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　　PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

自我國(guó)加入世界貿(mào)易組織以來(lái)，葡萄酒產(chǎn)品進(jìn)口量迅速增長(zhǎng)，給國(guó)內(nèi)葡萄酒產(chǎn)業(yè)造成巨大的壓力，葡萄酒生產(chǎn)以及作為主要原料的釀酒葡萄也隨之備受重視。根據(jù)國(guó)際葡萄與葡萄酒組織（O.I.V.）2016年公布的數(shù)據(jù)，中國(guó)釀酒葡萄種植面積占全世界總種植面積的10.6%，已躍居世界第2位，超過(guò)法國(guó)，僅次于西班牙。

葡萄屬藤蔓型植物，可隨意塑造形狀，通過(guò)對(duì)葡萄枝條的整形和修剪，使葡萄連蔓空間合理分布，植株得到充分而均勻的光照，從而保證了葡萄果實(shí)的良好生長(zhǎng)狀態(tài)，達(dá)到葡萄豐產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的目的。

而根據(jù)修剪的時(shí)間不同，可分為冬季修剪（冬剪）和夏季修剪（夏剪），適度冬剪有利于調(diào)節(jié)樹體的生長(zhǎng)和結(jié)果，并且可以保證一定數(shù)量的芽眼，促使樹冠內(nèi)枝條配置合理，防止結(jié)果部位外移，從而保證每年生長(zhǎng)出良好的新生枝蔓，為葡萄的豐產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)打下基礎(chǔ)，良好的冬剪是夏剪的前提和基礎(chǔ)。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)釀酒葡萄整形修剪一直處于依靠人工，機(jī)械化裝備的研究和使用處于相對(duì)空白的落后局面，發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)60年代就開(kāi)始對(duì)葡萄機(jī)械化剪枝進(jìn)行研究，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化剪枝作業(yè)，其生產(chǎn)效率比人工提高5~10倍。然而，到目前為止，我國(guó)葡萄種植業(yè)中，修剪技術(shù)相對(duì)落后，仍以人工修剪的傳統(tǒng)作業(yè)方式為主，面臨作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低和人工成本高等問(wèn)題。因此，我國(guó)釀酒葡萄機(jī)械化修剪問(wèn)題亟待解決。

國(guó)外開(kāi)展釀酒葡萄修剪技術(shù)的研究應(yīng)用較多，已實(shí)現(xiàn)了葡萄機(jī)械化修剪作業(yè)。機(jī)械化修剪技術(shù)大多采用整株幾何修剪，其優(yōu)點(diǎn)是作業(yè)速度快，并且修剪后的葡萄果樹有利于后續(xù)作業(yè)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。

根據(jù)切割器的類型不同，大體分為往復(fù)割刀式修剪機(jī)、轉(zhuǎn)刀式修剪機(jī)和圓盤鋸式修剪機(jī)。具有代表性的機(jī)械有匈牙利GSVL型修剪機(jī)，西班牙Jumar Agricola SL公司生產(chǎn)的D600/D1200修剪機(jī)和法國(guó)Hydro800S型修剪機(jī)。國(guó)內(nèi)對(duì)葡萄修剪機(jī)械的研制起步較晚、產(chǎn)量低和種類單一，大多以手動(dòng)式修剪機(jī)具和可移動(dòng)升降架聯(lián)合作業(yè)為主，主要對(duì)單枝進(jìn)行修剪。

董祥等：PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)農(nóng)業(yè)工程設(shè)計(jì)制造及理論研究根據(jù)國(guó)內(nèi)釀酒葡萄栽培模式和冬剪農(nóng)藝要求，參考國(guó)外釀酒葡萄剪枝機(jī)先進(jìn)機(jī)型，以提高剪枝機(jī)的修剪質(zhì)量和作業(yè)效率為前提，設(shè)計(jì)了一種適于釀酒葡萄冬季埋藤前的機(jī)械化剪枝機(jī)具。

該機(jī)具可以根據(jù)葡萄藤高度，調(diào)節(jié)釀酒葡萄剪枝的高度和寬度，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，大幅減輕人工修剪的勞動(dòng)強(qiáng)度、降低作業(yè)成本和提高釀酒葡萄作業(yè)質(zhì)量與效率。

