王 哲，王麗紅，付 威，江英蘭，坎 雜，李成松

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

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釀酒葡萄修剪裝置的設(shè)計

王 哲，王麗紅，付 威，江英蘭，坎 雜，李成松

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

釀酒葡萄修剪作業(yè)直接影響釀酒葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)。為此，針對新疆釀酒葡萄人工修剪勞動強(qiáng)度大、效率低、費(fèi)用高等問題，結(jié)合新疆釀酒葡萄的種植模式和修剪要求，設(shè)計了一種釀酒葡萄修剪裝置。介紹了修剪裝置的整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理，并對旋轉(zhuǎn)刀刀盤進(jìn)行了運(yùn)動分析，理論分析表明：當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度為6km/h、旋轉(zhuǎn)刀刀盤半徑為200mm、刀片長度為20mm、刀片數(shù)量為4及旋轉(zhuǎn)刀刀盤轉(zhuǎn)速為2 000r/min時，該修剪裝置可以滿足釀酒葡萄的修剪要求。同時，通過AMESim液壓仿真軟件對修剪裝置液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了修剪裝置液壓系統(tǒng)的可行性。

釀酒葡萄；修剪裝置；旋轉(zhuǎn)刀盤；液壓系統(tǒng)；仿真分析

0 引言

葡萄為葡萄科，是世界上栽培最早、種植面積分布最廣的果樹之一[1]。2014年中國釀酒葡萄的種植面積達(dá)到7.99萬hm2，占世界總種植面積的10.6%，種植面積世界第二，僅次于西班牙[2]。新疆依托資源優(yōu)勢和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，葡萄產(chǎn)業(yè)得到了快速健康的發(fā)展，2015年新疆釀酒葡萄種植面積已超過3.3萬hm2[3]。釀酒葡萄對果實(shí)含糖量、含酸量、色澤具有特殊要求，葡萄正常生長需要良好的光照和通風(fēng)條件[4]。在自然情況下葡萄植株的枝蔓密布，受極性現(xiàn)象制約，養(yǎng)分大部分消耗于營養(yǎng)生長，為提高釀酒葡萄產(chǎn)量和品質(zhì)，改善葡萄園通風(fēng)透光條件，使?fàn)I養(yǎng)集中于結(jié)果梢上，對釀酒葡萄進(jìn)行科學(xué)的修剪尤為重要[4-7]。

國外葡萄產(chǎn)區(qū)主要集中于美國、法國、意大利和西班牙等，葡萄的栽培技術(shù)比較先進(jìn)，生產(chǎn)管理規(guī)范，已實(shí)現(xiàn)了葡萄修剪的機(jī)械化[8]。我國葡萄的種植區(qū)域分布廣泛，地形地貌多樣，種植模式也多種多樣，限制了葡萄生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展[8]。目前，國內(nèi)修剪機(jī)械的發(fā)展比較緩慢，研發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量少，種類單一，與國外發(fā)展水平還有很大差距，修剪作業(yè)主要以單支修剪機(jī)為主[9]。為此，本裝置參考國外多種修剪機(jī)先進(jìn)機(jī)型，并考慮修剪機(jī)的修剪質(zhì)量和作業(yè)效率等因素，設(shè)計了一種適用于釀酒葡萄機(jī)械化修剪的裝置。該裝置可以有效地調(diào)節(jié)釀酒葡萄修剪的高度和寬度，從而大幅減輕人工修剪的勞動強(qiáng)度，減少人工花費(fèi)，顯著地提高釀酒葡萄修剪的效率。

1 總體方案及技術(shù)參數(shù)

1.1 種植模式及農(nóng)藝要求

釀酒葡萄種植模式主要分為籬架式、柱架式和棚架式，新疆釀酒葡萄種植模式主要為單臂籬架種植模式，如圖1所示。立柱多為實(shí)心水泥樹樁，少數(shù)采用空心鋁制方管，埋入地下部分不少于500mm，國外發(fā)達(dá)國家釀酒葡萄立柱多采用木質(zhì)立柱樹樁。新疆釀酒葡萄栽培一般為2 000mm×3 000mm(行高×行距)，株距500mm，樁距6 000mm，普通釀酒葡萄葉幕寬度大于1 000mm，高度2 000mm左右。新疆釀酒葡萄種植模式與國外相比具有修剪寬度較寬，釀酒葡萄藤下部枝條較多且葡萄藤根部與水泥立柱間存在間距等特點(diǎn)。

