釀酒葡萄籬架梳脫運動試驗臺設計與應用

李 超 邢潔潔 徐麗明 史麗娜 高振銘 劉 文

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

釀酒葡萄籬架梳脫運動試驗臺設計與應用

李 超 邢潔潔 徐麗明 史麗娜 高振銘 劉 文

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

設計了由機架、液壓站、行走機構(gòu)、弓齒脫粒機構(gòu)及葡萄果串藤架組成的釀酒葡萄籬架梳脫運動試驗臺，通過螺旋對輥、兩側(cè)梳脫裝置的空間位置、對輥轉(zhuǎn)速和行進速度等關鍵參數(shù)的調(diào)節(jié)，可進行柔性梳脫裝置的試驗，研究運動中柔性弓齒梳脫作業(yè)機理和各因素對梳脫的影響。通過脫粒過程運動學、動力學分析，研究了影響釀酒葡萄運動梳脫效果的主要因素為行進速度、對輥轉(zhuǎn)速和弓齒螺旋角。在室內(nèi)進行正交試驗，結(jié)果表明，行進速度和對輥轉(zhuǎn)速對脫粒率有一定影響，弓齒螺旋角的影響不顯著，對輥轉(zhuǎn)速從200 r/min增加到300 r/min，脫凈率從75.7%提升到了92%，行進速度從0.4 m/s增加到0.7 m/s，脫凈率從94.7%降低到78%；對于破損率，3個因素均不顯著，約為20%左右。

釀酒葡萄； 收獲； 柔性弓齒； 梳脫運動試驗臺

引言

中國是世界上葡萄酒生產(chǎn)發(fā)展迅速的國家之一，栽培面積不斷增加，葡萄酒產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，2010年中國釀酒葡萄種植面積達到66 670 hm2[1]。但由于收獲完全依靠人工采摘，采摘效率低，成本高，嚴重制約了釀酒葡萄的推廣與種植[2-3]。因此急需進行釀酒葡萄機械化收獲的研究。

目前國內(nèi)外鮮食葡萄的采摘方式多為人工，也有大量關于葡萄采摘機器人方面的研究[4-6]。而釀酒葡萄則多采用收獲機實現(xiàn)收獲，收獲的關鍵部件為采摘裝置，國內(nèi)外多采用振動方式，即通過一定形式的振動機構(gòu)對葡萄施加某個頻率的激振力，振動經(jīng)主干和側(cè)枝傳遞給葡萄串，在慣性力和疲勞的作用下實現(xiàn)葡萄與果蒂的分離[7]。CAPRARA等[8-9]研究了振動式葡萄收獲過程中，振動桿振動頻率、振幅和機具行進速度對收獲的影響。目前國內(nèi)李成松等[10-13]進行了振動收獲方面的試驗研究。本文研究的柔性梳脫式釀酒葡萄梳脫方式，由于柔性弓齒作業(yè)過程中與葡萄直接接觸，相對振動式釀酒葡萄梳脫，減少了從葡萄藤傳遞振動這一中間環(huán)節(jié)，有利于提高效率并降低功耗。同時由于梳脫部件不需要作用于葡萄藤，因此可以避免對葡萄藤的傷害。

筆者前期研究中，針對作業(yè)機具靜止狀態(tài)下的單串釀酒葡萄進行了初步脫粒試驗研究，驗證了柔性梳脫的可行性[14]。實際應用中，由于采摘機構(gòu)需要在行進過程中對批量葡萄進行收獲，行進速度、弓齒轉(zhuǎn)速等參數(shù)都會對脫粒效果產(chǎn)生影響，因此需要設計一個多參數(shù)可調(diào)釀酒葡萄籬架梳脫運動試驗臺，進行更深入的研究。本文在對脫粒過程和弓齒運動進行運動學和動力學分析的基礎上，對該梳脫機理進行深入研究，搭建具備行走能力的室內(nèi)梳脫運動試驗臺，以脫粒率和破損率為評價指標，以釀酒葡萄赤霞珠為試驗對象，以行進速度、對輥轉(zhuǎn)速和弓齒螺旋角為因素，進行臺架試驗，對柔性弓齒梳脫進行試驗分析，以期為釀酒葡萄梳脫機的關鍵部件設計提供參考。

1 試驗臺結(jié)構(gòu)原理與梳脫過程分析

1.1 試驗臺結(jié)構(gòu)與工作原理

釀酒葡萄籬架梳脫運動試驗臺主要由機架、液壓站、行走機構(gòu)、梳脫部件及葡萄籬架組成(圖1)。梳脫部件安裝在機架上，由液壓站提供動力。機架與行走機構(gòu)連接在一起，由行走機構(gòu)驅(qū)動行駛作業(yè)。

