往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)液壓系統(tǒng)仿真與試驗

薛春林，李建平，霍 鵬，邊永亮，李昕昊

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

葡萄作為世界第二大栽培水果，在意大利、法國、中國、美國、土耳其和阿根廷等國家廣泛種植[1]。截止到2017年，全國葡萄總產(chǎn)量占世界葡萄總產(chǎn)量的11%[2-3]；作為農(nóng)村農(nóng)民脫貧致富、鄉(xiāng)村振興的產(chǎn)業(yè)之一和人民對餐后水果消費量的增大，我國葡萄栽培面積在逐步擴(kuò)大，對葡萄園生產(chǎn)的機(jī)械化配套設(shè)備需求日漸旺盛[4-6]。葡萄葉幕整形修剪是一項季節(jié)性強(qiáng)且需要大量人力的工作，對葡萄葉幕進(jìn)行科學(xué)的修剪尤為重要[7-8]。

龍魁等[9]優(yōu)化設(shè)計往復(fù)式葡萄藤切割器，對割刀曲柄半徑、切割器行程、曲柄轉(zhuǎn)速、機(jī)器前進(jìn)速度進(jìn)行優(yōu)化計算，為低功耗修剪機(jī)的設(shè)計提供了一定的理論基礎(chǔ)。胡洋洋[10]設(shè)計了往復(fù)切割器式葡萄剪稍機(jī)，切割器依靠液壓伸縮調(diào)節(jié)裝置，可以實現(xiàn)葡萄園不同種植行距的無級可調(diào)，完成修剪工作。張德學(xué)等[11]設(shè)計了PJS-1型兩翼式葡萄剪枝機(jī)，采用液壓驅(qū)動方式進(jìn)行修剪工作，可完成雙行葡萄葉幕側(cè)部和頂部的修剪工作。通過分析國內(nèi)外葡萄葉幕修剪機(jī)的研究現(xiàn)狀得出，我國全自動葉幕修剪相關(guān)研究還處于起步階段，液壓傳動系統(tǒng)還不夠完善。葡萄種植戶迫切需要1種自動化程度高、運行平穩(wěn)、修剪效果好、效率高的新型修剪機(jī)來滿足生產(chǎn)的需求。

根據(jù)葡萄園種植要求和葉幕修剪的園藝要求，為適應(yīng)不同行距和不同葉幕高度的葡萄園，設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)側(cè)部和頂部葡萄葉幕修剪的機(jī)械裝置液壓系統(tǒng)，并進(jìn)行對應(yīng)機(jī)構(gòu)運動仿真分析，以解決葡萄葉幕夏季修剪勞動強(qiáng)度大的難題。

1 往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計與原理

1.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

拖拉機(jī)自身的液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)懸掛農(nóng)機(jī)具的工作位置狀態(tài)調(diào)節(jié)等作業(yè)需求，在葡萄葉幕修剪過程中修剪裝置、伸縮調(diào)節(jié)裝置均需要液壓系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定的動力，故往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)設(shè)計了獨立的液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)總成主要包括液壓油泵、電磁閥、垂直升降液壓油缸、左/右側(cè)移動液壓油缸、液壓馬達(dá)，如圖1所示。

圖1 液壓系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of hydraulic system

往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)液壓系統(tǒng)包括垂直升降液壓回路、左右移動液壓回路和修剪液壓回路3部分。垂直液壓回路由油液過濾器1、液壓泵2、垂直升降控制閥15、垂直升降油缸9和溢流閥8組成；左/右側(cè)移動液壓回路由油液過濾器1、液壓泵2、左側(cè)移動控制閥16、右側(cè)移動控制閥17、左側(cè)移動液壓油缸10、右側(cè)移動液壓油缸11、溢流閥8組成；葉幕修剪液壓回路由油液過濾器1、液壓泵2、右側(cè)控制閥3、右側(cè)頂端控制閥12、左側(cè)控制閥13、左側(cè)頂端控制閥14和右側(cè)液壓馬達(dá)4、右側(cè)頂端液壓馬達(dá)5、左側(cè)液壓馬達(dá)6、左側(cè)頂端液壓馬達(dá)7和溢流閥8組成。通過調(diào)節(jié)溢流閥8的開度控制液壓主回路的液壓流量，進(jìn)而實現(xiàn)液壓缸、液壓馬達(dá)等執(zhí)行元件的運動速度快慢，以保證液壓系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