圖1 釀酒葡萄種植模式Fig.1 Ridge planting pattern of wine grape

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

本裝置針對新疆釀酒葡萄的種植模式和農(nóng)藝要求，考慮釀酒葡萄修剪機(jī)的修剪質(zhì)量和作業(yè)效率等因素，選擇為拖拉機(jī)前懸掛掛接方式。釀酒葡萄修剪裝置主要由機(jī)架、旋轉(zhuǎn)刀總成、液壓馬達(dá)和液壓油缸等部分組成，如圖2所示。

1.連接件 2.水平橫梁 3.豎直伸縮套 4.豎直伸縮梁 5.水平伸縮套 6.豎直液壓油缸 7.水平伸縮梁 8.水平液壓油缸 9.液壓馬達(dá) 10.豎直梁 11.旋轉(zhuǎn)刀總成圖2 修剪裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of trimming device

豎直伸縮套與豎直伸縮梁、水平伸縮套與水平伸縮量之間分別以套合的形式進(jìn)行連接并且安裝有液壓油缸6和8，可以實(shí)現(xiàn)修剪裝置豎直與水平方向上的位置調(diào)節(jié)。豎直方向上液壓馬達(dá)支架和3組旋轉(zhuǎn)刀總成通過螺栓安裝于豎直梁上；水平方向上液壓馬達(dá)支架通過螺栓安裝在水平伸縮梁上且水平方向上液壓馬達(dá)主軸與旋轉(zhuǎn)刀刀盤相配合。

該修剪裝置通過連接件安裝于拖拉機(jī)前端，水平橫梁通過鋼絲繩與拖拉機(jī)前橋相連接，以保證修剪裝置的穩(wěn)定性。液壓油缸、液壓馬達(dá)動力由拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)提供。作業(yè)時，根據(jù)釀酒葡萄修剪的農(nóng)藝要求，通過拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)驅(qū)動豎直伸縮梁的升降和水平伸縮梁的伸縮分別實(shí)現(xiàn)修剪高度和寬度的調(diào)節(jié)。同時，拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)將動力傳至兩個液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的高速轉(zhuǎn)動。其中，豎直方向上的液壓馬達(dá)通過V型帶將動力分配至3組旋轉(zhuǎn)刀的皮帶輪上帶動旋轉(zhuǎn)刀高速旋轉(zhuǎn)；水平方向上液壓馬達(dá)主軸安裝有旋轉(zhuǎn)刀盤，通過液壓馬達(dá)主軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)刀盤高速轉(zhuǎn)動，在刀盤的高速轉(zhuǎn)動下將釀酒葡萄枝條切除。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)新疆釀酒葡萄的種植模式和農(nóng)藝要求，釀酒葡萄修剪裝置主要技術(shù)指標(biāo)，如表 1 所示。釀酒葡萄修剪機(jī)為單側(cè)修剪可以通過兩次修剪實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄的修剪工作。

表1 修剪裝置主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Trimming device main technical parameters

2 關(guān)鍵工作部件結(jié)構(gòu)及刀盤運(yùn)動分析

旋轉(zhuǎn)刀總成為釀酒葡萄修剪裝置的關(guān)鍵工作部件，主要作用是將釀酒葡萄枝切除保證釀酒葡萄的修剪質(zhì)量。旋轉(zhuǎn)刀切割器的切割速度和刀片結(jié)構(gòu)是影響釀酒葡萄修剪質(zhì)量的重要因素。

2.1 旋轉(zhuǎn)刀總成結(jié)構(gòu)

根據(jù)釀酒葡萄的種植模式和機(jī)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本修剪裝置采用旋轉(zhuǎn)刀切割器進(jìn)行修剪作業(yè)。旋轉(zhuǎn)刀總成主要由軸承座、刀盤、刀片、主軸、法蘭盤及端蓋等組成，如圖3所示。

1.皮帶輪 2.端蓋 3.軸承座 4.刀盤 5.刀片 6.螺栓 7.主軸 8.法蘭盤圖3 旋轉(zhuǎn)刀總成Fig.3 The assembly of rotating cutter

