夏季酿酒葡萄修剪机的设计与试验

韩会敏,周 艳,贾首星,蔡文龙,温相源

(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子 832003;2.新疆农垦科学院,新疆 石河子832003)

0 引言

葡萄为枝蔓型作物,枝蔓上生有卷须能缠绕他物随意生长。夏季葡萄长势快,为防止养分的转移必须对葡萄枝进行修剪,而合理的葡萄修剪是其获得高产、稳产的必要。对葡萄枝进行合理的修剪能确保一定数量的萌芽,从而长出良好的新生枝蔓;减少不必要的营养流失;使果实充分着色,提高果实的品质和外观[1]。夏季葡萄修剪工作是季节性强且需大量劳动力的工作,而农村人口的快速转移直接导致从事葡萄生产的人手短缺,再加上雇佣人工费用逐年上涨,对葡萄管理工作造成了很大的冲击,严重影响了葡萄产业的快速发展。目前,葡萄修剪方式主要有单枝选择修剪和整株几何修剪[1]:单枝选择修剪技术性强、作业条件复杂,目前只能通过人工完成;整株几何修剪是对树冠按一定的几何形状进行修剪。我国葡萄修剪工作主要依靠人工完成,机械化水平比较低,有少数地区使用电动、气动、液动的修枝剪[2],减少了劳动成本、提高了作业效率,但长期使用会对人的关节造成一定损害,仍不能满足农户的要求。国外葡萄修剪已经实现了机械化作业[3],主要采用整株几何修剪。整株几何修剪机按切割器的不同主要分为往复切割式修剪机、圆盘锯式修剪机、转刀式修剪机[4]。本文在国内外酿酒葡萄修剪机研究的基础上,依据葡萄枝剪切力学性能试验[5]研制了一种适用于夏季酿酒葡萄的修剪机,并对该机进行了试验分析。试验结果表明:该机可同时完成顶部和一侧葡萄枝的修剪,且效率高、修剪质量良好,解决了人工修剪效率低、成本高、修剪质量难以保证的难题,为葡萄后期的管理工作实现机械化提供前提准备。

1 整机结构与工作原理

1.1 酿酒葡萄种植模式与修剪机设计原则

酿酒葡萄的种植模式主要包括[6]:棚架式、篱壁式、柱架式。新疆葡萄的种植模式主要为单臂篱壁式,如图1所示。其株距L1一般为0.5～1m,行距L2为2.5～3.5m,葡萄枝藤宽度L3为1.5m,高度L5为1.8m,树桩高度L4为2m。目前,新疆葡萄种植标准不统一,行距不一致,架式不规范,在一定程度上限制了修剪机械的推广应用[7]。为了便于后续机械化管理作业,新疆葡萄种植正朝着标准化种植的方向发展。

图1 新疆葡萄种植模式

修剪机的设计原则[8]:①能实现不同的田间作业,通过调整能实现不同行距的葡萄园修剪工作,调节方便,具有良好的适应性,同时满足葡萄修剪的工艺要求;②力求设计结构简单、操作方便、通用性强、性能可靠的修剪机;③零件要趋于标准化、通用化,制造成本和维修费用低。

1.2 整机结构

酿酒葡萄的夏季修剪工作主要是在每年的6-8月份,此时正是结果实时期,为了控制养分的转移需多次对葡萄进行修剪。

夏季酿酒葡萄修剪机主要由机架、顶部切削部装、侧部切削部装及离合器等组成,如图2所示。该机采用拖拉机前悬挂式,由马达输出动力驱动切削部件工作,在液压油缸的作用下调节所要修剪的高度、宽度与角度,以实现作业幅宽和角度的调节。该修剪机可同时完成顶部及侧部两面的葡萄修剪工作。

1.顶部切削部装 2.机架 3.离合器 4.主梁外套管 5.主梁外套护板 6.侧部切削部装

1.3 侧部切削装置的设计

侧部切削部装主要由齿轮、轴承座、切削刀1、刀压紧盖、切削刀2、短轴和长轴等组成,如图3所示。马达通过内齿轮啮合与第三个轴承相连,切削部装间通过平皮带相连;马达工作时,带动带轮和该切削部装工作,通过带传动驱动另外3把切削刀,实现整个切削部装的修剪工作。

