基于平面運(yùn)動(dòng)的釀酒葡萄采收裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

朱興亮，袁盼盼，尤佳，韓長(zhǎng)杰

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052)

0 引言

釀酒葡萄廣泛分布于世界各地[1]，我國(guó)釀酒葡萄面積逐年擴(kuò)大，已成為世界第二大釀酒葡萄種植區(qū)[2]。截止2019年，新疆釀酒葡萄種植面積高達(dá)46.7 khm2，約占全國(guó)種植面積的1/4，已成為我國(guó)優(yōu)質(zhì)葡萄主產(chǎn)區(qū)[3]。目前，新疆釀酒葡萄采收作業(yè)完全依靠人工，費(fèi)用占比高達(dá)50%[4]；而國(guó)外釀酒葡萄主產(chǎn)區(qū)已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采收[5]，但由于自然條件差異，國(guó)內(nèi)外釀酒葡萄樹形相差較大，新疆葡萄植株相較于國(guó)外樹形松散、枝干較細(xì)，國(guó)外收獲機(jī)械無法適用，易造成枝條和果粒損傷[6-7]。因此，亟需開發(fā)適用于新疆釀酒葡萄種植模式的采收機(jī)械。

國(guó)內(nèi)外等漿果(如藍(lán)莓、黑加侖、葡萄等)采收主要采用振動(dòng)形式[8-11]，利用振動(dòng)發(fā)生器振動(dòng)果樹，并傳遞至果實(shí)，結(jié)合質(zhì)量分布差異，使果實(shí)產(chǎn)生較大的變速變向運(yùn)動(dòng)，克服果實(shí)與果梗連接力，使其連接處變形至斷裂，實(shí)現(xiàn)果實(shí)采收；釀酒葡萄主要利用振動(dòng)傳遞實(shí)現(xiàn)果粒采收[12-14]。Roger等[15-16]設(shè)計(jì)基于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以及伺服液壓的振動(dòng)發(fā)生器，交替驅(qū)動(dòng)交錯(cuò)對(duì)稱肋條實(shí)現(xiàn)葡萄進(jìn)行振動(dòng)采收；Caprara[17]、Baisan[18]以偏心搖桿機(jī)構(gòu)作為振動(dòng)發(fā)生器，驅(qū)動(dòng)兩排撓性肋條擊打葡萄藤蔓實(shí)現(xiàn)葡萄果粒采收；Orlando等[19]利用對(duì)稱鋼軌振動(dòng)釀酒葡萄主干，實(shí)現(xiàn)葡萄采收。因國(guó)外收獲機(jī)械不適用于新疆釀酒葡萄采收作業(yè)，國(guó)內(nèi)學(xué)者從新疆葡萄種植模式入手，開展了眾多研究。袁盼盼等[20-21]以曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為振動(dòng)發(fā)生器，利用連桿產(chǎn)生的平面運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)肋條運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)葡萄采收。馮玉磊等[22]設(shè)計(jì)以RSSR機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)肋條的采收裝置；李成松[23]在RSSR機(jī)構(gòu)基礎(chǔ)上耦合了平面鉸鏈機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)肋條，試驗(yàn)表明該裝置相較于RSSR直接驅(qū)動(dòng)肋條更能有效地實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄采收作業(yè)，但是振動(dòng)發(fā)生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本更高。由以上分析可知，目前國(guó)內(nèi)外主要采用肋條擺動(dòng)的方式對(duì)釀酒葡萄進(jìn)行采收，擺動(dòng)采收過程中對(duì)葡萄果樹振動(dòng)幅度較大、頻率較高，易對(duì)葡萄植株造成損傷，尤其不適用于新疆多主蔓扇形的釀酒葡萄植株，因此，通過改變肋條運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)葡萄植株的多維激勵(lì)，可有效緩解植株損傷，實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄的有效采收。

結(jié)合新疆釀酒葡萄樹形松散、枝干較細(xì)等特點(diǎn)，構(gòu)建左右相位相同的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的釀酒葡萄振動(dòng)采收裝置，并建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，開展仿真分析，確定肋條的主要工作區(qū)域，試制樣機(jī)，制定試驗(yàn)方案，開展收獲性能試驗(yàn)，驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的合理性，旨在為釀酒葡萄及相似漿果的振動(dòng)采收提供參考。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

平面振搖采收機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)、機(jī)架、左振搖總成和右振搖總成組成，如圖1所示，其中，電動(dòng)機(jī)利用同步帶驅(qū)動(dòng)兩側(cè)振搖總成。

