葡萄清土扒藤机械化技术研究现状与展望_宋龙.pdf

新疆农机化2023年第5期 通讯作者 周 艳 基金项目 新疆农垦科学院联合基金2022年度农机领域青年 人才培育项目 2022YJ004 修回日期 2023 05 08 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2023 05 007 中图分类号 S224 文献标识码 A 0 引言 葡萄做为我国特色水果产品之一 1 在我国广泛种植 根据国际葡萄与葡萄酒组织发布的统计资料 2020年全 球葡萄种植总面积约为730万hm 2 中国葡萄种植面积约 为78 5万hm 2 较2019年增长0 6 总种植面积居世界 第三 仅次于西班牙和法国 2 葡萄的种植分布受自然条件 影响明显 多集中在西北 华北等北纬35 45 区域 3 栽 植模式多为露天 因此当寒冷干燥的冬季来临之前 为了避 免葡萄藤出现风干或冻伤现象 农户一般先将修剪后的葡 萄藤下架并埋入土中 待第二年春季天气回暖时再将其出 土上架以保证安全过冬 冬季埋土防寒和春季出土是葡萄 null管理的重要环节 其工作量约占葡萄null管理的30 4 目 前我国大部分葡萄种植地区冬季防寒仍以人工埋藤为 主 机械化程度较低 5 6 有着作业时间跨度短 作业量大 劳动强度高 效率低且易伤藤的特点 另外 由于劳动力短 缺 人工成本逐年上涨 这些因素不仅制约着葡萄产业化 的发展 而且降低了葡萄种植户的收入 7 因此 实现北方 葡萄春季清土的机械化作业对中国葡萄产业化发展和提 高葡萄种植户收入具有重要意义 8 本文针对我国北方葡 萄种植模式中春季清土扒藤作业环节 通过对近年来国内 外葡萄清土扒藤机的清土部件及避障装置研究现状进行 介绍并进行分析和比对 总结出目前葡萄清土机械存在的 问题 提出对未来葡萄清土扒藤机械的展望并提出采用 测距雷达 传感器 PLC及伺服电缸设计一种非接触式 电控自动避障装置 为自动避障技术在葡萄清土扒藤作 业中的应用提出新的思路 以促进葡萄春季清土扒藤机 械化水平 文章编号 1007 7782 2023 05 0025 05 葡萄清土扒藤机械化技术研究现状与展望 宋 龙 1 周 艳 1 何 磊 1 韩大龙 1 张 景 1 朱 贺 2 王治民 2 卢 雨 2 1 新疆农垦科学院机械装备研究所 新疆石河子832000 2 石河子大学机械电气工程学院 摘 要 目前葡萄清土扒藤作业仍以人工作业为主 劳动强度大 效率低下 成本高 作业季节性强 因此采用机械化作业已是必然 发展趋势 为此 本文通过对近年来国内外葡萄清土扒藤机及其自动避障装置的研究现状进行介绍 将各机型及其避障装置进行 分析和比对 研究结果表明高效稳定的避障装置是葡萄清土扒藤机械化 智能化发展的关键因素 对促进葡萄清土扒藤机械及葡 萄产业化的发展具有重要意义 关键词 葡萄清土扒藤机 自动避障 智能化 Currentresearchsituationandprospectofgrapevinepicking upandsoilcleaningmechanizedtechnology Song Long 1 Zhou Yan 1 He Lei 1 Han Dalong 1 Zhang Jing 1 Zhu He 2 Wang Zhimin 2 Lu Yu 2 1 MechineryandEquipmentInstituteofXinjiangAcademyofAgriculturalReclamationSciences Shihezi 832000 Xinjiang China 2 CollegeofMechanicalandElectricalEngineering ShiheziUniversity Abstract At present the grape clearingand grubbingoperation isstill mainlymanual operation labourintensity