 交互因素對(duì)生產(chǎn)率的影響規(guī)律分析 交互因素對(duì)生產(chǎn)率響應(yīng)面曲線見圖4。圖4-a為刀盤轉(zhuǎn)速X3位于中心水平（1 450 r/min）時(shí)，動(dòng)刀數(shù)量X1與動(dòng)刀楔角X2交互影響作用下對(duì)切削生產(chǎn)率Y1的響應(yīng)面圖，從圖4-a可以看出，增加動(dòng)刀數(shù)量X1可以提高生產(chǎn)率，而動(dòng)刀楔角X2對(duì)生產(chǎn)率的影響較小;圖4-b為動(dòng)刀楔角X2位于中心水平（35°）時(shí)，動(dòng)刀數(shù)量X1與刀盤轉(zhuǎn)速X3交互影響作用下對(duì)切削生產(chǎn)率Y1的響應(yīng)面圖，從圖4-b可以看出，增加動(dòng)刀數(shù)量X1與刀盤轉(zhuǎn)速X3均可提高生產(chǎn)率;圖4-c為動(dòng)刀數(shù)量X1位于中心水平（3把）時(shí)，動(dòng)刀楔角X2與刀盤轉(zhuǎn)速X3交互影響作用下對(duì)切削生產(chǎn)率Y1的響應(yīng)面圖，從圖4-c可以看出，增加刀盤轉(zhuǎn)速X3可以提高生產(chǎn)率，而動(dòng)刀楔角X2對(duì)生產(chǎn)率的影響較小。

從圖4可以看出，響應(yīng)面變化規(guī)律與表3計(jì)算結(jié)果及回歸方程（7）相吻合，總體影響趨勢(shì)為動(dòng)刀數(shù)量越多、刀盤轉(zhuǎn)速越高，則生產(chǎn)率越大，反之則生產(chǎn)率越小，而動(dòng)刀楔角對(duì)其影響不明顯。其主要原因?yàn)楫?dāng)動(dòng)刀數(shù)量增加時(shí)，枝條與動(dòng)刀的切割概率加大，導(dǎo)致生產(chǎn)率變大;同樣當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速變高時(shí)，也使得枝條與動(dòng)刀的切割概率加大，導(dǎo)致生產(chǎn)率變大;而動(dòng)刀楔角的變化，只能影響切割力的大小。

3.4.2 交互因素對(duì)功耗的影響規(guī)律分析 交互因素對(duì)切割功耗響應(yīng)面曲線見圖5。圖5-a為刀盤轉(zhuǎn)速X3位于中心水平（1 450 r/min）時(shí)，動(dòng)刀數(shù)量X1與動(dòng)刀楔角X2交互影響作用下對(duì)功耗Y2的響應(yīng)面圖。從圖5-a可以看出，在相同動(dòng)刀楔角下，隨著動(dòng)刀數(shù)量X1的增加功耗先降低而后緩慢增加;圖5-b為動(dòng)刀楔角X2位于中心水平（35°）時(shí)，動(dòng)刀數(shù)量X1與刀盤轉(zhuǎn)速X3交互影響作用下對(duì)功耗Y2的響應(yīng)面圖，從圖5-b可以看出，在相同刀盤轉(zhuǎn)速下，隨著動(dòng)刀數(shù)量X1的增加，功耗先降低而后緩慢增加;圖5-c為動(dòng)刀數(shù)量X1位于中心水平（3把）時(shí)，動(dòng)刀楔角X2與刀盤轉(zhuǎn)速X3交互影響作用下對(duì)功耗Y2的響應(yīng)面圖，從圖5-c可以看出，提高刀盤轉(zhuǎn)速X3及減小動(dòng)刀楔角X2有助于降低功耗。

從圖5可以看出，響應(yīng)面變化規(guī)律與表3計(jì)算結(jié)果及回歸方程（8）相吻合，總體影響趨勢(shì)為動(dòng)刀楔角越小、刀盤轉(zhuǎn)速越高，則功耗越低，同時(shí)功耗隨著動(dòng)刀數(shù)量的增加先降低而后緩慢增加。其主要原因?yàn)楫?dāng)動(dòng)刀楔角減小，切割阻力降低[32]，從而功耗降低;當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速提高，雖然單位時(shí)間內(nèi)切割阻力升高，使得功率上升，但由于其生產(chǎn)率提高的幅度較快，從而使得功耗降低;當(dāng)動(dòng)刀數(shù)量增加時(shí)，其生產(chǎn)率增加，同時(shí)單位時(shí)間內(nèi)切割阻力（功率）也在上升，由于二者上升的幅度不一，從而導(dǎo)致功耗先降低而后緩慢增加。