左、右振搖機(jī)構(gòu)主要由夾持間距調(diào)節(jié)桿、從動(dòng)軸、左肋條總成、右肋條總成、右肋條調(diào)節(jié)桿、機(jī)架、主動(dòng)軸和曲柄等組成，左右振搖機(jī)構(gòu)由同步帶實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速同步，曲柄長(zhǎng)度、夾持間距和肋條調(diào)節(jié)長(zhǎng)度均采用調(diào)節(jié)孔實(shí)現(xiàn)。兩側(cè)振搖總成是相位、結(jié)構(gòu)完全相同的兩組曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，同時(shí)，為滿足夾持需求，右側(cè)振搖機(jī)構(gòu)增加肋條調(diào)節(jié)桿，將右肋條總成左伸，與左肋條形成對(duì)葡萄藤的夾持狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 平面振搖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 左、右振搖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

由于右肋條的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受肋條調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度影響較大，并與夾持間距同時(shí)影響肋條與藤蔓間振動(dòng)傳遞特性，因此，兩者之間應(yīng)在保證夾持間距不變的情況下實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)。夾持間距和肋條體調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度調(diào)節(jié)均利用調(diào)節(jié)孔實(shí)現(xiàn)，結(jié)合圖3可知

d=d0+p·b+q·c

式中：p——夾持間距調(diào)節(jié)孔位置，m；

q——肋條調(diào)節(jié)間距孔位置，m；

d0——b、c為0時(shí)的初始夾持間距，m。

其中p、q均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，因此通過調(diào)節(jié)p和q的位置可實(shí)現(xiàn)夾持間距和肋條調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度的獨(dú)立調(diào)節(jié)，完成兩影響因素的解耦。

采收裝置工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)利用同步帶驅(qū)動(dòng)左、右振搖總成轉(zhuǎn)動(dòng)，兩側(cè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)同相位轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)兩側(cè)肋條夾持葡萄藤振搖，實(shí)現(xiàn)葡萄果粒變速變向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)離心力大于葡萄果-蒂連接力時(shí)，實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄采收。裝置曲柄長(zhǎng)度、肋條調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度和夾持間距均可利用調(diào)節(jié)孔調(diào)節(jié)。

圖3 夾持間距與右肋條調(diào)節(jié)方式

2 采收裝置運(yùn)動(dòng)分析

采收裝置工作時(shí)，主要利用肋條帶動(dòng)釀酒葡萄植株往復(fù)振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)果粒采收，因此肋條運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)采收效果具有決定性影響。由于采收裝置兩側(cè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)完全相同，僅肋條處于連桿的不同位置，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，因此需對(duì)兩側(cè)肋條運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，采收裝置運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 采收裝置運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)圖

分析圖4中曲柄搖桿—四邊形OBCD的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由機(jī)構(gòu)封閉矢量方程

(1)

求解得

(2)

(3)

對(duì)式(2)、式(3)求導(dǎo)

(4)

(5)

其中D=l1ω12cosθ1-l2ω22cosθ2+l3ω32cosθ3，E=l1ω12sinθ1-l2ω22sinθ2+l3ω32sinθ3。

則E點(diǎn)坐標(biāo)

(6)

對(duì)式(6)求導(dǎo)

(7)

(8)

同理可求得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)—四邊形O′B′C′D′肋條中E″的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

(9)

(10)

(11)

由式(6)～(11)可知，肋條不同位置的運(yùn)動(dòng)特性不同，為滿足釀酒葡萄振動(dòng)采收需求，因此，需結(jié)合葡萄果粒采收機(jī)理確定肋條工作區(qū)域運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則有式(12)。

(12)

式中：F——釀酒葡萄果-蒂連接力，N；

m——釀酒葡萄果粒質(zhì)量，g。

釀酒葡萄果—蒂連接力為5～13 N，葡萄為灌木，振動(dòng)過程中易造成能量損失，因葡萄串中果粒較為集中，果粒加速度與葡萄串加速度相近，因此為確保葡萄果粒具有足夠的振動(dòng)加速度，設(shè)定肋條振動(dòng)力為 20 N，可求得需求振動(dòng)加速度a約為200 m/s2；肋條工作區(qū)域?yàn)橹本€段，帶入以上公式及參考葡萄種植模式最終確定裝置結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)為：曲柄轉(zhuǎn)速ω為600～850 r/min，曲柄末端與肋條間距離l為 210 mm，肋條工作段總長(zhǎng)t為580 mm，曲柄長(zhǎng)度l1為20～55 mm，連桿長(zhǎng)度l2為585 mm，搖桿長(zhǎng)度l3為242 mm，機(jī)架長(zhǎng)度l4為610 mm。

3 仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真分析

為驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，確定各機(jī)構(gòu)參數(shù)后利用Solidworks建立虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)入Motion模塊，設(shè)置曲柄轉(zhuǎn)速為600 r/min，分析時(shí)長(zhǎng)為0.1 s，開展仿真分析并導(dǎo)出各點(diǎn)加速度數(shù)據(jù)。由于肋條工作區(qū)域?yàn)橹本€段，為探討肋條不同位置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選擇圖4中t范圍為0～550 mm，以50 mm間隔選擇作用點(diǎn)測(cè)量加速度，如圖5所示。