low efficien cy highcost operationseasonal so the use ofmechanized operation isan inevitable development trend In thisregard the cur rent research status ofthe domestic and foreign grape clearing and grubbing machine and its automatic obstacle avoidance de viceinrecentyearswereintroducedinthispaper andthemodelsandtheirobstacleavoidancedeviceswereanalyzedandcom pared andtheresearchresultsindicatethattheresearchofefficientandstableobstacleavoidancedeviceisthekeyfactorin the development ofgrape clearingand grubbingmechanization and intelligence which is ofgreat significance to the promotion of grapeclearingandgrubbingmachineryandthedevelopmentofgrapeindustrialization Key words Grapesoilrakingmachine Automaticobstacleavoidance Intelligence 开发研究 25 新疆农机化 2023年第5期 1 葡萄扒藤机的发展现状 在国外 葡萄主产国主要集中在温带及亚热带全年气 候温和的区域 如法国 意大利和美国等地区 因此在冬季 不需要进行冬季埋藤和春季清土起藤作业 故未见国外与 埋藤或者清土相关的农业机械和相关研究 9 在国内 由于我国葡萄产业发展较晚 因此对相关配 套机械的研究还处于探索阶段 虽然冬季埋藤已基本实现 机械化 但是春季清土起藤仍以人工为主 机械化程度较低 目前国内设计的葡萄清土扒藤机种类较多 按照工作方 式可以分为单边式和双边式 按照机具作业位置可以分为 垄上作业和垄行作业 按照清土装置是否与土壤接触可以 分为接触式和非接触式 10 此外还有回收彩条布清土机 11 总之 葡萄清土起藤机械的重要组成部分还是以动力装置 扒土装置及自动避障装置为主 其中动力装置一般以拖拉 机为主 动力一般为15 32kW 清土扒藤装置分为往复 刮板 式 回转 叶轮或刷子 式 绞null式和链铲式等 自动 避障装置则是以触杆 传感器 液压换向阀和电磁阀为主 从机具的实际使用来看 虽然清土扒藤机械种类繁多 但 影响机具工作效率的主要部件还是清土装置和自动避障 装置 下面对接触式和非接触式清土扒藤装置的发展现状 进行研究与分析 目前非接触式清土扒藤装置主要以气吹式为主 江苏 大学的杨启null等 12 设计了一种气吹旋抛复合式葡萄藤清土 起藤装置及清土机 依靠旋抛和风力清土 结构如图1 图1 气吹旋抛复合式葡萄藤扒土机 1 旋抛装置2 避障装置3 三点悬挂装置4 变速箱5 液压站6 柴油机7 皮带 8 机架9 L型板10 发动机底座11 风机12 风机轴承座13 法兰盘14 软管15 硬管 16 固定板17 拉杆18 舵机19 舵机安装支架20 传感器21 传感器安装支架22 土 垄23 液压缸 该机由机架 旋抛装置 避障装置 风力清土装置 传感 器 风口调整装置和控制单元组成 其清土部件采用气吹和 旋抛组合方式 该机可根据现场作业环境调节旋抛装置的 伸缩及风管口的角度 作业不伤藤但该机仅适用于覆土量 少和沙性土质的环境 由于该机使用气吹方式 因此现场作 业环境差 目前该机仅处于试验阶段 而对于接触式清土装置的研究 清土部件主要以刮板 