葡萄清土與防寒布回收機(jī)械化技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望*

牛叢，馬帥，徐麗明，袁全春，王爍爍，袁訓(xùn)騰

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京市，100083)

0 引言

中國葡萄種植歷史悠久，截止2017年底中國葡萄種植面積為870 khm2，產(chǎn)量為1 308.3萬t，分別占全球葡萄總面積和總產(chǎn)量的11%和19%，葡萄種植面積和產(chǎn)量均居世界前列，在世界眾多葡萄生產(chǎn)國中占據(jù)重要地位[1]。中國葡萄種植主要集中在北方[2-3]，種植面積約占全國種植面積的四分之三。由于北方葡萄產(chǎn)區(qū)冬季寒冷干燥且多風(fēng)，容易造成葡萄藤凍害和風(fēng)干，因此多采用埋土方式使葡萄藤安全越冬，第二年春天清理葡萄藤上方覆蓋的防寒土并重新上架[4-6]。埋土防寒模式不利于后續(xù)清土作業(yè)，葡萄藤在土壟中分布復(fù)雜，現(xiàn)有葡萄清土機(jī)很難將覆土清理干凈，且容易損傷葡萄藤。新疆作為中國葡萄生產(chǎn)第一大省[7]，葡萄種植面積和產(chǎn)量約占全國的1/5，近年來，當(dāng)?shù)仄咸褕@改變傳統(tǒng)的埋土防寒模式，采取防寒布輔助埋土防寒以便更好地進(jìn)行春季清土作業(yè)。防寒布輔助埋土防寒模式即將防寒布鋪放在下架捆綁好的葡萄藤上，再以10～30 cm厚度的土壤覆蓋壓實(shí)[6]，該防寒模式比埋土防寒能夠起到更好的保溫保墑作用[8-14]；此外，可通過回收防寒布將覆土基本清理干凈并減少葡萄藤的損傷。因此，防寒布輔助埋土防寒的效果和影響均優(yōu)于單一埋土防寒。

防寒布輔助埋土防寒模式仍處于推廣應(yīng)用早期，北方葡萄種植區(qū)仍以埋土防寒為主，故現(xiàn)有作業(yè)機(jī)械以清土為主，很少涉及防寒布的回收，且作業(yè)效果不顯著，通用性較差。春季清土與防寒布回收作業(yè)仍以人工作業(yè)為主[8]，勞動強(qiáng)度大，效率低下，成本高，且葡萄清土起藤作業(yè)環(huán)節(jié)時效性強(qiáng)，過早過晚都不利于葡萄生長，因此亟需研究切實(shí)可行的葡萄清土與防寒布回收機(jī)。本文闡述了國內(nèi)外葡萄清土與防寒布回收機(jī)的主要類型、工作原理及特點(diǎn)，介紹了關(guān)鍵作業(yè)部件的主要類型、作業(yè)原理和特點(diǎn)，從農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)兩個方面提出了機(jī)械化發(fā)展的制約因素和現(xiàn)有機(jī)具存在的問題，并提出了相應(yīng)的解決措施，為葡萄清土與防寒布回收機(jī)的發(fā)展提供參考與借鑒。

1 葡萄清土與防寒布回收機(jī)研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外葡萄主產(chǎn)國如法國、意大利、美國等地區(qū)，主要集中在溫帶及亞熱帶區(qū)域，全年氣候溫和，適宜葡萄生長，因此葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，形成了統(tǒng)一、規(guī)范的種植和管理模式，從而促進(jìn)了機(jī)械化、自動化生產(chǎn)裝備的應(yīng)用與發(fā)展，主要集中在收獲與植保等領(lǐng)域[15-16]。由于其冬季不會造成葡萄藤凍害和風(fēng)干，因此不需要進(jìn)行冬季埋藤和春季清土起藤作業(yè)，故未見葡萄清土和防寒布回收機(jī)的相關(guān)研究[17-19]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

由于防寒布輔助埋土防寒模式推廣應(yīng)用并不普及，故葡萄清土與防寒布回收機(jī)種類較少，根據(jù)防寒布卷收輥位置主要分為2類，第1類為壟上作業(yè)機(jī)械，卷布輥位于防寒土壟正上方；第2類為壟行作業(yè)機(jī)械，卷布輥偏離土壟，基本位于葡萄行間。

1.2.1 壟上作業(yè)機(jī)械

壟上作業(yè)式葡萄清土與防寒布回收機(jī)的特點(diǎn)是清土徹底，防寒布卷收平整，但清土機(jī)構(gòu)與防寒布卷收機(jī)構(gòu)必須協(xié)同作業(yè)，任一機(jī)構(gòu)都無法單獨(dú)完成全部作業(yè)過程。若無清土機(jī)構(gòu)連續(xù)清理防寒土，防寒布會因其前方壅土過多導(dǎo)致卷收阻力過大而被拉斷；若無卷布機(jī)構(gòu)將防寒布上方覆土持續(xù)輸送到清土部件的清土范圍內(nèi)，則會導(dǎo)致清土不徹底。

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)的謝冬等[20]設(shè)計了一種葡萄藤清土機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)主視圖

拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連，拖拉機(jī)輸出的動力經(jīng)變速箱分別驅(qū)動橫向輸土攪龍、徑變攪龍和棚膜卷收桿轉(zhuǎn)動。作業(yè)前，人工將防寒布一端纏繞在棚膜卷收桿上；作業(yè)時，拖拉機(jī)牽引機(jī)具前進(jìn)，棚膜卷收桿轉(zhuǎn)動卷收防寒布，張緊的防寒布將其上方覆土向正前方推送，防寒土透過保護(hù)網(wǎng)孔隙被徑變攪龍輸送到行間，橫向輸土攪龍將清理到行間的防寒土均勻平鋪在行間。該清土機(jī)作業(yè)效果較好，清土較為徹底，能夠?qū)崿F(xiàn)防寒布的卷收且不易損傷葡萄藤；但隨卷布輥外周直徑變大，線速度逐漸增大，行進(jìn)速度難以與其相匹配，可能造成防寒布上壅土過多使其卷收阻力過大，或卷收速度過快而被拉斷；不同葡萄地土壟形狀尺寸各異，保護(hù)網(wǎng)結(jié)構(gòu)固定，適應(yīng)性差，導(dǎo)致清土不徹底。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)的劉松[21]設(shè)計了一種圓錐螺旋式入春葡萄挖藤機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連，拖拉機(jī)輸出的動力經(jīng)變速箱直接驅(qū)動圓錐螺旋攪龍旋轉(zhuǎn)，地輪通過鏈傳動帶動收膜輥轉(zhuǎn)動。作業(yè)前，人工將防寒布一端纏繞在收膜輥軸上；作業(yè)時，拖拉機(jī)牽引機(jī)具前進(jìn)，地輪轉(zhuǎn)動帶動收膜輥軸轉(zhuǎn)動卷收防寒布，張緊的防寒布將其上方覆土向前推送至圓錐螺旋攪龍的清土范圍內(nèi)，直徑中間小兩端大的圓錐螺旋攪龍轉(zhuǎn)動將防寒土連續(xù)輸送到兩側(cè)行間。該機(jī)具與謝東等[20]設(shè)計的葡萄藤清土機(jī)結(jié)構(gòu)和作業(yè)原理相似，清土較為徹底，但圓錐螺旋攪龍外側(cè)沒有保護(hù)網(wǎng)，觸藤時容易損毀防寒布并損傷葡萄藤；若防寒布上方壅土過多導(dǎo)致卷收阻力增大時，地輪容易停止轉(zhuǎn)動，無法正常卷收防寒布；隨收膜輥外周直徑增大，線速度增大，同樣存在與行進(jìn)速度不匹配問題。

圖2 圓錐螺旋式入春葡萄挖藤機(jī)

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的徐麗明等[22]設(shè)計了一種葡萄埋藤用的彩條布清土回收機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連，輸出的動力通過帶傳動驅(qū)動液壓泵工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能分別驅(qū)動清土攪龍和卷布輥轉(zhuǎn)動。作業(yè)前，人工將彩條布一端纏繞在卷布輥上；作業(yè)時，拖拉機(jī)牽引機(jī)器前進(jìn)，刮土鏟首先清理上層覆土，卷布輥轉(zhuǎn)動卷收防寒布，毛刷輥清理粘附在彩條布上的覆土，張緊的防寒布將其上剩余覆土向正前方推送，清土攪龍將進(jìn)入清土范圍的防寒土連續(xù)輸送到行間。該機(jī)具作業(yè)部件由整套液壓系統(tǒng)驅(qū)動，成本高，消耗動力大。該機(jī)具與前述兩種壟上作業(yè)機(jī)械[20-21]的結(jié)構(gòu)和原理相似，刮土板清除上層覆土為后方攪龍清土和防寒布卷收減輕阻力；以整套液壓系統(tǒng)驅(qū)動作業(yè)部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；剛性清土部件與防寒布直接接觸，易損毀防寒布并損傷葡萄藤。

圖3 彩條布清土回收機(jī)

作業(yè)方式?jīng)Q定了不同壟上作業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)與工作原理相似，且結(jié)構(gòu)較為單一，只有連續(xù)橫向輸送防寒土的攪龍與卷布輥配合才能完成葡萄清土與防寒布回收作業(yè)；其他形式清土部件僅輔助清理防寒土，減輕防寒布卷收阻力；水泥柱一側(cè)埋藤是采用防寒布輔助埋土防寒模式的前提，而現(xiàn)有的壟上作業(yè)機(jī)械均為單邊作業(yè)機(jī)械，作業(yè)返程時存在空行程、空跑行問題，浪費(fèi)時間和動力。

1.2.2 壟行作業(yè)機(jī)械

壟行作業(yè)式葡萄清土與防寒布回收機(jī)的特點(diǎn)是清土徹底，防寒布卷收機(jī)構(gòu)可單獨(dú)完成清土和防寒布回收兩項(xiàng)作業(yè)，但防寒布不易卷收平整，且對防寒布質(zhì)量要求較高。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的牛叢等[19]研制了一種籬架式葡萄藤冬季埋土清除與防寒布回收機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 葡萄冬季埋土清除與防寒布回收機(jī)

拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連，輸出的動力通過帶傳動驅(qū)動液壓泵工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能驅(qū)動清土馬達(dá)、卷收馬達(dá)和液壓缸工作。作業(yè)前，人工將彩條布一端從后方穿過換向支架，穿過兩個清土毛刷輥縫隙纏繞在卷布輥上；作業(yè)時，拖拉機(jī)牽引機(jī)器前進(jìn)，刮土板首先清理葡萄藤上方覆土，清土葉輪轉(zhuǎn)動進(jìn)一步清除上方覆土，卷布輥轉(zhuǎn)動卷收防寒布，毛刷輥清理粘附在彩條布上的覆土，張緊的防寒布將其上剩余覆土傾斜拉扯到行間。該機(jī)具通過換向支架將防寒布由葡萄藤正上方平行換向到卷布輥正后方，便于實(shí)現(xiàn)防寒布的平整卷收，但防寒布在卷收時受力不均勻，容易在換向支架拐角處堆積，且卷收輥轉(zhuǎn)速難以與行進(jìn)速度相匹配，不易實(shí)現(xiàn)防寒布的平整卷收；清土部件清土量大，為防寒布回收減輕阻力，但剛性部件容易損壞防寒布并損傷葡萄藤。

2 葡萄清土與防寒布回收機(jī)關(guān)鍵部件分析

2.1 清土機(jī)構(gòu)

針對壟上作業(yè)式葡萄清土與防寒布回收機(jī)，防寒布僅向作業(yè)前方推送防寒土，防寒土清除均由清土機(jī)構(gòu)完成，要求防寒土從清土機(jī)構(gòu)作業(yè)前方和后方均能進(jìn)入其清土范圍，清土機(jī)構(gòu)受作業(yè)方式影響較大，結(jié)構(gòu)較為單一，常用螺旋攪龍式[20-22]清土部件。針對壟行作業(yè)式葡萄清土與防寒布回收機(jī)，其清土機(jī)構(gòu)只需清理部分覆土，防寒布輔助清理剩余覆土，清土機(jī)構(gòu)受作業(yè)方式影響較小，可采用葡萄清土機(jī)常用的清土機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)多樣，包括刮板式、鏈板式、旋轉(zhuǎn)式、氣吹式和組合式等。

2.1.1 刮板式清土機(jī)構(gòu)

刮板式清土部件結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，作業(yè)速度較快，應(yīng)用較為廣泛；但清土不徹底，且為剛性結(jié)構(gòu)，作業(yè)時容易刮傷葡萄藤。

白洪君[23]設(shè)計了一種防阻振動式清土鏟，結(jié)構(gòu)如圖5所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)牽引機(jī)器前進(jìn)，地輪轉(zhuǎn)動破碎板結(jié)的表層土；振動器使清土鏟邊振動邊入土；清土鏟觸碰到葡萄藤時受到阻力增大，在彈簧作用下向后上方彈起避開葡萄藤，減少對葡萄藤的損傷。該清土鏟結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，利用振動器產(chǎn)生振動入土效果，可減輕入土阻力；但彈簧式緩沖避障機(jī)構(gòu)在葡萄藤分布復(fù)雜的土壟中避障減損效果不顯著，且該清土鏟僅清理葡萄藤上方覆土，在有水泥柱的葡萄地里難以應(yīng)用。

圖5 防阻振動式清土鏟

寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院的曾保寧等[24]研制了一種葡萄起藤機(jī)，整機(jī)呈對稱結(jié)構(gòu)，如圖6所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連接并牽引機(jī)具前進(jìn)，前部的左、右鏟土犁將土壟行內(nèi)側(cè)的土切下并向行間翻垡，后部的左、右刮板將土垡向行中間推送、起壟或整平。該起藤機(jī)為雙邊作業(yè)機(jī)械，適用于水泥柱間埋藤的葡萄園，清土效率較高；但作業(yè)幅寬不隨土壟形狀和位置的變化以及機(jī)具直線行走的偏差而調(diào)整，清土不徹底，容易損傷葡萄藤；拖拉機(jī)手需要同時兼顧兩側(cè)清土狀況，對駕駛技術(shù)具有較高的要求。

圖6 葡萄起藤機(jī)

陳智等[25]設(shè)計了一種葡萄藤自動避讓全向除土機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連并牽引機(jī)具前進(jìn)，液壓缸伸縮以調(diào)節(jié)側(cè)邊刮板的左右位置、柱間刮板的作業(yè)角度以及限深輪的高度；側(cè)邊刮板將土壟側(cè)邊土刮至左側(cè)行間，柱間刮板將土壟上方土刮至右側(cè)行間；當(dāng)障礙物探測裝置檢測到水泥柱時，避障油缸伸縮調(diào)節(jié)柱間刮板作業(yè)角度實(shí)現(xiàn)避障作業(yè)。該機(jī)具結(jié)構(gòu)較為簡單，適用于水泥柱中間埋藤的葡萄園，可同時清理葡萄藤上方覆土和側(cè)邊覆土，清土范圍大；整套液壓系統(tǒng)僅驅(qū)動液壓缸伸縮，成本較高，且刮板為剛性部件，容易損傷葡萄藤。

圖7 葡萄藤自動避讓全向除土機(jī)

部分地區(qū)采用往復(fù)式刮板進(jìn)行清土作業(yè)，如圖8所示。

圖8 往復(fù)式刮板作業(yè)示意圖

刮板的往復(fù)動作由液壓缸驅(qū)動，人為控制刮板作業(yè)位置和深度。作業(yè)時，人工操作液壓閥控制液壓缸伸縮，帶動刮土板實(shí)現(xiàn)高推送、低收縮的往復(fù)動作，以刮除土壟上方覆土并減少推動過程中對葡萄藤的損傷，清土量較大。但刮板作業(yè)位置和深度的控制受人為因素影響較大，作業(yè)不穩(wěn)定，容易損傷葡萄藤；作業(yè)時需要協(xié)調(diào)控制多個液壓閥，操作不易；刮板的往復(fù)動作中推送為空行程，降低了作業(yè)效率；清土作業(yè)為間斷式，作業(yè)速度較慢。

