新疆釀酒葡萄振動采收裝置設計與試驗

蒙賀偉，李成松，坎 雜，李亞萍

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

?

新疆釀酒葡萄振動采收裝置設計與試驗

蒙賀偉，李成松，坎 雜，李亞萍

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

釀酒葡萄收獲具有季節(jié)性強、占用勞動量大等特點，而機械化采收是釀酒葡萄收獲的必然趨勢。為此，針對新疆釀酒葡萄種植特點及采收作業(yè)要求，在測定了釀酒葡萄果蒂連接力的基礎上，設計了一種由牽引架、工作部件和驅(qū)動部件等組成的釀酒葡萄振動采收裝置，確定了其工作參數(shù)及關鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進行了初步試驗。結(jié)果表明：采用振動原理開展釀酒葡萄采收作業(yè)在技術層面是可行的，裝置的研究為釀酒葡萄收獲機的研制提供一定的理論與技術基礎。

釀酒葡萄；振動；采收

0 引言

釀酒葡萄收獲具有季節(jié)性強、占用勞動量大等特點。目前，美國、法國、德國、意大利等世界發(fā)達國家已基本實現(xiàn)機械化收獲，其機械裝備和應用技術在世界處于領先地位；而我國釀酒葡萄收獲還完全依靠人工，勞動強度大、生產(chǎn)效率低，且釀酒葡萄收獲時間與新疆主要經(jīng)濟作物棉花、番茄等收獲期重疊，導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，機械化采收已成為釀酒葡萄收獲的必然趨勢[1]。

針對果品的收獲機械主要有氣力式和機械式兩種類型[2-3]，機械式以振動式收獲為主。目前，國外開展振動收獲研究的有Korneckin、Peterson、Firma Weremczuk公司[4-8]；國內(nèi)有王業(yè)成、陳海、王長勤、杜小強、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的采收裝置研究。

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

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

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

1.牽引架 2.工作部件機架 3.工作部件 4.驅(qū)動部件

1.2 工作原理

工作時，裝置由拖拉機側(cè)懸掛牽引前進，工作部件騎跨在葡萄行間，其前部可將葡萄植株收攏，后部對葡萄植株進行壓縮，驅(qū)動部件驅(qū)動工作部件產(chǎn)生規(guī)律性振動，從而將釀酒葡萄從葡萄植株上振落，實現(xiàn)葡萄的采收作業(yè)。裝置可通過調(diào)整工作部件間距實現(xiàn)對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)動部件結(jié)構(gòu)尺寸及電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)。

2 釀酒葡萄連接力測定

采收裝置主要作業(yè)對象為釀酒葡萄果穗。工作過程中，當裝置產(chǎn)生的強迫振動傳遞至葡萄果穗時，果穗上的果粒將以一定的振幅和頻率運動；當振動產(chǎn)生的慣性力大于果-蒂連接力時，葡萄果粒實現(xiàn)分離。資料顯示，果實振動運動情況主要有6種[18]，如圖2所示。由于葡萄果粒單質(zhì)量較小而果柄相對較粗，因此葡萄果粒的主要運動形式為擺動。在此基礎上，以新疆廣泛種植的釀酒葡萄品種赤霞珠作為試驗對象，對其連接力進行了測定。

圖2 強迫振動下葡萄果粒的運動形式

2.1 測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)采用TY8000型測力儀器進行測量，其主要由傳感器、卡具、工作臺及計算機等組成，如圖3所示。

1.工作平臺 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，設置孔徑為5mm。

2.2 試驗安排

試驗時，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，通過計算機控制卡具2以一定速度向上運動，直到葡萄粒同果梗分開，測定此時的拉力值即為連接力。利用試驗測控系統(tǒng)V1.0軟件(圖4)，以一組30粒進行試驗，并對相關數(shù)據(jù)進行實時觀察、記錄及繪制曲線。

圖4 試驗測控系統(tǒng)V1.0軟件界面

2.3 試驗結(jié)果

單粒葡萄果蒂分離時拉力—位移變化曲線如圖5所示，一組30粒葡萄果蒂分離時拉力—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，當達到葡萄粒同其果蒂分離臨界拉力后，拉力下降，并實現(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)計結(jié)果如表1所示。

表1 連接力分組統(tǒng)計結(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，設計過程中葡萄果蒂連接力取13～19N。

3 關鍵工作參數(shù)確定

工作部件主要由下端擺動支撐件、下端水平間距調(diào)節(jié)部件、肋條、中樞擺動梁、上端水平間距調(diào)節(jié)部件及上端擺動支撐件等組成，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其進行振動，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，通過其振動使葡萄果粒脫落。對于其安裝位置，需充分考慮釀酒葡萄栽培管理技術要求及葡萄串的生長形態(tài)，且要求安裝在葡萄串集中區(qū)域中相對不集中的位置，從而即保證葡萄果實生長集中區(qū)域產(chǎn)生較大的振動，又能減少工作部件與葡萄果實的接觸，降低葡萄破損率。

