葡萄清土扒藤機械化技術研究現狀與展望

宋 龍，周 艷※，何 磊，韓大龍，張 景，朱 賀，王治民，盧 雨

（1.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.石河子大學機械電氣工程學院）

0 引言

葡萄做為我國特色水果產品之一[1]，在我國廣泛種植。根據國際葡萄與葡萄酒組織發布的統計資料，2020 年全球葡萄種植總面積約為730萬hm2，中國葡萄種植面積約為78.5 萬hm2，較2019 年增長0.6%，總種植面積居世界第三，僅次于西班牙和法國[2]。葡萄的種植分布受自然條件影響明顯，多集中在西北、華北等北緯35°～45°區域[3]，栽植模式多為露天，因此當寒冷干燥的冬季來臨之前，為了避免葡萄藤出現風干或凍傷現象，農戶一般先將修剪后的葡萄藤下架并埋入土中，待第二年春季天氣回暖時再將其出土上架以保證安全過冬。冬季埋土防寒和春季出土是葡萄園管理的重要環節，其工作量約占葡萄園管理的30%[4]。目前我國大部分葡萄種植地區冬季防寒仍以人工埋藤為主，機械化程度較低[5-6]，有著作業時間跨度短、作業量大、勞動強度高、效率低且易傷藤的特點。另外，由于勞動力短缺，人工成本逐年上漲，這些因素不僅制約著葡萄產業化的發展，而且降低了葡萄種植戶的收入[7]，因此，實現北方葡萄春季清土的機械化作業對中國葡萄產業化發展和提高葡萄種植戶收入具有重要意義[8]。本文針對我國北方葡萄種植模式中春季清土扒藤作業環節，通過對近年來國內外葡萄清土扒藤機的清土部件及避障裝置研究現狀進行介紹并進行分析和比對，總結出目前葡萄清土機械存在的問題，提出對未來葡萄清土扒藤機械的展望并提出采用測距雷達（傳感器）、PLC 及伺服電缸設計一種非接觸式電控自動避障裝置，為自動避障技術在葡萄清土扒藤作業中的應用提出新的思路，以促進葡萄春季清土扒藤機械化水平。

1 葡萄扒藤機的發展現狀

在國外，葡萄主產國主要集中在溫帶及亞熱帶全年氣候溫和的區域，如法國、意大利和美國等地區，因此在冬季不需要進行冬季埋藤和春季清土起藤作業，故未見國外與埋藤或者清土相關的農業機械和相關研究[9]。

在國內，由于我國葡萄產業發展較晚，因此對相關配套機械的研究還處于探索階段，雖然冬季埋藤已基本實現機械化，但是春季清土起藤仍以人工為主，機械化程度較低。目前國內設計的葡萄清土扒藤機種類較多，按照工作方式可以分為單邊式和雙邊式；按照機具作業位置可以分為壟上作業和壟行作業；按照清土裝置是否與土壤接觸可以分為接觸式和非接觸式[10]，此外還有回收彩條布清土機[11]。總之，葡萄清土起藤機械的重要組成部分還是以動力裝置、扒土裝置及自動避障裝置為主。其中動力裝置一般以拖拉機為主，動力一般為15～32kW。清土扒藤裝置分為往復（刮板）式、回轉（葉輪或刷子）式、絞龍式和鏈鏟式等，自動避障裝置則是以觸桿、傳感器、液壓換向閥和電磁閥為主。從機具的實際使用來看，雖然清土扒藤機械種類繁多，但影響機具工作效率的主要部件還是清土裝置和自動避障裝置，下面對接觸式和非接觸式清土扒藤裝置的發展現狀進行研究與分析。

目前非接觸式清土扒藤裝置主要以氣吹式為主。江蘇大學的楊啟志等[12]設計了一種氣吹旋拋復合式葡萄藤清土起藤裝置及清土機，依靠旋拋和風力清土，結構如圖1。

圖1 氣吹旋拋復合式葡萄藤扒土機

該機由機架、旋拋裝置、避障裝置、風力清土裝置、傳感器、風口調整裝置和控制單元組成。其清土部件采用氣吹和旋拋組合方式，該機可根據現場作業環境調節旋拋裝置的伸縮及風管口的角度，作業不傷藤但該機僅適用于覆土量少和沙性土質的環境，由于該機使用氣吹方式，因此現場作業環境差，目前該機僅處于試驗階段。