2.1.2 鏈條式清土機(jī)構(gòu)

王茂博[26]設(shè)計了一種鏈條式葡萄覆土清除機(jī)，利用鏈條原理在鏈條外周安裝刮板構(gòu)成清土鏈板，結(jié)構(gòu)如圖9所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連并牽引機(jī)具前進(jìn)，液壓缸伸縮調(diào)節(jié)清土臂的位置，使清土鏈板處于合適的作業(yè)位置，拖拉機(jī)輸出的動力經(jīng)主動軸和鏈傳動驅(qū)動清土鏈板工作，其上刮板將葡萄藤上方覆土清理至行間。該清土機(jī)為雙邊作業(yè)機(jī)械，適用于水泥柱間埋藤的葡萄園，清土量大；但防寒土難以進(jìn)入清土鏈板的清土范圍造成防寒土壅積，且作業(yè)速度受鏈板轉(zhuǎn)速限制，轉(zhuǎn)速過高時容易損傷葡萄藤。

圖9 鏈條式葡萄覆土清除機(jī)

2.1.3 旋轉(zhuǎn)式清土機(jī)構(gòu)

河北科技師范學(xué)院的李法鍵[17]設(shè)計了一種葡萄園防寒土清除機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖10所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連并牽引機(jī)具前進(jìn)，輸出的動力經(jīng)變速箱傳遞至液壓泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能驅(qū)動液壓缸和液壓馬達(dá)工作；液壓缸伸縮調(diào)節(jié)清土部件作業(yè)幅寬和作業(yè)深度，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動帶動清掃葉片旋轉(zhuǎn)掃除葡萄藤側(cè)邊覆土。該機(jī)具為雙邊作業(yè)機(jī)械，適用于水泥柱中間埋藤的葡萄園，作業(yè)速度快，效率高；清掃葉片為柔性部件，觸藤時可減少葡萄藤損傷，但容易磨損變形。

圖10 葡萄園防寒土清除機(jī)

陳智等[27]設(shè)計了一種葡萄藤起藤自動除土機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖11所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連并牽引機(jī)具前進(jìn)，輸出的動力經(jīng)變速箱傳遞至液壓泵，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能驅(qū)動除土犁旋轉(zhuǎn)，葉片側(cè)刃旋轉(zhuǎn)切下土壟側(cè)邊土并向行間拋送，刮板阻擋被除土犁拋向后方的土并將其在行間刮平。該機(jī)具結(jié)構(gòu)簡單，但通過整套液壓系統(tǒng)驅(qū)動單一的旋轉(zhuǎn)部件，成本較高；除土犁葉片為剛性部件，觸藤時容易損傷葡萄藤；無罩殼阻擋被除土犁隨意拋飛的防寒土，作業(yè)環(huán)境惡劣，且防寒土難以回到取土行間，影響后續(xù)作業(yè)。

圖11 葡萄藤起藤自動除土機(jī)

寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所的許澤華等[28]設(shè)計了一種葡萄清土機(jī)，為可擺動式掃藤裝置，結(jié)構(gòu)如圖12所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連并牽引機(jī)具前進(jìn)，液壓缸伸縮控制掃藤裝置擺動到合適的作業(yè)位置，拖拉機(jī)輸出的動力經(jīng)變速箱和鏈傳動傳遞至掃藤裝置以驅(qū)動清掃頭旋轉(zhuǎn)，清掃頭旋轉(zhuǎn)掃除土壟側(cè)邊土。清掃頭的刷毛為柔性材料，可貼近葡萄藤清土，除土較為干凈，且觸藤時可減少葡萄藤損傷；但刷毛容易變形，磨損較快；防寒土被隨意拋撒，塵土飛揚(yáng)，作業(yè)環(huán)境惡劣。

圖12 葡萄清土機(jī)

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的馬帥等[29]研制了一種自動避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)，結(jié)構(gòu)與許澤華等[28]設(shè)計的葡萄清土機(jī)相似，如圖13所示。該清土機(jī)采用帶傳動為清土刷子提供動力，其清土刷子采用刷片和橡膠板組合式結(jié)構(gòu)，適應(yīng)土壟不同高度土壤緊實(shí)度的變化。作業(yè)時清土刷子旋轉(zhuǎn)，刷絲清除土壟中上部防寒土，橡膠板清除土壟下部防寒土，對葡萄藤的損傷小。該機(jī)具增加了自動避障功能，通過觸桿感知障礙物，避障油缸伸縮帶動清除刷子避讓水泥柱，防止機(jī)具與水泥柱發(fā)生碰撞。

圖13 自動避障式葡萄藤防寒土清除機(jī)

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所的王志強(qiáng)等[30]設(shè)計了一種前置式防寒土清除機(jī)，樣機(jī)如圖14所示。機(jī)具安裝于拖拉機(jī)前端，拖拉機(jī)輸出的動力分兩路分別驅(qū)動清土攪龍和平地攪龍轉(zhuǎn)動。作業(yè)時，拖拉機(jī)帶動機(jī)具前進(jìn)，清土攪龍轉(zhuǎn)動將葡萄藤上方覆土輸送至行間；當(dāng)清土攪龍接近水泥柱時，避障油缸伸縮帶動清土攪龍左右移動避障；平地絞龍轉(zhuǎn)動將清理至行間的防寒土鋪平。該機(jī)具作業(yè)速度快，但剛性攪龍葉片容易損傷葡萄藤，且清土攪龍僅清理葡萄藤上方覆土，清土量有限。