绞null 刮板 叶轮 绞null及刮刷组合式这4种类型为主 宁夏工商职业技术学院曾保宁等 13 研制的针对宁夏葡 萄种植模式的葡萄起藤机机构如图2 该机器由左右铲土 犁 左右刮土板 前后梁 左右边梁和悬挂架组成 主要清土 部件为刮板 其优点是结构简单 制造成本低 作业效率 高 缺点是适用范围仅限于宁夏葡萄种植模式 清土不彻 底 需要人工进行二次作业 图2 葡萄起藤机 中国农业科学院果树研究所王null强等 14 研制的以绞 null为关键清土部件的前置式防寒土葡萄扒藤机如图3 该机主要由机架 传动机构 清土绞null部件 平地绞null部件 及避障探头部件组成 主要清土部件为绞null 该机出土量 大且能将清除的葡萄藤防寒土均匀地平铺到行间 但绞null 为刚性体 在作业过程中容易损伤土壤中的葡萄藤 图3 前置式防寒土葡萄扒藤清土机 中国农业大学马帅等 15 人研制的自动避障式葡萄藤 防寒土清土机如图4 该机主要由机架 避障null动机构 避 障信号采集机构 控制器 清土部件 挡土板 传动部件和 限深轮等组成 主要清土部件为刮板 叶轮 绞null 该机 仅适用于防寒土埋在水泥柱单侧的情况 若防寒土埋在 水泥柱两侧 水泥柱位于土垄中间 则水泥柱中间的土壤 不能被有效清除 图4 自动避障式葡萄藤防寒土清土机 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 开发研究 26 新疆农机化2023年第5期 中国农业大学马帅等 16 研制的刮刷组合式葡萄藤 防寒土清土机如图5 该机主要由机架 刮土板部件 叶 轮部件 柔性刷子部件 液压系统和控制系统等构成 主 要清土部件为刮刷组合式 其特点是机具具有自动调平 系统 可提高机具的适应性 清土率可降低对葡萄藤的 损伤率 图5 刮刷组合式葡萄藤防寒土清土机 1 控制柜2 风冷却器3 幅宽调节油缸4 幅宽伸缩机架5 一级皮带传动6 二 级皮带传动7 刷子部件8 叶轮部件9 刮土板部件10 触杆11 避障油缸12 三点 悬挂 2 葡萄清土扒藤机自动避障装置研究现状 随着葡萄清土扒藤机的不断更新迭代 自动避障装置 逐渐成为了其重要的组成部分 对机具工作效率的提高具 有重要作用 因此自动避障装置的研究及改进始终是萄清 土扒藤机研发的一个重要内容 葡萄清土扒藤机自动避障 装置主要由触杆 传感器 电磁阀和液压换向阀构成 其工 作过程为 当避障触杆未碰触到水泥柱或障null物时 避障 装置不工作 扒土装置进行正常扒土作业 当避障装置触 碰到水泥柱或障null物时 扒土装置开始由避障装置控制改 变作业路径 使扒土装置能null利避开水泥柱或障null物 当 避障装置与水泥柱或障null物分离后 扒土装置复位 进行 正常扒土作业 以此往复循环 究其根本葡萄自动避障清土 扒藤机通过自动避障装置改变扒土装置的作业路径 从而 使水泥柱或障null物之间的防寒土清理更彻底 极大提高了 机械效率 降低了人工工作量 节省了劳动力成本 目前 此类自动避障装置已经成为果null机械的主要组 成部分 该装置的设计虽然巧妙 但是过度依赖触杆的触发 效果 因而对触杆的制作null料 障null物的形状及软硬度有一 定适用限制 同时对传感器的灵敏度及信号的采集也有较 高的要求 因此 高效的自动避障装置的研究对果null类机械 的发展有着重要的意义 在国外 对避障装置的研究主要集中在果null除草机 上 null麦的Norremark 17 和西班牙的P rez Ruiz 18 等人将 计算机视觉技术 GPS定位技术及光电传感器应用到了株 间除草机械的自动避障控制系统中 美国Cordill等 19 通过对玉米株间自动避障除草机进 行试验 验证了光电传感器在避障除草装置中的实用性 这 些技术的应用改善了除草效果且降低了伤苗率 但成本较 高 效率较低 除此之外 意大利NARDI的机械式带自动避 障的株间锄草机还使用了三位四通换向阀 在国内 自动避障装置的研究起步较晚 江苏大学 