夏季釀酒葡萄修剪機的設計與試驗

韓會敏,周 艷,賈首星,蔡文龍,溫相源

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832003;2.新疆農墾科學院,新疆 石河子832003)

0 引言

葡萄為枝蔓型作物,枝蔓上生有卷須能纏繞他物隨意生長。夏季葡萄長勢快,為防止養分的轉移必須對葡萄枝進行修剪,而合理的葡萄修剪是其獲得高產、穩產的必要。對葡萄枝進行合理的修剪能確保一定數量的萌芽,從而長出良好的新生枝蔓;減少不必要的營養流失;使果實充分著色,提高果實的品質和外觀[1]。夏季葡萄修剪工作是季節性強且需大量勞動力的工作,而農村人口的快速轉移直接導致從事葡萄生產的人手短缺,再加上雇傭人工費用逐年上漲,對葡萄管理工作造成了很大的沖擊,嚴重影響了葡萄產業的快速發展。目前,葡萄修剪方式主要有單枝選擇修剪和整株幾何修剪[1]:單枝選擇修剪技術性強、作業條件復雜,目前只能通過人工完成;整株幾何修剪是對樹冠按一定的幾何形狀進行修剪。我國葡萄修剪工作主要依靠人工完成,機械化水平比較低,有少數地區使用電動、氣動、液動的修枝剪[2],減少了勞動成本、提高了作業效率,但長期使用會對人的關節造成一定損害,仍不能滿足農戶的要求。國外葡萄修剪已經實現了機械化作業[3],主要采用整株幾何修剪。整株幾何修剪機按切割器的不同主要分為往復切割式修剪機、圓盤鋸式修剪機、轉刀式修剪機[4]。本文在國內外釀酒葡萄修剪機研究的基礎上,依據葡萄枝剪切力學性能試驗[5]研制了一種適用于夏季釀酒葡萄的修剪機,并對該機進行了試驗分析。試驗結果表明:該機可同時完成頂部和一側葡萄枝的修剪,且效率高、修剪質量良好,解決了人工修剪效率低、成本高、修剪質量難以保證的難題,為葡萄后期的管理工作實現機械化提供前提準備。

1 整機結構與工作原理

1.1 釀酒葡萄種植模式與修剪機設計原則

釀酒葡萄的種植模式主要包括[6]:棚架式、籬壁式、柱架式。新疆葡萄的種植模式主要為單臂籬壁式,如圖1所示。其株距L1一般為0.5～1m,行距L2為2.5～3.5m,葡萄枝藤寬度L3為1.5m,高度L5為1.8m,樹樁高度L4為2m。目前,新疆葡萄種植標準不統一,行距不一致,架式不規范,在一定程度上限制了修剪機械的推廣應用[7]。為了便于后續機械化管理作業,新疆葡萄種植正朝著標準化種植的方向發展。

圖1 新疆葡萄種植模式

修剪機的設計原則[8]:①能實現不同的田間作業,通過調整能實現不同行距的葡萄園修剪工作,調節方便,具有良好的適應性,同時滿足葡萄修剪的工藝要求;②力求設計結構簡單、操作方便、通用性強、性能可靠的修剪機;③零件要趨于標準化、通用化,制造成本和維修費用低。

1.2 整機結構

釀酒葡萄的夏季修剪工作主要是在每年的6-8月份,此時正是結果實時期,為了控制養分的轉移需多次對葡萄進行修剪。

夏季釀酒葡萄修剪機主要由機架、頂部切削部裝、側部切削部裝及離合器等組成,如圖2所示。該機采用拖拉機前懸掛式,由馬達輸出動力驅動切削部件工作,在液壓油缸的作用下調節所要修剪的高度、寬度與角度,以實現作業幅寬和角度的調節。該修剪機可同時完成頂部及側部兩面的葡萄修剪工作。

1.頂部切削部裝 2.機架 3.離合器 4.主梁外套管 5.主梁外套護板 6.側部切削部裝

1.3 側部切削裝置的設計

側部切削部裝主要由齒輪、軸承座、切削刀1、刀壓緊蓋、切削刀2、短軸和長軸等組成,如圖3所示。馬達通過內齒輪嚙合與第三個軸承相連,切削部裝間通過平皮帶相連;馬達工作時,帶動帶輪和該切削部裝工作,通過帶傳動驅動另外3把切削刀,實現整個切削部裝的修剪工作。