圖14 前置式防寒土清除機(jī)樣機(jī)

2.1.4 氣吹式清土機(jī)構(gòu)

江蘇大學(xué)的楊啟志等[31]設(shè)計了一種風(fēng)力吹送式葡萄清土機(jī)，依靠風(fēng)力清土，結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 風(fēng)力吹送式葡萄清土機(jī)

作業(yè)時，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口角度使其對準(zhǔn)葡萄藤上方覆土，電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)工作產(chǎn)生一定壓強(qiáng)的氣流吹凈覆土；擋土板阻擋被風(fēng)吹向其他行間的土壤，保證防寒土被清理至取土行間。出風(fēng)管和擋土板可通過水平轉(zhuǎn)動平臺實(shí)現(xiàn)180°換向，解決了單邊作業(yè)機(jī)械在水泥柱一側(cè)埋藤的葡萄園作業(yè)時存在的返程空行程問題；該清土機(jī)可實(shí)現(xiàn)非接觸式清土，不損傷葡萄藤，但僅適用于覆土量少、沙性土質(zhì)的情況，作業(yè)時塵土飛揚(yáng)，環(huán)境惡劣。

2.1.5 組合式清土部件

組合式清土部件整合不同類型清土機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢改善作業(yè)效果，作業(yè)性能優(yōu)于單一清土機(jī)構(gòu)。

趙潤良等[32]設(shè)計了一種葡萄清土放苗整地機(jī)，該機(jī)具在曾保寧等[24]研制的葡萄起藤機(jī)上增加了掃土裝置和左右防撞裝置，結(jié)構(gòu)如圖16所示。作業(yè)時，中部的左右掃土裝置將土壟上方覆土清掃至行間，與前部的左右鏟土犁配合增大了清土范圍，提高了清土效率和質(zhì)量；左右防撞裝置接近水泥柱時報警提醒駕駛員實(shí)時調(diào)整駕駛方向，減少了拖拉機(jī)手同時兼顧兩側(cè)清土狀況的精力消耗，降低了葡萄藤損傷。

圖16 葡萄清土放苗整地機(jī)

寧夏大學(xué)的周偉彬[5]在龍門拱形葡萄植保一體機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種葡萄起藤機(jī)，清土部件主要包括推土板和盤刷，結(jié)構(gòu)如圖17所示。

(a)結(jié)構(gòu)簡圖

該葡萄起藤機(jī)由一體機(jī)驅(qū)動前進(jìn)，騎跨在土壟上進(jìn)行清土作業(yè)，前端的推土板將葡萄藤上方覆土刮至兩側(cè)行間，當(dāng)遇到水泥柱時，液壓缸伸縮控制推土板偏轉(zhuǎn)避讓水泥柱，后端的盤刷旋轉(zhuǎn)進(jìn)一步掃除上方剩余覆土。該機(jī)具清理土壟上方土較為徹底，采用柔性材質(zhì)的盤刷進(jìn)行二次清土，有效減少對葡萄藤的損傷；但僅適用于水泥柱間埋藤的葡萄園，且葡萄園為了便于葡萄生長、爬架，常在藤架上布置鐵絲，對機(jī)具的推廣應(yīng)用限制較大。

許澤華等[33]設(shè)計了一種葡萄除土清土一體機(jī)，該機(jī)具在可擺動式掃藤裝置[28]上增加固定刮土裝置，結(jié)構(gòu)如圖18所示。刮土板底刃首先刮除葡萄藤上方部分覆土，液壓缸伸縮控制旋轉(zhuǎn)刮土裝置隨時擺動位置，清掃頭旋轉(zhuǎn)掃除剩余覆土，二者配合增大了清土量，清土較為徹底。但該機(jī)具為單邊作業(yè)機(jī)械，存在返程空行程、空跑行的問題，且清掃頭將防寒土任意拋撒，塵土飛揚(yáng)，作業(yè)環(huán)境惡劣。

中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院的劉芳建等設(shè)計了一種自動避障葡萄藤扒土機(jī)，清土部件由刮土板和攪龍組成，結(jié)構(gòu)如圖19所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連并牽引機(jī)具前進(jìn)，輔助油缸伸縮調(diào)節(jié)扒土部件的作業(yè)位置；刮土板將防寒土向前方推送至攪龍的清土范圍內(nèi)，液壓馬達(dá)驅(qū)動攪龍旋轉(zhuǎn)將防寒土輸送到行間；當(dāng)避障觸桿遇到水泥柱時，避障油缸伸縮帶動扒土部件旋轉(zhuǎn)避開水泥柱。該扒土機(jī)適用于水泥柱間埋藤的葡萄園，清土量大，作業(yè)效率高，但刮土板和攪龍葉片均為剛性部件，容易損傷葡萄藤。

圖19 自動避障葡萄扒藤機(jī)

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的馬帥等[18]研制了一種葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機(jī)，樣機(jī)如圖20所示。作業(yè)時，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連并牽引機(jī)具前進(jìn)，輸出的動力經(jīng)齒輪箱驅(qū)動葉輪和平土攪龍旋轉(zhuǎn)，刮土板與旋轉(zhuǎn)葉輪配合清土，清土范圍覆蓋整個土壟寬度，平土攪龍旋轉(zhuǎn)將清理至行間的防寒土整平。該機(jī)具清土量大，清土效率高；但該機(jī)具為單邊作業(yè)機(jī)械，適用于水泥柱一側(cè)埋藤的葡萄園，作業(yè)返程存在空行程，空跑行的問題；刮土板為剛性部件，容易損傷葡萄藤；葉輪無罩殼，防寒土被隨意拋撒難以回到取土行間，影響后續(xù)作業(yè)。