3.4.3 交互因素對(duì)合格率的影響規(guī)律分析 交互因素對(duì)合格率響應(yīng)面曲線如圖6所示。圖6-a為刀盤轉(zhuǎn)速X3位于中心水平（1 450 r/min）時(shí)，動(dòng)刀數(shù)量X1與動(dòng)刀楔角X2交互影響作用下對(duì)合格率Y3的響應(yīng)面，從圖6-a可以看出，減小動(dòng)刀楔角X2及增加動(dòng)刀數(shù)量X1有助于提高合格率;圖6-b為動(dòng)刀楔角X2位于中心水平（35°）時(shí)，動(dòng)刀數(shù)量X1與刀盤轉(zhuǎn)速X3交互影響作用下對(duì)合格率Y3的響應(yīng)面圖，從圖6-b可以看出，加大刀盤轉(zhuǎn)速X3及增加動(dòng)刀數(shù)量X1有助于提高合格率;圖6-c為動(dòng)刀數(shù)量X1位于中心水平（3把）時(shí)，動(dòng)刀楔角X2與刀盤轉(zhuǎn)速X3交互影響作用下對(duì)合格率Y3的響應(yīng)面圖，從圖6-c可以看出，加大刀盤轉(zhuǎn)速X3及減小動(dòng)刀楔角X2有助于提高合格率。

從圖6可以看出，響應(yīng)面變化規(guī)律與表3計(jì)算結(jié)果及回歸方程（9）相吻合，總體影響趨勢(shì)為動(dòng)刀數(shù)量越多、動(dòng)刀楔角越小、刀盤轉(zhuǎn)速越高，則合格率越高，反之則合格率越低。其主要原因?yàn)楫?dāng)動(dòng)刀數(shù)量增加及刀盤轉(zhuǎn)速提高時(shí)，相鄰2把動(dòng)刀接觸枝條時(shí)間間隔變短，枝條還沒有接觸到刀盤表面就已經(jīng)被下一把動(dòng)刀切斷，導(dǎo)致合格率變高;當(dāng)動(dòng)刀楔角變小時(shí)，切割阻力變小，枝條更易切削，導(dǎo)致合格率變高。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)切削生產(chǎn)率、功耗及合格率響應(yīng)面分析目標(biāo)參數(shù)可知，要達(dá)到較大的切削生產(chǎn)率，就必須要求動(dòng)刀數(shù)量多、刀盤轉(zhuǎn)速高;要達(dá)到較低的功耗，就必須要求動(dòng)刀楔角小、刀盤轉(zhuǎn)速高，同時(shí)動(dòng)刀數(shù)量應(yīng)適中;要達(dá)到較高的合格率，就必須要求動(dòng)刀數(shù)量多、動(dòng)刀楔角小、刀盤轉(zhuǎn)速高。由于該試驗(yàn)屬于多指標(biāo)試驗(yàn)，且各因素對(duì)多指標(biāo)的影響效應(yīng)各不相同，故選用綜合加權(quán)評(píng)分法進(jìn)行優(yōu)化分析，使得3個(gè)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)參數(shù)組合[30-31]。

對(duì)于切削生產(chǎn)率與合格率而言，其指標(biāo)值變化趨勢(shì)應(yīng)越大越好，而功耗其指標(biāo)值變化趨勢(shì)應(yīng)越小越好，為了保證各指標(biāo)變化趨勢(shì)一致，應(yīng)將各指標(biāo)進(jìn)行歸一化，計(jì)算如公式（12）所示。

式中：S1n為切削生產(chǎn)率指標(biāo)第n號(hào)試驗(yàn)評(píng)分值;S1n*為統(tǒng)一趨勢(shì)后切削生產(chǎn)率指標(biāo)第n號(hào)試驗(yàn)評(píng)分值;S2n為功耗指標(biāo)第n號(hào)試驗(yàn)評(píng)分值;S2n*為統(tǒng)一趨勢(shì)后功耗指標(biāo)第n號(hào)試驗(yàn)評(píng)分值;S3n為合格率指標(biāo)第n號(hào)試驗(yàn)評(píng)分值;S3n*為統(tǒng)一趨勢(shì)后合格率指標(biāo)第n號(hào)試驗(yàn)評(píng)分值。

