張祥輝，孫群，趙棟杰，許亞輝

(聊城大學機械與汽車工程學院,山東聊城,252000)

0 引言

我國是葡萄種植大國,葡萄種植面積居世界第二[1-2]。嫁接栽培有助于提高植株抗性和環(huán)境適應力、促進優(yōu)良植株繁育,是目前葡萄育苗的主要方法。機械嫁接采用自動嫁接機完成苗木嫁接過程,相比于傳統(tǒng)的手工嫁接,具有嫁接效率高、工人勞動強度小、嫁接質量易保證、易滿足育苗的工廠化生產需要等優(yōu)勢[3-4],是未來我國葡萄種植產業(yè)快速、健康發(fā)展的必然選擇。

嫁接苗切削是苗木嫁接作業(yè)的關鍵環(huán)節(jié),切削裝置是自動嫁接機的重要部件,其性能對嫁接成功率、嫁接苗的成活率等均有重要影響[5]。切削力學特性的研究可為切削裝置的合理設計提供設計依據(jù)及必要參數(shù)。近些年來,國內外相關領域的專家學者相繼對常見蔬菜、苗木的切削力學特性進行了研究。徐麗明等[6]以南瓜籽為研究對象,分析了蔬菜嫁接苗的切削半徑,對旋轉切削機構改進;李明等[7]以毛桃苗為研究對象,研究了苗木的抗壓傷極限載荷;羅軍等[8]以葡萄苗莖稈為研究對象,研究了影響切削扭矩的因素;楊春梅等[9]使用SolidWorks建模,研究了灌木切削機構在工作過程中的切削參數(shù);韓會敏等[10]以葡萄枝為試驗對象,對葡萄枝力學特性進行了分析。

迄今為止,國內外學者對葡萄苗木切削力學特性的研究仍較少。本文將通過試驗研究葡萄砧木切削阻力、切面質量隨切削參數(shù)的變化規(guī)律,為其切削裝置的設計提供參考依據(jù)。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗對象

如圖1所示選用SO4型葡萄砧木作為試驗對象。該型砧木具有耐鹽堿、抗寒、扦插易生根等特點,且與多數(shù)葡萄穗木品種具有較好的親和性[11-14]。試驗用砧木的粗度分布于7～10.5 mm之間,其中,粗度7～8 mm 的約占15%,8～9 mm的約占65%,9～10.5 mm 的約占20%。

圖1 SO4型砧木

目前,葡萄苗木機械嫁接常采用Ω接法,如圖2所示,該接法是一種枝接嫁接方法,具有接觸面積大、連接緊密等優(yōu)點。

圖2 Ω接法

1.2 試驗儀器

1.2.1 切削試驗儀器

合理的切削參數(shù)與嫁接方式、嫁接苗種類、枝條特性等因素有關。研究切削過程中嫁接刀的位移、速度、切削力等參數(shù),為嫁接機切削裝置的合理設計提供設計依據(jù)。因此有必要研制此試驗儀器進行切削參數(shù)測量。

該切削參數(shù)測量裝置應能實現(xiàn)在不同切削速度下對不同粗度的砧木進行切削;應能實現(xiàn)對切削速度以及切削力控制與測量;應能實現(xiàn)對各模塊的支撐和連接固定。

通過半自動嫁接機相關試驗和數(shù)據(jù)調研,確定了主要技術指標,如表1所示。

表1 主要技術指標Tab. 1 Main technical indicators

切削參數(shù)測量裝置結構示意圖如圖3所示。

圖3 切削參數(shù)測量裝置結構示意圖

1) 切削模塊:切削模塊用于砧木的切削,由伺服電機、浮動接頭、移動座、嫁接刀片、上支板、導向桿和砧木座組成;嫁接刀片采用市場上常見的Ω型嫁接刀。浮動接頭與移動座螺栓連接,嫁接刀片通過嫁接刀片固定件固定于移動座上,砧木座與嫁接刀片上下相對,導向桿貫穿于移動座中,導向桿上端與上支板固定連接。

2) 測控模塊:測控模塊為切削模塊提供動力、并測量切削參數(shù),由驅動器、電機連接件、壓力傳感器及測控軟件等組成;稱重壓力傳感器下端通過電機連接件與電機剛性連接,上端通過連接桿與浮動接頭螺栓連接,通過伺服電機帶動壓力傳感器與切削機構對砧木進行切削,壓力傳感器所測量的值就是切削砧木的切削力。測量軟件采用Visual C#編制,可控制伺服電機使嫁接刀片按設定速度運動,并可實時測算、記錄嫁接刀片的切削阻力、位移及速度。

