基于平面運動的釀酒葡萄采收裝置設計與試驗*

朱興亮，袁盼盼，尤佳，韓長杰

(新疆農業大學機電工程學院，烏魯木齊市，830052)

0 引言

釀酒葡萄廣泛分布于世界各地[1]，我國釀酒葡萄面積逐年擴大，已成為世界第二大釀酒葡萄種植區[2]。截止2019年，新疆釀酒葡萄種植面積高達46.7 khm2，約占全國種植面積的1/4，已成為我國優質葡萄主產區[3]。目前，新疆釀酒葡萄采收作業完全依靠人工，費用占比高達50%[4]；而國外釀酒葡萄主產區已基本實現機械化采收[5]，但由于自然條件差異，國內外釀酒葡萄樹形相差較大，新疆葡萄植株相較于國外樹形松散、枝干較細，國外收獲機械無法適用，易造成枝條和果粒損傷[6-7]。因此，亟需開發適用于新疆釀酒葡萄種植模式的采收機械。

國內外等漿果(如藍莓、黑加侖、葡萄等)采收主要采用振動形式[8-11]，利用振動發生器振動果樹，并傳遞至果實，結合質量分布差異，使果實產生較大的變速變向運動，克服果實與果梗連接力，使其連接處變形至斷裂，實現果實采收；釀酒葡萄主要利用振動傳遞實現果粒采收[12-14]。Roger等[15-16]設計基于曲柄搖桿機構以及伺服液壓的振動發生器，交替驅動交錯對稱肋條實現葡萄進行振動采收；Caprara[17]、Baisan[18]以偏心搖桿機構作為振動發生器，驅動兩排撓性肋條擊打葡萄藤蔓實現葡萄果粒采收；Orlando等[19]利用對稱鋼軌振動釀酒葡萄主干，實現葡萄采收。因國外收獲機械不適用于新疆釀酒葡萄采收作業，國內學者從新疆葡萄種植模式入手，開展了眾多研究。袁盼盼等[20-21]以曲柄搖桿機構作為振動發生器，利用連桿產生的平面運動驅動肋條運動，實現葡萄采收。馮玉磊等[22]設計以RSSR機構驅動肋條的采收裝置；李成松[23]在RSSR機構基礎上耦合了平面鉸鏈機構驅動肋條，試驗表明該裝置相較于RSSR直接驅動肋條更能有效地實現釀酒葡萄采收作業，但是振動發生機構設計較為復雜，成本更高。由以上分析可知，目前國內外主要采用肋條擺動的方式對釀酒葡萄進行采收，擺動采收過程中對葡萄果樹振動幅度較大、頻率較高，易對葡萄植株造成損傷，尤其不適用于新疆多主蔓扇形的釀酒葡萄植株，因此，通過改變肋條運動狀態，實現對葡萄植株的多維激勵，可有效緩解植株損傷，實現釀酒葡萄的有效采收。

結合新疆釀酒葡萄樹形松散、枝干較細等特點，構建左右相位相同的曲柄搖桿機構的釀酒葡萄振動采收裝置，并建立運動學模型，開展仿真分析，確定肋條的主要工作區域，試制樣機，制定試驗方案，開展收獲性能試驗，驗證裝置設計的合理性，旨在為釀酒葡萄及相似漿果的振動采收提供參考。

1 整體結構與工作原理

平面振搖采收機構主要由電動機、機架、左振搖總成和右振搖總成組成，如圖1所示，其中，電動機利用同步帶驅動兩側振搖總成。

左、右振搖機構主要由夾持間距調節桿、從動軸、左肋條總成、右肋條總成、右肋條調節桿、機架、主動軸和曲柄等組成，左右振搖機構由同步帶實現轉速同步，曲柄長度、夾持間距和肋條調節長度均采用調節孔實現。兩側振搖總成是相位、結構完全相同的兩組曲柄搖桿機構，同時，為滿足夾持需求，右側振搖機構增加肋條調節桿，將右肋條總成左伸，與左肋條形成對葡萄藤的夾持狀態，如圖2所示。

