葡萄枝條撿拾粉碎收集機設計與試驗

王治民 何磊 周艷 宋龍 朱賀 盧雨

摘要：針對葡萄枝條修剪量大、資源化利用率低、離園成本高等問題，設計一種集集條、撿拾、粉碎、收集作業為一體的葡萄枝條撿拾粉碎收集機。闡述整機結構和工作原理，并結合葡萄枝條特性，設計與分析集條裝置、撿拾喂入裝置、粉碎裝置等關鍵部件。性能試驗結果表明：在葡萄枝條平均含水率為60.5%的條件下，作業速度為1.4 km/h、粉碎軸轉速為2 280 r/min、喂入輥轉速為147 r/min時，撿拾率為95.41%，粉碎長度合格率為94.87%，機具作業性能穩定、效果好，滿足葡萄枝條粉碎收集的作業要求。

關鍵詞：葡萄枝條；粉碎收集；撿拾率；粉碎長度合格率

中圖分類號：S224.29? 文獻標識碼：A? 文章編號：2095-5553 （2024） 03-0126-07

Design and experiment of grapevine stem picking and crushing collection machine

Wang Zhimin1， He Lei2， Zhou Yan2， Song Long2， Zhu He1， Lu Yu1

（1. School of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi， 832000，China;2. Institute of Machinery and Equipment， Xinjiang Academy of Agricultural Reclamation， Shihezi， 832000， China）

Abstract：

Aiming at the problems of large pruning volume， low resource utilization rate， and high cost of leaving the orchard， a grape branch picking and crushing collection machine was designed ?by integrating harvesting， picking， crushing， and collection operations. The structure and working principle of the entire machine were explained， and key components such as the collection device， picking and feeding device， and crushing device were designed and analyzed based on the characteristics of grape branches. The performance test results show that under the condition of an average moisture content of 60.5% in grape branches， with a working speed of 1.4 km/h， a crushing shaft speed of 2280 r/min， and a feeding roller speed of 147 r/min， the picking rate is 95.41%， and the crushing length qualification rate is 94.87%. The operation performance of the machine is stable and effective， which can meet the requirements of grape branch crushing and collection.

Keywords：grape branches; crushing collection; pickup rate; crushing qualification rate

0 引言

新疆是全國重要的優質特色林果生產基地，2020年全國葡萄種植面積712.4khm2［1］，而新疆的葡萄種植面積達123 khm2 ［2］。葡萄修剪是葡萄生產管理重要措施之一，用于保持營養和果實生長之間的平衡［3］，僅在新疆地區，每年因修剪產生的葡萄殘枝高達100 kt［4］。目前果農針對修剪后的葡萄枝條處理方式主要為堆積掩埋、就地焚燒、粉碎還園，這會導致枝條長時間堆積易引發火災，存在安全隱患，而且堆積的枝條腐爛變質，會滋生病原菌，引發蟲害，繼而威脅葡萄生長等問題［5］；選擇焚燒處理容易影響大氣環境，造成霧霾天氣，危害人們的身體健康；如果直接粉碎還園病蟲害基數大，使用藥劑對病菌、蟲卵徹底消殺較難，還需挖溝埋入土溝，然而枝葉發酵后會產生大量的熱，出現燒根現象。

葡萄枝條有效回收利用，不僅能夠避免上述問題，還能變廢為寶。葡萄枝葉營養價值較高，適口性好，是草食家畜優質廉價的飼料資源，同時還可作為食用菌培養基質和生物燃料。而針對葡萄枝條有效利用設備的研究，國內學者馬龍兵等［4］設計了一種移動式葡萄枝條粉碎還田機，該機由拖拉機驅動，通過進料口人工喂入，通過錘片式粉碎裝置擊碎，后通過篩板篩分出合格的顆粒。國外針對葡萄枝條修剪后處理的裝備較多，意大利農業和林業工程部（DIAF）與Nobili公司合作開發了的一種粉碎機［6］，該機通過三點懸掛裝置掛接在拖拉機后部，前部裝有拾取裝置，可以撿拾并輸送修剪廢棄物，之后粉碎物會被收集在存儲袋或者通過液壓油缸升降的存儲箱內［7］。國內葡萄枝條修剪后大多直接粉碎還田，較少進行粉碎收集利用，一方面是因為枝條的處理需要相應的收集、加工以及運輸設備，而這些設備需要一定的資金投入；另一方面規?；钠咸阎l回收利用需要可持續的市場需求和成熟的商業模式，而這些條件國內尚未成熟。