圖20 葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機(jī)

2.2 卷布機(jī)構(gòu)

卷布輥?zhàn)鳛榉篮季硎諜C(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其安裝方向主要包括水平式、豎直式和傾斜式。針對壟上作業(yè)機(jī)械，卷布輥位于土壟正上方，卷布輥水平安裝較豎直和傾斜安裝更有利于防寒布將其上方覆土持續(xù)向前推送至清土機(jī)構(gòu)的清土范圍內(nèi)，且能夠平整卷收防寒布。針對壟行作業(yè)機(jī)械，卷布輥偏離土壟上方，基本位于葡萄行間，任意一種安裝方向均可滿足傾斜卷收防寒布實(shí)現(xiàn)清土的要求，但水平安裝時需要輔以防寒布換向機(jī)構(gòu)才能完成卷收作業(yè)；豎直安裝時，防寒布在土壤阻力作用下向卷布輥下方堆積，難以實(shí)現(xiàn)平整卷收；傾斜安裝時不易控制卷收平整度，但可通過調(diào)整不同的傾斜角度達(dá)到較好的卷收效果。

王茂博等[34]設(shè)計了一種葡萄彩條布起膜卷膜一體機(jī)，結(jié)構(gòu)如圖21所示，無清土機(jī)構(gòu)，利用多個豎直轉(zhuǎn)輥配合完成清土和彩條布回收作業(yè)。作業(yè)時，拖拉機(jī)通過三點(diǎn)懸掛與機(jī)具相連并牽引機(jī)具前進(jìn)，人工從田間挖出彩條布一端，并以M形穿過主起膜轉(zhuǎn)輥與兩個從動起膜轉(zhuǎn)輥之間的空隙，向后纏繞在卷膜軸上，液壓馬達(dá)通過帶傳動驅(qū)動卷膜軸轉(zhuǎn)動卷收彩條布，同時張緊的彩條布將其上方覆土傾斜拉扯到行間。該機(jī)具同時完成清土與彩條布回收作業(yè)，作業(yè)效率高，不損傷葡萄藤，但作業(yè)阻力大，對彩條布的抗拉強(qiáng)度要求較高；彩條布被卷膜軸卷收時受力向下方堆積，容易造成卷收不平整。

圖21 葡萄彩條布卷膜起膜一體機(jī)

部分地區(qū)采用傾斜式葡萄防寒布回收機(jī)，如圖22所示，液壓馬達(dá)驅(qū)動卷布輥轉(zhuǎn)動卷收防寒布，張緊的防寒布將其上方覆土全部拉扯到行間。卷輥轉(zhuǎn)速可根據(jù)行進(jìn)速度和卷收情況調(diào)節(jié)，但不易卷收平整；覆土量較大時，防寒布卷收阻力過大，容易拉斷防寒布。

圖22 葡萄防寒布回收機(jī)

張科全與龔昌宇[35-36]設(shè)計的葡萄卷膜機(jī)均為防寒布后期處理機(jī)械，分別通過水平縱向和水平橫向安裝的卷膜軸將從地里揭出來的防寒布卷收起來，結(jié)構(gòu)如圖23所示。葡萄清土起藤作業(yè)時，首先通過人工或葡萄起布機(jī)將防寒布從土壟中拉扯出來，但不卷收，同時將其上方覆土拉扯到行間；然后利用葡萄卷膜機(jī)將防寒布卷收成布輥，便于管理存放和再利用。

(a)水平縱向卷膜軸

國外使用的地膜較厚，強(qiáng)度高，地膜保存較為完整，因此其殘膜回收機(jī)普遍采用卷布輥回收地膜[37-38]，如掛膜收膜器、繞線機(jī)、卷膜輥等。而中國使用的地膜較薄，強(qiáng)度低，容易破碎變?yōu)闅埬?，因此機(jī)具以殘膜回收為主，如秋后殘膜回收機(jī)和春播前殘膜回收機(jī)；而苗期揭膜時，地膜保存相對完整，機(jī)具以卷收為主。卷膜輥卷收地膜的關(guān)鍵在于卷膜輥轉(zhuǎn)速與機(jī)具行進(jìn)速度的匹配，這也是影響機(jī)構(gòu)卷收效果的關(guān)鍵因素。

2.3 其他輔助技術(shù)

2.3.1 避障技術(shù)

為了將防寒土盡可能清除干凈，現(xiàn)有機(jī)具通常利用自動避障技術(shù)避開水泥柱，清理水泥柱間防寒土，擴(kuò)大清土機(jī)構(gòu)的清土范圍。但防寒布輔助埋土防寒模式應(yīng)用在水泥柱一側(cè)埋藤的葡萄園，避開水泥柱清土的作業(yè)方式則不再適用，需從新的角度拓展避障技術(shù)的應(yīng)用。