而對于接觸式清土裝置的研究，清土部件主要以刮板、絞龍、刮板+葉輪+絞龍及刮刷組合式這4種類型為主。

寧夏工商職業技術學院曾保寧等[13]研制的針對寧夏葡萄種植模式的葡萄起藤機機構如圖2。該機器由左右鏟土犁、左右刮土板、前后梁、左右邊梁和懸掛架組成。主要清土部件為刮板，其優點是結構簡單、制造成本低、作業效率高，缺點是適用范圍僅限于寧夏葡萄種植模式，清土不徹底，需要人工進行二次作業。

圖2 葡萄起藤機

中國農業科學院果樹研究所王志強等[14]研制的以絞龍為關鍵清土部件的前置式防寒土葡萄扒藤機如圖3。該機主要由機架、傳動機構、清土絞龍部件、平地絞龍部件及避障探頭部件組成，主要清土部件為絞龍，該機出土量大且能將清除的葡萄藤防寒土均勻地平鋪到行間，但絞龍為剛性體，在作業過程中容易損傷土壤中的葡萄藤。

圖3 前置式防寒土葡萄扒藤清土機

中國農業大學馬帥等[15]人研制的自動避障式葡萄藤防寒土清土機如圖4。該機主要由機架、避障擺動機構、避障信號采集機構、控制器、清土部件、擋土板、傳動部件和限深輪等組成。主要清土部件為刮板+葉輪+絞龍，該機僅適用于防寒土埋在水泥柱單側的情況，若防寒土埋在水泥柱兩側，水泥柱位于土壟中間，則水泥柱中間的土壤不能被有效清除。

圖4 自動避障式葡萄藤防寒土清土機

中國農業大學馬帥等[16]研制的刮刷組合式葡萄藤防寒土清土機如圖5。該機主要由機架、刮土板部件、葉輪部件、柔性刷子部件、液壓系統和控制系統等構成，主要清土部件為刮刷組合式，其特點是機具具有自動調平系統，可提高機具的適應性、清土率可降低對葡萄藤的損傷率。

圖5 刮刷組合式葡萄藤防寒土清土機

2 葡萄清土扒藤機自動避障裝置研究現狀

隨著葡萄清土扒藤機的不斷更新迭代，自動避障裝置逐漸成為了其重要的組成部分，對機具工作效率的提高具有重要作用，因此自動避障裝置的研究及改進始終是萄清土扒藤機研發的一個重要內容。葡萄清土扒藤機自動避障裝置主要由觸桿、傳感器、電磁閥和液壓換向閥構成，其工作過程為：當避障觸桿未碰觸到水泥柱或障礙物時，避障裝置不工作，扒土裝置進行正常扒土作業；當避障裝置觸碰到水泥柱或障礙物時，扒土裝置開始由避障裝置控制改變作業路徑，使扒土裝置能順利避開水泥柱或障礙物；當避障裝置與水泥柱或障礙物分離后，扒土裝置復位，進行正常扒土作業，以此往復循環。究其根本葡萄自動避障清土扒藤機通過自動避障裝置改變扒土裝置的作業路徑，從而使水泥柱或障礙物之間的防寒土清理更徹底，極大提高了機械效率、降低了人工工作量，節省了勞動力成本。

目前，此類自動避障裝置已經成為果園機械的主要組成部分。該裝置的設計雖然巧妙，但是過度依賴觸桿的觸發效果，因而對觸桿的制作材料、障礙物的形狀及軟硬度有一定適用限制，同時對傳感器的靈敏度及信號的采集也有較高的要求。因此，高效的自動避障裝置的研究對果園類機械的發展有著重要的意義。

在國外，對避障裝置的研究主要集中在果園除草機上。丹麥的Norremark[17]和西班牙的Pérez-Ruiz[18]等人將計算機視覺技術、GPS定位技術及光電傳感器應用到了株間除草機械的自動避障控制系統中。

美國Cordill等[19]通過對玉米株間自動避障除草機進行試驗，驗證了光電傳感器在避障除草裝置中的實用性。這些技術的應用改善了除草效果且降低了傷苗率，但成本較高、效率較低。除此之外，意大利NARDI的機械式帶自動避障的株間鋤草機還使用了三位四通換向閥。

在國內，自動避障裝置的研究起步較晚，江蘇大學、華南農業大學及中國農業大學將圖像識別技術與一些非接觸傳感技術應用到了自動避障控制系統中，取得了較好效果，但圖像識別技術硬件成本高，且在復雜作業環境下圖像處理算法復雜，處理時間長，效率較低。

