新疆酿酒葡萄振动采收装置设计与试验

蒙贺伟，李成松，坎 杂，李亚萍

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)



新疆酿酒葡萄振动采收装置设计与试验

蒙贺伟，李成松，坎 杂，李亚萍

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

酿酒葡萄收获具有季节性强、占用劳动量大等特点，而机械化采收是酿酒葡萄收获的必然趋势。为此，针对新疆酿酒葡萄种植特点及采收作业要求，在测定了酿酒葡萄果蒂连接力的基础上，设计了一种由牵引架、工作部件和驱动部件等组成的酿酒葡萄振动采收装置，确定了其工作参数及关键结构参数，并进行了初步试验。结果表明：采用振动原理开展酿酒葡萄采收作业在技术层面是可行的，装置的研究为酿酒葡萄收获机的研制提供一定的理论与技术基础。

酿酒葡萄；振动；采收

0 引言

酿酒葡萄收获具有季节性强、占用劳动量大等特点。目前，美国、法国、德国、意大利等世界发达国家已基本实现机械化收获，其机械装备和应用技术在世界处于领先地位；而我国酿酒葡萄收获还完全依靠人工，劳动强度大、生产效率低，且酿酒葡萄收获时间与新疆主要经济作物棉花、番茄等收获期重叠，导致葡萄收获用工难问题更加突出，已成为制约葡萄产业发展的重要因素。因此，机械化采收已成为酿酒葡萄收获的必然趋势[1]。

针对果品的收获机械主要有气力式和机械式两种类型[2-3]，机械式以振动式收获为主。目前，国外开展振动收获研究的有Korneckin、Peterson、Firma Weremczuk公司[4-8]；国内有王业成、陈海、王长勤、杜小强、刘魏、鲍玉冬、梁月、王敏、瞿维等[9-17]。由于新疆酿酒葡萄采用埋藤越冬种植模式，因此亟需开展适于新疆酿酒葡萄特点的采收装置研究。

本文针对新疆酿酒葡萄篱架栽培特点，在测定了酿酒葡萄果蒂连接力的基础上，确定了采收装置的工作参数及关键结构参数，为酿酒葡萄收获机的研制提供一定的理论与技术基础。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

酿酒葡萄振动采收装置主要由牵引架、工作部件机架、工作部件和驱动部件组成，如图1所示。其中，牵引架与拖拉机连接，牵引架和工作部件机架采用螺栓连接，工作部件和驱动调节部件均安装于工作部件机架。

1.牵引架 2.工作部件机架 3.工作部件 4.驱动部件

1.2 工作原理

工作时，装置由拖拉机侧悬挂牵引前进，工作部件骑跨在葡萄行间，其前部可将葡萄植株收拢，后部对葡萄植株进行压缩，驱动部件驱动工作部件产生规律性振动，从而将酿酒葡萄从葡萄植株上振落，实现葡萄的采收作业。装置可通过调整工作部件间距实现对葡萄植株的压缩程度的调整，振幅和频率可通过调节驱动部件结构尺寸及电机转速实现。

2 酿酒葡萄连接力测定

采收装置主要作业对象为酿酒葡萄果穗。工作过程中，当装置产生的强迫振动传递至葡萄果穗时，果穗上的果粒将以一定的振幅和频率运动；当振动产生的惯性力大于果-蒂连接力时，葡萄果粒实现分离。资料显示，果实振动运动情况主要有6种[18]，如图2所示。由于葡萄果粒单质量较小而果柄相对较粗，因此葡萄果粒的主要运动形式为摆动。在此基础上，以新疆广泛种植的酿酒葡萄品种赤霞珠作为试验对象，对其连接力进行了测定。

图2 强迫振动下葡萄果粒的运动形式

2.1 测试系统

测试系统采用TY8000型测力仪器进行测量，其主要由传感器、卡具、工作台及计算机等组成，如图3所示。

1.工作平台 2.弹簧 3.卡具1 4.卡具2

图3中，卡具1为自制卡具。为适应葡萄粒大小，保证葡萄果梗及果蒂穿过该孔而葡萄粒不通过，设置孔径为5mm。

2.2 试验安排

试验时，首先将葡萄粒连同果梗从葡萄串上剪下，将果梗及果蒂穿过卡具1上的孔；然后调节卡具2高度，通过计算机控制卡具2以一定速度向上运动，直到葡萄粒同果梗分开，测定此时的拉力值即为连接力。利用试验测控系统V1.0软件(图4)，以一组30粒进行试验，并对相关数据进行实时观察、记录及绘制曲线。