同時(shí)為消除3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱和數(shù)量級(jí)不同的影響，將切削生產(chǎn)率、功耗及合格率轉(zhuǎn)換為指標(biāo)隸屬度值，其計(jì)算如公式（13）所示。

式中：Vmn為第m個(gè)指標(biāo)第n號(hào)試驗(yàn)隸屬度值;Smmax*為第m個(gè)指標(biāo)統(tǒng)一趨勢(shì)后最大評(píng)分值;Smmin*為第m個(gè)指標(biāo)統(tǒng)一趨勢(shì)后最小評(píng)分值。

根據(jù)3項(xiàng)指標(biāo)的重要性，設(shè)定切削生產(chǎn)率、功耗及合格率的權(quán)重W1、W2、W3分別為0.25、0.25、0.50;并將各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度值乘積相加為綜合加權(quán)評(píng)分值Un，其計(jì)算如公式（14）所示，綜合加權(quán)評(píng)分值、方差分析及極差分析見表6、表7、表8。

從表7可以看出，動(dòng)刀數(shù)量與刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)枝條切削綜合指標(biāo)影響極顯著，動(dòng)刀楔角對(duì)枝條切削綜合指標(biāo)影響顯著。從表8可以看出，影響枝條切削綜合指標(biāo)的主次因素為動(dòng)刀數(shù)量>刀盤轉(zhuǎn)速>動(dòng)刀楔角，最優(yōu)參數(shù)組合為X1（+1）X2（-1）X3（+1），即動(dòng)刀數(shù)量為4把，動(dòng)刀楔角為30°，刀盤轉(zhuǎn)速為 1 600 r/min。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

由于響應(yīng)面試驗(yàn)并未包含上述優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)，為了驗(yàn)證優(yōu)化模型及結(jié)果的可靠性，采用以上優(yōu)化參數(shù)在切削機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)考核，并重復(fù)3次，取均值為驗(yàn)證值，試驗(yàn)結(jié)果分別為生產(chǎn)效率2.02 t/h，功耗3.85 kW·h/t，合格率 96.5%，優(yōu)選后的枝條粉碎機(jī)切削效果綜合性能明顯提高。

5 結(jié)論與討論

基于枝條切削機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了動(dòng)刀數(shù)量、動(dòng)刀楔角、刀盤轉(zhuǎn)速3個(gè)參數(shù)對(duì)切削生產(chǎn)率、切削功耗及合格率效能影響試驗(yàn);通過(guò)建立數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，影響枝條切削綜合指標(biāo)的主次因素為動(dòng)刀數(shù)量>刀盤轉(zhuǎn)速>動(dòng)刀楔角。

枝條切削機(jī)構(gòu)各因素對(duì)切削生產(chǎn)率重要性影響順序?yàn)閯?dòng)刀數(shù)量>刀盤轉(zhuǎn)速>動(dòng)刀楔角;各因素對(duì)切削功耗重要性影響順序?yàn)閯?dòng)刀數(shù)量>動(dòng)刀楔角>刀盤轉(zhuǎn)速;各因素對(duì)切削合格率重要性影響順序?yàn)榈侗P轉(zhuǎn)速>動(dòng)刀數(shù)量>動(dòng)刀楔角。

枝條切削機(jī)最優(yōu)工作參數(shù)組合為動(dòng)刀數(shù)量4把，刀片角度30°，刀盤轉(zhuǎn)速1 600 r/min，性能試驗(yàn)結(jié)果為生產(chǎn)效率 2.02 t/h，功耗3.85 kW·h/t，合格率96.5%。

本研究通過(guò)構(gòu)建枝條切削機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺(tái)，研究動(dòng)刀數(shù)量、動(dòng)刀楔角、刀盤轉(zhuǎn)速等作業(yè)參數(shù)對(duì)切削生產(chǎn)率、切削功耗及合格率的影響。由于本試驗(yàn)并未考慮不同品種、不同含水率的枝條特性對(duì)切削性能的作用，且未考慮長(zhǎng)時(shí)間切削對(duì)刀片鋒利程度的影響，因此在今后的研究中，在考慮上述因素的基礎(chǔ)上，對(duì)枝條切削性能應(yīng)進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]張復(fù)宏. 中國(guó)水果出口的貿(mào)易演進(jìn)及優(yōu)化策略研究[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

[2]丁素明，傅錫敏，薛新宇，等. 低矮果園自走式風(fēng)送噴霧機(jī)研制與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（15）：18-25.