1.2 液壓馬達(dá)選型

液壓馬達(dá)作為往復(fù)式葡萄葉幕修剪裝置的關(guān)鍵元件，為符合葡萄葉幕的修剪要求，驅(qū)動葡萄葉幕修剪的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速為500 r/min[12]，根據(jù)滿足葡萄葉幕修剪和系統(tǒng)工作壓力等需求，選用馬達(dá)的型號為BM2-50，馬達(dá)參數(shù)如表1所示。

表1 液壓馬達(dá)參數(shù)Table 1 Hydraulic motor parameters

2 液壓傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用液壓系統(tǒng)體積小、響應(yīng)快和布局靈活等優(yōu)點[13]，往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)的傳動液壓系統(tǒng)分為3路：第1路是修剪機(jī)構(gòu)的垂直升降系統(tǒng)，控制修剪機(jī)構(gòu)的垂直移動，以適應(yīng)不同高度的葡萄葉幕；第2路是控制修剪機(jī)構(gòu)左右移動的傳動系統(tǒng)，以適應(yīng)不同行間距的葉幕修剪；第3路是修剪機(jī)構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)，以驅(qū)動帶動往復(fù)式切割裝置工作的馬達(dá)轉(zhuǎn)動。

2.1 垂直升降液壓回路

根據(jù)葡萄園的種植模式和葡萄藤架及支柱的設(shè)置，垂直升降液壓回路的控制對象主要是往復(fù)式葡萄葉幕修剪作業(yè)機(jī)構(gòu)（圖2）。在修剪機(jī)工作前，按照葡萄園藤架高度和葡萄葉幕位置高度，調(diào)整往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)構(gòu)的離地高度，實現(xiàn)機(jī)具入地轉(zhuǎn)場和葉幕修剪的作業(yè)要求。

圖2 垂直升降液壓回路原理圖Fig. 2 Schematic diagram of vertical lifting hydraulic circuit

拖拉機(jī)動力輸出軸驅(qū)動液壓泵2對液壓回路進(jìn)行供油，液壓油經(jīng)過油液過濾器1過濾，通過垂直升降控制閥15控制液壓回路，當(dāng)垂直升降控制閥15處于左位時，液壓缸9下腔室進(jìn)油、上腔室回油，使液壓桿上升，實現(xiàn)修剪機(jī)構(gòu)上升；當(dāng)垂直升降控制閥15處于右位時，液壓缸9上腔室進(jìn)油、下腔室回油，使液壓桿下降，實現(xiàn)修剪機(jī)構(gòu)下降，達(dá)到控制往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)構(gòu)升降符合葡萄頂端修剪的高度園藝要求，如圖2所示。

2.2 左右移動液壓回路

根據(jù)不同行距葡萄園葉幕修剪的園藝技術(shù)要求，葉幕幅寬修剪裝置的位置調(diào)整通過左/右側(cè)移動液壓回路來控制。左側(cè)移動液壓回路控制往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)左側(cè)的修剪裝置位置調(diào)整，以適應(yīng)葡萄行左側(cè)葉幕修剪作業(yè)；右側(cè)移動液壓回路控制往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)右側(cè)的修剪裝置，以適應(yīng)葡萄行右側(cè)葉幕修剪作業(yè)。按照葡萄園行間種植模式，在修剪機(jī)作業(yè)前調(diào)整往復(fù)式葡萄葉幕修剪裝置距葉幕的左右距離，使修剪裝置的作業(yè)位置滿足通風(fēng)透光和改變樹體微氣候等葡萄生長的整形要求。