图4 试验测控系统V1.0软件界面

2.3 试验结果

单粒葡萄果蒂分离时拉力—位移变化曲线如图5所示，一组30粒葡萄果蒂分离时拉力—位移变化曲线如图6所示。由图5、图6可知：葡萄果蒂分离前的位移与拉力变化成正比，当达到葡萄粒同其果蒂分离临界拉力后，拉力下降，并实现葡萄果蒂的分离。

图5 单粒葡萄拉力随位移的变化曲线

图6 一组葡萄拉力随位移的变化曲线

分析不同连接力区间段出现频次，统计结果如表1所示。

表1 连接力分组统计结果

由表1可知：葡萄果蒂连接力最大值为19N，连接力在13～19N区域的比例为10%。因此，设计过程中葡萄果蒂连接力取13～19N。

3 关键工作参数确定

工作部件主要由下端摆动支撑件、下端水平间距调节部件、肋条、中枢摆动梁、上端水平间距调节部件及上端摆动支撑件等组成，如图7所示。工作过程中，工作部件中的肋条直接作用于葡萄枝干并对其进行振动，从而将葡萄粒振落。因此，装置工作参数主要包括摆幅及频率。

1.下端摆动支撑件 2.下端水平间距调节部件 3.肋条

3.1 肋条安装位置确定

采收装置的工作部件是由多组肋条组成，肋条是与葡萄制干直接接触作业的部件，通过其振动使葡萄果粒脱落。对于其安装位置，需充分考虑酿酒葡萄栽培管理技术要求及葡萄串的生长形态，且要求安装在葡萄串集中区域中相对不集中的位置，从而即保证葡萄果实生长集中区域产生较大的振动，又能减少工作部件与葡萄果实的接触，降低葡萄破损率。

因此，根据新疆酿酒葡萄果实生长特点，肋条主要布置在500mm以下、1 500～1 600mm及500～1 500mm果实相对较少区域。

3.2 振幅最大值确定

肋条运动极限位置图8所示。图8中，正方形代表水泥立柱，根据田间调研，水泥立柱为边长10cm的方形，则方形边长设为10cm；圆形代表葡萄串，赤霞珠果穗直径按7.14～7.98cm[18]，则圆形直径设为8cm。由图8可知：肋条处于中间位置时间距LJ≥16cm>10cm，从而保证了工作部件顺利通过水泥立柱；为避免葡萄枝干越过葡萄行中心垂直平面受损，此时肋条末端可调整振幅2cm；为保证葡萄串越过行中心平面而根部不越过，肋条末端振幅最大可取16cm。因此，肋条末端的振幅范围为2～16cm。

图8 肋条运动极限位置图

3.3 频率最大值确定

针对酿酒葡萄的振动分析，可得振动采收条件下酿酒葡萄果实脱落条件为

m0A′2ω′2l-1cosω′t>F0

(1)

式中m0—葡萄单粒质量(g)；

A′—葡萄粒果梗末端振动幅度(mm)；

ω′—葡萄粒果梗末端振动频率(次/min)；

l—葡萄粒果梗长度(mm)；

F0—葡萄粒同果蒂连接力，根据前期试验结果，取F0=13～19N。

为保证分离效果，取m0=1.47g，取l=2.13cm[19]，取肋条末端振幅为2cm，计算可得振动频率为467～564次/min，频率的调节通过变频器调整电机实现。

在确定以上参数基础上，对该装置进行了初步试验，结果表明：肋条的振动频率、振幅、肋条分布规律及对葡萄行的压紧程度等是影响葡萄采摘效果的主要因素，采用振动原理开展酿酒葡萄采收作业技术原理可行。

4 结论

1)针对新疆酿酒葡萄种植特点及采收作业要求，在测定酿酒葡萄果蒂连接力的基础上，设计了一种由牵引架、工作部件和驱动部件等组成的酿酒葡萄振动采收装置。

2)分析确定了装置肋条安装位置、振幅最大值及频率最大值，并进行了初步试验。结果表明：采用振动原理开展酿酒葡萄采收作业技术原理可行，装置的研究可为酿酒葡萄收获机的研制提供一定的理论与技术基础。

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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

国家自然科学基金项目(51465051)；新疆生产建设兵团工业科技攻关计划项目(2013BA009)

蒙贺伟(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，硕士， (E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。

李亚萍(1980-)，女，黑龙江虎林人，副教授，硕士，(E-mail)lyp_shz@shzu.edu.cn。

S225.93

A

1003-188X(2017)10-0042-04