[3]陳學(xué)森，韓明玉，蘇桂林，等. 當(dāng)今世界蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)及我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)高效發(fā)展意見[J]. 果樹學(xué)報(bào)，2010，27（4）：598-604.

[4]依米提·肉孜. 新疆林果業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)推廣研究[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，34（5）：24-28.

[5]洪添勝，楊 洲，宋淑然，等. 柑橘生產(chǎn)機(jī)械化研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（12）：105-110.

[6]中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒編輯委員會(huì). 中國(guó)農(nóng)業(yè)年鑒[J]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2014.

[7]劉洪杰，劉俊峰，李建平. 果園修剪樹枝綜合利用技術(shù)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，34（2）：218-221.

[8]劉大為，謝方平，李 旭，等. 小型果園升降作業(yè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（3）：113-121.

[9]夏 雄，張衍林，劉 杰，等. 小型樹枝粉碎機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，34（1）：142-147.

[10]史龍翔，谷 潔，潘洪加，等. 復(fù)合菌劑提高果樹枝條堆肥過(guò)程中酶活性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（5）：244-251.

[11]陳樹人，蔣成寵，姚 勇，等. 水稻秸稈壓塊熱值模型構(gòu)建及其影響因子相關(guān)性分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（24）：200-208.

[12]張永亮，趙立欣，姚宗路，等. 生物質(zhì)固體成型燃料燃燒顆粒物的數(shù)量和質(zhì)量分布特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（19）：185-192.

[13]許修宏，劉顏平，王 博. 堆肥隧道式后發(fā)酵技術(shù)及效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（11）：297-300.

[14]He X，Xi B，Wei Z，et al. Spectroscopic characterization of water extractable organic matter during composting of municipal solid waste[J]. Chemosphere，2011，82（4）：541-548.

[15]姚宗路，田宜水，孟海波，等. 木質(zhì)類生物質(zhì)粉碎機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（增刊1）：267-271.

[16]劉 爽，房 欣，張 穎，等. 用于地膜原料的大豆秸稈粉碎預(yù)處理工藝參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（2）：333-338.

[17]晏科滿，鄒舒暢，唐令波，等. 苧麻莖稈沖擊斷裂韌性試驗(yàn)與分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（21）：308-315.

[18]田海清，屈豐富，劉偉峰，等. 錘片式粉碎機(jī)分段圓弧篩片設(shè)計(jì)與粉碎性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（4）：92-95.

[19]劉 寶，宗 力，張東興. 錘片式粉碎機(jī)空載運(yùn)行中錘片的受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（7）：123-128.

[20]管 寧. 11種針葉樹木材密度與切削阻力關(guān)系的研究[J]. 林業(yè)科學(xué)，1991，27（6）：630-638.

[21]管 寧. 不同樹種木材切削阻力變動(dòng)模型[J]. 林業(yè)科學(xué)，1994，30（5）：451-457.

[22]郭 茜，張西良，徐云峰，等. 藤莖類秸稈專用切割刀片的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（24）：47-53.

[23]汪建新，張廣義，曹麗英. 新型錘片式飼料粉碎機(jī)分離流道內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)規(guī)律[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（9）：18-23.

[24]沈培玉，趙 浩，張?jiān)Ｖ? 農(nóng)產(chǎn)品物料高速切割粉碎流場(chǎng)數(shù)值模擬與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（9）：60-65.

[25]Horman I，Busuladi c′ I，Azemovi c′ E. Temperature influence on wear characteristics and blunting of the tool in continuous wood cutting process[J]. Procedia Engineering，2014，69：133-140.

[26]Hernandez R E，Boulander J， Hernandez，R E. Effect of the rotation speed on the size distribution of black spruce pulp chips produced by a chipper-canter[J]. Forest Products Journal，1995，47（4）：43-49.

[27]成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[28]中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1971.

[29]Odogherty M J，Gale G E. Laboratory studies of the effect of blade parameters and stem configuration on the dynamics of cutting grass[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，1991，49（2）：99-111.

[30]徐向宏，何明珠. 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與Design-Expert、SPSS應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[31]明道緒. 高級(jí)生物統(tǒng)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2006.

[32]丁素明，薛新宇，蔡 晨，等. 梨樹枝條切割裝置刀片參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（增刊2）：75-82.吳 濤，李里亞. 溫室全方位智能調(diào)溫系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（15）：247-251.