旋轉(zhuǎn)刀刀盤半徑為200mm，單個刀片長度為20mm，豎直方向上3組旋轉(zhuǎn)刀并排，旋轉(zhuǎn)刀修剪總幅寬為1 320mm，大于釀酒葡萄修剪總幅寬1 200mm[10-11]，滿足釀酒葡萄修剪幅寬要求。刀盤與法蘭盤之間采用螺栓連接，主軸與法蘭盤之間過盈配合并采用螺栓安裝定位。皮帶輪、刀盤與主軸同步轉(zhuǎn)動，刀片將葡萄枝切除。傳動系統(tǒng)采用V型皮帶傳動，軸承座通過螺栓安裝在機(jī)架上，以便于旋轉(zhuǎn)刀總成位置的調(diào)整和皮帶的緊固。

刀片的結(jié)構(gòu)直接影響修剪質(zhì)量和作業(yè)效率，旋轉(zhuǎn)刀刀片結(jié)構(gòu)如圖4所示。刀片經(jīng)熱處理加工制成，為保證刀片緊固，采用螺栓安裝定位。刀片刃口呈齒紋狀，從而增加了刀刃對葡萄枝的切割能力，減少了葡萄枝從刀片刃口中滑出的概率。同時，齒紋刃口有自磨刃現(xiàn)象，避免了光刃刀片因磨修所造成的工時損失或因磨修過熱退火造成刀片的變形而不能保持其原始硬度等問題。

圖4 刀片結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The structural of blade

2.2 刀盤運(yùn)動分析

刀片切割運(yùn)動由刀盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與拖拉機(jī)前進(jìn)運(yùn)動合成，刀片相對于地面做余擺線運(yùn)動。刀片頂點(diǎn)運(yùn)動軌跡如圖5所示。為便于分析刀盤的運(yùn)動過程，將刀盤的運(yùn)動簡化成運(yùn)動分析簡圖，設(shè)刀盤中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，水平向右為x軸，垂直方向(拖拉機(jī)前進(jìn)方向)為y軸，A、C點(diǎn)為刀片的根部，B、D點(diǎn)為刀片的頂點(diǎn)，刀片逆時針旋轉(zhuǎn)的角速度為ω，則相鄰刀片內(nèi)外端點(diǎn)A、B、C、D的位移方程如下：

第1個刀片內(nèi)側(cè)A點(diǎn)的位移方程為

(1)

式中r—刀盤半徑(m)；

α—刀片中心線與軸方向的夾角；

ω—刀盤旋轉(zhuǎn)角速度(r/min)；

t—刀盤轉(zhuǎn)動時間(s)；

v0—拖拉機(jī)前進(jìn)速度(m/s)。

第1個刀片外側(cè)B點(diǎn)的位移方程為

(2)

式中h—刀片高度。

第2個刀片內(nèi)側(cè)C點(diǎn)的位移方程為

(3)

第2個刀片外側(cè)D點(diǎn)的位移方程為

(4)

式中β—相鄰刀片之間的夾角。

圖5 刀刃運(yùn)動軌跡Fig.5 The blade trajectory

2.3 刀盤轉(zhuǎn)速確定

刀片運(yùn)動速度越大則釀酒葡萄枝的動能就越大，越有利于釀酒葡萄枝的切割；當(dāng)?shù)镀懈钏俣容^低時，釀酒葡萄枝將被推出刀片的工作區(qū)域。旋轉(zhuǎn)式切割器無支承切割時刀片根部最低極限速度為30m/s，刀片切割速度應(yīng)大于最低極限切割速度。根據(jù)夏季釀酒葡萄植物特性，刀片的切割速度取vc=40m/s[12]。刀盤在水平面內(nèi)運(yùn)動的速度分析如圖6所示。設(shè)旋轉(zhuǎn)刀中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，刀片的根部為A點(diǎn)，刀盤逆時針轉(zhuǎn)動角速度為ω，對A點(diǎn)進(jìn)行速度分析，則有

(5)

式中 va—拖拉機(jī)前進(jìn)速度，va=6km/h=1.67m/s；

vb—刀片線速度(m/s)；

vc—刀片切割速度(m/s)，取40；

r—刀片內(nèi)端半徑(m)，取0.2。

理論分析可知：刀盤轉(zhuǎn)速n≥1 830r/min時滿足修剪要求，根據(jù)實(shí)際使用要求取n=2 000r/min。

圖6 切割速度分析Fig.6 Cutting velocity analysis

2.4 刀片數(shù)的確定

刀片的運(yùn)動軌跡由多條余擺帶所構(gòu)成，單條帶寬近似為刀片長度h=20mm。刀片數(shù)根據(jù)單位時間內(nèi)拖拉機(jī)前進(jìn)距離H與單位時間內(nèi)m個刀片余擺帶的縱向?qū)挾戎拖嗟榷āt