機(jī)械避障是利用彈簧實(shí)現(xiàn)避障動作，清土鏟清土機(jī)構(gòu)與機(jī)架鉸接，通過彈簧彈力保持作業(yè)常態(tài)。白洪君[23]設(shè)計的防阻振動式清土鏟的清土機(jī)構(gòu)觸碰水泥柱時，阻力增大，克服彈簧彈力使清土機(jī)構(gòu)沿鉸接點(diǎn)擺動開水泥柱；越過水泥柱后，在彈簧彈力作用下使清土機(jī)構(gòu)恢復(fù)清土狀態(tài)。機(jī)械避障簡單易操作，成本低，但頻繁避障會使彈簧快速失效，導(dǎo)致作業(yè)不穩(wěn)定。

機(jī)電液聯(lián)合避障是將機(jī)械、電控與液壓技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)避障作業(yè)。馬帥等[29]設(shè)計的自動避障式葡萄藤防寒土清除機(jī)將避障觸桿擺動時位移變化作為避障油缸動作的模擬信號，王志強(qiáng)等[30]設(shè)計的前置式防寒土清除機(jī)將避障觸桿曲線作為避障油缸動作的模擬信號，當(dāng)觸桿碰到水泥柱時發(fā)生擺動，轉(zhuǎn)化為控制油缸動作的電信號，接通相應(yīng)換向閥，控制液壓缸伸縮使清土機(jī)構(gòu)避開水泥柱。機(jī)電液聯(lián)合避障效果優(yōu)于機(jī)械避障，不受土壤阻力影響，但避障觸桿對不同葡萄園種植模式的適應(yīng)性較差，需要根據(jù)作業(yè)狀態(tài)設(shè)計相應(yīng)的觸桿曲線。

光電液聯(lián)合控制自動避障是將光電子器件、電控以及液壓技術(shù)相結(jié)合，使清土部件自動避讓水泥柱。陳智等[25]設(shè)計的葡萄藤自動避讓全向除土機(jī)將光電開關(guān)置于機(jī)架一側(cè)前端，當(dāng)遇到水泥柱時，光電開關(guān)閉合，通過時間控制器延時供電，向清土部件控制油缸的電磁閥發(fā)出收縮指令，避開水泥柱；待越開水泥柱后，時間控制器閉合，向電磁閥發(fā)出動作指令控制清土部件恢復(fù)到作業(yè)狀態(tài)；根據(jù)行走速度調(diào)整時間控制器的延時時間，實(shí)現(xiàn)最大程度的清土。光電液聯(lián)合控制自動避障技術(shù)較為智能、先進(jìn)，避障動作精準(zhǔn)靈活，但安裝精度和成本較高。

2.3.2 自動調(diào)平技術(shù)

自動調(diào)平技術(shù)是機(jī)具根據(jù)作業(yè)地面坡度的變化自動調(diào)整機(jī)具的傾斜程度，從而使作業(yè)部件保持與地面平行，保證作業(yè)穩(wěn)定性。李法鍵[17]設(shè)計的葡萄園防寒土清除機(jī)采用傾角傳感器實(shí)時測量相對于地面的傾斜角度，控制系統(tǒng)根據(jù)傾角角度控制電磁閥實(shí)現(xiàn)調(diào)平油缸的伸縮，保證機(jī)器始終與地面平行，從而使清土部件實(shí)現(xiàn)地面仿形，達(dá)到穩(wěn)定的清土效果。

4 存在問題與展望

4.1 存在問題

葡萄清土與防寒布回收機(jī)作為一種適應(yīng)新式葡萄防寒模式的葡萄清土機(jī)，在葡萄清土機(jī)的基礎(chǔ)上增加了卷布機(jī)構(gòu)，二者既具有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，又適應(yīng)防寒模式而存在自身獨(dú)特性。

1)從農(nóng)藝角度來看，各地葡萄園規(guī)模結(jié)構(gòu)、種植行距、埋土狀況等各不相同，下架捆綁好的葡萄藤在防寒土壟中分布不規(guī)律，設(shè)置爬架鐵絲等其他管理環(huán)節(jié)的干擾等，多種因素影響機(jī)具在葡萄園的通過性，降低了機(jī)具的適用性。

2)從機(jī)具整體來看，現(xiàn)有的葡萄清土與防寒布回收機(jī)均為單邊作業(yè)機(jī)械，而防寒布輔助埋土防寒模式僅在水泥柱一側(cè)埋藤的葡萄園應(yīng)用，因此機(jī)具返程時存在無法作業(yè)、空跑行的問題，浪費(fèi)時間和動力。雙邊作業(yè)機(jī)械可解決上述問題，但現(xiàn)有雙邊作業(yè)機(jī)械均為葡萄清土機(jī)，不具有卷收防寒布的功能，且作業(yè)幅寬多是人工根據(jù)種植行距調(diào)節(jié)，無法實(shí)時自動調(diào)節(jié)；雙邊清土機(jī)械作業(yè)時需同時兼顧兩側(cè)狀況，對拖拉機(jī)手駕駛技術(shù)具有較高的要求。壟上作業(yè)式機(jī)械的清土機(jī)構(gòu)與卷布機(jī)構(gòu)必須協(xié)同作業(yè)才能完成葡萄清土和防寒布回收工作，限制了清土機(jī)構(gòu)類型的選擇，進(jìn)而降低了機(jī)具對不同種植模式的葡萄園的適用性。機(jī)電液技術(shù)融合在解決機(jī)具機(jī)械發(fā)展瓶頸中的作用不明顯，自動化、智能化程度有待提高。