圖1 梳脫試驗臺Fig.1 Stripping platform1.液壓站 2.梳脫機構(gòu) 3.葡萄籬架 4.機架 5.行走機構(gòu)

行走機構(gòu)為一輛小型的自走車，通過調(diào)節(jié)自走車行進速度，可進行不同行進速度下的梳脫試驗。傳動系統(tǒng)由液壓站給液壓馬達提供動力，通過溢流調(diào)速閥調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)柔性弓齒在不同轉(zhuǎn)速下的脫粒。液壓馬達經(jīng)齒輪箱、傳動鏈，實現(xiàn)弓齒對輥的等速對轉(zhuǎn)。柔性梳脫部件單體結(jié)構(gòu)圖如圖2a所示，其主要由液壓馬達、齒輪箱、對輥機架、傳動鏈、梳脫輥、弓齒座、柔性弓齒和葡萄收集機構(gòu)等組成。一個弓齒兩端由一對弓齒座固定，通過調(diào)節(jié)弓齒座之間的角度差α可實現(xiàn)不同弓齒螺旋角調(diào)節(jié)(圖2b)。

圖2 柔性梳脫單體示意圖Fig.2 Structure diagram of flexible combing striping monomer mechanism1.液壓馬達 2.齒輪箱 3.對輥機架 4.傳動鏈 5.梳脫輥 6.弓齒座 7.柔性弓齒 8.葡萄收集機構(gòu)

1.2 結(jié)構(gòu)關鍵參數(shù)的調(diào)節(jié)

1.2.1 螺旋對輥參數(shù)調(diào)節(jié)

梳脫脫粒裝置中，較多的脫粒裝置都有一定的螺旋角[15-17]，因此該試驗臺也對螺旋參數(shù)進行試驗和研究。對于梳脫對輥，基礎參數(shù)有：對輥之間的距離lg、螺旋輥的外圍直徑D、旋轉(zhuǎn)速度ω和各層梳脫裝置距離lc等。

對于單個梳脫弓齒而言，主要的參數(shù)有兩端弓齒座的相對距離lh和弓齒螺旋角θ，由于弓齒座與梳脫輥之間的連接方式為內(nèi)圓柱面和外圓柱面通過螺栓壓緊的摩擦力實現(xiàn)固定，沒有位置限制，因此可以實現(xiàn)弓齒座距離lh和弓齒座之間角度差α的任意調(diào)節(jié)。通過調(diào)整柔性弓齒兩端的弓齒固定座之間的角度差α，可實現(xiàn)不同弓齒螺旋角度θ調(diào)節(jié)。

θ=arctan(αD/(2lh))

(1)

對于成對的梳脫輥，主要的參數(shù)有：螺旋輥的外圍直徑D、各層螺旋弓齒的間距l(xiāng)c、對輥層數(shù)和對輥間的距離lg。螺旋輥的外圍直徑D主要由安裝的弓齒長度決定，需要對輥間的距離lg與之配合，當增加D時，相應的需要增大lg。支撐對輥軸的對輥軸承座通過螺栓固定在型材架的長槽內(nèi)，可在型材長槽內(nèi)任意位置固定，從而實現(xiàn)對輥間距l(xiāng)g的調(diào)整。各層螺旋弓齒的間距l(xiāng)c的調(diào)節(jié)則與弓齒座的調(diào)節(jié)方法一致。由于對輥軸為一根通軸，可以根據(jù)需要安裝不同數(shù)量的弓齒座，從而調(diào)整對輥層數(shù)，根據(jù)需求，調(diào)節(jié)上下高度的作業(yè)范圍。

1.2.2 兩側(cè)梳脫裝置的空間位置參數(shù)調(diào)節(jié)

對于整個梳脫作業(yè)裝置，主要是機架和一對柔性梳脫單體，梳脫單體之間主要參數(shù)有兩側(cè)對輥之間的中心距l(xiāng)d、柔性梳脫單體與水平之間的夾角β、柔性梳脫單體與地面的距離lh(圖3)。由于整個梳脫單體的結(jié)構(gòu)均采用鋁型材，因此上述各個參數(shù)均能夠方便地通過調(diào)整各個構(gòu)件之間的安裝位置，實現(xiàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)。