圖1 平面振搖機構結構簡圖

圖2 左、右振搖機構結構

由于右肋條的運動狀態受肋條調節桿長度影響較大，并與夾持間距同時影響肋條與藤蔓間振動傳遞特性，因此，兩者之間應在保證夾持間距不變的情況下實現獨立調節。夾持間距和肋條體調節桿長度調節均利用調節孔實現，結合圖3可知

d=d0+p·b+q·c

式中：p——夾持間距調節孔位置，m；

q——肋條調節間距孔位置，m；

d0——b、c為0時的初始夾持間距，m。

其中p、q均可單獨調節，因此通過調節p和q的位置可實現夾持間距和肋條調節桿長度的獨立調節，完成兩影響因素的解耦。

采收裝置工作時，電動機利用同步帶驅動左、右振搖總成轉動，兩側曲柄搖桿機構同相位轉動，帶動兩側肋條夾持葡萄藤振搖，實現葡萄果粒變速變向運動，當離心力大于葡萄果-蒂連接力時，實現釀酒葡萄采收。裝置曲柄長度、肋條調節桿長度和夾持間距均可利用調節孔調節。

圖3 夾持間距與右肋條調節方式

2 采收裝置運動分析

采收裝置工作時，主要利用肋條帶動釀酒葡萄植株往復振動，實現果粒采收，因此肋條運動狀態對采收效果具有決定性影響。由于采收裝置兩側曲柄搖桿機構完全相同，僅肋條處于連桿的不同位置，其運動狀態不同，因此需對兩側肋條運動狀態分別進行運動分析，采收裝置運動分析簡圖如圖4所示。

圖4 采收裝置運動分析簡圖

分析圖4中曲柄搖桿—四邊形OBCD的運動狀態，由機構封閉矢量方程

(1)

求解得

(2)

(3)

對式(2)、式(3)求導

(4)

(5)

其中D=l1ω12cosθ1-l2ω22cosθ2+l3ω32cosθ3，E=l1ω12sinθ1-l2ω22sinθ2+l3ω32sinθ3。

則E點坐標

(6)

對式(6)求導

(7)

(8)

同理可求得曲柄搖桿機構—四邊形O′B′C′D′肋條中E″的運動狀態

(9)

(10)

(11)

由式(6)～(11)可知，肋條不同位置的運動特性不同，為滿足釀酒葡萄振動采收需求，因此，需結合葡萄果粒采收機理確定肋條工作區域運動狀態，則有式(12)。

(12)

式中：F——釀酒葡萄果-蒂連接力，N；

m——釀酒葡萄果粒質量，g。

釀酒葡萄果—蒂連接力為5～13 N，葡萄為灌木，振動過程中易造成能量損失，因葡萄串中果粒較為集中，果粒加速度與葡萄串加速度相近，因此為確保葡萄果粒具有足夠的振動加速度，設定肋條振動力為 20 N，可求得需求振動加速度a約為200 m/s2；肋條工作區域為直線段，帶入以上公式及參考葡萄種植模式最終確定裝置結構和工作參數為：曲柄轉速ω為600～850 r/min，曲柄末端與肋條間距離l為 210 mm，肋條工作段總長t為580 mm，曲柄長度l1為20～55 mm，連桿長度l2為585 mm，搖桿長度l3為242 mm，機架長度l4為610 mm。

3 仿真分析與試驗驗證

3.1 仿真分析

為驗證結構設計的合理性，確定各機構參數后利用Solidworks建立虛擬樣機模型，進入Motion模塊，設置曲柄轉速為600 r/min，分析時長為0.1 s，開展仿真分析并導出各點加速度數據。由于肋條工作區域為直線段，為探討肋條不同位置的運動狀態，選擇圖4中t范圍為0～550 mm，以50 mm間隔選擇作用點測量加速度，如圖5所示。

