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　　PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機設(shè)計與試驗

自我國加入世界貿(mào)易組織以來，葡萄酒產(chǎn)品進口量迅速增長，給國內(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)國際葡萄與葡萄酒組織（O.I.V.）2016年公布的數(shù)據(jù)，中國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，超過法國，僅次于西班牙。

葡萄屬藤蔓型植物，可隨意塑造形狀，通過對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的良好生長狀態(tài)，達到葡萄豐產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的目的。

而根據(jù)修剪的時間不同，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)。

長期以來，我國釀酒葡萄整形修剪一直處于依靠人工，機械化裝備的研究和使用處于相對空白的落后局面，發(fā)達國家于20世紀60年代就開始對葡萄機械化剪枝進行研究，已經(jīng)基本實現(xiàn)了機械化剪枝作業(yè)，其生產(chǎn)效率比人工提高5~10倍。然而，到目前為止，我國葡萄種植業(yè)中，修剪技術(shù)相對落后，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、勞動強度大、生產(chǎn)效率低和人工成本高等問題。因此，我國釀酒葡萄機械化修剪問題亟待解決。

國外開展釀酒葡萄修剪技術(shù)的研究應(yīng)用較多，已實現(xiàn)了葡萄機械化修剪作業(yè)。機械化修剪技術(shù)大多采用整株幾何修剪，其優(yōu)點是作業(yè)速度快，并且修剪后的葡萄果樹有利于后續(xù)作業(yè)實現(xiàn)機械化。

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

董祥等：PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機設(shè)計與試驗農(nóng)業(yè)工程設(shè)計制造及理論研究根據(jù)國內(nèi)釀酒葡萄栽培模式和冬剪農(nóng)藝要求，參考國外釀酒葡萄剪枝機先進機型，以提高剪枝機的修剪質(zhì)量和作業(yè)效率為前提，設(shè)計了一種適于釀酒葡萄冬季埋藤前的機械化剪枝機具。

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

1機械修剪裝置設(shè)計

1.1總體結(jié)構(gòu)

釀酒葡萄修剪機用于在果實收獲后，進入冬季埋藤作業(yè)前，剪除葡萄主藤上當(dāng)年長出的枝條。設(shè)計的PJZ-1型釀酒葡萄修剪機安裝在PT-115型多功能自走式底盤上使用，整機結(jié)構(gòu)（圖1）主要由機架、避障系統(tǒng)和剪枝系統(tǒng)組成。其中機架承載避障系統(tǒng)和剪枝系統(tǒng)，連接至多功能通用底盤；避障系統(tǒng)實現(xiàn)機具前進作業(yè)時自動避讓葡萄藤支架立柱，繞過主藤支柱后自動恢復(fù)作業(yè)位置；剪枝系統(tǒng)可以通過液壓驅(qū)動調(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.機架3.避障系統(tǒng)4.剪枝系統(tǒng)

圖1PJZ-1型釀酒葡萄修剪機

1.2剪枝部件設(shè)計

PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機采用旋轉(zhuǎn)式割刀修剪方式，作業(yè)時刀片在液壓馬達的驅(qū)動下高速旋轉(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

避障系統(tǒng)（圖3）主要由避障機構(gòu)、二位四通換向閥和液壓油缸等組成。避障機構(gòu)主要由避障桿、扭簧和旋轉(zhuǎn)軸等零件組成。避障機構(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避障系統(tǒng)干擾。作業(yè)時，避障桿碰到立柱等障礙物時發(fā)生轉(zhuǎn)動，與避障桿固定連接的撥動桿撥動二位四通閥開關(guān)，換向閥換向，油缸驅(qū)動避障系統(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實現(xiàn)。液壓系統(tǒng)由避障桿、換向閥、復(fù)位彈簧、油缸和限位機構(gòu)等組成。當(dāng)作業(yè)部件前進到直柱附近時，作業(yè)部件前部的避障觸桿先接觸立柱，隨著機具前進，觸桿由于受到立柱擠壓發(fā)生轉(zhuǎn)動，將這一轉(zhuǎn)動量傳遞給液壓換向閥，控制油缸收縮，作業(yè)部件回旋避開立柱。

隨著機具前進至超過立柱，觸桿轉(zhuǎn)動量慢慢達到最大，當(dāng)觸桿末端越過立柱，由立柱產(chǎn)生的擠壓力消失，觸桿在拉簧的作用下瞬時復(fù)位，進而運動傳遞給液壓換向閥，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程。

2試驗材料、設(shè)備及評價指標

2.1試驗地點、材料及儀器設(shè)備

2016年11月在河北省懷來縣進行機具試驗，試驗葡萄品種是當(dāng)?shù)貜V泛種植的赤霞珠。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉⑼临|(zhì)條件以及農(nóng)民多年來收獲經(jīng)驗，赤霞珠冬剪時間一般在葡萄自然落葉后至次年春季傷流期前進行，即每年的11月初開始剪枝，提前做好葡萄藤過冬準備。試驗過程中盡可能選擇一致性好的試驗地進行測試。