針對上述問題，本文設計一種集集條、撿拾、粉碎、收集為一體的葡萄枝條粉碎處理裝備，保證葡萄園中修剪的枝葉粉碎、收集以及離園。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

葡萄枝條撿拾粉碎收集機由懸掛裝置、集條裝置、喂入裝置、粉碎裝置、收集裝置等組成。集條裝置由一對指盤組成，可實現枝條的聚攏作用；喂入裝置由上下撿拾輥組成，由液壓泵驅動和鏈條傳動；粉碎裝置為錘爪式粉碎，由粉碎軸上的定刀和粉碎機體上的粉碎齒板組成；收集裝置具有液壓舉升裝置，可方便收集粉碎物料卸載。

整機方案確定后運用SolidWorks 2020對各零部件進行三維建模、虛擬裝配并導出工程圖，運用AutoCAD 2019對工程圖進行處理并出具二維圖紙進行零部件加工。整機三維結構如圖1所示。

拖拉機的下懸掛點安裝在牽引軸兩端的銷軸上，通過拖拉機懸掛液壓升降即可實現粉碎機前端的升降，粉碎作業時落下，運輸時升起。拖拉機液壓泵將動力傳遞給粉碎機液壓馬達，再經鏈傳動傳遞給撿拾輥。拖拉機的動力輸出軸經傳動軸將動力傳遞到變速箱，之后再經帶傳動傳遞給粉碎刀軸，實現物料的粉碎［8］。

機具作業時，滑板一直與地面接觸，由液壓馬達驅動的撿拾喂入輥將枝條撥入粉碎室內，同時位于機具兩端的指盤在與地面接觸產生的摩擦力作用下轉動，將散落兩旁的枝條聚攏以減少漏撿，高速旋轉的刀軸帶動粉碎動刀與定刀配合將進入粉碎室的枝條直接粉碎，較短小的粉碎物在隨粉碎軸轉動產生的離心力及粉碎刀輥轉動形成的氣流作用下，通過排料管直接拋入收集箱內部，由于大的粉碎物較重無法拋出繼續在粉碎室內粉碎，當收集箱內碎枝裝滿時，將機具運輸到指定位置，打開收集箱升降控制開關，使收集箱升起一定角度，完成卸料。整機技術參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 集條裝置

集條裝置結構如圖2所示。

機具作業時，彈齒與地面接觸引起摩擦，摩擦力帶動指盤旋轉，指盤做圓周運動的離心力帶動葡萄枝條發生位置變化。處于機器邊緣的枝條隨指盤轉動逐漸向機具作業幅寬內聚攏。本設計中彈齒彎角117°；彈齒直徑7 mm，集條裝置與拖拉機前進方向呈“V”型布置。

2.2 喂入裝置

2.2.1 喂入裝置結構

喂入裝置主要由上、下撿拾輥組成，上撿拾輥共有7片撿拾撥齒，相鄰撥齒的夾角為52°，間距180mm；下撿拾輥共有13片撿拾撥齒，相鄰撥齒的夾角為28°、間距95mm，螺旋分布于撿拾輥圓周面上，其結構如圖3所示。撿拾撥齒上設計多個連續凹槽，有效提高粉碎機的撿拾率［9， 10］。

2.2.2 撿拾運動軌跡分析

撿拾裝置工作時，撥齒與枝條接觸尖端隨撿拾輥做圓周運動，同時還沿拖拉機前進方向做直線運動。因此，撿拾撥齒尖端在粉碎機作業時的運動是圓周與直線兩種運動的合成，對其進行理論分析，可確定與拖拉機牽引速度匹配關系，從而確定粉碎刀軸轉速。

