葡萄机械化清土的发展现状与解决对策

我国葡萄种植主要集中在北方地区(包括西北、华北和东北等地),北方冬季气候寒冷、风大,需要将葡萄藤下架埋土防寒,第二年春季再起藤出土上架。这些作业劳动强度大、作业效率低、人工成本高,且葡萄起藤出土季节性强,因此迫切需要适合此环节作业的清土机械。为此,分析了目前我国北方葡萄春季清土作业的机械化发展现状,介绍了国内现有的主要葡萄清土作业机械的类型、原理、特点及存在的问题,分析了现有的几种清土作业模式,并提出了相对应的解决对策,旨在给北方葡萄的春季清土作业提出新的思考与建议,促进葡萄产业机械化水平的整体提升。     

自动避障式葡萄藤防寒土清土机研制

针对目前葡萄藤防寒土清土机自动化程度低、清土不彻底和易伤藤等问题,该研究基于多体动力学软件RecurDyn和离散元软件EDEM耦合仿真的方法,面向中国北方砂壤土地区葡萄园内的葡萄藤防寒土清除,提出采用柔性刷子与橡胶组合的清土作业部件,并设计了一种自动避障式葡萄藤防寒土清土机,主要由机架、避障摆动机构、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部分组成,在机具前进作业过程中,通过触杆感知自动避开水泥柱,并将葡萄藤上覆盖的防寒土清除干净。采用耦合仿真试验,模拟整机避障清土的作业过程,以机具前进速度、避障油缸速度、清土部件转速和触杆转动角度阈值为试验因素,以土壤清除率为试验指标,进行四因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归显著性分析,确定了对试验结果影响显著的因素,以土壤清除率最大为优化目标,获得了机具的最佳作业参数组合:机具前进速度0.43 m/s、避障油缸速度60 mm/s、清土部件转速550 r/min、触杆转动角度阈值10°,此时仿真优化的土壤清除率为54.65%。加工物理样机并进行田间验证试验,得到田间试验的土壤清除率为59.73%,与仿真试验的土壤清除率相对误差约为8.50%,田间试验结果与仿真优化结果基本一致,满足自动避障式葡萄藤防寒土清土作业要求。研究结果可为触土机具避障机构的整体设计及优化提供理论依据和技术支撑。     

有机肥深施机肥块破碎刀设计与试验

结块的有机肥肥效难以释放,而且不利于机械化作业。为了更好地破碎肥块,该文针对有机肥深施机锯齿形碎肥刀片进行了仿真分析与优化。在EDEM中选择Hertz-Mindlin with bonding粘结模型建立肥块模型,基于单轴压缩试验对肥块的粘结参数进行标定,并建立了单个刀片单次碎肥的仿真模型。通过单因素仿真试验分析了碎肥刀的转速、滑切角、刃口角、齿宽和齿高等参数对刀片所受最大阻力及肥块破碎率的影响;以刀片所受最大阻力与肥块破碎率的比值作为评价指标,进行均匀设计仿真试验,得到评价指标与碎肥刀参数的回归方程,并利用Matlab优化工具箱得到最优的碎肥刀和作业结构参数,即碎肥刀转速300 r/min,滑切角8°,刃口角50°,齿宽3.9 mm,齿高2 mm。以碎肥刀最优参数进行不同粒径肥块的破碎试验,试验结果表明,优化后碎肥刀具有较低的能耗和较高的碎肥质量,在2.4kg/min的作业效率下,平均能耗最大476.90 W,破碎后肥块粒径均小于20 mm,所设计的碎肥刀可用于有机肥的碎肥作业。     

葡萄藤防寒土与清土部件相互作用的离散元仿真参数标定

为系统地研究中国北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土及其与清土机清土部件常用材料(Q235钢、橡胶)相互作用的离散元仿真参数,以构建准确的土壤离散元仿真模型,该文选用整合延迟弹性模型(hysteretic spring contact model,HSCM)和线性粘附模型(liner cohesion model,LCM)作为土壤颗粒间的接触模型;基于土壤堆积试验,以土壤颗粒间恢复系数、静摩擦系数、滚动摩擦系数和土壤粘附能量密度为因素,以土壤堆积角为指标,利用EDEM进行通用旋转中心组合模拟试验,采用Design-Expert软件对试验数据进行回归分析,以实测的土壤堆积角作为优化目标值,获得土壤颗粒间的最佳接触参数组合;利用土壤屈服试验获得HSCM模型参数;基于斜面滑动法原理,利用倾斜板试验台测得土壤与Q235钢和橡胶之间的静摩擦系数,并以此为基础,采用土壤滑落试验,以滑动摩擦角为响应值,对土壤颗粒与Q235钢和橡胶之间的恢复系数和滚动摩擦系数进行寻优,得到最优解参数组合。为验证标定优化的离散元模型参数的准确性,采用刮土板土槽试验和仿真试验进行对比分析,获得刮土板在土槽试验和仿真试验中的水平前进阻力分别为228.36 N和213.79 N,两者之间的相对误差为6.38%,表明仿真模型中土壤的物理力学特性与实际土壤基本一致,验证了葡萄藤防寒土离散元仿真参数标定结果和研究方法准确可靠。研究结果可为基于离散元法研制适用于北方地区沙壤土质地的葡萄藤防寒土清土机提供理论基础和技术支撑。     