1機(jī)械修剪裝置設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)

釀酒葡萄修剪機(jī)用于在果實(shí)收獲后，進(jìn)入冬季埋藤作業(yè)前，剪除葡萄主藤上當(dāng)年長(zhǎng)出的枝條。設(shè)計(jì)的PJZ-1型釀酒葡萄修剪機(jī)安裝在PT-115型多功能自走式底盤上使用，整機(jī)結(jié)構(gòu)（圖1）主要由機(jī)架、避障系統(tǒng)和剪枝系統(tǒng)組成。其中機(jī)架承載避障系統(tǒng)和剪枝系統(tǒng)，連接至多功能通用底盤；避障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)具前進(jìn)作業(yè)時(shí)自動(dòng)避讓葡萄藤支架立柱，繞過(guò)主藤支柱后自動(dòng)恢復(fù)作業(yè)位置；剪枝系統(tǒng)可以通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)葡萄枝修剪的高度和寬度。

1.PT-115型多功能自走式底盤2.機(jī)架3.避障系統(tǒng)4.剪枝系統(tǒng)

圖1PJZ-1型釀酒葡萄修剪機(jī)

1.2剪枝部件設(shè)計(jì)

PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機(jī)采用旋轉(zhuǎn)式割刀修剪方式，作業(yè)時(shí)刀片在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，完成切割作業(yè)。剪枝系統(tǒng)（圖2）主要由刀片與液壓馬達(dá)組件、角度調(diào)節(jié)部件、水平調(diào)節(jié)組件和豎直調(diào)節(jié)組件等組成。剪枝高度、角度和水平位移都可以通過(guò)液壓油缸調(diào)節(jié)，3根油缸分別連接左右側(cè)料斗升降油缸以及收獲部件間隙調(diào)節(jié)油缸快速接口。

1.刀片與液壓馬達(dá)組件2.角度調(diào)節(jié)部件3.水平調(diào)節(jié)組件4.豎直調(diào)節(jié)組件

圖2剪枝系統(tǒng)

1.3避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

避障系統(tǒng)（圖3）主要由避障機(jī)構(gòu)、二位四通換向閥和液壓油缸等組成。避障機(jī)構(gòu)主要由避障桿、扭簧和旋轉(zhuǎn)軸等零件組成。避障機(jī)構(gòu)安裝位置位于切割刀旋轉(zhuǎn)軌跡圓前方300 mm處，避障桿位于葡萄藤行架第1條鋼絲下方，可避免葡萄藤粗壯枝條對(duì)避障系統(tǒng)干擾。作業(yè)時(shí)，避障桿碰到立柱等障礙物時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，與避障桿固定連接的撥動(dòng)桿撥動(dòng)二位四通閥開(kāi)關(guān)，換向閥換向，油缸驅(qū)動(dòng)避障系統(tǒng)縮回，避免回旋刀與立柱等障礙物發(fā)生碰撞。當(dāng)避障桿通過(guò)立柱后在扭簧的作用下恢復(fù)到原位，換向閥換向，油缸外伸，剪枝系統(tǒng)恢復(fù)作業(yè)。

1.液壓油缸2.二位四通換向閥3.扭簧4.旋轉(zhuǎn)軸5.避障桿

圖3避障系統(tǒng)

避障功能由與出土部件連接的液壓油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。液壓系統(tǒng)由避障桿、換向閥、復(fù)位彈簧、油缸和限位機(jī)構(gòu)等組成。當(dāng)作業(yè)部件前進(jìn)到直柱附近時(shí)，作業(yè)部件前部的避障觸桿先接觸立柱，隨著機(jī)具前進(jìn)，觸桿由于受到立柱擠壓發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，將這一轉(zhuǎn)動(dòng)量傳遞給液壓換向閥，控制油缸收縮，作業(yè)部件回旋避開(kāi)立柱。