华 南农业大学及中国农业大学将图像识别技术与一些非接 触传感技术应用到了自动避障控制系统中 取得了较好效 果 但图像识别技术硬件成本高 且在复杂作业环境下图像 处理算法复杂 处理时间长 效率较低 中国农业大学nullnull明等 20 设计的以平行四连杆 触杆 为关键部件的避障装置如图6 该避障装置通过将触杆与 障null物之间的接触压力转化成控制信号控制油缸伸缩实 现自动避障 该装置缺点是触杆在接触过程中易变形 导 致信号无法采集或持续存在 图6 平行四连杆 触杆的避障装置 1 机器主体2 油缸3 平行四杆机构4 接触压力采集机5 避障触发机构6 触杆7 除草部件 中国农业大学马帅等 21 设计了传感器 STM32单片 机 触杆的避障装置 图7 该避障装置利用传感器采集 位移信号 然后通过STM32单片机对信号进行分析 达 到对避障油缸的控制 从而实现机具自动避障功能 缺 点是触杆在接触过程中易变形 导致信号采集失败 另 外杂草和细树枝也容易造成信号采集误差 导致油缸伸 缩不到位 图7 传感器 STM32单片机 触杆的避障装置 1 触杆2 安装支架3 气弹簧4 后限位挡块5 避障位移传感器6 前限位挡块 石河子大学朱站伟等 22 设计了一种三位四通液压换向 阀 触杆的避障装置 图8 该避障装置设计理念和 1 12 11 10 9 8 7 2 3 4 5 6 1 2 3 457 6 1 2 3 4 5 6 开发研究 27 新疆农机化 2023年第5期 下转第35页 NARDI相同 当触杆碰触到障null物时拉动三位四通液压 换向阀改变液压流向 使避障油缸工作 实现自动避障 该 机结构简单 易调节 但三位四通液压换向阀有中间位置 造成避障响应时间过长 导致漏空距离长 当机具行进速度 过快时漏空距离更长 且该避障装置适用于坚硬的障null物 若障null物为柔软类 则避障效果不明显 图8 三位四通液压换向阀 触杆的避障装置 1 机架2 矩形空心钢3 犁臂4 犁5 连接圆盘6 除草割刀轴7 除草割刀A8 抖动铲9 避障杆10 除草割刀B11 避障控制器12 液压缸 3 存在的问题与展望 3 1 存在的问题 近年来 随着葡萄产业的升级发展 各式各样的葡萄 清土扒藤机涌现出来 在一定程度上解决了葡萄清土扒藤 劳动力短缺 劳动强度大 作业时间紧迫等问题 但从上文 叙述的以刮板 绞null 刮板 叶轮 绞null 刮刷组合式为关键 清土部件的4种机具类型来看 各类型机具在进行清土扒 藤作业时都存在亟待考虑和改善的制约因素 1 葡萄null使用的埋藤机具不统一加上土壤环境的影 响造成葡萄行间不平整 埋藤土垄高度不一致 使得扒藤 机械无法平稳工作 导致清土不彻底 伤藤 影响扒藤机械 工作效率 2 葡萄null的建设不标准 大功率机械无法进入 因此 清土扒藤机械一般都选择较小功率null动 导致扒藤机械功 率不足 当埋藤土垄过厚时机具无法正常工作 3 葡萄藤都埋于水泥柱之间 扒藤机械无高效的自 动避障装置 扒藤作业效率低 4 清土扒藤机械采用的避障装置对避障触杆的依赖 性强且避障后漏空距离大 当清土扒藤机械行进速度过快 时会导致漏空距离更大 5 目前所有的清土扒藤机械的自动化和智能化程度 都较低 作业时都需要人工辅助 3 2 展望 结合葡萄清土扒藤机械在使用过程中碰到的问题 要彻底解决扒藤机械自动化程度低 效率低及易伤藤等 问题总的来说还要从农机与农艺的null合角度综合考量 在农艺方面 加大葡萄标准null建设及改建和null区作 业机具的标准化使用以及操作工人的培训 做好null区行间 的平整 便于大功率机械进入 埋藤土垄高度一致 为后 续扒藤作业做好铺垫 在农机方面 加大对高效自动避障装置的研发 上述 清土扒藤机械自动避障装置都是先采用触杆与障null物接 触 然后再进行避障 这就很依赖触杆的触发效果 高效稳 定的避障装置是清土扒藤机械高质量清土作业及智能化 的核心 因此 为nullnull对触杆的依赖 可设计一种非接触 式电控自动避障装置 