通過左/右側(cè)移動控制閥控制往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)左側(cè)和右側(cè)修剪裝置處于葡萄葉幕的幅寬修剪位置。拖拉機(jī)動力輸出軸驅(qū)動液壓泵2對液壓回路進(jìn)行供油，液壓油經(jīng)過油液過濾器1過濾；當(dāng)左側(cè)移動控制閥16處于左位時，液壓缸10左腔室進(jìn)油、右腔室回油實現(xiàn)液壓桿驅(qū)動左側(cè)修剪裝置向右移動遠(yuǎn)離葡萄葉幕修剪位置；當(dāng)左側(cè)移動控制閥16處于右位時，液壓缸10右腔室進(jìn)油、左腔室回油實現(xiàn)液壓桿驅(qū)動左側(cè)修剪裝置向左移動至葡萄葉幕需修剪位置；同理，當(dāng)右側(cè)移動控制閥17分別處于其左右位時，控制液壓缸11的液壓桿伸縮，實現(xiàn)右側(cè)葡萄葉幕修剪裝置的位置調(diào)整，如圖3所示。

圖3 左右移動液壓回路原理圖Fig. 3 Schematic diagram of moving hydraulic circuit left and right

2.3 葉幕修剪液壓回路

葡萄葉幕修剪是由液壓馬達(dá)驅(qū)動往復(fù)式葉幕修剪裝置來實現(xiàn)。液壓馬達(dá)帶動偏置曲柄高速旋轉(zhuǎn)，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動切割器的往復(fù)運動，達(dá)到葡萄葉幕修剪作業(yè)要求。

葡萄葉幕修剪裝置液壓回路如圖4所示，拖拉機(jī)動力輸出軸驅(qū)動液壓泵2對液壓回路進(jìn)行供油，當(dāng)右側(cè)控制閥3處于右位時，右側(cè)液壓馬達(dá)4正轉(zhuǎn)工作，帶動右側(cè)頂端葉幕修剪裝置進(jìn)行修剪作業(yè)；當(dāng)修剪作業(yè)完成后，右側(cè)控制閥3處于中位，實現(xiàn)液壓回路卸油、液壓馬達(dá)停止工作，右側(cè)頂端葉幕修剪裝置停止工作；同理，左頂端液壓馬達(dá)、左側(cè)面液壓馬達(dá)、右側(cè)面液壓馬達(dá)在對應(yīng)液壓閥控制下實現(xiàn)相應(yīng)液壓馬達(dá)驅(qū)動往復(fù)式葉幕修剪裝置作業(yè)。

圖4 葉幕修剪液壓回路原理圖Fig. 4 Schematic diagram of the hydraulic circuit of leaf curtain trimming

3 液壓系統(tǒng)建模與仿真

3.1 液壓系統(tǒng)建模

根據(jù)往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)的液壓系統(tǒng)工作原理，利用 AMESim 建立垂直升降液壓回路a，左/右側(cè)移動液壓回路b，左側(cè)葉幕修剪裝置液壓回路c，如圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)模型Fig. 5 Hydraulic system model

液壓仿真軟件中采用與拖拉機(jī)后輸出軸輸出扭矩相對等的電機(jī)提供動力，3種液壓回路的主要參數(shù)如表2、表3和表4所示。

表2 垂直升降液壓回路主要參數(shù)Table 2 Main parameters of vertical lifting hydraulic circuit

表3 左右移動液壓回路主要參數(shù)Table 3 Main parameters of moving hydraulic circuit left and right

表4 左側(cè)葉幕修剪裝置液壓回路主要參數(shù)Table 4 Main parameters of the hydraulic circuit of the left leaf curtain trimming device