隨著機(jī)具前進(jìn)至超過(guò)立柱，觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)量慢慢達(dá)到最大，當(dāng)觸桿末端越過(guò)立柱，由立柱產(chǎn)生的擠壓力消失，觸桿在拉簧的作用下瞬時(shí)復(fù)位，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)傳遞給液壓換向閥，油缸伸出，剪枝部件迅速回復(fù)至原位置，至此完成一次避障工作過(guò)程。

2試驗(yàn)材料、設(shè)備及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1試驗(yàn)地點(diǎn)、材料及儀器設(shè)備

2016年11月在河北省懷來(lái)縣進(jìn)行機(jī)具試驗(yàn)，試驗(yàn)葡萄品種是當(dāng)?shù)貜V泛種植的赤霞珠。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、土質(zhì)條件以及農(nóng)民多年來(lái)收獲經(jīng)驗(yàn)，赤霞珠冬剪時(shí)間一般在葡萄自然落葉后至次年春季傷流期前進(jìn)行，即每年的11月初開(kāi)始剪枝，提前做好葡萄藤過(guò)冬準(zhǔn)備。試驗(yàn)過(guò)程中盡可能選擇一致性好的試驗(yàn)地進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)設(shè)備包括自行研制的釀酒葡萄剪枝機(jī)、手持式光電測(cè)速儀、計(jì)數(shù)器、鋼卷尺、游標(biāo)卡尺和秒表等。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

2.2試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

（1）試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定。

圖5試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)地的葡萄植株修剪樹形為主蔓扇形，栽培架式為單籬。冬剪試驗(yàn)結(jié)束后，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25393—2010《葡萄栽培和葡萄酒釀制設(shè)備葡萄收獲機(jī)試驗(yàn)方法》的相關(guān)內(nèi)容，再根據(jù)葡萄藤冬剪埋藤農(nóng)藝要求，將葡萄剪枝機(jī)的割刀位置調(diào)整到合適高度，然后在葡萄行間以相應(yīng)的作業(yè)速度行走并進(jìn)行剪枝作業(yè)，試驗(yàn)后查看剪枝修剪面平整度，是否有漏剪、枝條撕裂和拉斷等現(xiàn)象，最后確定以葡萄枝條剪斷率作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，評(píng)價(jià)釀酒葡萄剪枝機(jī)的試驗(yàn)效果。

（2）計(jì)量方法。

通過(guò)計(jì)數(shù)法計(jì)算葡萄枝條剪斷率。試驗(yàn)結(jié)束后，分別統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)長(zhǎng)度內(nèi)剪斷的枝條數(shù)和未剪斷的枝條數(shù)，根據(jù)式（1）計(jì)算葡萄枝條剪斷率Q。

Q=B1B1+B2×100%（1）

式中Q——葡萄枝條剪斷率， %

B1——試驗(yàn)長(zhǎng)度內(nèi)剪斷的枝條數(shù)

B2——試驗(yàn)長(zhǎng)度內(nèi)未剪斷的枝條數(shù)

3釀酒葡萄剪枝機(jī)試驗(yàn)

試驗(yàn)前檢查PJZ-1型葡萄藤剪枝機(jī)各緊固部位連接是否可靠，各運(yùn)動(dòng)部件應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，各潤(rùn)滑部位加注潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂。在室內(nèi)用叉車將葡萄剪枝機(jī)升起到合適高度，用螺栓將葡萄剪枝機(jī)的主框架連接到底盤左和右大梁后部的連接板上。整機(jī)固定后，將各液壓裝置的油管分別連接到底盤的液壓輸出油路接頭。

3.1自動(dòng)避障系統(tǒng)試驗(yàn)

剪枝機(jī)設(shè)計(jì)工作速度3.0 km/h，最高剪枝速度5.0 km/h。避障系統(tǒng)的靈敏度取決于機(jī)具行駛速度，對(duì)最大工作速度時(shí)的自動(dòng)避障系統(tǒng)工作情況進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。