H=mh

(6)

H=60va/n

(7)

式中 m—刀片數(shù)(片)；

H—余擺帶縱寬之和，拖拉機(jī)行走路程(m)。

由式(6)、式(7)可知刀片數(shù)為

考慮到刀片的加工制造和運(yùn)轉(zhuǎn)平衡等問題，刀片數(shù)量確定為4片，刀盤轉(zhuǎn)速確定為2 000r/min。

2.5 不漏割條件驗(yàn)算

刀片不漏割的條件為

(8)

所以，當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度為6km/h、刀盤半徑為200mm、刀片長度為20mm、刀片數(shù)量為4、刀盤轉(zhuǎn)速為2 000r/min時，可保證刀片修剪時不產(chǎn)生漏割現(xiàn)象。

3 修剪裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計

3.1 修剪裝置液壓原理圖

釀酒葡萄修剪裝置液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓馬達(dá)、液壓油缸、減壓閥和3個三位四通式換向閥等組成。方案原理圖如圖7所示。

1.油箱 2.過濾器 3.液壓泵 4.壓力表 5.三位四通式換向閥 6.液控單向閥 7.液壓油缸 8.液壓馬達(dá) 9.減壓閥 10.溢流閥 11.空氣濾清器 12.溫度計 13.液位計圖7 修剪裝置液壓系統(tǒng)原理圖Fig.7 Hydraulic system schematic diagram of trimming device

釀酒葡萄修剪裝置在進(jìn)行修剪作業(yè)時，由拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)帶動液壓泵工作，液壓泵將發(fā)動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能。當(dāng)3個三位四通式換向閥都處于中位時，回油系統(tǒng)不起作用。通過單獨(dú)控制兩個液壓油缸三位四通式的換向閥位置可以改變進(jìn)入液壓油缸的液壓油方向，從而控制液壓油缸的升降和左右移動，進(jìn)而保證釀酒葡萄修剪裝置的修剪高度和寬度的調(diào)節(jié)。減壓閥可以有效地控制兩串聯(lián)液壓馬達(dá)的工作壓力，保證兩液壓馬達(dá)在額定的工作壓力下工作。液壓油缸支路兩液控單向閥并聯(lián)，可以有效地對液壓油缸進(jìn)行鎖緊，保證修剪裝置運(yùn)行的安全性。

3.2 修剪裝置液壓系統(tǒng)仿真分析

AMESim為多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)建模與仿真平臺，基于直觀圖形界面平臺。在仿真過程中，仿真系統(tǒng)通過直觀的圖形界面展示出來。由于AMESim可以建立復(fù)雜的液壓系統(tǒng)模型而被廣大的用戶應(yīng)用于液壓系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中[14]。

3.2.1 建立修剪裝置液壓系統(tǒng)回路模型

為驗(yàn)證修剪裝置液壓系統(tǒng)的可行性，根據(jù)釀酒葡萄修剪裝置液壓原理圖，使用AMESim軟件對修剪裝置的液壓系統(tǒng)建模。首先建立液壓泵、液壓馬達(dá)、電磁換向閥、減壓閥、控制信號、傳感器和旋轉(zhuǎn)負(fù)載等仿真模型，并連接各個液壓元件構(gòu)成完整的液壓回路，如圖8所示。

1.油箱 2.過濾器 3.液壓泵 4.電動機(jī) 5.溢流閥 6.三位四通式電磁換向閥 7.電流信號系數(shù) 8.信號求和運(yùn)算器 9.控制信號 10.液控單向閥 11.單活塞桿油缸 12.位移傳感器 13.力傳感器 14.液壓馬達(dá) 15.力傳感器 16.旋轉(zhuǎn)負(fù)載 17.轉(zhuǎn)矩 18.減壓閥 19.液壓油圖8 液壓系統(tǒng)仿真模型圖Fig.8 Simulation model of hydraulic system

3.2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在AMESim液壓元件參數(shù)模式下，根據(jù)釀酒葡萄修剪裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)設(shè)定仿真系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)值如表2所示。除主要元件外，其余參數(shù)按仿真軟件默認(rèn)值處理。

