新疆釀酒葡萄振動(dòng)采收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

蒙賀偉，李成松，坎 雜，李亞萍

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

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新疆釀酒葡萄振動(dòng)采收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

蒙賀偉，李成松，坎 雜，李亞萍

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

釀酒葡萄收獲具有季節(jié)性強(qiáng)、占用勞動(dòng)量大等特點(diǎn)，而機(jī)械化采收是釀酒葡萄收獲的必然趨勢(shì)。為此，針對(duì)新疆釀酒葡萄種植特點(diǎn)及采收作業(yè)要求，在測(cè)定了釀酒葡萄果蒂連接力的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由牽引架、工作部件和驅(qū)動(dòng)部件等組成的釀酒葡萄振動(dòng)采收裝置，確定了其工作參數(shù)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行了初步試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用振動(dòng)原理開展釀酒葡萄采收作業(yè)在技術(shù)層面是可行的，裝置的研究為釀酒葡萄收獲機(jī)的研制提供一定的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

釀酒葡萄；振動(dòng)；采收

0 引言

釀酒葡萄收獲具有季節(jié)性強(qiáng)、占用勞動(dòng)量大等特點(diǎn)。目前，美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利等世界發(fā)達(dá)國(guó)家已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲，其機(jī)械裝備和應(yīng)用技術(shù)在世界處于領(lǐng)先地位；而我國(guó)釀酒葡萄收獲還完全依靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，且釀酒葡萄收獲時(shí)間與新疆主要經(jīng)濟(jì)作物棉花、番茄等收獲期重疊，導(dǎo)致葡萄收獲用工難問題更加突出，已成為制約葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。因此，機(jī)械化采收已成為釀酒葡萄收獲的必然趨勢(shì)[1]。

針對(duì)果品的收獲機(jī)械主要有氣力式和機(jī)械式兩種類型[2-3]，機(jī)械式以振動(dòng)式收獲為主。目前，國(guó)外開展振動(dòng)收獲研究的有Korneckin、Peterson、Firma Weremczuk公司[4-8]；國(guó)內(nèi)有王業(yè)成、陳海、王長(zhǎng)勤、杜小強(qiáng)、劉魏、鮑玉冬、梁月、王敏、瞿維等[9-17]。由于新疆釀酒葡萄采用埋藤越冬種植模式，因此亟需開展適于新疆釀酒葡萄特點(diǎn)的采收裝置研究。

本文針對(duì)新疆釀酒葡萄籬架栽培特點(diǎn)，在測(cè)定了釀酒葡萄果蒂連接力的基礎(chǔ)上，確定了采收裝置的工作參數(shù)及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，為釀酒葡萄收獲機(jī)的研制提供一定的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

釀酒葡萄振動(dòng)采收裝置主要由牽引架、工作部件機(jī)架、工作部件和驅(qū)動(dòng)部件組成，如圖1所示。其中，牽引架與拖拉機(jī)連接，牽引架和工作部件機(jī)架采用螺栓連接，工作部件和驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)部件均安裝于工作部件機(jī)架。

1.牽引架 2.工作部件機(jī)架 3.工作部件 4.驅(qū)動(dòng)部件

1.2 工作原理

工作時(shí)，裝置由拖拉機(jī)側(cè)懸掛牽引前進(jìn)，工作部件騎跨在葡萄行間，其前部可將葡萄植株收攏，后部對(duì)葡萄植株進(jìn)行壓縮，驅(qū)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)工作部件產(chǎn)生規(guī)律性振動(dòng)，從而將釀酒葡萄從葡萄植株上振落，實(shí)現(xiàn)葡萄的采收作業(yè)。裝置可通過調(diào)整工作部件間距實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄植株的壓縮程度的調(diào)整，振幅和頻率可通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)尺寸及電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)。