喂入裝置具有上下撿拾輥，上撿拾輥主要輔助喂入的作用，工作時與下撿拾輥反向等轉速旋轉，因此只需對下撿拾輥的運動狀態進行分析。

撿拾撥齒尖端的絕對運動由拖拉機作業速度Ve和回轉運動線速度Vr兩種速度合成，其比值為旋耕速比λ，當λ<1時，撿拾刀尖端的運動軌跡是條無扣的短幅擺線；λ>1時，運動軌跡為余擺線［11］，此時機具在作業時，才能夠對葡萄枝條有效撿拾，降低枝條漏撿率。由于撥齒回轉半徑設計尺寸為158 mm，該作業情況下拖拉機作業速度的范圍為1～3 km/h。由此存在關系如式（1）所示。

λ=VrV=ωRV=πnR30V>1（1）

式中：λ——旋耕速比；Vr——撿拾刀端點回轉線速度，m/s；V——拖拉機作業速度，m/s；R——撿拾撥齒尖端的回轉半徑，m；ω——撿拾輥角速度，rad/s；n——撿拾輥轉速，r/min。

代入數據可求得撿拾輥轉速ω，換算得撿拾輥轉速n＞50.3 r/min。

如圖4所示，以機具前進方向為x軸，以豎直方向為y軸，以撿拾輥旋轉中心O為坐標原點建立直角坐標系xOy，t時刻撿拾撥齒尖端的運動軌跡方程如式（2）所示。

x=Rsinωt+Vty=－Rcosωt（2）

根據軌跡方程在坐標系中繪制出λ>1條件下的撥齒尖端A的運動軌跡如圖4所示。

枝條漏撿區域BCD面積的大小直接影響枝條撿拾率，從而影響枝條的粉碎質量。通過分析幾何關系得出漏撿高度h、漏撿距離l與撿拾輥轉速ω的關系［12］。

h=R1－cos15πVπRn+30Vl=πVω=30Vn（3）

如圖5所示，秸稈漏撿區域BCD可近似為三角形，因此可得枝條漏撿面積如式（4）所示。

S=12hl=15VRn1－cos15πVπRn+30V（4）

式中：S——枝條漏撿面積，m2。

由式（4）可知，當撿拾撥齒回轉半徑R、拖拉機作業速度V一定時，枝條漏撿面積隨撿拾輥轉速的增大而減??；枝條漏撿面積是影響枝條撿拾率的關鍵因素，漏檢面積越小，撿拾率越高。但轉速過大會增加動力消耗，因此綜合考量最終確定撿拾輥轉速為147 r/min。

2.3 粉碎裝置

粉碎裝置是粉碎機的核心工作部件，主要由粉碎齒板、錘爪、粉碎刀軸、定刀等組成，其結構如圖5所示。

2.3.1 動刀的選擇

粉碎機刀具性能的優劣將直接影響整機的可靠性和作業效果［1317］。目前，枝條粉碎機刀片主要有3種類型［1822］：直刀型、Y型或L型、錘爪型。直刀型、Y型或L型刀具相較于錘爪有制造簡單、功率消耗較低的特點，但也有易磨損、壽命低的特點。錘爪式刀具主要是通過其較大的慣性力搗碎、撕剪枝條，粉碎效果較好，錘爪式刀具還具有強度高、耐磨的特點，即使在有碎石進入粉碎室的情況下，仍有較高的壽命［20］。故最終刀具選用錘爪式，材料選用65Mn。

2.3.2 動刀數量

對于粉碎機來說，錘爪數量對粉碎裝置運行穩定性、使用壽命、作業效率都有一定程度的影響。錘爪數量過多，功率消耗變大；數量太少，撿拾率降低，影響作業效果，因此需要選取一個合適的錘爪數目。參考農業機械設計手冊，通過式（5）可確定錘爪數目［22， 23］。

c=NL′（5）

式中：c——刀具密度，片/mm；N——粉碎動刀數量，個；L′——粉碎機作業幅寬，mm。

錘爪式粉碎刀具數量通常為N取3n，n為錘爪的數量，刀具密度c一般取0.20～0.40片/cm，本機作業寬度1 300 mm，代入式（5），求出錘爪數量n為9～18片，在保證粉碎效果的前提下，盡可能降低作業能耗，并綜合考量刀具布置要求，最終選定錘爪數量為16片。