由圖5可知，對于E點：在t=0～400 mm區段的肋條加速度始終大于200 m/s2，可以滿足釀酒葡萄采收需求；其他區段內的肋條作用點加速度多數時段大于200 m/s2，在采收裝置工作時肋條前進，通過前段肋條振動后，雖然后段肋條并非完全大于需求加速度，但也可以滿足振動采收需求；對于E″點：各點加速度均大于需求加速度，整段肋條均可以滿足釀酒葡萄振動采收需求。

(a) E點速度

(b) E點加速度

(c) E″點速度

(d) E″點加速度

3.2 試驗驗證

為確定機構最優參數，驗證理論分析的合理性，開展收獲性能試驗。采樣地點為新疆生產建設兵團十二師三坪農場三坪二連(43°56′8″N, 87°20′05″E)，采樣品種為“赤霞珠”，采樣時間為2019年9月12日。選取不同生長位置、直徑(5～15 mm)，掛果均勻(3～5串)的枝條按長度1 m進行剪枝取樣。根據《GB/T 25393—2010葡萄栽培和葡萄酒釀制設備 葡萄收獲機 試驗方法》[24]和《GB/T 5667—2008 農業機械生產試驗方法》[25]規定的試驗方法，以分離率作為試驗指標，試驗因素水平如表1所示。

表1 因素水平表Tab. 1 Factor level of experiment

試驗采用4因素3水平正交試驗設計，試驗安排與結果如表2所示。實際作業過程中，主要以分離率為主要指標，并在此基礎上降低破損率即可，因此設定分離率和破損率權重分別為6和4，同時由于分離率和破損率兩者相差較大，為進行比較，需對兩者進行無量綱化處理，即分離率和破損率分別除以各自平均值，分別記為φ、σ，因此綜合評分ω=6×φ+4×σ。

由表2對綜合評分分析可知，各因素極差的大小順序為RA>RD>RB>RC，即影響分離率的主要影響因素是曲柄轉速，其次是肋條調節桿長度、曲柄長度及夾持間距。同時k3A>k1A>k3A，k1B>k2B>k3B，k1C>k3C>k2C，k3D>k2D>k1D，因此，最優方案為A3B1C1D3，即曲柄轉速為840 r/min、曲柄長度為28 mm、夾持間距為100 mm、肋條調節桿長度為410 mm。由于最優組合不在已有試驗安排內，選用最優試驗方案，在相同試驗條件下，開展3組重復試驗，試驗數據如表3所示。

由表3可知，選取最優組合開展試驗獲取的分離率平均值為95.23%，破損率平均值為4.26%，均能夠滿足《GB/T 25393—2010 葡萄栽培和葡萄酒釀制設備 葡萄收獲機 試驗方法》指標要求，因此，以最優組合參數進行的基于平面運動的釀酒葡萄采收裝置設計可滿足釀酒葡萄采收需求。

表2 試驗方案與結果Tab. 2 Experimental scheme and results

表3 最優組合試驗數據Tab. 3 Optimal combination test data

4 結論

1) 利用曲柄搖桿機構中的連桿與肋條相連，設計了可實現平面運動的釀酒葡萄采收裝置，對裝置開展了運動分析，構建了采收裝置運動學模型，確定了影響裝置工作性能的主要影響因素為曲柄轉速、曲柄長度、肋條調節桿長度和夾持間距。

2) 構建釀酒葡萄采收裝置虛擬樣機，并進行仿真分析，獲取肋條各作用點速度與加速度仿真數據，通過加速度分析可知，肋條兩側加速度均可滿足釀酒葡萄振動采收需求。

3) 以曲柄轉速、曲柄長度、夾持間距和肋條調節桿長度為影響因素，以分離率和破損率為指標，開展四因素三水平正交試驗，獲取最佳參數組合：曲柄轉速為840 r/min、曲柄長度為28 mm、夾持間距為100 mm、肋條調節桿長度為410 mm，驗證了裝置設計的合理性。