利用测距雷达和伺服电缸代替触 杆和液压油缸 通过PLC控制避障过程的实施 在体现 节能环保的同时实现扒藤机械高效化和智能化 4 结论 从葡萄的整个生产管理来看 葡萄春季扒藤作业是整 个生产管理过程中机械化程度最低 劳动强度最大的环 节 本文阐述了目前葡萄藤春季扒藤机及关键部件避障装 置的发展现状 通过对不同关键部件的对比 总结了各种 机型的特点 研制高效稳定的智能化避障装置是葡萄清土 扒藤机械化 智能化发展的重要因素 总之 葡萄扒藤机械 化的发展离不开农机与农艺的null合 最关键的是还要与先 进的智能装备结合 只有二者紧密结合 葡萄扒藤机械才 有更大的发展空间 才能更好地促进葡萄产业化的发展 参考文献 1 杨叶 梁堃 葡萄起埋藤机械的研究现状与发展对策研究 J 农家参谋 2020 20 94 95 2 涂倩 李媛媛 周书博 等 葡萄废弃枝条资源化利用研究进展 及对策 J 北方null艺 2022 17 129 136 3 阿依努尔 依米提 新疆葡萄埋藤机械化现状与发展方向 J 农业工程技术 2020 40 8 49 51 4 孟卓妮 赵益梅 唐佳代 等 我国现代化葡萄null管理的机械应 用现状 J 果农之友 2022 8 73 77 83 5 袁全春 null 明 马帅 等 我国北方葡萄冬季埋土和春季清土作 业的机械化现状与思考 J 中外葡萄与葡萄酒 2017 6 66 67 6 Wang Y J Li Y S Wang X Q et al The effect of climate change on the climatic regionalizati on of wine grapesin North eastofChina J IOPConferenceSeries EarthandEnvironmental Sci ence 2020 559 1 012008 2017 6 66 67 7 马帅 nullnull明 袁全春 等 葡萄机械化清土的发展现状与解决 对策 J 农机化研究 2020 7 18 8 马帅 nullnull明 牛丛 等 分层交错式葡萄防寒土弧形清土叶轮 的设计与试验 J 农业工程学报 2021 37 10 1 9 9 牛丛 马帅 nullnull明 等 葡萄清土与防寒布回收机械化技术研 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 开发研究 28 新疆农机化2023年第5期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 上接第28页 5 3 加强针对长绒棉特性的研究 改进现有设备 长绒棉在国家重要领域以及人民日常生活中的重 要性愈发突出 政府应加强对长绒棉产业的关注 加大对 企业 高校与科研单位的扶持力度 提供资金支持与政策 优待 推动各单位加大对机采长绒棉加工性质的研究力 度 以便为设计适用于机采长绒棉的加工机械提供理论 和数据支撑 6 结语 文中介绍了机采棉花清理加工生产线中不同阶段所 用到的清理加工设备 对其特点进行了总结和分析 指出 了机采棉花的清理加工中存在的问题并给出了以下具有 针对性的建议 使用柔性null料 减少加工损失 提升清理装 置智能化水平 加强针对长绒棉特性的研究 改进现有设 备 研究结果为机采长绒棉清理加工设备的研发提供了思 路 有助于促进我国长绒棉产业的发展 打造高水平 高质 量的机采长绒棉加工产业链 参考文献 1 周玉环 新疆长绒棉发展的现状 问题及对策 J 山东纺织科技 2014 55 3 47 50 2 阿克苏政府网 2019年度阿克苏地区质量状况 EB OL 2020 06 28 2021 12 17 http www aks gov Cn aksxw bmdt 2020 0628 i554536 3 洪梅 张磊磊 陈null瑞 等 新疆长绒棉机采的实践与思考 J 中 国棉花 2020 47 11 3 4 白静 棉花异性纤维棉叶清理机 J 