操作操縱桿置于空擋位置，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)并逐步加大油門到額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)。將操縱桿向前推動(dòng)，使剪枝機(jī)按照5.0 km/h的作業(yè)速度前進(jìn)，當(dāng)自動(dòng)避障系統(tǒng)的避障桿遇到葡萄藤支架立柱時(shí)，避障系統(tǒng)可以有效地使液壓控制閥的閥芯動(dòng)作，控制橫向移動(dòng)油缸迅速驅(qū)動(dòng)剪枝裝置做橫向移動(dòng)，使旋轉(zhuǎn)割刀安全繞過(guò)立柱；當(dāng)避障桿離開(kāi)立柱后，液壓控制閥的閥芯可以迅速回復(fù)到原始位置，并且橫向移動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)剪枝裝置做橫向移動(dòng)，使之回到初始位置繼續(xù)進(jìn)行剪枝作業(yè)，試驗(yàn)過(guò)程如圖6所示。試驗(yàn)距離500 m，試驗(yàn)重復(fù)3次，自動(dòng)避障系統(tǒng)均能夠靈敏和有效地躲避葡萄藤支架立柱。

圖6避障系統(tǒng)有效性試驗(yàn)

3.2枝條剪斷率單因素試驗(yàn)

剪斷率與葡萄藤本身性質(zhì)（品種、含水率和直徑等）有關(guān)，釀酒葡萄一般在秋冬季剪枝，枝條含水率較低。當(dāng)剪枝機(jī)轉(zhuǎn)速足夠大時(shí)，便能完全將其剪斷，故機(jī)具本身的作業(yè)工況決定了枝條的剪斷率。

試驗(yàn)選取剪枝機(jī)割刀的轉(zhuǎn)速和機(jī)具的作業(yè)速度作為試驗(yàn)因素進(jìn)行葡萄枝條剪斷率的單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)固定其他因素的水平，通過(guò)改變被測(cè)因素的取值進(jìn)行相應(yīng)的單因素試驗(yàn)，設(shè)定剪枝機(jī)割刀的轉(zhuǎn)速初始水平為2 000 r/min，機(jī)具作業(yè)速度3.0 km/h。

3.2.1割刀轉(zhuǎn)速對(duì)枝條剪斷率的影響

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定，當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速＜800 r/min時(shí)，剪枝機(jī)難以將葡萄枝條剪斷，試驗(yàn)固定機(jī)具作業(yè)速度3.0  km/h，割刀轉(zhuǎn)速以800 r/min為初始水平，試驗(yàn)梯度為200 r/min，觀察試驗(yàn)結(jié)果并統(tǒng)計(jì)，計(jì)算葡萄枝條剪斷率。

當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速＜800 r/min時(shí)，枝條剪斷率＜50%，并出現(xiàn)大量枝條撕裂拉斷的現(xiàn)象；隨著割刀轉(zhuǎn)速的增加，枝條剪斷率呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速800~1 800 r/min，機(jī)具作業(yè)速度3.0 km/h時(shí)，割刀隨著機(jī)具前進(jìn)，枝條未被剪斷，存在部分漏剪現(xiàn)象；當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r/min時(shí)，葡萄枝條基本可以被平整地剪斷，枝條剪斷率98.3%，當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速＞2 500 r/min時(shí)，葡萄枝條全部剪斷，剪斷率100%。

3.2.2作業(yè)速度對(duì)枝條剪斷率的影響

固定割刀轉(zhuǎn)速2 000 r/min時(shí)，機(jī)具作業(yè)速度以1.0 km/h為初始水平，試驗(yàn)梯度0.5 km/h進(jìn)行試驗(yàn)。

當(dāng)固定割刀轉(zhuǎn)速2 000 r/min，機(jī)具作業(yè)速度＜1.0 km/h時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度慢，通過(guò)葡萄藤支架立柱時(shí)，導(dǎo)致避障系統(tǒng)回到初始位置時(shí)，割刀還未通過(guò)立柱，造成割刀與立柱發(fā)生切割碰撞，從而會(huì)出現(xiàn)損壞刀頭或立柱情況；當(dāng)機(jī)具作業(yè)速度1.0~2.0 km/h時(shí)，枝條可以平整地被剪下，剪斷率達(dá)到100%；隨著機(jī)具作業(yè)速度增大，枝條剪斷率逐漸降低。