圖3 脫粒裝置示意圖Fig.3 Structure diagram of threshing device1.機架 2.梳脫單體

1.3 柔性弓齒梳脫運動學和動力學分析

在該試驗臺上可以進行各種梳脫裝置的試驗與分析。本文主要研究柔性弓齒式梳脫裝置的脫粒特性，因此首先對柔性弓齒在該試驗臺上的運動學和動力學進行分析。

1.3.1 葡萄脫粒機理分析

葡萄脫粒中主要形式為果實與果柄之間的斷裂，即果刷纖維從果粒中拉出或斷裂而脫落[18-20]。在前期的預試驗中發(fā)現(xiàn)，果實脫粒有2種情況：一是果實與果梗之間的拉力大于果柄所能承受的最大拉力；二是類似于疲勞斷裂，即果實與果柄之間的拉力小于斷裂力，但在反復多次的外力作用下，實現(xiàn)果實脫粒[8]。2種情況對比，第2種脫粒情況葡萄受到的外力更加柔和，有利于降低葡萄的損傷。

1.3.2 弓齒運動分析

由于試驗臺的梳脫輥是對稱的，因此選取一側(cè)的對輥進行分析。隨著試驗臺的前進，弓齒的絕對運動是對輥轉(zhuǎn)動和試驗臺前進2種運動的合成，其運動軌跡為擺線。以對輥俯視圖看，弓齒轉(zhuǎn)軸中心為坐標系原點，x軸正向為試驗臺前進方向，y軸方向垂直向上(圖4)，弓齒端點與x軸重合，則弓齒的順時針和逆時針運動方程為

vx=vm+Rωsin(ωt)

(2)

vy=Rωcos(ωt)

(3)

v′x=vm-Rωsin(ωt)

(4)

v′y=Rωcos(ωt)

(5)

式中vx——順時針軌跡x軸方向的速度，m/svy——順時針軌跡y軸方向的速度，m/svm——梳脫試驗臺行進速度，m/sR——柔性弓齒外軌跡點的轉(zhuǎn)動半徑，mt——運行時間，sv′x——逆時針軌跡x軸方向的速度，m/sv′y——逆時針軌跡y軸方向的速度，m/s

由式(2)～(5)可知，對于順時針轉(zhuǎn)動，柔性弓齒與葡萄作用主要在第一象限，行進速度提高了柔性弓齒與葡萄相互作用時的相對速度；對于逆時針轉(zhuǎn)動，柔性弓齒與葡萄作用的區(qū)域在第三象限，行進速度降低了柔性弓齒與葡萄相互作用時的相對速度，因此行進速度會影響柔性弓齒碰撞葡萄前的相對速度，進而影響脫粒效果，但是行進速度相對弓齒的線速度而言較小，因此，行進速度變化的影響非常有限。

圖4 弓齒的運動軌跡Fig.4 Motion trail diagrams of bow

影響脫粒效果的另一因素是柔性弓齒作用于葡萄的梳脫時間。弓齒有效工作范圍長度為lg(圖5)，則平均每串脫粒時間為

tw=lg/vm

(6)

式中tw——平均每串脫粒時間，s

由于該時間內(nèi)是弓齒對葡萄脫粒的關鍵時期，在脫粒過程中，工作時間越長，即柔性弓齒與葡萄碰撞的次數(shù)越多，脫粒越充分，意味著脫凈率越高，因此，行進速度又是收獲必須考慮的關鍵因素之一。

圖5 葡萄脫粒過程示意圖Fig.5 Sketch of grape threshing process

1.3.3 脫粒動力學分析

梳脫過程中柔性弓齒對葡萄果實主要產(chǎn)生碰撞力和摩擦力，以及葡萄果粒之間相互的碰撞力和摩擦力。這些作用力使得葡萄脫粒的同時也對葡萄果粒產(chǎn)生了不同形式的損傷。

經(jīng)預試驗發(fā)現(xiàn)，葡萄串被拉入柔性梳脫對輥之間后，被左右螺旋柔性弓齒梳刷而左右上下往復擺動。葡萄果實與葡萄果實之間、葡萄果實與弓齒之間的作用力在運動過程中非常復雜，不同位置的葡萄果實在不同時刻的受力情況均不相同。本文選取葡萄果實受力過程中開始受沖擊的瞬間進行定性分析。弓齒相對葡萄果實的移動速度為v1，碰撞葡萄果實時，速度可以分解為vn和vf，如圖6所示。

vn=v1cosθ

(7)

弓齒vn方向速度與葡萄碰撞，產(chǎn)生碰撞力Fn，vf方向速度與葡萄產(chǎn)生摩擦力Ff，其合力為Fo和M，如圖6b所示。

Fo=Fn+Ff

(8)

Ff=Fnμ

(9)

M=Ffr

(10)