2.3.3 動刀的排布

刀輥作為粉碎設備的核心部件，其高速旋轉會產生強烈的振動，是設備振動的主要來源。刀輥（包括刀軸、刀具及附件）的振動會給整個設備帶來一系列的損害，例如懸掛架和機罩的開裂、皮帶（或鏈條）失效，這不僅會影響粉碎效果，而且會對作業人員帶來很大的安全隱患。刀輥、傳動系統以及作業環境等因素都是粉碎裝置的振動來源。而合理的刀具布置是影響設備振動的一個關鍵因素［24］。

刀具常用的排列方式有螺旋線排列、對稱排列、交錯排列、對稱交錯排列［22］，經查閱資料對比后，對稱交錯排列具有一定的優勢，其刀具軌跡均勻不重復，由于其排列左右對稱，易到達動平衡，可以將機具的振動大幅降低［2529］，因此本機刀具采用對稱交錯的布置方式。本機粉碎刀軸上共有16片錘爪，錘爪在對稱軸兩側軸向均勻分布，且左右對稱；將粉碎軸端面圓周分為8等份，等分后刀軸的每條母線上布置兩把刀具，且排布時保證相鄰的錘爪相位角大于60°。將粉碎刀軸曲面展開成平面后，如圖6所示。

2.3.4 粉碎過程中錘爪受力分析

錘爪在工作時高速旋轉，離心力的作用使得錘爪近似保持在徑向位置。在進行葡萄枝條的粉碎時，錘爪的端部會受到均勻的切割阻力F1，部分動能用作克服該切割阻力，從而使錘爪產生偏轉角θ［21， 30］，如圖7所示。

忽略銷軸與錘爪的摩擦力，錘爪相對于O1點產生力矩的力主要有離心力F2、重力mg、切削阻力F1，對應的力臂為L、L1sinθ、L2，忽略錘爪厚度，分析可得

L2=L3cosθ（6）

M1=F1L2=F1L3cosθ（7）

M2=mgL1sinθ（8）

M3=F2L=mωd2R1L（9）

式中：L3——錘爪長度；M1 ——切削阻力力矩；M2 ——重力力矩；M3 ——離心力力矩；ωd ——錘爪轉動角速度；R1 ——錘爪質心回轉半徑。

由三角形相似得

LL1sinθ=R2R1（10）

錘爪相對于銷軸中心O1點力矩平衡方程為

F1L3cosθ=mgL1sinθ+mωd2R2L1sinθ（11）

整理得

tanθ=F1mL1L3（g+ωd2R2）（12）

式中：g——重力加速度。

錘爪工作時，若偏角θ過大會降低粉碎質量。根據式（12）可知：

（1）增大錘爪質量m，偏角θ將變小，有利于枝條的粉碎。但隨著錘爪質量的增加，單位時間燃油消耗量隨之也相應增加，因此需要選擇合適的錘爪寬度和厚度以改變質量，本文參照已有的枝條粉碎機，取錘爪平均厚度18 mm，平均寬度97 mm；

（2）L1/L3比值增加時，偏角θ將變小。這表明錘爪質心越靠近刀口端，錘爪工作偏角越小，因此可將錘爪設計成銷軸端小刀口端大的結構。綜合考慮到錘爪結構強度的要求，銷軸端寬度取為85 mm，刀口端的寬度為145 mm;

