薛春林，李建平，霍 鵬，邊永亮，李昕昊

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(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大，對葡萄園生產(chǎn)的機械化配套設(shè)備需求日漸旺盛[4-6]。葡萄葉幕整形修剪是一項季節(jié)性強且需要大量人力的工作，對葡萄葉幕進行科學(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、機器前進速度進行優(yōu)化計算，為低功耗修剪機的設(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，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，采用液壓驅(qū)動方式進行修剪工作，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械裝置液壓系統(tǒng)，并進行對應(yīng)機構(gòu)運動仿真分析，以解決葡萄葉幕夏季修剪勞動強度大的難題。

1 往復(fù)式葡萄葉幕修剪機液壓系統(tǒng)設(shè)計與原理

1.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

拖拉機自身的液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)懸掛農(nóng)機具的工作位置狀態(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，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4、右側(cè)頂端液壓馬達5、左側(cè)液壓馬達6、左側(cè)頂端液壓馬達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，進而實現(xiàn)液壓缸、液壓馬達等執(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 液壓馬達選型

液壓馬達作為往復(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，選用馬達的型號為BM2-50，馬達參數(shù)如表1所示。

表1 液壓馬達參數(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)式葡萄葉幕修剪機的傳動液壓系統(tǒng)分為3路：第1路是修剪機構(gòu)的垂直升降系統(tǒng)，控制修剪機構(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)機構(gòu)（圖2）。在修剪機工作前，按照葡萄園藤架高度和葡萄葉幕位置高度，調(diào)整往復(fù)式葡萄葉幕修剪機構(gòu)的離地高度，實現(xiàn)機具入地轉(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

拖拉機動力輸出軸驅(qū)動液壓泵2對液壓回路進行供油，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，當垂直升降控制閥15處于左位時，液壓缸9下腔室進油、上腔室回油，使液壓桿上升，實現(xiàn)修剪機構(gòu)上升；當垂直升降控制閥15處于右位時，液壓缸9上腔室進油、下腔室回油，使液壓桿下降，實現(xiàn)修剪機構(gòu)下降，達到控制往復(fù)式葡萄葉幕修剪機構(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。拖拉機動力輸出軸驅(qū)動液壓泵2對液壓回路進行供油，液壓油經(jīng)過油液過濾器1過濾；當左側(cè)移動控制閥16處于左位時，液壓缸10左腔室進油、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離葡萄葉幕修剪位置；當左側(cè)移動控制閥16處于右位時，液壓缸10右腔室進油、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驅(qū)動往復(fù)式葉幕修剪裝置來實現(xiàn)。液壓馬達帶動偏置曲柄高速旋轉(zhuǎn)，通過曲柄連桿機構(gòu)帶動切割器的往復(fù)運動，達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，拖拉機動力輸出軸驅(qū)動液壓泵2對液壓回路進行供油，當右側(cè)控制閥3處于右位時，右側(cè)液壓馬達4正轉(zhuǎn)工作，帶動右側(cè)頂端葉幕修剪裝置進行修剪作業(yè)；當修剪作業(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、左側(cè)面液壓馬達、右側(cè)面液壓馬達在對應(yīng)液壓閥控制下實現(xiàn)相應(yīng)液壓馬達驅(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后輸出軸輸出扭矩相對等的電機提供動力，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)式葡萄葉幕修剪機的3種液壓回路進行系統(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構(gòu)升降控制、左/右側(cè)移動機構(gòu)移動控制和液壓馬達工作情況進行分析，通過設(shè)置運行頻率和時間，仿真得到垂直升降機構(gòu)液壓缸位移曲線圖、左/右側(cè)移動機構(gòu)液壓缸位移曲線圖、左側(cè)液壓馬達轉(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)式葡萄葉幕修剪機垂直升降機構(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行工作：0～5 s，信號為0，垂直升降回路準備工作；5～13.3 s，垂直升降液壓機構(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)式葡萄葉幕修剪機左右移動機構(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行工作：0～3 s，信號為0左右移動回路準備工作；3～7 s，左右移動液壓機構(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)定信號進行工作：0～3 s，信號為0，液壓馬達回路準備工作；3～13 s，液壓馬達驅(qū)動曲柄連桿裝置正常往復(fù)工作；13～16 s，液壓馬達停止工作，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)式葡萄葉幕修剪機修剪機構(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)，液壓馬達速度比較穩(wěn)定，為往復(fù)式葡萄葉幕修剪機液壓系統(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決定的。為驗證液壓馬達仿真結(jié)果的準確性，以葉幕修剪漏剪率、葡萄枝條撕碎率為試驗指標的切割質(zhì)量來衡量葡萄葉幕修剪機的葉幕修剪性能。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)下的百分數(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)下的百分數(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行試驗，驗證葡萄葉幕修剪機的工作穩(wěn)定性以及垂直升降機構(gòu)和左右移動機構(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，機具配套拖拉機為邢臺同德404型，作業(yè)的對象為釀酒葡萄北純品種，以盒尺、卷尺游標卡尺為輔助，對修剪后的枝條狀況進行統(tǒng)計。

4.3 試驗數(shù)據(jù)

為進行往復(fù)式葡萄葉幕修剪機液壓系統(tǒng)對葉幕修剪效果的分析，在往復(fù)式葡萄葉幕修剪機作業(yè)地塊隨機選取25個區(qū)域進行葉幕修剪單側(cè)測試，對測試點的葡萄枝條修剪情況進行記錄，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)式葡萄葉幕修剪機液壓回路進行了建模與仿真分析，得到垂直升降機構(gòu)、左右移動機構(gòu)和修剪機構(gòu)的液壓工作情況。

（2）液壓馬達轉(zhuǎn)速在500 r/min時，往復(fù)式枝條修剪機的液壓系統(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。