1.齒輪 2.軸承座 3.切削刀2 4.刀壓緊蓋 5.切削刀1 6.長軸 7.短軸

根據實際修剪要求,切削部裝刀片采用上面3把長度為480mm,下面一把長度為400mm的轉刀。刀片數越多質量越大,所需的慣性力也就越大,從而對傳動系統的可靠性要求就越高[9]。綜合考慮確定刀片數量,為防止漏剪,使兩刀片上下交錯布置,軌跡重疊50mm,刀片數為4。刀軸間采用帶傳動,帶傳動結構簡單,調整方便,無需潤滑[10]。側部修剪裝置通過離合器與機架相連,實現角度的可調。

1.4 工作原理

為了駕駛員能方便快捷實時調節所要修剪的葡萄枝,采用拖拉機前懸掛式。采用液壓驅動,齒輪泵吸取油箱中的液壓油,通過電磁閥的控制流入調節油缸和液壓馬達,從而驅動油缸和馬達工作[11]。修剪機動力系統的結構如圖4所示。

圖4 修剪機系統結構框圖

該機可同時修剪葡萄頂部和一側兩面枝條,工作動力由兩個馬達驅動,分別安裝在頂部切削部裝和側部切削部裝上,刀片在馬達的帶動下通過皮帶傳動帶動其他刀片高速旋轉,從而切斷枝條。該機需要4個液壓油缸,分別用來調節整機的升降(通過主梁外套管與主梁外套護板的套管連接)、調節不同行距修剪機與拖拉機間的距離、調動頂部切削部裝的高低和調節側切削部裝的位置。該機還可以根據側部葡萄修剪要求,通過離合器來調節側部切削部裝的修剪角度,從而滿足不同幅寬和角度的修剪。

2 切割參數的確定

2.1 切割器的選擇

切割器是用來切斷葡萄枝條,其質量的好壞直接影響到修剪機的性能。因此,其應具有良好的切割質量,以及耐磨、省時省力、損耗小及適用多種狀態的切割等特點。刀片的材質屬性、所修剪作物的物理特性、切割方向及切割速度直接影響著切割器的性能[12]。

經過大量實驗分析可知,轉刀式切割器可實現不分行修剪,適應于葡萄不同行距的修剪,因此選用轉刀式切割器。

2.2 傳動方式的選擇

目前,國內修剪機傳動方式普遍采用機械傳動,主要由皮帶輪、鏈輪或齒輪組成,成本低,但結構復雜、質量及功耗大。而液壓傳動主要由液壓馬達、液壓缸等組成,用汽油或柴油提供動力直接驅動刀片作業,其結構緊湊、功耗小、工作平穩性增強。所以,本文采用液壓傳動。

2.3 刀片直徑、刀片數

根據田間調研葡萄行距,株寬、高,修剪要求,以及綜合考慮到總機結構、刀軸轉速、功率消耗等多方面的影響,選用切削刀長度為480、400mm兩種形式,頂部切削部裝采用長度為480mm的2把刀片、側部切削部裝采用(480×3+400)mm共4把刀片。

2.4 刀片轉速的確定

刀片轉速越大,則葡萄枝的動能就越大,越有利于葡萄枝的切割。刀片切削速度不宜過低,否則葡萄枝被推出刀片切削范圍。葡萄枝屬于無支撐切割,為了保證工作的可靠性,必須要有足夠的切削速度,其最低切削速度應大于30m/s[13]。則刀片最小轉速nmin為

其中,vmin=30m/s;l為切削刀的長度,現取l=500mm,代入公式得nmin=1 146r/min。

3 田間試驗以及評價指標

在釀酒葡萄修剪機設計、制造完成后,必須要通過性能試驗來驗證該修剪機的各項性能指標是否達到預期設計要求。

3.1 主要結構參數

根據新疆釀酒葡萄種植模式和農藝要求,夏季釀酒葡萄修剪機主要結構參數如表1所示。

表1 夏季釀酒葡萄修剪機主要結構參數

3.2 試驗地點以及試驗設備

樣機試驗于2018年7月在新疆石河子146團釀酒葡萄園進行,如圖5所示。試驗設備有測速表、秒表、米尺和盤尺等。試驗地主要技術指標如表2所示。

表2 試驗地主要技術指標

圖5 田間試驗

3.3 試驗試驗設計與評價指標

通過對釀酒葡萄修剪機進行定量分析,確定試驗的評價指標為切斷率。試驗后查看修剪的平整度,是否有漏剪、撕裂、拉斷的現象[14],最后計算葡萄枝切斷率作為試驗評價指標,其能直接反應出修剪效果來評價該機的試驗效果[15]。試驗表明:影響切斷率的主要因素有刀具轉速、作業速度及含水率。為了簡化試驗、減少試驗次數,該試驗采用三因素三水平L9(33)試驗方法。通過試驗得出作業速度在1.0～2.0m/s時修剪效果較好,故作業速度選取1.0、1.5、2.0m/s3個水平,刀具轉速取1 000、1 200、1 400r/min,含水率取60%、65%、70%。其試驗因素水平如表3所示。