（3）提高刀軸角速度ωd，工作偏角θ減小，但單位時間燃油消耗量相應增加，同時對動平衡要求較高，因此需要選擇一個合適的角速度，即刀軸的轉速。

2.3.5 動刀轉速的確定

動刀回轉半徑和粉碎刀軸轉速是粉碎機的重要結構和運動參數。其對粉碎機的粉碎效果和運行的平穩性有關鍵影響。為滿足無支撐切割的要求，應使動刀線切割速度v1≥48 m/s［31］。本機設計動刀回轉半徑R0為280 mm，動刀回轉半徑和粉碎刀軸轉速關系式如式（13）所示。

v1=πndR030×10-3（13）

式中：v1 ——動刀線切割速度，m/s；nd ——粉碎刀軸轉速，r/min；R0 ——動刀回轉半徑，mm。

計算得到粉碎刀軸轉速為1638r/min。綜合考慮枝條的韌性及相關因素，故確定nd＞1638r/min。

3 試驗與分析

3.1 試驗條件

為考察粉碎機的性能指標是否符合實際生產要求，于2023年10月在新疆生產建設兵團第五師八十三團葡萄試驗田進行田間試驗，如圖8所示。試驗對象為釀酒葡萄修剪枝條，葡萄園種植行距4 m，枝條平均含水率為60.5%，直徑≤60 mm。測量儀器：標桿、皮卷尺、游標卡尺、臺稱、電子秤、烘干箱。

3.2 試驗方案

作業前在試驗地塊中選取15個測區（選點應避開地邊和地頭）分三組進行試驗，每個測區測試時不得改變機具作業狀態。單個測區長度不少于5 m。試驗前，將試驗區前后留有不少于3 m的穩定區。

測量并計算每個測試區的面積并記錄，并對測區內枝條進行稱重，粉碎試驗后，撿拾作業時漏撿的枝條并稱其重量，按式（14）對撿拾率進行計算。

φ=m－m1m×100%（14）

式中：φ——撿拾率，%；m——測區內枝條總質量，kg；m1——測區內漏撿枝條總質量，kg。

撿拾粉碎機作業后，將單個測區內漏撿枝條與所有粉碎長度合格的枝條進行收集稱重（參照GB/T 24675.6—2021《保護性耕作機械》，粉碎后枝條長度<150 mm為合格）。按式（15）計算合格率。

μ=m－m1－m2m－m1×100%（15）

式中：μ——粉碎長度合格率，%；m2——測區內粉碎不合格枝條總質量，kg。

3.3 試驗結果與分析

試驗結果如表2所示，在葡萄枝條平均含水率60.5%的條件下，作業速度為1.4 km/h、粉碎軸轉速為2 280 r/min、喂入輥轉速為147 r/min時，撿拾率95.41%，粉碎長度合格率94.87%，機具作業性能穩定、效果良好，滿足葡萄枝條粉碎收集的作業要求。

4 結論

1） 針對葡萄枝條修剪量大資源化利用率低、離園成本高等問題，設計一種集集條、撿拾、粉碎、收集作業為一體的葡萄枝條撿拾粉碎收集機，闡述整機結構和工作原理，并結合葡萄枝條特性，設計與分析集條裝置、撿拾喂入裝置、粉碎裝置等關鍵部件。該機可滿足葡萄園修剪后的枝條高效離園作業，實現枝條資源化有效利用。

2） 通過對粉碎時錘爪的受力分析，得出影響枝條粉碎質量的關鍵因素，并確定粉碎刀軸轉速臨界值為1 638 r/min；通過對撿拾撥齒運動軌跡分析，得出枝條漏撿面積與撿拾輥轉速的關系，確定撿拾輥轉速為147 r/min。

3） 田間性能試驗表明，在葡萄枝條平均含水率為60.5%的條件下，作業速度為1.4 km/h、粉碎軸轉速為2 280 r/min、喂入輥轉速為147 r/min時，撿拾率為95.41%，粉碎長度合格率為94.87%，機具作業性能穩定、效果良好，滿足葡萄枝條粉碎收集的作業要求。

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基金項目：新疆生產建設兵團中青年科技創新領軍人才計劃（2020CB031）；新疆農墾科學院創新團隊（NCG202302）

第一作者：王治民，男，1997年生，山西大同人，碩士研究生；研究方向為農業機械化工程。E-mail： 2475484110@qq.com

通訊作者：何磊，男，1985年生，河南周口人，研究員，碩導；研究方向為農業機械設計與性能試驗。E-mail： 123893162@qq.com