式中μ——摩擦因數(shù)M——摩擦力對果實產(chǎn)生的扭矩，N·mr——果實半徑，m

圖6 葡萄脫粒示意圖Fig.6 Sketches of grape threshing1.柔性弓齒 2.葡萄果實

隨著弓齒螺旋角的增大，柔性弓齒與葡萄碰撞時的相對速度vn降低，產(chǎn)生的碰撞力Fo也隨之降低，因此，增大弓齒螺旋角可降低碰撞力，類似于汽車碰撞中的正碰與斜碰。由此，可以通過提高轉(zhuǎn)速增加碰撞次數(shù)，產(chǎn)生類似疲勞斷裂的效果，這樣弓齒與葡萄的碰撞過程變化為小碰撞力和多碰撞次數(shù)，增加了葡萄脫粒中疲勞斷裂的情況，在一定程度上降低了葡萄因為碰撞產(chǎn)生的損傷。另一方面，由于弓齒螺旋角的增加，柔性弓齒產(chǎn)生了類似于螺旋輸送的效果，降低了對葡萄串和樹葉等作物的拽入作用力，增加了向上螺旋輸送的效果，樹葉枝條更不容易被對輥拽入，有利于葡萄脫粒并降低對葡萄藤的損傷。因此，本文選擇對輥轉(zhuǎn)速和弓齒螺旋角作為研究脫粒效果的另外2個關鍵因素。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料參數(shù)測定

試驗材料取樣地點為北京燕郊釀酒葡萄園，品種為“赤霞珠”，采樣時間為2015年9月中旬。早晨將成串的新鮮葡萄采摘回來，選取沒有機械損傷和病蟲害的制成試樣，所有試樣12 h內(nèi)完成試驗。對葡萄基本的物料特性進行了測試，測試設備為RGM-2XXX型電子萬能材料試驗機(深圳市瑞格爾儀器有限公司)，精度±0.5%，分辨力180 000碼；PAL-1型甜度計(上?？兲╇娮涌萍加邢薰?，最小標度0.1% Brix，精度±0.2%Brix。

根據(jù)對隨機抽取的十幾串葡萄測量與統(tǒng)計，葡萄果實直徑為9～14 mm，大約35%的葡萄直徑為10～11 mm之間，其他直徑基本均布。甜度平均值為16.5%，標準方差為1.39。斷裂力平均值為1.54 N，標準方差為0.51。

2.2 正交試驗的因素和指標選擇

根據(jù)前期研究，柔性弓齒選取了彎曲剛度為0.07 N·m2的以螺旋鋼絲為骨架的軟管[14]。釀酒葡萄脫粒主要實現(xiàn)較高的脫凈率，同時保證葡萄盡可能地完好，因此試驗中以脫凈率和破損率為試驗指標。根據(jù)初步預試驗，得出影響脫粒效果的主要因素有對輥轉(zhuǎn)速n(r/min)、弓齒螺旋角θ(°)和機器行進速度v(m/s)。因素水平見表1。

表1 試驗因素水平Tab.1 Experimental factors and levels

2.3 正交試驗

采用三因素三水平正交試驗表L9(34)，試驗因素水平見表1。試驗次數(shù)N=9，每組重復試驗3次，結(jié)果取平均值，得出每組的脫凈率X(%)和葡萄破損率Y(%)，試驗設計及結(jié)果見表2，表中A、B、C為因素編碼值。兩者的方差分析見表3。

表2 試驗設計與結(jié)果Tab.2 Design and results of experiment

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis result

注：α=0.10。

2.4 試驗結(jié)果分析及優(yōu)化

由表3可知，3個因素對于破損率而言，影響均不顯著，破損率維持在20%左右。弓齒螺旋角對于脫凈率和破損率均不顯著，而對輥轉(zhuǎn)速和行進速度對脫凈率有一定的影響，隨著對輥轉(zhuǎn)速的提高和行進速度的降低，脫凈率隨之提高。

2.4.1 對輥轉(zhuǎn)速與脫凈率關系

試驗結(jié)果表明：當對輥轉(zhuǎn)速從200 r/min增加到300 r/min，脫凈率從75.7%提升到了92%，達到了較好的梳脫效果。根據(jù)分析可知，隨著柔性弓齒轉(zhuǎn)速的增加，與葡萄碰撞時的速度增大，葡萄受到的碰撞力增大，果梗與果實之間產(chǎn)生的脫粒拉力增大，因此有助于脫粒，但是葡萄在碰撞力作用下產(chǎn)生的損傷也不可避免地會增大，在試驗中，破損率從17%提高到23%，由于300 r/min已達到較高的脫粒水平，提高空間已經(jīng)不大，提高速度可能會引起較高的損傷率，因此，對輥轉(zhuǎn)速選300 r/min。