試驗設(shè)備包括自行研制的釀酒葡萄剪枝機、手持式光電測速儀、計數(shù)器、鋼卷尺、游標卡尺和秒表等。試驗現(xiàn)場如圖5所示。

2.2試驗評價指標

（1）試驗評價指標確定。

圖5試驗現(xiàn)場

試驗地的葡萄植株修剪樹形為主蔓扇形，栽培架式為單籬。冬剪試驗結(jié)束后，參照國家標準GB/T 25393—2010《葡萄栽培和葡萄酒釀制設(shè)備葡萄收獲機試驗方法》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)速度行走并進行剪枝作業(yè)，試驗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評價指標，評價釀酒葡萄剪枝機的試驗效果。

（2）計量方法。

通過計數(shù)法計算葡萄枝條剪斷率。試驗結(jié)束后，分別統(tǒng)計試驗長度內(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——試驗長度內(nèi)剪斷的枝條數(shù)

B2——試驗長度內(nèi)未剪斷的枝條數(shù)

3釀酒葡萄剪枝機試驗

試驗前檢查PJZ-1型葡萄藤剪枝機各緊固部位連接是否可靠，各運動部件應(yīng)運轉(zhuǎn)靈活，各潤滑部位加注潤滑油或潤滑脂。在室內(nèi)用叉車將葡萄剪枝機升起到合適高度，用螺栓將葡萄剪枝機的主框架連接到底盤左和右大梁后部的連接板上。整機固定后，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自動避障系統(tǒng)試驗

剪枝機設(shè)計工作速度3.0 km/h，最高剪枝速度5.0 km/h。避障系統(tǒng)的靈敏度取決于機具行駛速度，對最大工作速度時的自動避障系統(tǒng)工作情況進行試驗測試。

操作操縱桿置于空擋位置，啟動發(fā)動機并逐步加大油門到額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)。將操縱桿向前推動，使剪枝機按照5.0 km/h的作業(yè)速度前進，當(dāng)自動避障系統(tǒng)的避障桿遇到葡萄藤支架立柱時，避障系統(tǒng)可以有效地使液壓控制閥的閥芯動作，控制橫向移動油缸迅速驅(qū)動剪枝裝置做橫向移動，使旋轉(zhuǎn)割刀安全繞過立柱；當(dāng)避障桿離開立柱后，液壓控制閥的閥芯可以迅速回復(fù)到原始位置，并且橫向移動油缸驅(qū)動剪枝裝置做橫向移動，使之回到初始位置繼續(xù)進行剪枝作業(yè)，試驗過程如圖6所示。試驗距離500 m，試驗重復(fù)3次，自動避障系統(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

3.2枝條剪斷率單因素試驗

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)剪枝機轉(zhuǎn)速足夠大時，便能完全將其剪斷，故機具本身的作業(yè)工況決定了枝條的剪斷率。

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

3.2.1割刀轉(zhuǎn)速對枝條剪斷率的影響

通過預(yù)試驗確定，當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速＜800 r/min時，剪枝機難以將葡萄枝條剪斷，試驗固定機具作業(yè)速度3.0  km/h，割刀轉(zhuǎn)速以800 r/min為初始水平，試驗梯度為200 r/min，觀察試驗結(jié)果并統(tǒng)計，計算葡萄枝條剪斷率。

當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速＜800 r/min時，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；當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速800~1 800 r/min，機具作業(yè)速度3.0 km/h時，割刀隨著機具前進，枝條未被剪斷，存在部分漏剪現(xiàn)象；當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速達到2 000 r/min時，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，葡萄枝條全部剪斷，剪斷率100%。

3.2.2作業(yè)速度對枝條剪斷率的影響

固定割刀轉(zhuǎn)速2 000 r/min時，機具作業(yè)速度以1.0 km/h為初始水平，試驗梯度0.5 km/h進行試驗。

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

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

剪斷率單因素試驗結(jié)果表明，當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速2 000 r/min，機具作業(yè)速度1.0~2.0 km/h時，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

試驗結(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，試驗發(fā)現(xiàn)，機具作業(yè)速度可以增加到5.0 km/h，并且可以保證修剪面平整，無漏剪及枝條撕裂等現(xiàn)象，選擇4.0 km/h作為設(shè)計作業(yè)速度。

PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機速度4.0 km/h，進行剪枝作業(yè)，按GB/T 5667—2008《農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗方法》進行作業(yè)效率和使用可靠性測定，并對試驗過程中出現(xiàn)的故障情況進行分析，如圖9所示。

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

田間試驗期間，機具動力部件運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作情況良好，除了正常維護檢修外，未發(fā)生影響試驗進程的嚴重故障。

圖9田間生產(chǎn)率與可靠性試驗

該PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機可以完成對釀酒葡萄的冬季剪枝作業(yè)，且在地形平坦條件下，該釀酒葡萄剪枝機在割刀轉(zhuǎn)速2 000~3 000 r/min，機具作業(yè)速度2 km/h時，枝條剪斷率接近100%；機具作業(yè)速度增加時，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避障功能的PJZ-1型釀酒葡萄剪枝機，該機具由機架、自動避障裝置和液壓驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)式剪枝裝置等組成，當(dāng)位于機具前端的避障桿遇到葡萄架立柱等障礙物時，自動避障裝置驅(qū)動剪枝部件避開障礙物，避免機具損壞。

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

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

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

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

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

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