2 釀酒葡萄連接力測(cè)定

采收裝置主要作業(yè)對(duì)象為釀酒葡萄果穗。工作過程中，當(dāng)裝置產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動(dòng)傳遞至葡萄果穗時(shí)，果穗上的果粒將以一定的振幅和頻率運(yùn)動(dòng)；當(dāng)振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力大于果-蒂連接力時(shí)，葡萄果粒實(shí)現(xiàn)分離。資料顯示，果實(shí)振動(dòng)運(yùn)動(dòng)情況主要有6種[18]，如圖2所示。由于葡萄果粒單質(zhì)量較小而果柄相對(duì)較粗，因此葡萄果粒的主要運(yùn)動(dòng)形式為擺動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，以新疆廣泛種植的釀酒葡萄品種赤霞珠作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其連接力進(jìn)行了測(cè)定。

圖2 強(qiáng)迫振動(dòng)下葡萄果粒的運(yùn)動(dòng)形式

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)采用TY8000型測(cè)力儀器進(jìn)行測(cè)量，其主要由傳感器、卡具、工作臺(tái)及計(jì)算機(jī)等組成，如圖3所示。

1.工作平臺(tái) 2.彈簧 3.卡具1 4.卡具2

圖3中，卡具1為自制卡具。為適應(yīng)葡萄粒大小，保證葡萄果梗及果蒂穿過該孔而葡萄粒不通過，設(shè)置孔徑為5mm。

2.2 試驗(yàn)安排

試驗(yàn)時(shí)，首先將葡萄粒連同果梗從葡萄串上剪下，將果梗及果蒂穿過卡具1上的孔；然后調(diào)節(jié)卡具2高度，通過計(jì)算機(jī)控制卡具2以一定速度向上運(yùn)動(dòng)，直到葡萄粒同果梗分開，測(cè)定此時(shí)的拉力值即為連接力。利用試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)V1.0軟件(圖4)，以一組30粒進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察、記錄及繪制曲線。

圖4 試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)V1.0軟件界面

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

單粒葡萄果蒂分離時(shí)拉力—位移變化曲線如圖5所示，一組30粒葡萄果蒂分離時(shí)拉力—位移變化曲線如圖6所示。由圖5、圖6可知：葡萄果蒂分離前的位移與拉力變化成正比，當(dāng)達(dá)到葡萄粒同其果蒂分離臨界拉力后，拉力下降，并實(shí)現(xiàn)葡萄果蒂的分離。

圖5 單粒葡萄拉力隨位移的變化曲線

圖6 一組葡萄拉力隨位移的變化曲線

分析不同連接力區(qū)間段出現(xiàn)頻次，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 連接力分組統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表1可知：葡萄果蒂連接力最大值為19N，連接力在13～19N區(qū)域的比例為10%。因此，設(shè)計(jì)過程中葡萄果蒂連接力取13～19N。

3 關(guān)鍵工作參數(shù)確定

工作部件主要由下端擺動(dòng)支撐件、下端水平間距調(diào)節(jié)部件、肋條、中樞擺動(dòng)梁、上端水平間距調(diào)節(jié)部件及上端擺動(dòng)支撐件等組成，如圖7所示。工作過程中，工作部件中的肋條直接作用于葡萄枝干并對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)，從而將葡萄粒振落。因此，裝置工作參數(shù)主要包括擺幅及頻率。

1.下端擺動(dòng)支撐件 2.下端水平間距調(diào)節(jié)部件 3.肋條

3.1 肋條安裝位置確定

采收裝置的工作部件是由多組肋條組成，肋條是與葡萄制干直接接觸作業(yè)的部件，通過其振動(dòng)使葡萄果粒脫落。對(duì)于其安裝位置，需充分考慮釀酒葡萄栽培管理技術(shù)要求及葡萄串的生長(zhǎng)形態(tài)，且要求安裝在葡萄串集中區(qū)域中相對(duì)不集中的位置，從而即保證葡萄果實(shí)生長(zhǎng)集中區(qū)域產(chǎn)生較大的振動(dòng)，又能減少工作部件與葡萄果實(shí)的接觸，降低葡萄破損率。

因此，根據(jù)新疆釀酒葡萄果實(shí)生長(zhǎng)特點(diǎn)，肋條主要布置在500mm以下、1 500～1 600mm及500～1 500mm果實(shí)相對(duì)較少區(qū)域。