1.齿轮 2.轴承座 3.切削刀2 4.刀压紧盖 5.切削刀1 6.长轴 7.短轴

根据实际修剪要求,切削部装刀片采用上面3把长度为480mm,下面一把长度为400mm的转刀。刀片数越多质量越大,所需的惯性力也就越大,从而对传动系统的可靠性要求就越高[9]。综合考虑确定刀片数量,为防止漏剪,使两刀片上下交错布置,轨迹重叠50mm,刀片数为4。刀轴间采用带传动,带传动结构简单,调整方便,无需润滑[10]。侧部修剪装置通过离合器与机架相连,实现角度的可调。

1.4 工作原理

为了驾驶员能方便快捷实时调节所要修剪的葡萄枝,采用拖拉机前悬挂式。采用液压驱动,齿轮泵吸取油箱中的液压油,通过电磁阀的控制流入调节油缸和液压马达,从而驱动油缸和马达工作[11]。修剪机动力系统的结构如图4所示。

图4 修剪机系统结构框图

该机可同时修剪葡萄顶部和一侧两面枝条,工作动力由两个马达驱动,分别安装在顶部切削部装和侧部切削部装上,刀片在马达的带动下通过皮带传动带动其他刀片高速旋转,从而切断枝条。该机需要4个液压油缸,分别用来调节整机的升降(通过主梁外套管与主梁外套护板的套管连接)、调节不同行距修剪机与拖拉机间的距离、调动顶部切削部装的高低和调节侧切削部装的位置。该机还可以根据侧部葡萄修剪要求,通过离合器来调节侧部切削部装的修剪角度,从而满足不同幅宽和角度的修剪。

2 切割参数的确定

2.1 切割器的选择

切割器是用来切断葡萄枝条,其质量的好坏直接影响到修剪机的性能。因此,其应具有良好的切割质量,以及耐磨、省时省力、损耗小及适用多种状态的切割等特点。刀片的材质属性、所修剪作物的物理特性、切割方向及切割速度直接影响着切割器的性能[12]。

经过大量实验分析可知,转刀式切割器可实现不分行修剪,适应于葡萄不同行距的修剪,因此选用转刀式切割器。

2.2 传动方式的选择

目前,国内修剪机传动方式普遍采用机械传动,主要由皮带轮、链轮或齿轮组成,成本低,但结构复杂、质量及功耗大。而液压传动主要由液压马达、液压缸等组成,用汽油或柴油提供动力直接驱动刀片作业,其结构紧凑、功耗小、工作平稳性增强。所以,本文采用液压传动。

2.3 刀片直径、刀片数

根据田间调研葡萄行距,株宽、高,修剪要求,以及综合考虑到总机结构、刀轴转速、功率消耗等多方面的影响,选用切削刀长度为480、400mm两种形式,顶部切削部装采用长度为480mm的2把刀片、侧部切削部装采用(480×3+400)mm共4把刀片。

2.4 刀片转速的确定

刀片转速越大,则葡萄枝的动能就越大,越有利于葡萄枝的切割。刀片切削速度不宜过低,否则葡萄枝被推出刀片切削范围。葡萄枝属于无支撑切割,为了保证工作的可靠性,必须要有足够的切削速度,其最低切削速度应大于30m/s[13]。则刀片最小转速nmin为

其中,vmin=30m/s;l为切削刀的长度,现取l=500mm,代入公式得nmin=1 146r/min。

3 田间试验以及评价指标

在酿酒葡萄修剪机设计、制造完成后,必须要通过性能试验来验证该修剪机的各项性能指标是否达到预期设计要求。

3.1 主要结构参数

根据新疆酿酒葡萄种植模式和农艺要求,夏季酿酒葡萄修剪机主要结构参数如表1所示。

表1 夏季酿酒葡萄修剪机主要结构参数

3.2 试验地点以及试验设备

样机试验于2018年7月在新疆石河子146团酿酒葡萄园进行,如图5所示。试验设备有测速表、秒表、米尺和盘尺等。试验地主要技术指标如表2所示。

表2 试验地主要技术指标

图5 田间试验

3.3 试验试验设计与评价指标

通过对酿酒葡萄修剪机进行定量分析,确定试验的评价指标为切断率。试验后查看修剪的平整度,是否有漏剪、撕裂、拉断的现象[14],最后计算葡萄枝切断率作为试验评价指标,其能直接反应出修剪效果来评价该机的试验效果[15]。试验表明:影响切断率的主要因素有刀具转速、作业速度及含水率。为了简化试验、减少试验次数,该试验采用三因素三水平L9(33)试验方法。通过试验得出作业速度在1.0～2.0m/s时修剪效果较好,故作业速度选取1.0、1.5、2.0m/s3个水平,刀具转速取1 000、1 200、1 400r/min,含水率取60%、65%、70%。其试验因素水平如表3所示。