3) 支架模塊:由鋁型材拼裝而成,用于連接、固定各部件,置于在特制試驗臺上。

切削參數(shù)測量裝置樣機功能參數(shù)如表2所示。

表2 樣機功能參數(shù)Tab. 2 Functional parameters of prototype

該儀器進行切削試驗時,先用游標卡尺測量砧木粗度,后將砧木放置于砧木座,控制伺服電機帶動嫁接刀片向下運動切削砧木。試驗過程中位移、速度、切削阻力等數(shù)據(jù)可實時記錄(測控軟件的“記錄軌跡”功能,如圖4所示,并用于后期分析;切削阻力也可通過壓力傳感器的數(shù)顯表實時讀取。

圖4 測控軟件界面

1.2.2 切片試驗儀器

為研究切削速度對切面質量的影響,使用19JC型萬能工具顯微鏡觀察砧木切面的顯微組織,該設備功能全、精度高,試驗表明,采用該設備的5X目鏡和5X物鏡,可清晰觀察砧木切面組織形態(tài)。

1.3 試驗方法

切削速度、切削功、切削力是設計切削裝置的重要參數(shù),為確定其合理取值,通過試驗研究切面質量隨切削速度的變化規(guī)律,最大切削阻力隨切削速度、砧木粗度的變化規(guī)律以及切削速度對切削功的影響規(guī)律。

1) 切削速度對切面質量的影響規(guī)律。不同切削速度會對砧木切面形成不同影響,研究切削速度對切面質量的影響規(guī)律可為切削裝置切削速度的選取提供參考依據(jù)。

采用多種切削速度對砧木進行橫向切削,并利用萬能工具顯微鏡觀察砧木切面組織的受損情況。為保證嫁接苗的成活,選取的切削速度應避免對切面組織造成較大傷害。

2) 最大切削阻力隨切削速度的變化規(guī)律。切削裝置需要提供的切削速度(切削裝置動力源的選型依據(jù))應依據(jù)切削不同粗度砧木時的最大切削阻力最小值而定,所以研究切削速度對最大切削力的變化規(guī)律為切削裝置切削速度的選取及其動力源的選型提供必要依據(jù)。

選取多種不同粗度的三組砧木為試驗對象,以不同切削速度進行切削,測試各種情況下的最大切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。

3) 切削功隨切削速度變化規(guī)律。葡萄砧木切面從外到內依次為木栓層、韌皮部以及中間髓層,各層組織特點不同,對嫁接刀切削阻力的影響也不同。切削時,各層所占比例會隨切削深度的變化而變化。研究切削阻力隨切削深度的變化規(guī)律,有助于判斷切削功(切削裝置動力源的選型依據(jù))最佳取值范圍,避免能量浪費。

選取不同粗度的三組砧木為試驗對象,測試三組粗度下不同切削深度時的切削阻力。采用上述方法,可獲得三組砧木在不同切削速度下,切削阻力與切削深度的關系曲線。通過切削阻力與切削深度關系曲線可計算出切削功大小,以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。

4) 最大切削阻力隨砧木粗度的變化規(guī)律。切削裝置需提供的切削力(切削裝置動力源的選型依據(jù))應依切削過程中的最大切削阻力而定,而砧木粗度對最大切削阻力有直接影響,研究最大切削阻力砧木粗度的變化規(guī)律可為切削裝置切削速度的選取及其動力源的選型提供必要依據(jù)。

選取多種不同粗度的五組砧木作為研究對象,以不同切削速度進行切削,測試各種情況下的最大切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。

2 結果與分析

2.1 切削速度對切面質量的影響

選取粗度8.4～8.6 mm(均值8.5 mm)的多株砧木為試驗對象,控制切削參數(shù)測量裝置分別以1 mm/s、2 mm/s、4 mm/s、8 mm/s的切削速度進行切削,為便于觀察切面組織,采用橫向切削方式,即利用嫁接刀片的一側對砧木進行切割。

使用萬能工具顯微鏡觀察到的砧木切面組織,如圖5所示。由圖5可知,切削速度為1 mm/s時,砧木切面出現(xiàn)裂痕,木栓層、韌皮部組織受損較嚴重,木質層部分導管出現(xiàn)破損。切削速度為2 mm/s時,砧木切面木栓層出現(xiàn)細微裂痕,但木栓層導管未發(fā)現(xiàn)明顯破損。切削速度為4 mm/s和8 mm/s時,砧木切面未發(fā)現(xiàn)裂痕,木栓層、韌皮部組織未發(fā)現(xiàn)破損。

(a) 1 mm/s

(b) 2 mm/s

(c) 4 mm/s

(d) 8 mm/s

可見,嫁接速度越快,葡萄砧木切面組織受到的損傷越小,一般情況下,當切削速度≥4 mm/s時,即可獲得較理想的切面質量。

2.2 最大切削阻力隨切削速度的變化規(guī)律

選取粗度為7.5～7.9 mm(均值7.7 mm)、8.3～8.7 mm(均值8.5 mm)和9.8～10.2 mm(均值10 mm)的3組砧木為試驗對象,控制切削參數(shù)測量裝置分別以4 mm/s、6 mm/s、8 mm/s、10 mm/s、20 mm/s、30 mm/s的切削速度進行切削,測試各種情況下的最大切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。