3.2 仿真結(jié)果分析

為驗證往復(fù)式葡萄葉幕修剪修剪機(jī)液壓傳動系統(tǒng)的可行性，利用AMESim對往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)的3種液壓回路進(jìn)行系統(tǒng)建模和仿真分析。液壓回路模型仿真主要是對垂直升降機(jī)構(gòu)升降控制、左/右側(cè)移動機(jī)構(gòu)移動控制和液壓馬達(dá)工作情況進(jìn)行分析，通過設(shè)置運行頻率和時間，仿真得到垂直升降機(jī)構(gòu)液壓缸位移曲線圖、左/右側(cè)移動機(jī)構(gòu)液壓缸位移曲線圖、左側(cè)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線圖和控制信號曲線圖。

垂直升降液壓油缸驅(qū)動往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)構(gòu)的升降情況，如圖6所示。

圖6 往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)垂直升降機(jī)構(gòu)工作曲線圖Fig. 6 Working curve diagram of vertical lifting mechanism of reciprocating grape leaf trimmer

升降情況完全按照所給定的信號進(jìn)行工作：0～5 s，信號為0，垂直升降回路準(zhǔn)備工作；5～13.3 s，垂直升降液壓機(jī)構(gòu)完成上升過程；13.3～20 s，信號為0，垂直升降控制閥關(guān)閉油路，往復(fù)式葡萄葉幕修剪裝置停留在上升位置；20～26 s垂直升降液壓油缸驅(qū)動修剪機(jī)構(gòu)完成下降過程并且停留在預(yù)降位置，隨后往復(fù)式葉幕修剪裝置進(jìn)行階段下降，回到初始位置。垂直液壓回路工作過程中，通過仿真曲線可以看出升降過程很平順。從仿真分析結(jié)果可以看出，該垂直升降液壓回路能完成往復(fù)式葡萄葉幕修剪裝置的正常升降工作，能夠根據(jù)不同葡萄葉幕高度的不同調(diào)整往復(fù)式葡萄葉幕修剪裝置的上下位置，滿足設(shè)計要求。

左/右側(cè)移動液壓油缸驅(qū)動往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)兩側(cè)修剪裝置的左右移動情況，如圖7所示。

圖7 往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)左右移動機(jī)構(gòu)工作曲線圖Fig. 7 Working curve diagram of left and right moving mechanism of reciprocating grape leaf curtain trimmer

左右移動情況完全按照所給定的信號進(jìn)行工作：0～3 s，信號為0左右移動回路準(zhǔn)備工作；3～7 s，左右移動液壓機(jī)構(gòu)完成左右移動過程；7～13 s，信號為0，左右移動控制閥關(guān)閉油路，往復(fù)式葡萄葉幕修剪裝置停留在左右移動位置；13～15 s左右移動液壓油缸驅(qū)動修剪機(jī)構(gòu)完成收縮過程并且停留在預(yù)收位置，隨后往復(fù)式葉幕修剪裝置進(jìn)行階段收縮，回到初始位置。左右移動液壓回路工作過程中，通過仿真曲線可以看出左右移動過程很平順。從仿真分析結(jié)果可以看出，該左右移動液壓回路能完成往復(fù)式葡萄葉幕修剪裝置的正常移動工作，能夠根據(jù)不同葡萄園不同行距的種植狀況調(diào)整往復(fù)式葡萄葉幕修剪裝置的左右位置位置，滿足設(shè)計要求。

左側(cè)液壓馬達(dá)驅(qū)動往復(fù)式切割裝置做往復(fù)運動，如圖8所示，按照所設(shè)定信號進(jìn)行工作：0～3 s，信號為0，液壓馬達(dá)回路準(zhǔn)備工作；3～13 s，液壓馬達(dá)驅(qū)動曲柄連桿裝置正常往復(fù)工作；13～16 s，液壓馬達(dá)停止工作，往復(fù)式切割裝置停止修剪作業(yè)。從仿真結(jié)果可以看出，該左側(cè)面液壓回路控制往復(fù)式切割裝置速度比較穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。

圖8 往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)修剪機(jī)構(gòu)工作曲線圖Fig. 8 Working curve diagram of pruning mechanism of reciprocating grape leaf trimmer