2.4.2 行進速度與脫凈率關系

試驗結(jié)果表明：隨著行進速度的增加，脫凈率持續(xù)降低，從94.7%降低到78%。根據(jù)分析可知，隨著行進速度的增加，降低了作業(yè)部件與葡萄的接觸時間，進而降低了柔性弓擊打葡萄的次數(shù)。在試驗中觀察發(fā)現(xiàn)，脫粒是一個漸進的過程，一串葡萄總是從最外側(cè)容易接觸弓齒的部分開始脫粒，如果脫粒時間不足，內(nèi)側(cè)的葡萄將無法被弓齒梳脫作業(yè)，從而降低了脫凈率。因此，脫凈率和破損率都會降低。同樣，葡萄產(chǎn)量越高，需要脫粒葡萄就越多，行進速度應適當降低。因此，行進速度的選擇需要根據(jù)葡萄的產(chǎn)量而定。

3 結(jié)論

(1)為了研究行進作業(yè)下的葡萄果實梳脫機理和規(guī)律，設計了具有一定參數(shù)可調(diào)的釀酒葡萄籬架梳脫運動試驗臺，包括機架、液壓站、行走機構(gòu)、脫粒機構(gòu)和葡萄籬架，可對螺旋對輥、兩側(cè)梳脫裝置的空間位置、對輥轉(zhuǎn)速和行進速度等關鍵參數(shù)進行調(diào)節(jié)，進行柔性梳脫裝置的試驗和研究。

(2)進行了針對柔性弓齒梳脫的運動學和動力學分析，確定了梳脫關鍵因素為行進速度、對輥轉(zhuǎn)速和弓齒螺旋角。

(3)進行了三因素三水平的正交試驗，確定了影響葡萄脫凈率的顯著因素為對輥轉(zhuǎn)速和行進速度，對輥轉(zhuǎn)速從200 r/min增加到300 r/min時，脫凈率從75.7%提升到92%；行進速度從0.4 m/s提升到0.7 m/s時，脫凈率從94.7%降低到78%。試驗確定了3個因素對于葡萄破損率均不顯著，破損率約為20%左右。

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Design and Experiment of Wine Grape Trellis Traveling Stripping Platform

LI Chao XING Jiejie XU Liming SHI Li’na GAO Zhenming LIU Wen

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

In recent years, the rapid growth of wine industry in China is promoting the increase of vineyards. However, the wine grapes are harvested entirely depending on hand picking in China with high cost. The old harvesting method restricts the widespread popularization and planting of wine grapes. Research on picking machine and picking mechanism of wine grapes is in its infancy in China. A study was conducted to change the artificial harvesting status of wine grapes, promote the mechanization of wine grapes thread mechanism, and establish the theoretical guidance and design basis for the picking machine of wine grapes under Chinese national conditions. In previous studies, single bunches of grapes threaded by flexible bow teeth had been certificated to be feasible. As the process of harvesting is quite complex, it needs to be studied further. Therefore, kinematic and dynamic analyses of the harvesting process were carried out to further study on threshing mechanism, and there were three factors, including rotating speed, helix angle and travel speed, which were proved to be important to harvesting. Then the walking ability test bench of indoor harvesting which could be used to study a variety of potential effective factors and new type of threshing devices was designed and orthogonal experiment was conducted. The evaluating indicators of this test were threshing rate and breakage rate, the factors of this test were rotating speed, helix angle and travel speed, and the samples of this test were the Cabernet Sauvignon. The test result showed that only rotating speed and travel speed can influence the threshing rate to a certain extent. With the increase of rotating speed from 200 r/min to 300 r/min, the threshing rate was increased from 75.7% to 92%. With the increase of travel speed, the threshing rate was decreased from 94.7% to 78%. Moreover, for the breakage rate, the effects of three factors were not significant and the breakage rate was maintained at about 20%. This study provided a reference for design and improvement of the flexible comb.

wine grape; harvest; flexible bow teeth; travelling stripping platform

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.02.013

2016-06-17

2016-08-22

北京市自然科學基金項目(6152012)

李超(1990—)，男，博士生，主要從事生物生產(chǎn)自動化研究，E-mail： caulc2012@foxmail.com

徐麗明(1969—)，女，教授，博士生導師，主要從事生物生產(chǎn)自動化技術與裝備研究，E-mail： xlmoffice@126.com

S225.99

A

1000-1298(2017)02-0098-06