葡萄起藤機的設計與試驗研究

[摘 要] 種植葡萄需要在春季對葡萄進行起藤作業，傳統的葡萄起藤作業是由人工完成的，勞動強度大、工作效率低。同時，隨著年輕勞動力大量流向大城市，更是阻礙了葡萄種植產業的進一步發展。為此，本文設計一款葡萄起藤機，能代替人工完成起藤作業。通過三維建模軟件Pro/E制作三維效果圖，并對框架結構、鏟土犁輔助配件進行改進，使其能更好地滿足實際使用工況。另外，對制作好的起藤機進行空載試驗及田間試驗，以適應不同行距的葡萄種植模式。

[關鍵詞] 起藤機;葡萄;設計;試驗

[中圖分類號] S224 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-7909（2019）19-125-2

我國葡萄種植面積非常廣泛，主要分布在新疆維吾爾自治區吐魯番市等地方。在葡萄種植過程中，需要在不同時期采取相應的管理措施。例如，在春季，需要將埋在土壤下的葡萄藤條扶到框架上，這項工作需要花費大量的人力，同時對于工人的體能要求也很高，工作難度較大，導致實際的工作效率偏低。另外，隨著我國勞動力向大城市聚集，許多葡萄種植基地沒有足夠的年輕勞動力，同時必須把握好葡萄起藤時機，需要在短時間內完成，否則容易耽誤農時。由此可以看出，傳統的人工勞動模式僅僅適合于小規模的葡萄種植，嚴重制約了葡萄基地進行大規模生產。因此，為了解決該問題，人們先后研制了機械化的葡萄起藤機，但是這些機械設備普遍存在起土質量差、容易誤傷藤條、工作效率不高、實用性差及經濟性差等問題。為此，本文研制了一種新型葡萄起藤機，能有效解決現有的問題。

1 葡萄起藤機的結構與工作原理

葡萄起藤機主要由鏟土犁、連接橫梁、刮土板、懸掛系統等組成。具體來說，葡萄起藤機由前連接橫梁、右縱梁、左縱梁及后連接橫梁共同組成結構框架，在此框架基礎上增加一個中連接橫梁，在中連接橫梁上安裝固定板，將右鏟土犁及左鏟土犁分別固定在中連接橫梁固定板兩側。以右縱梁及左縱梁為固定點，將右掛板及左掛板分別安裝到左縱梁及右縱梁上，對框架進行加固，確保框架的結構強度能滿足使用需求。最后在前連接橫梁上焊接一個懸掛連接板，用以將葡萄起藤機連接到動力裝置上。

該葡萄起藤機的工作原理是將拖拉機的外掛機構與葡萄起藤機的懸掛連接板組合到一起，形成同步運動的機構，通過調節拖拉機液壓懸掛系統的高度來控制起藤機的鏟土犁工作深度，拖拉機和起藤機連接方式為硬性連接，拖拉機前進會同步帶動起藤機向前運動，起藤機兩側的鏟土犁在土地中將葡萄藤條上的泥土鏟掉并翻倒到兩側，機構后方兩側的刮土板將土垡向中間刮翻并成壟或刮平，從而使得葡萄種植地中間部分向外凸起一定高度，拖拉機帶動起藤機不斷向前運動，從而實現連續作業[1]。

起藤機左右兩側的鏟土犁能深入地面25 cm位置進行作業，并在葡萄根部位置偏移10 cm處鏟出一條深度與寬度均為25 cm的溝槽，葡萄藤上方覆蓋的土層會在自身重力的作用下翻滾到溝槽中，剩余一部分泥土可以采用人工作業的方式清理干凈。采用這種運行方式，可以顯著降低農戶的勞動強度，提高工作效率。另外，還可以在葡萄種植地基兩邊各形成一條溝槽，能作為后期葡萄灌溉的導水渠[2]。

2 葡萄起藤機主要結構設計

2.1 葡萄起藤機的三維建模

設計葡萄起藤機的結構時，需要根據設計的尺寸在電腦上建立三維模型。本文采用的三維建模軟件為Pro/E，能有效降低設計的難度，提高設計效率。同時，三維模型更加立體、直觀，有助于設計者察覺結構中的問題，查看各個部件之間是否產生干涉，從而提升設計的正確率，也能為后期零部件的設計提供技術支持[3]。

2.2 框架結構設計

在確定好起藤機的主體構造后，對起藤機的框架結構進行設計，由于起藤機整體機構的運動是通過拖拉機拖拽進行的，并且起藤機入土的深度也是由拖拉機控制的，因此針對這些方面，對起藤機的框架結構進行改進，使其更加科學、合理。將原起藤機的中連接橫梁與前連接橫梁合并為一根連接梁，并與左縱梁、右縱梁及后部連接橫梁組成一個框架結構，在此基礎上固定鏟土犁、刮土板及安裝需要的配件等。將前端橫梁結構設計成兩段式，將一個矩形管套入另一個矩形管內部，從而實現內部矩形管能自由伸縮，對鏟土犁工作的跨度進行調節[4]。

本文設計的起藤機前連接橫梁采用120 mm×120 mm×4 mm的矩形管，左縱梁、右縱梁及后部連接橫梁采用70 mm×50 mm×4 mm的標準槽鋼。

2.3 鏟土犁輔助配件設計

葡萄起藤機設計的初衷是能滿足實際使用需求，即對葡萄藤進行埋土和刮平，并且作業過程中要盡可能減輕對葡萄藤的損傷。另外，相比較于傳統作業方式，還能顯著降低勞動者的工作強度，提高工作效率，并要降低機械設備的制造成本。因此，在符合正常使用工況的條件下，選取了型號為386的標準鏵式犁，并對該犁的安裝結構件進行優化，使其能按照不同的使用環境自由調距工作跨度。與此同時，還減少了外側非工作區域的寬度，減少了對葡萄藤支架的損傷[5]。