由圖5可知，對(duì)于E點(diǎn)：在t=0～400 mm區(qū)段的肋條加速度始終大于200 m/s2，可以滿足釀酒葡萄采收需求；其他區(qū)段內(nèi)的肋條作用點(diǎn)加速度多數(shù)時(shí)段大于200 m/s2，在采收裝置工作時(shí)肋條前進(jìn)，通過前段肋條振動(dòng)后，雖然后段肋條并非完全大于需求加速度，但也可以滿足振動(dòng)采收需求；對(duì)于E″點(diǎn)：各點(diǎn)加速度均大于需求加速度，整段肋條均可以滿足釀酒葡萄振動(dòng)采收需求。

(a) E點(diǎn)速度

(b) E點(diǎn)加速度

(c) E″點(diǎn)速度

(d) E″點(diǎn)加速度

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為確定機(jī)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)，驗(yàn)證理論分析的合理性，開展收獲性能試驗(yàn)。采樣地點(diǎn)為新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)十二師三坪農(nóng)場(chǎng)三坪二連(43°56′8″N, 87°20′05″E)，采樣品種為“赤霞珠”，采樣時(shí)間為2019年9月12日。選取不同生長(zhǎng)位置、直徑(5～15 mm)，掛果均勻(3～5串)的枝條按長(zhǎng)度1 m進(jìn)行剪枝取樣。根據(jù)《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》[24]和《GB/T 5667—2008 農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》[25]規(guī)定的試驗(yàn)方法，以分離率作為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 因素水平表Tab. 1 Factor level of experiment

試驗(yàn)采用4因素3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，試驗(yàn)安排與結(jié)果如表2所示。實(shí)際作業(yè)過程中，主要以分離率為主要指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上降低破損率即可，因此設(shè)定分離率和破損率權(quán)重分別為6和4，同時(shí)由于分離率和破損率兩者相差較大，為進(jìn)行比較，需對(duì)兩者進(jìn)行無量綱化處理，即分離率和破損率分別除以各自平均值，分別記為φ、σ，因此綜合評(píng)分ω=6×φ+4×σ。

由表2對(duì)綜合評(píng)分分析可知，各因素極差的大小順序?yàn)镽A>RD>RB>RC，即影響分離率的主要影響因素是曲柄轉(zhuǎn)速，其次是肋條調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度、曲柄長(zhǎng)度及夾持間距。同時(shí)k3A>k1A>k3A，k1B>k2B>k3B，k1C>k3C>k2C，k3D>k2D>k1D，因此，最優(yōu)方案為A3B1C1D3，即曲柄轉(zhuǎn)速為840 r/min、曲柄長(zhǎng)度為28 mm、夾持間距為100 mm、肋條調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度為410 mm。由于最優(yōu)組合不在已有試驗(yàn)安排內(nèi)，選用最優(yōu)試驗(yàn)方案，在相同試驗(yàn)條件下，開展3組重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知，選取最優(yōu)組合開展試驗(yàn)獲取的分離率平均值為95.23%，破損率平均值為4.26%，均能夠滿足《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》指標(biāo)要求，因此，以最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行的基于平面運(yùn)動(dòng)的釀酒葡萄采收裝置設(shè)計(jì)可滿足釀酒葡萄采收需求。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 2 Experimental scheme and results

表3 最優(yōu)組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 3 Optimal combination test data

4 結(jié)論

1) 利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的連桿與肋條相連，設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)平面運(yùn)動(dòng)的釀酒葡萄采收裝置，對(duì)裝置開展了運(yùn)動(dòng)分析，構(gòu)建了采收裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，確定了影響裝置工作性能的主要影響因素為曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄長(zhǎng)度、肋條調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度和夾持間距。

2) 構(gòu)建釀酒葡萄采收裝置虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行仿真分析，獲取肋條各作用點(diǎn)速度與加速度仿真數(shù)據(jù)，通過加速度分析可知，肋條兩側(cè)加速度均可滿足釀酒葡萄振動(dòng)采收需求。

3) 以曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄長(zhǎng)度、夾持間距和肋條調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度為影響因素，以分離率和破損率為指標(biāo)，開展四因素三水平正交試驗(yàn)，獲取最佳參數(shù)組合：曲柄轉(zhuǎn)速為840 r/min、曲柄長(zhǎng)度為28 mm、夾持間距為100 mm、肋條調(diào)節(jié)桿長(zhǎng)度為410 mm，驗(yàn)證了裝置設(shè)計(jì)的合理性。