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

3.2 振幅最大值確定

肋條運動極限位置圖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10cm的方形，則方形邊長設為10cm；圓形代表葡萄串，赤霞珠果穗直徑按7.14～7.98cm[18]，則圓形直徑設為8cm。由圖8可知：肋條處于中間位置時間距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 肋條運動極限位置圖

3.3 頻率最大值確定

針對釀酒葡萄的振動分析，可得振動采收條件下釀酒葡萄果實脫落條件為

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幅度(mm)；

ω′—葡萄粒果梗末端振動頻率(次/min)；

l—葡萄粒果梗長度(mm)；

F0—葡萄粒同果蒂連接力，根據(jù)前期試驗結(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，計算可得振動頻率為467～564次/min，頻率的調(diào)節(jié)通過變頻器調(diào)整電機實現(xiàn)。

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

4 結(jié)論

1)針對新疆釀酒葡萄種植特點及采收作業(yè)要求，在測定釀酒葡萄果蒂連接力的基礎上，設計了一種由牽引架、工作部件和驅(qū)動部件等組成的釀酒葡萄振動采收裝置。

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，并進行了初步試驗。結(jié)果表明：采用振動原理開展釀酒葡萄采收作業(yè)技術原理可行，裝置的研究可為釀酒葡萄收獲機的研制提供一定的理論與技術基礎。

[1] 趙中華 .新疆葡萄生產(chǎn)機械應用現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].農(nóng)業(yè)技術與裝備,2008(4):33-34.

[2] 胡志超,田立佳,彭寶良,等.國內(nèi)外葡萄生產(chǎn)機械化的研究與應用[J].農(nóng)業(yè)機械,2005(9):62-63.

[3] 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(nóng)業(yè)科學,2013,41(11):404-406.

[4] Peterson D L.Mechanical harvester for process oranges[J].Applied Engineering in Agriculture,1998,14(5):455-458.

[5] Sanders K F.Selective Picking Head for Citrus Harvester[J].Biosystems Engineering,2005,90(3):279-287.

[6] S K J.Udumala Savary.Study of force distribution in the citrus tree canopy during harvest using acontinuous canopy shaker[J].Computers and Electronics in Agriculture,2011,(76):51-58.

[7] Peterson D L.Fresh market quality tree fruit harvester[J].American Society of Agricultural Engineers,2003,19(5):539-543.

[8] Firma Weremczuk.Producent maszyn dla sadownictwa iwarzywnictwa[EB/OL].(2015-03-12).http://weremczukagro.pl/index.php/default/article_a/natalia-v-6372.

[9] 王業(yè)成,陳海濤,林青.黑加侖采收裝置參數(shù)的優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(3)：79-83.

[10] 王長勤,許林云,周宏平,等.偏心式林果振動才收集的研制與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(16):10-16.

[11] Du X Q, Chen D, Zhang Q, et al. Response of UFO (Upright Fruiting Offshoots) on cherry trees to mechanical harvest by dynamic vibratory excitation[J].Transactions of the ASABE, 2013, 56(2):345-354.

[12] Du X Qg, Chen D, Zhang Q, et al. Dynamic responses of sweet cherry trees under vibratory excitations[J].Biosystems Engineering, 2012, 111(3):305-314.

[13] 劉魏.振動式藍莓采摘裝置工作參數(shù)的試驗研究[D].哈爾濱:東北農(nóng)業(yè)大學,2014.

[14] 鮑玉冬,李志鵬,郭艷玲,等.振動式藍莓采摘機對果實收獲的影響試驗[J].湖南農(nóng)業(yè)大學學報:自然科學版,2014,40(1):96-100.

[15] 梁月,殷麗強,Chagnon Roger,等.收獲沙棘振動器試驗研究[J].國際沙棘研究與開發(fā),2009(4):32-38.

[16] 王敏,曹肆林,何義川,等.機械振動式沙棘采收機的試驗研究[J].農(nóng)機化研究,2013,35(9):202-204.

[17] 瞿維.杏果樹振動機理的實驗研究[D].烏魯木齊:新疆大學,2014.

[18] 王殿九.振動采果機的振動參數(shù)和卡箍器[J].糧油加工與食品機械,1981(2):19,40-44.

[19] 李紅娟.法引釀酒葡萄品麗珠、赤霞珠營養(yǎng)系研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學,2004.Abstract ID:1003-188X(2017)10-0042-EA

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

國家自然科學基金項目(51465051)；新疆生產(chǎn)建設兵團工業(yè)科技攻關計劃項目(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