表2 仿真主要參數(shù)Table 2 Main parameters of simulation

3.2.3 仿真結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證修剪裝置液壓系統(tǒng)模型的準(zhǔn)確性和可靠性，根據(jù)實(shí)際情況，并結(jié)合修剪裝置液壓系統(tǒng)的特征，對修剪裝置液壓系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真分析。仿真起始時間設(shè)置為0s，運(yùn)行時間設(shè)置為10s，時間間隔設(shè)置為0.01s，輸入控制信號值，信號輸出值(見圖9)，輸入數(shù)據(jù)運(yùn)行AMESim仿真。

圖9 信號輸出曲線Fig.9 Signal output curve

液壓馬達(dá)為修剪裝置的主要工作部件，利用AMESim仿真軟件對液壓馬達(dá)進(jìn)行仿真分析。由于修剪裝置液壓系統(tǒng)中兩液壓馬達(dá)串聯(lián)，兩液壓馬達(dá)的流量和轉(zhuǎn)速相同。由信號輸出值控制電磁閥方向，使電磁閥處于開啟狀態(tài)。利用AMESim軟件仿真后的液壓馬達(dá)流量和轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線，如圖10和圖11所示。

圖10 液壓馬達(dá)出口流量曲線Fig.10 Hydraulic motor export flow curve

圖11 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線Fig.11 Hydraulic motor speed curve

由圖10可以看出：當(dāng)加載控制信號時，液壓馬達(dá)流量在0～2s出現(xiàn)波動，在2～4s時波動減小，并在第4s以后液壓馬達(dá)流量趨于穩(wěn)定約為40L/min，此時液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為1 910r/min，滿足釀酒葡萄修剪裝置的旋轉(zhuǎn)刀刀盤轉(zhuǎn)速的設(shè)計要求，如圖11所示。由于液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線波動較小，馬達(dá)轉(zhuǎn)速在設(shè)計的合理范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了修剪裝置液壓馬達(dá)模型設(shè)計的合理性。

4 結(jié)論

1) 根據(jù)新疆釀酒葡萄的種植模式和修剪要求，設(shè)計了拖拉機(jī)前懸掛式釀酒葡萄修剪裝置，修剪高度可調(diào)、操作靈活，實(shí)現(xiàn)了釀酒葡萄的機(jī)械化修剪，為釀酒葡萄修剪裝置的改進(jìn)提供了依據(jù)。

2) 理論分析表明：當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度為6km/h、旋轉(zhuǎn)刀刀盤半徑為200mm、刀片長度為20mm、刀片數(shù)量為4，以及旋轉(zhuǎn)刀刀盤轉(zhuǎn)速為2 000r/min時，滿足釀酒葡萄的修剪要求。

3) 運(yùn)用AMESim液壓仿真軟件建立釀酒葡萄修剪裝置液壓系統(tǒng)模型，對液壓元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，進(jìn)行修剪裝置液壓系統(tǒng)仿真分析。仿真結(jié)果表明：液壓馬達(dá)流量為40L/min，馬達(dá)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 910r/min，滿足釀酒葡萄修剪裝置的旋轉(zhuǎn)刀刀盤轉(zhuǎn)速的設(shè)計要求。

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The Design of the Wine Grape Trimming Device

Wang Zhe, Wang Lihong, Fu Wei, Jiang Yinglan, Kan Za, Li Chengsong

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

Wine grape pruning operations directly affect the yield and quality of wine grapes.In this paper,according to the problems of labor intensity,low efficiency and high cost of Xinjiang wine grape,a wine grape trimming device is designed in combination with the planting pattern and trimming requirements of Xinjiang wine grape.Trimming device structure and working principle of the machine is introduced in this paper,and the motion analysis of rotating cutter.The theoretical analysis shows that when the speed of the tractor is 6km/h, the rotating cutter head radius is 20mm, the blade height of 20mm, number of blade is 4, the rotational speed of rotating cutter head for 2000r/min,the trimming device can meet the requirements of wine grape pruning. Through the hydraulic simulation software AMESim simulation analysis was carried out on the pruning device of the hydraulic system, proved the feasibility of pruning device of the hydraulic system.

wine grapes; trimming device; rotating cutter head; design; hydraulic system; simulation analysis

2016-03-03

國家自然科學(xué)基金項目(51465051)

王 哲(1991-)，男，新疆塔城人，碩士研究生，(E-mail)wz_shzu@163.com。

王麗紅(1975-)，女，河北邯鄲人，教授，博士，(E-mail)wlh_shz@163.com。

S224.1+49

A

1003-188X(2017)03-0105-06