3.2 振幅最大值確定

肋條運(yùn)動(dòng)極限位置圖8所示。圖8中，正方形代表水泥立柱，根據(jù)田間調(diào)研，水泥立柱為邊長(zhǎng)10cm的方形，則方形邊長(zhǎng)設(shè)為10cm；圓形代表葡萄串，赤霞珠果穗直徑按7.14～7.98cm[18]，則圓形直徑設(shè)為8cm。由圖8可知：肋條處于中間位置時(shí)間距LJ≥16cm>10cm，從而保證了工作部件順利通過水泥立柱；為避免葡萄枝干越過葡萄行中心垂直平面受損，此時(shí)肋條末端可調(diào)整振幅2cm；為保證葡萄串越過行中心平面而根部不越過，肋條末端振幅最大可取16cm。因此，肋條末端的振幅范圍為2～16cm。

圖8 肋條運(yùn)動(dòng)極限位置圖

3.3 頻率最大值確定

針對(duì)釀酒葡萄的振動(dòng)分析，可得振動(dòng)采收條件下釀酒葡萄果實(shí)脫落條件為

m0A′2ω′2l-1cosω′t>F0

(1)

式中m0—葡萄單粒質(zhì)量(g)；

A′—葡萄粒果梗末端振動(dòng)幅度(mm)；

ω′—葡萄粒果梗末端振動(dòng)頻率(次/min)；

l—葡萄粒果梗長(zhǎng)度(mm)；

F0—葡萄粒同果蒂連接力，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，取F0=13～19N。

為保證分離效果，取m0=1.47g，取l=2.13cm[19]，取肋條末端振幅為2cm，計(jì)算可得振動(dòng)頻率為467～564次/min，頻率的調(diào)節(jié)通過變頻器調(diào)整電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

在確定以上參數(shù)基礎(chǔ)上，對(duì)該裝置進(jìn)行了初步試驗(yàn)，結(jié)果表明：肋條的振動(dòng)頻率、振幅、肋條分布規(guī)律及對(duì)葡萄行的壓緊程度等是影響葡萄采摘效果的主要因素，采用振動(dòng)原理開展釀酒葡萄采收作業(yè)技術(shù)原理可行。

4 結(jié)論

1)針對(duì)新疆釀酒葡萄種植特點(diǎn)及采收作業(yè)要求，在測(cè)定釀酒葡萄果蒂連接力的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種由牽引架、工作部件和驅(qū)動(dòng)部件等組成的釀酒葡萄振動(dòng)采收裝置。

2)分析確定了裝置肋條安裝位置、振幅最大值及頻率最大值，并進(jìn)行了初步試驗(yàn)。結(jié)果表明：采用振動(dòng)原理開展釀酒葡萄采收作業(yè)技術(shù)原理可行，裝置的研究可為釀酒葡萄收獲機(jī)的研制提供一定的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

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The Design and Experiment of Wine Grape in Xinjiang Vibration Harvest Device

Meng Hewei， Li Chengsong， Kan Za， Li Yaping

(College of Mechanical and Electronical Engineering,Shihezi University,Shihezi 832000,China)

Wine grape harvest have seasonal strong,occupy large amount of labor and other characteristics, mechanized harvesting is an inevitable trend of wine grapes harvested. In this paper,according to the characteristics of wine grape growing and harvesting job requirements in Xinjiang ,based on the determination of the wine grape stem end connecting force, designed the wine grape harvest vibration apparatus by the traction frame, working parts and drive parts and other components, determining its key operating parameters and structure parameters, the preliminary experiment have shown that,using vibration principle to carry out the job of wine grape harvest technology principle is feasible,research on this mechanical provide a theoretical basis for the design of grape harvesting machine.

wine grape; vibrations; harvest

2016-08-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465051)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2013BA009)

蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，碩士， (E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

李亞萍(1980-)，女，黑龍江虎林人，副教授，碩士，(E-mail)lyp_shz@shzu.edu.cn。

S225.93

A

1003-188X(2017)10-0042-04