本文選用的386號標準鏵式犁，在實際使用過程中每臺機械需要使用2件，同時要保證兩件為左右對稱件，分別命名為右鏵式犁及左鏵式犁，安裝左右時要注意兩個犁的安裝方位，右鏵式犁安裝在框架的左側位置，左鏵式犁安裝在框架右側位置，從而保證葡萄起藤機在向前運行時，左鏵式犁及右鏵式犁產生的橫向推力能相互抵消，從而保證起藤機能按照既定的方向前進。另外，這樣的設置還可以減少起藤機工作中產生的震動及橫向偏移，防止起藤機工作不穩定對葡萄藤產生損害，保證起藤機正常運行能符合使用要求，改善起藤機作業質量。通過這樣的特殊設置，葡萄起藤機在向前運動時，安裝在結構兩邊的左、右鏵式犁會將行走時挖起的泥土導向中間部位，之后再利用后部的左、右掛板將翻起的泥土刮平。

現階段，我國葡萄起藤機所使用的鏵式犁安裝方式主要是通過鏵式犁固定板與左、右斜梁固定到一起，先對原有結構進行改進，將左、右兩邊的鏵式犁安裝到左、右縱梁上。但是，這樣的變動會造成鏵式犁懸空部分過多，鏵式犁固定部位與葡萄種植地面距離較大，在進行翻土作業時有效進行翻土作業的面積較小，工作效率低，工作質量也差。為此，對鏵式犁進行優化改進，盡可能降低鏵式犁固定面距離葡萄藤架的距離，增大實際翻土量，改善工作效果。

改進后的鏵式犁采用螺栓固定的方式安裝在前端兩側的伸縮梁上，然后將伸縮梁放入前連接橫梁上，并采用4個M16的螺栓進行固定，同時伸縮梁在任意位置實現固定也是通過這4個螺栓實現的。在進行不同行距的葡萄種植地起藤作業時，通過調節兩側伸縮橫梁的程度來調節兩側鏵式犁的間距，從而滿足使用需求。本文設計的葡萄起藤機鏵式犁可調節范圍為2.0～3.5 m。

2.4 刮土板總成設計

刮土板總成由刮土板、無縫管、調節法蘭及固定板4個部分組成。刮土板材質采用不銹鋼鋼板，在下料以后進行壓型處理，刮土板通過固定板固定在無縫管上，無縫管采用螺栓連接的方式安裝在左、右縱梁上，從而能實現對刮土板的上下、左右及方位的調節，符合農藝作業使用要求。

刮土板是通過不銹鋼板壓型后制成的，為了確保掛土、翻土工作流暢，降低葡萄起藤機的工作阻力，將其長度方向設計成翻垡犁樣式的曲面結構，同時在內側下邊沿切成斜邊形狀，從而確保刮土平整或中間微起壟。

3 葡萄起藤機性能試驗

按照圖紙要求加工好葡萄起藤機的各個部件并進行最后組裝，并對組裝好的產品進行尺寸與功能檢驗，保證其符合圖紙設計要求，之后再對起藤機進行試驗。試驗共分為兩個部分，分別為空載試驗與田間試驗。

3.1 空載試驗

將起藤機懸掛連接板與拖拉機連接到一起，查看連接機構設計是否方便、牢靠。使拖拉機帶動起藤機進行空載運行，各個功能部件可以正常工作，沒有出現卡滯、干涉現象，可以看出其符合設計標準。

3.2 田間試驗

我國葡萄種植形式普遍采用3 m的間距，葡萄樹齡選擇4 a，選用雙翻犁進行埋藤作業，每個埋土堆寬度大約為90 cm，高度大約為80 cm，以此為背景進行葡萄起藤機田間試驗，實現單程單邊能刮平45%的埋土，雙邊共同使用能刮平55%的埋土，剩余在藤條上的泥土在勞動者手動扶藤后能自由滑落到溝槽中。

3.3 結果

葡萄起藤機結構設計合理，安裝、調試方便，維護方便，安全措施完善，幅寬可調且調節方便準確，適應不同行距的葡萄種植模式[6]。

4 結語

本文根據原有葡萄起藤機的弊端進行相應改進，使其能更好地應用到葡萄種植領域。新型的起藤機對結構框架、鏟土犁輔助配件等進行優化設計，能有效提高工作效率，降低勞動者的工作強度，并且能減少對葡萄藤條的損傷，具有非常好的應用價值和市場前景。在今后還需要根據使用過程中出現的問題進行進一步優化，由此制作出穩定、成熟、技術先進的葡萄起藤機。

參考文獻

[1]徐麗明，于暢暢，劉文，等.籬架式栽培葡萄株間除草機自動避障機構優化設計[J].農業工程學報，2018（7）：23-30.

[2]王孝，馬金平，馬波，等.可升降折疊式雙翼防風枸杞葡萄植保機械研究[J].現代農業科技，2017（1）：168，177.

[3]李永強，楊學軍，王俊，等.基于Adams的釀酒葡萄植株受迫振動仿真研究[J].安徽農業科學，2015（27）：220-224.

[4]李詩榮，毛文華，胡小安.葡萄套袋機器人機械臂運動學分析與軌跡規劃仿真[J].機器人技術與應用，2013（6）：34-38.

[5]馮玉磊，坎雜，李成松，等.基于振動原理的釀酒葡萄采摘試驗裝置的設計[J].江蘇農業科學，2013（11）：404-406.

[6]周艷，賈首星，湯智輝，等.新疆葡萄園植保機械現狀及對策[J].農機化研究，2010（4）：250-252.