因此，垂直升降液壓缸和左右移動液壓缸均能正常移動且運行平穩(wěn)，液壓馬達(dá)速度比較穩(wěn)定，為往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)液壓系統(tǒng)整體設(shè)計提供了理論依據(jù)。

4 液壓仿真結(jié)果試驗驗證

4.1 評價依據(jù)

往復(fù)式切割裝置往復(fù)運動頻率是影響葉幕修剪質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，而往復(fù)頻率快慢是由液壓馬達(dá)決定的。為驗證液壓馬達(dá)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，以葉幕修剪漏剪率、葡萄枝條撕碎率為試驗指標(biāo)的切割質(zhì)量來衡量葡萄葉幕修剪機(jī)的葉幕修剪性能。葡萄葉幕修剪試驗過程中對葡萄枝條撕裂個數(shù)、未剪下的枝條數(shù)和枝條總數(shù)進(jìn)行總數(shù)統(tǒng)計，分別按式（1）和式（2）測定葡萄葉幕枝條的漏剪率和撕碎率[14]，測定結(jié)果取平均值。

4.1.1 撕碎率TS撕裂率是指切割后葡萄莖稈未被剪切撕裂狀態(tài)下的百分?jǐn)?shù)值[15]。計算公式為

式中：Ts—枝條撕裂率（%）；S—撕裂枝條數(shù)（個）；Z—枝條總數(shù)（個）。

4.1.2 漏剪率YL漏剪率是指切割后葡萄莖稈未被剪切漏剪狀態(tài)下的百分?jǐn)?shù)值。計算公式為

式中：YL—枝條撕裂率（%）；L—漏剪枝條數(shù)（個）；Z—枝條總數(shù)，（個）。

4.2 試驗條件

2020年8月10 日在河北省保定市定州市黃家葡萄酒莊基地進(jìn)行試驗，驗證葡萄葉幕修剪機(jī)的工作穩(wěn)定性以及垂直升降機(jī)構(gòu)和左右移動機(jī)構(gòu)的性能。試驗葡萄園為2010年度種植，樹齡10年，行距2 m，株距100 cm，機(jī)具配套拖拉機(jī)為邢臺同德404型，作業(yè)的對象為釀酒葡萄北純品種，以盒尺、卷尺游標(biāo)卡尺為輔助，對修剪后的枝條狀況進(jìn)行統(tǒng)計。

4.3 試驗數(shù)據(jù)

為進(jìn)行往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)液壓系統(tǒng)對葉幕修剪效果的分析，在往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)作業(yè)地塊隨機(jī)選取25個區(qū)域進(jìn)行葉幕修剪單側(cè)測試，對測試點的葡萄枝條修剪情況進(jìn)行記錄，并定義未修剪的為漏剪，非平整剪斷為撕裂[14]。往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)葉幕枝條修剪質(zhì)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 葉幕枝條修剪質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Table 5 Statistics table of pruning quality data of leaf curtain branches

續(xù)表：

4.4 數(shù)據(jù)分析

（1）撕碎率

由公式（1）計算得葡萄葉幕修剪撕碎率T平均值：T=∑ai/25

式中：ai—不同測點的撕碎率，i取1～25。

葡萄葉幕修剪撕碎率T為3.9%。

（2）漏剪率

由公式（2）計算得葡萄葉幕修剪漏剪率L平均值：L=∑bi/25

式中：bi—不同測點的漏剪率，i取1～25。

葡萄葉幕修剪漏剪率L為5.9%。

5 結(jié)論

（1）利用AMESim 對往復(fù)式葡萄葉幕修剪機(jī)液壓回路進(jìn)行了建模與仿真分析，得到垂直升降機(jī)構(gòu)、左右移動機(jī)構(gòu)和修剪機(jī)構(gòu)的液壓工作情況。

（2）液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速在500 r/min時，往復(fù)式枝條修剪機(jī)的液壓系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，田間試驗表明葡萄葉幕枝條漏剪率為3.9%，斷口撕碎率為5.9%，滿足葡萄葉幕修剪的園藝要求。