3)從清土機(jī)構(gòu)來看，清土部件多為剛性部件，清土作業(yè)中觸藤時容易損傷葡萄藤；少部分為柔性清土部件，如刷絲、盤刷等，觸藤時能有效減少對葡萄藤的損傷，但容易磨損變形，作業(yè)時需頻繁更換；氣吹式清土機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)非接觸式清土，不損傷葡萄藤，但作業(yè)速度慢，清土效率低，作業(yè)環(huán)境惡劣，不適用于大量覆土的清除；回轉(zhuǎn)式清土部件作業(yè)時防寒土被隨意拋撒，塵土飛揚(yáng)，環(huán)境惡劣。

4)從卷布機(jī)構(gòu)來看，卷布機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和安置角度在現(xiàn)有機(jī)具中難以調(diào)整或僅可通過手動調(diào)節(jié)，影響防寒布卷收的質(zhì)量。其中，卷布機(jī)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵在于卷布輥的外周線速度與機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度的匹配，這也是卷布機(jī)構(gòu)設(shè)計的難點(diǎn)。卷布輥直徑隨防寒布卷收而變大，其外周線速度逐漸增大，導(dǎo)致機(jī)具行進(jìn)速度難以與其匹配，無法實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、平整卷收防寒布。

5)從輔助技術(shù)來看，避障式清土部件僅針對水泥柱避障，清理水泥柱間覆土，在水泥柱一側(cè)埋藤的葡萄地，避障機(jī)構(gòu)無法發(fā)揮作用。

4.2 展望

1)中國北方葡萄栽培區(qū)冬季獨(dú)特的氣候條件導(dǎo)致了冬季下架埋藤與春季清土起藤兩個獨(dú)特的作業(yè)環(huán)節(jié)的產(chǎn)生，通過培養(yǎng)并推廣真正的耐寒露地越冬葡萄新品種，消除兩個作業(yè)環(huán)節(jié)，從根本上解決春季清土作業(yè)困難的問題。發(fā)展葡萄大棚、設(shè)施栽培，降低南方高濕度、多雨水等因素對葡萄生長的不利影響，充分利用南方溫度、光照等優(yōu)勢因素，將北方優(yōu)勢、重心區(qū)域向南方葡萄產(chǎn)區(qū)轉(zhuǎn)移，解除北方冬季氣候因素對葡萄管理環(huán)節(jié)機(jī)械化發(fā)展的制約。規(guī)范葡萄種植模式和埋土要求，推廣防寒布輔助埋土防寒模式，遏制為適應(yīng)種植模式而造成的機(jī)具數(shù)量增長，加大機(jī)具研發(fā)創(chuàng)新程度，提高機(jī)具通用性。研發(fā)成本低、效果好、強(qiáng)度高的新型防寒材料代替埋土防寒，降低葡萄清土作業(yè)環(huán)節(jié)的勞動強(qiáng)度，減少葡萄藤損傷。

2)壟行作業(yè)式葡萄清土與防寒布回收機(jī)將成為防寒布輔助埋土防寒模式下的主流發(fā)展趨勢，其清土機(jī)構(gòu)和卷布機(jī)構(gòu)獨(dú)立工作，便于根據(jù)葡萄種植模式、土壤條件、埋土狀況等選擇合適的清土機(jī)構(gòu)和加工材料，提高機(jī)具的適用性，減少葡萄藤損傷；同時清土機(jī)構(gòu)與卷布機(jī)構(gòu)可協(xié)同作業(yè)，清土機(jī)構(gòu)既清理防寒土又輔助展平防布。解決機(jī)具作業(yè)返程空跑行問題可采取的措施包括：發(fā)展分動力雙邊作業(yè)機(jī)械，使動力僅供給作業(yè)一端，減少動力消耗；研發(fā)翻轉(zhuǎn)式機(jī)械，實(shí)現(xiàn)清土機(jī)構(gòu)的水平180°轉(zhuǎn)向或水平橫向移動與翻轉(zhuǎn)等。

3)清土機(jī)構(gòu)采用剛?cè)峤M合式清土部件，剛性部件清理外層大部分防寒土，柔性部件清理內(nèi)層小部分防寒土，既減少柔性部件的磨損和變形，降低葡萄藤損傷，又可以改善清土效果；同時回轉(zhuǎn)式清土部件注意增加罩殼，防止飛濺的防寒土污染環(huán)境。

4)采用PID控制技術(shù)調(diào)節(jié)卷布輥轉(zhuǎn)速實(shí)時匹配機(jī)組前進(jìn)速度，保證防寒布平穩(wěn)整齊卷收。加強(qiáng)清土機(jī)構(gòu)與卷布機(jī)構(gòu)之間的協(xié)作性，增設(shè)防寒布展平機(jī)構(gòu)和防寒布快速換輥、脫輥機(jī)構(gòu)，提高作業(yè)質(zhì)量，便于連續(xù)作業(yè)。

5)拓展傳感器技術(shù)、電控技術(shù)和液壓技術(shù)在機(jī)具避障、自動調(diào)平與幅寬自動調(diào)節(jié)中的應(yīng)用，提高機(jī)具的自動化和智能化水平。不局限于通過光電傳感器、超聲波傳感器避開水泥柱清理水泥柱間防寒土，以避開土壟中葡萄藤為目標(biāo)，利用壓力傳感器使清土部件盡可能貼近葡萄藤而不損傷葡萄藤；利用紅外線、微波等電磁波技術(shù)探測葡萄藤在土壟中的空間位置，精準(zhǔn)控制清土部件動作軌跡，改善清土效果。