中國農業大學徐麗明等[20]設計的以平行四連桿+觸桿為關鍵部件的避障裝置如圖6。該避障裝置通過將觸桿與障礙物之間的接觸壓力轉化成控制信號控制油缸伸縮實現自動避障。該裝置缺點是觸桿在接觸過程中易變形，導致信號無法采集或持續存在。

圖6 平行四連桿+觸桿的避障裝置

中國農業大學馬帥等[21]設計了傳感器+STM32 單片機+觸桿的避障裝置（圖7）。該避障裝置利用傳感器采集位移信號，然后通過STM32 單片機對信號進行分析，達到對避障油缸的控制，從而實現機具自動避障功能。缺點是觸桿在接觸過程中易變形，導致信號采集失敗，另外雜草和細樹枝也容易造成信號采集誤差，導致油缸伸縮不到位。

圖7 傳感器+STM32 單片機+觸桿的避障裝置

石河子大學朱站偉等[22]設計了一種三位四通液壓換向閥+觸桿的避障裝置（圖8）。該避障裝置設計理念和NARDI相同，當觸桿碰觸到障礙物時拉動三位四通液壓換向閥改變液壓流向，使避障油缸工作，實現自動避障。該機結構簡單、易調節，但三位四通液壓換向閥有中間位置，造成避障響應時間過長，導致漏空距離長，當機具行進速度過快時漏空距離更長，且該避障裝置適用于堅硬的障礙物，若障礙物為柔軟類，則避障效果不明顯。

圖8 三位四通液壓換向閥+觸桿的避障裝置

3 存在的問題與展望

3.1 存在的問題

近年來，隨著葡萄產業的升級發展，各式各樣的葡萄清土扒藤機涌現出來，在一定程度上解決了葡萄清土扒藤勞動力短缺、勞動強度大、作業時間緊迫等問題，但從上文敘述的以刮板、絞龍、刮板+葉輪+絞龍、刮刷組合式為關鍵清土部件的4種機具類型來看，各類型機具在進行清土扒藤作業時都存在亟待考慮和改善的制約因素。

（1）葡萄園使用的埋藤機具不統一加上土壤環境的影響造成葡萄行間不平整、埋藤土壟高度不一致，使得扒藤機械無法平穩工作，導致清土不徹底、傷藤，影響扒藤機械工作效率。

（2）葡萄園的建設不標準，大功率機械無法進入，因此清土扒藤機械一般都選擇較小功率驅動，導致扒藤機械功率不足，當埋藤土壟過厚時機具無法正常工作。

（3）葡萄藤都埋于水泥柱之間，扒藤機械無高效的自動避障裝置，扒藤作業效率低。

（4）清土扒藤機械采用的避障裝置對避障觸桿的依賴性強且避障后漏空距離大，當清土扒藤機械行進速度過快時會導致漏空距離更大。

（5）目前所有的清土扒藤機械的自動化和智能化程度都較低，作業時都需要人工輔助。

3.2 展望

結合葡萄清土扒藤機械在使用過程中碰到的問題，要徹底解決扒藤機械自動化程度低、效率低及易傷藤等問題總的來說還要從農機與農藝的融合角度綜合考量。

在農藝方面，加大葡萄標準園建設及改建和園區作業機具的標準化使用以及操作工人的培訓，做好園區行間的平整，便于大功率機械進入，埋藤土壟高度一致，為后續扒藤作業做好鋪墊。

在農機方面，加大對高效自動避障裝置的研發。上述清土扒藤機械自動避障裝置都是先采用觸桿與障礙物接觸，然后再進行避障，這就很依賴觸桿的觸發效果。高效穩定的避障裝置是清土扒藤機械高質量清土作業及智能化的核心，因此，為擺脫對觸桿的依賴，可設計一種非接觸式電控自動避障裝置，利用測距雷達和伺服電缸代替觸桿和液壓油缸，通過PLC 控制避障過程的實施，在體現節能環保的同時實現扒藤機械高效化和智能化。

4 結論

從葡萄的整個生產管理來看，葡萄春季扒藤作業是整個生產管理過程中機械化程度最低、勞動強度最大的環節。本文闡述了目前葡萄藤春季扒藤機及關鍵部件避障裝置的發展現狀，通過對不同關鍵部件的對比，總結了各種機型的特點，研制高效穩定的智能化避障裝置是葡萄清土扒藤機械化、智能化發展的重要因素。總之，葡萄扒藤機械化的發展離不開農機與農藝的融合，最關鍵的是還要與先進的智能裝備結合，只有二者緊密結合，葡萄扒藤機械才有更大的發展空間，才能更好地促進葡萄產業化的發展。