表3 试验因素水平

通过计算法计算葡萄枝切断率[16],试验后,分别统计修剪范围内切断的枝条数和未切断的枝条数,带入下式计算切断率Q,即

其中,A1为应修剪范围内切断的枝条数,A2为应修剪范围内未切断的枝条数。

4 试验数据与分析

4.1 试验结果

利用Design-Expert软件对表4中数据进行拟合和方差分析,得回归方程及显著性检验,如表5所示。酿酒葡萄切断率的回归方程为

表4 正交试验结果

表5 模型显著性检验

Y=-983.85+12.33X1+0.24X2+28.46X3-

0.05X1X3-2.80X12-0.22X32

由表5可知:模型显著性检验F=116.44,P<0.000 1,说明二次回归方程的检验达到高度显著;且失拟性检验F=0.83,P>0.1,为不显著,说明在试验范围内模型的模拟性很好。刀具转速对切断率影响极显著,作业速度、含水率对切断率影响显著,两相互因素间交互作用不显著。通过分析可知对切断率的影响依次为刀具转速、作业速度、含水率。

4.2 响应曲面分析

依据Box-behnken中心组合试验分析方法生成3D响应曲面图,如图6所示。由响应曲面图分析刀具转速、作业速度、含水率3个因素对切断率的影响。

(a) 作业速度和刀具转速对切断率的影响

由图6分析可知:对切断率的影响顺序为刀具转速>作业速度>含水率,而各因素对切断率Q的影响存在交互作用。由图6(a)可知:随着刀具转速与作业速度的增加,葡萄枝切断率呈现先增大后减小的趋势。这是因为随着刀具转速的增加,枝条剪断率增大,刀具转速继续增加,导致堵刀现象,且安全性降低,故刀具转速应控制在合理的范围内。由图6(b)可知:随着作业速度与含水率的增加,葡萄枝切断率呈现先增大后减小的趋势。这是因为随着作业速度的增加,枝条剪断率增大,而作业速度继续增加,漏剪率增大。故作业速度应控制在合理的范围内。

由图6(c)可知:随着含水率与刀具转速的增加,葡萄枝切断率呈现先增大后减小的趋势。这是因为随着含水率的增加,枝条脆性增强、剪断率增大,含水率继续增加,韧性增强、剪断率降低,故含水率应控制在合理的范围内。

4.3 参数优化

依据酿酒葡萄修剪机田间作业情况、性能要求与上述模型分析利用Design-Expert里的寻优功能进行参数优化[17]。现约束试验因素范围为:作业速度选取1.0～2.0m/s,刀具转速取1 000～1 400r/min,含水率取60%～70%,响应指标切断率取目标最大值100%。经分析优化结果为:作业速度选取1.5m/s,刀具转速取1200r/min,含水率取65%,模型曲面响应达到最大值,此时切断率为96.5%。

4.4 试验验证

为了验证优化结果的可行性,现按优化后的数值进行试验,设定作业速度1.5m/s、刀具转速1 200r/min,含水率65%,试验多次取平均值,最终计算的切断率为96%,与优化预测结果相接近。试验结果如表6所示。

表6 试验与优化结果对比

5 结论

1)设计的夏季酿酒葡萄修剪机具有结构简单、操作调整方便、适应性强、实用性强等特点,可同时完成顶部和一侧部的修剪工作。

2)利用Design-Expert对试验结果进行分析处理,用曲面响应分析刀具转速、作业速度、含水率对切断率的影响趋势,得出对切断率的影响程度为刀具转速>作业速度>含水率。

3)利用Design-Expert里的寻优功能对影响切断率参数因素进行优化,得出最优组合为:作业速度1.5m/s,刀具转速1 200r/min,含水率取65%。