表3 試驗因素水平

通過計算法計算葡萄枝切斷率[16],試驗后,分別統計修剪范圍內切斷的枝條數和未切斷的枝條數,帶入下式計算切斷率Q,即

其中,A1為應修剪范圍內切斷的枝條數,A2為應修剪范圍內未切斷的枝條數。

4 試驗數據與分析

4.1 試驗結果

利用Design-Expert軟件對表4中數據進行擬合和方差分析,得回歸方程及顯著性檢驗,如表5所示。釀酒葡萄切斷率的回歸方程為

表4 正交試驗結果

表5 模型顯著性檢驗

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

0.05X1X3-2.80X12-0.22X32

由表5可知:模型顯著性檢驗F=116.44,P<0.000 1,說明二次回歸方程的檢驗達到高度顯著;且失擬性檢驗F=0.83,P>0.1,為不顯著,說明在試驗范圍內模型的模擬性很好。刀具轉速對切斷率影響極顯著,作業速度、含水率對切斷率影響顯著,兩相互因素間交互作用不顯著。通過分析可知對切斷率的影響依次為刀具轉速、作業速度、含水率。

4.2 響應曲面分析

依據Box-behnken中心組合試驗分析方法生成3D響應曲面圖,如圖6所示。由響應曲面圖分析刀具轉速、作業速度、含水率3個因素對切斷率的影響。

(a) 作業速度和刀具轉速對切斷率的影響

由圖6分析可知:對切斷率的影響順序為刀具轉速>作業速度>含水率,而各因素對切斷率Q的影響存在交互作用。由圖6(a)可知:隨著刀具轉速與作業速度的增加,葡萄枝切斷率呈現先增大后減小的趨勢。這是因為隨著刀具轉速的增加,枝條剪斷率增大,刀具轉速繼續增加,導致堵刀現象,且安全性降低,故刀具轉速應控制在合理的范圍內。由圖6(b)可知:隨著作業速度與含水率的增加,葡萄枝切斷率呈現先增大后減小的趨勢。這是因為隨著作業速度的增加,枝條剪斷率增大,而作業速度繼續增加,漏剪率增大。故作業速度應控制在合理的范圍內。

由圖6(c)可知:隨著含水率與刀具轉速的增加,葡萄枝切斷率呈現先增大后減小的趨勢。這是因為隨著含水率的增加,枝條脆性增強、剪斷率增大,含水率繼續增加,韌性增強、剪斷率降低,故含水率應控制在合理的范圍內。

4.3 參數優化

依據釀酒葡萄修剪機田間作業情況、性能要求與上述模型分析利用Design-Expert里的尋優功能進行參數優化[17]。現約束試驗因素范圍為:作業速度選取1.0～2.0m/s,刀具轉速取1 000～1 400r/min,含水率取60%～70%,響應指標切斷率取目標最大值100%。經分析優化結果為:作業速度選取1.5m/s,刀具轉速取1200r/min,含水率取65%,模型曲面響應達到最大值,此時切斷率為96.5%。

4.4 試驗驗證

為了驗證優化結果的可行性,現按優化后的數值進行試驗,設定作業速度1.5m/s、刀具轉速1 200r/min,含水率65%,試驗多次取平均值,最終計算的切斷率為96%,與優化預測結果相接近。試驗結果如表6所示。

表6 試驗與優化結果對比

5 結論

1)設計的夏季釀酒葡萄修剪機具有結構簡單、操作調整方便、適應性強、實用性強等特點,可同時完成頂部和一側部的修剪工作。

2)利用Design-Expert對試驗結果進行分析處理,用曲面響應分析刀具轉速、作業速度、含水率對切斷率的影響趨勢,得出對切斷率的影響程度為刀具轉速>作業速度>含水率。

3)利用Design-Expert里的尋優功能對影響切斷率參數因素進行優化,得出最優組合為:作業速度1.5m/s,刀具轉速1 200r/min,含水率取65%。