篱架式葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机研制

针对中国新疆地区篱架式葡萄春季清土作业中存在的机械清土不彻底、防寒布回收困难以及效率低等问题,该文设计了一种葡萄埋土清除与防寒布回收机,由机架、清土部件、卷布部件和液压系统等组成。在EDEM软件中建立土垄和清土部件的仿真模型,以清土距离作为清土效果的评价指标,以刮土板工作面曲率半径、清土叶轮叶片数及其转速为试验因素,在行进速度为2 km/h的条件下设计并实施三因素五水平仿真正交试验,得到最优参数组合:曲率半径680 mm、叶片数4片、转速500 r/min,此时清土距离为294.27 mm。加工样机并对最优参数组合进行田间验证试验,得到清土距离为271 mm,与仿真试验结果的相对误差为8%,埋土基本清理干净,且对葡萄藤和防寒布的损伤小,作业效率高,为人工清土效率的10倍以上。研究结果可为新疆地区篱架式葡萄埋土清除作业提出新的思路,为后续葡萄清土机械的研制提供参考。     

篱架式栽培葡萄双边作业株间自动避障除草机设计与试验

针对现有篱架式栽培葡萄园中株间除草机作业效率不高、葡萄藤周围未除草区域较大等问题,该文设计了一种双边作业的株间自动避障除草机。通过对除草单体各部件进行理论分析,确定了行宽调节机构、信号采集机构、自动避障机构和除草刀盘等关键部件的结构及参数,其中避障液压缸行程为150 mm,除草刀盘半径为150 mm。在ADAMS中建立了除草机虚拟样机模型,进行单因素仿真试验,确定了避障液压缸速度、前进速度和控制系统预设的当触杆转动达到一定角度触发自动避障机构工作的阈值(简称"角度阈值")为主要影响因素。以仿真得到的3个主要影响因素为试验因素,以除草作业覆盖率为评价指标,设计了二次回归组合试验,建立了除草作业覆盖率的回归模型,得到最优参数分别为:避障液压缸速度160 mm/s,前进速度380 mm/s,角度阈值15.12?。在最优参数下进行了田间验证试验,得到平均除草作业覆盖率约为90.02%。采取双边同时作业方式,作业效率比单边作业方式提高约1倍。该研究为可用于篱架式栽培葡萄及其他作物株间除草机的进一步优化提供参考。     

基于OpenCV的动态葡萄干色泽实时识别

为了实现新疆吐鲁番地区"无核白"葡萄干的自动化色泽识别,该文利用OpenCV对无核白葡萄干的表面色泽识别进行研究,设计了一套可以实时、动态、多条输送通道同时处理的葡萄干色泽识别设备。为保证葡萄干色泽特征提取的正确率,对实时获取的每一帧图像进行预处理,获得平滑无孔洞的葡萄干二值图像;去除每一帧二值图像两侧边缘处不完整的葡萄干轮廓,从而保证获取葡萄干的完整色泽信息;定义图像上、下2部分掩膜,并分别仅保留图像右侧第一个葡萄干轮廓,利用上、下掩膜对每一帧图像分别处理,实现2条输送带上葡萄干的同时识别,以提高葡萄干色泽识别效率;在HSV空间下对保留的图像右侧第一颗葡萄干提取各通道的均值,以绿色、黄色、褐色葡萄干各40粒进行测试取值,统计数据并分析,确定色调通道H值23、亮度通道V值80为阈值进行葡萄干色泽识别;以3种颜色葡萄干各150粒分3次进行试验,结果表明,绿、黄、褐色葡萄干的识别正确率分别为89.33%,92.00%和96.67%,识别效率为21s/百粒葡萄干,识别方法简单有效。该方法的识别效率高于人工分选方式的110s/百粒葡萄干,但识别正确率低于人工分选方式的100%;相比于现有研究方法对各色葡萄干93%以上的识别正确率,该识别方法对褐色葡萄干的识别正确率较高,但对黄、绿色葡萄干的识别正确率较低;市场上现有的葡萄干分级设备使用的识别方法几乎无法区分黄、绿色葡萄干,与其相比,该文提供了一个可以较好区分黄、绿色葡萄干的方法。该文基于OpenCV设计的葡萄干色泽识别算法具有分选可行性和较好的识别正确率,可为后续分选执行机构和控制系统的搭建提供算法基础,为葡萄干色选的商业化提供算法参考。     

葡萄清土与防寒布回收机械化技术研究现状与展望

目前葡萄清土与防寒布回收作业仍以人工作业为主,劳动强度大、效率低下、成本高,且该作业环节时效性强,过早过晚都不利于葡萄生长,因此亟需研究切实可行的葡萄清土与防寒布回收机。阐述国内外葡萄清土与防寒布回收机及关键部件的主要类型、工作原理及特点,提出机械化发展的制约因素和现有机具存在的问题,从农艺方面指出种植模式的不规范降低机具的通用性,从农机方面指出单边作业模式、垄上作业模式以及智能化程度低等不利于进行高质量清土作业,清土机构的材质及清土方式导致葡萄藤损伤和低清土效率,卷布机构不合理的结构形式和作业角度及其转速与行进速度的不匹配导致防寒布卷收质量低。针对现有的问题提出了培养耐寒葡萄新品种,南方产区发展葡萄大棚、设施栽培,规范葡萄种植、管理模式,研发新型防寒材料以取代防寒土,推行垄行作业式机械,研发分动力双边作业机械或翻转式作业机械,采用刚柔组合式清土部件,采用PID控制技术调节卷布机构转速,融合机电液技术提高自动化、智能化程度等解决措施,旨在为葡萄清土与防寒布回收作业提出新的思路,促进葡萄春季清土环节机械化水平的提高。     

减振技术研究与应用

为改善农业机械的操作舒适性、作业质量和使用寿命,根据国内外对减振技术的研究和应用情况,归纳总结基于多种原理的减振技术的结构、特点、原理和应用效果,为农业机械减振技术的发展和应用提供理论参考。