中国棉花加工 2014 2 16 17 5 董全成 张成梁 棉花加工中机械与气力清理综述 J 济南大学 学报 自然科学版 2016 30 1 69 73 6 王巧华 翁富炯 张洪洲 等 机采棉中残地膜静电吸附法分级 去除 J 农业机械学报 2019 50 6 140 147 7 佚null Loptex公司的光声除杂系统 J 上海纺织科技 2006 1 50 8 null谢菲 孙章伟 新型籽棉铃壳棉秆清理机 J 中国棉花加工 2018 2 9 10 9 胡春雷 李孝华 何锡玉 等 2021年棉花加工行业产业发展报 告 下 第五章 机采棉清理工艺及设备发展现状 J 中国棉花 加工 2022 2 4 6 10 郭大伟 对大辊筒清铃机优null的分析 J 中国棉花加工 2019 2 16 18 11 毛新艳 赵军 于海鑫 等 浅析影响皮棉清理机清理效果的 因素 J 中国棉花加工 2022 4 14 15 12 关纪培 孙章伟 张德田 带智能自适应跟随控制系统的低损 伤皮棉清理机技术研究 J 中国棉花加工 2020 2 26 27 13 彭云省 一种锯齿式皮棉清理机 P 山东省 CN216141668U 2022 03 29 究现状与展望 J 中国农机化学报 2021 42 3 29 39 10 杨瑶 李null阳 陈兴和 等 葡萄清土机械化技术的调研与思 考 J 农机科技推广 2022 234 4 58 59 11 杨叶 王雪 葡萄清土放苗整地一体机的设计研究 J 南方农 机 2020 51 16 41 42 12 杨启null 赫明胜 何文兵 等 一种气吹旋抛复合式葡萄藤清 土起藤装置及清土机 P 中国专利 CN113287376B 2022 03 11 13 曾保宁 田null道 赵润良 等 葡萄起藤机的设计与研制 J 中 国农机化学报 2013 6 230 232 14 王null强 王海波 刘凤之 等 前置式防寒土清除机的研制与 试验 J 中国农机化学报 2015 6 88 91 15 马帅 nullnull明 袁全春 等 自动避障式葡萄藤防寒土清土机 的研制 J 农业工程学报 2020 36 7 1 10 16 马帅 nullnull明 许述财 等 刮刷组合式葡萄藤防寒土清土机 设计与试验 J OL 吉林大学学报 工学版 1 17 2022 11 14 17 Norremark M The development and assessment of the accu racy of an autonomous GPS based system for intra row mech anical weed control in row crops J Biosystems Engineering 2008 101 4 396 410 18 P rez Ruiz M Automatic GPS based intra row weed knife control system for transplanted row crops J Computers and Electronics in Agriculture 2012 80 41 49 19 Cordill C T E Grift Design and testing of an intra row mech anical weeding machine for corn J Biosystems Engineering 2011 110 3 247 252 20 nullnull明 于畅畅 刘文 等 篱架式栽培葡萄株间除草机自动 避障机构优化设计 J 农业工程学报 2018 34 7 23 30 21 马帅 nullnull明 袁全春 等 自动避障式葡萄藤防寒土清土机 的研制 J 农业工程学报 2020 36 7 1 10 22 朱站伟 汤智辉 何义川 等 果null株间除草自动避障装置的 设计与试验 J 农机化研究 2020 42 6 147 153 棉花机械化 35