三組砧木的最大切削力隨切削速度變化關系如圖6所示。隨切削速度增加,最大切削阻力先減小、后增大、最后趨于平穩(wěn)。

圖6 切削速度對最大切削阻力的影響

對圖6中切削速度4～30 mm/s間的數(shù)據(jù)點進行曲線擬合,擬合公式如式(1)所示。

(1)

式中:F——最大切削阻力;

v——切削速度。

根據(jù)2.1節(jié)所得切削速度≥4 mm/s時才能保證切面質量。所以本節(jié)只研究切削速度≥4 mm/s時情況,由式(1)可得,最大切削阻力可表示為切削速度的二次多項式;當切削速度控制在4～10 mm/s之間,最大切削阻力較小。

2.3 切削速度隨切削功的變化規(guī)律

三種切削速度下,切削深度在0.5～8.5 mm時的切削阻力變化情況如圖7所示。三種切削速度下,切削阻力隨切削深度的變化規(guī)律大致相同;隨切削深度的增加,切削阻力總體呈增大趨勢,但并非單調增大;其變化過程大致可分為切削阻力增大、切削阻力略有減小、切削阻力進一步增大和切削阻力再次減小四段。

圖7 切削阻力隨切削深度的變化規(guī)律

選取粗度為7.5～7.9 mm(均值7.7 mm)、8.3～8.7 mm(均值8.5 mm)和9.8～10.2 mm(均值10 mm)的三組砧木為試驗對象,測試三組粗度下不同切削深度時的切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。采用上述方法,可獲得三組砧木在不同切削速度v,切削阻力F與切削深度h的關系曲線F(h)。設切削速度v在切削過程中保持不變,則依據(jù)關系t=h/v,F(h)可轉換為切削阻力F與切削時間t的關系曲線F(t)。

因此,嫁接刀在切削過程所做的功

(2)

式中:t0——切削耗時,t0=D/v;

D——砧木粗度。

利用式(2),可獲得三組砧木在不同切削速度下的切削功,通過Matlab擬合曲線,得到切削功隨切削速度變化關系,如圖8所示?？梢?三組砧木的切削功隨切削速度的變化呈現(xiàn)相似規(guī)律,隨切削速度的增加,切削功先快速增大,而后趨于平緩。

通過2.2節(jié)所得合理切削速度范圍在4～10 mm/s之間,本節(jié)只研究切削速度在此范圍中的切削功。由圖8可得,砧木粗度為7 mm時,最大切削功為 1.7 J 左右;砧木粗度為8.5 mm時,最大切削功為3.18 J左右;砧木粗度為10 mm時,最大切削功為5.05 J左右。綜上所述,在最佳切削速度范圍中的最大切削功在5.05 J左右。

(a) 7 mm砧木

(b) 8.5 mm砧木

(c) 10 mm砧木

2.4 砧木粗度對最大切削阻力的影響

選取粗度為7.5～7.9 mm(均值7.7 mm)、8.2～8.4 mm(均值8.3 mm)、8.4～8.6 mm(均值8.5 mm)、8.8～9.2 mm(均值9 mm)和9.8～10.2 mm(均值10 mm)的五組砧木為試驗對象,控制切削參數(shù)測量裝置分別以4 mm/s、6 mm/s、10 mm/s、15 mm/s的四種切削速度進行切削,測試各種情況下的最大切削阻力。以相同情況下多次測試結果的平均值作為最終測試結果。四種切削速度下,砧木最大切削力隨砧木粗度的變化關系如圖9所示。

圖9 砧木粗度對最大切削阻力的影響

由圖9可見,當切削速度在4～15 mm/s之間時,最大切削阻力隨砧木粗度的增加逐漸增大;當切削速度為20 mm/s時,砧木粗度的增加對最大切削阻力的影響不明顯。

對圖9中切削速度為4 mm/s、6 mm/s、10 mm/s的數(shù)據(jù)點進行曲線擬合,擬合公式為

(3)

由式(3)可得,當切削速度在4～10 mm/s之間時,最大切削阻力與砧木粗度呈線性關系。

通過2.2節(jié)所得合理切削速度范圍在4～10 mm/s之間,本節(jié)只研究切削速度在此范圍中的切削阻力。由圖9和式(3)可得,最大切削阻力為728 N。

3 結論

1) 研制的切削參數(shù)測量裝置可按設定速度對葡萄砧木進行切削試驗,并實時采集試驗中嫁接刀的位移、速度、切削阻力等數(shù)據(jù)。

2) 試驗結果表明:增大切削速度可減少切面組織損傷,一般來說,當切削速度≥4 mm/s時,即可獲得較理想的切面質量;粗度7.5～10.5 mm的砧木,當切削速度控制在4～10 mm/s之間,最大切削阻力較小,可稱其為合理切削速度;在合理切削速度范圍中的最大切削功在5.05 J左右;在合理切削速度范圍內切削阻力隨砧木粗度的增加而增大,最大切削力為728 N。