割刀轉(zhuǎn)速一定，機(jī)具作業(yè)速度增加到一定程度后，枝條還未被剪斷時(shí)，機(jī)具就已經(jīng)通過(guò)被剪枝條，出現(xiàn)漏剪現(xiàn)象。當(dāng)作業(yè)速度＞4.0 km/h時(shí)，機(jī)具行駛速度過(guò)快，導(dǎo)致避障系統(tǒng)還未回到初始位置，就已經(jīng)通過(guò)被剪枝條，同樣增加了漏剪概率。

剪斷率單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速2 000 r/min，機(jī)具作業(yè)速度1.0~2.0 km/h時(shí)，可獲得較高的枝條剪斷率。

3.3田間作業(yè)效率與可靠性試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，增加割刀轉(zhuǎn)速可以提高相應(yīng)的作業(yè)速度。當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速增加到3 000 r/min時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)具作業(yè)速度可以增加到5.0 km/h，并且可以保證修剪面平整，無(wú)漏剪及枝條撕裂等現(xiàn)象，選擇4.0 km/h作為設(shè)計(jì)作業(yè)速度。

PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機(jī)速度4.0 km/h，進(jìn)行剪枝作業(yè)，按GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》進(jìn)行作業(yè)效率和使用可靠性測(cè)定，并對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的故障情況進(jìn)行分析，如圖9所示。

PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機(jī)累計(jì)工作時(shí)間共22 h，其中剪枝時(shí)間19 h，正常維護(hù)檢修時(shí)間0.5 h，地頭轉(zhuǎn)向及換行時(shí)間共2.5 h，時(shí)間利用率86.4%，共計(jì)完成剪枝作業(yè)面積1.1 hm2。因此，機(jī)具在4.0 km/h作業(yè)速度下的平均作業(yè)效率為0.05 hm2/h。

田間試驗(yàn)期間，機(jī)具動(dòng)力部件運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作情況良好，除了正常維護(hù)檢修外，未發(fā)生影響試驗(yàn)進(jìn)程的嚴(yán)重故障。

圖9田間生產(chǎn)率與可靠性試驗(yàn)

該P(yáng)JZ-1型釀酒葡萄剪枝機(jī)可以完成對(duì)釀酒葡萄的冬季剪枝作業(yè)，且在地形平坦條件下，該釀酒葡萄剪枝機(jī)在割刀轉(zhuǎn)速2 000~3 000 r/min，機(jī)具作業(yè)速度2 km/h時(shí)，枝條剪斷率接近100%；機(jī)具作業(yè)速度增加時(shí)，適當(dāng)增加割刀轉(zhuǎn)速，可提高作業(yè)效率。

4結(jié)論

（1）研制了一種具有自動(dòng)避障功能的PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機(jī)，該機(jī)具由機(jī)架、自動(dòng)避障裝置和液壓驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)式剪枝裝置等組成，當(dāng)位于機(jī)具前端的避障桿遇到葡萄架立柱等障礙物時(shí)，自動(dòng)避障裝置驅(qū)動(dòng)剪枝部件避開(kāi)障礙物，避免機(jī)具損壞。

（2）田間試驗(yàn)驗(yàn)證表明，當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速設(shè)定在2 000 r/min，機(jī)具作業(yè)速度1.0~2.0 km/h時(shí)，被修剪枝條修剪面平整，枝條剪斷率為100%。

（3）當(dāng)機(jī)具作業(yè)速度3.0 km/h，割刀轉(zhuǎn)速＞2 400 r/min時(shí)，枝條剪斷率可達(dá)到100%。

（4）當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min時(shí)，在保證被修剪枝條可以按照要求修剪，同時(shí)保證可以獲得較高的枝條修剪率，最大機(jī)具作業(yè)速度可達(dá)到5.0 km/h。

（5）在4.0 km/h作業(yè)速度下，機(jī)具對(duì)釀酒葡萄剪枝作業(yè)的時(shí)間利用率為86.4%，作業(yè)效率0.05 hm2/h。

本文來(lái)源于2018年5期《農(nóng)業(yè)工程》雜志（中國(guó)科技核心期刊）

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