自動(dòng)避障葡萄藤扒土機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

劉芳建，劉忠軍，王錦江，米　義，劉晗琨，劉曉秋

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京　100083；2.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司，北京　100083)

0　引言

葡萄是我國(guó)重要的水果之一，也是葡萄酒釀造的主要原材料。我國(guó)葡萄栽培面積居世界第4位，產(chǎn)量位居世界第一[1]。據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，我國(guó)葡萄種植面積與產(chǎn)量有逐年上升的趨勢(shì)，2014年產(chǎn)量達(dá)1 254.6萬t，同年釀酒葡萄種植面積超過法國(guó)，位居世界第二[2]。

與其他主要葡萄種植區(qū)分布在不凍線以上的情況不同，我國(guó)優(yōu)質(zhì)葡萄種植區(qū)氣候季節(jié)差異較大。由于要經(jīng)歷嚴(yán)寒的冬季，葡萄需要做埋藤防寒處理，春季需要出土藤條上架這兩步特殊工序[3]。埋藤、出土工作量大，人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度高，效率低下，直接導(dǎo)致成本居高不下；同時(shí)，人工作業(yè)質(zhì)量參差不齊，難以符合農(nóng)藝要求，進(jìn)而造成葡萄減產(chǎn)[4]。因此，我國(guó)主要葡萄產(chǎn)區(qū)急需能夠完成埋藤覆土作業(yè)和扒土作業(yè)的農(nóng)機(jī)具。其中，扒土機(jī)作業(yè)時(shí)，扒土作業(yè)部件需要避開葡萄藤支柱，增加了作業(yè)難度，使得機(jī)具復(fù)雜程度增加。

國(guó)外葡萄主產(chǎn)區(qū)由于不需要這兩步特殊工序，未見相關(guān)機(jī)具的研究報(bào)道。國(guó)內(nèi)埋藤機(jī)已有多種實(shí)用機(jī)型，而扒土機(jī)還在試制和試驗(yàn)階段?，F(xiàn)有扒土機(jī)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避開葡萄藤支柱，只能在壟的兩側(cè)取土送土，不僅嚴(yán)重影響了機(jī)具的出土作業(yè)質(zhì)量，還對(duì)機(jī)手駕駛能力有較高的要求[5]。

本文試制了一種帶自動(dòng)避障功能的葡萄藤出土機(jī)，作業(yè)面覆蓋了全部土壟，作業(yè)部件能夠自動(dòng)避開支柱，進(jìn)而能優(yōu)質(zhì)、高效地完成出土作業(yè)，為后續(xù)扒藤上架工作做好準(zhǔn)備。

1　整機(jī)設(shè)計(jì)及工作原理

整個(gè)機(jī)組懸掛在拖拉機(jī)上，由扒土部件、避障系統(tǒng)及輔助調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等主要部件組成，如圖1所示。

1.避障部件　2.避障觸桿　3.控制液壓閥 4.避障油缸　5.輔助油缸　6.牽引機(jī)架

葡萄埋藤位置基本與葡萄架支柱排列成一條直線或在其附近，若只從土壟兩側(cè)出土，勢(shì)必造成出土不充分，增加扒藤上架難度和工作量。針對(duì)這個(gè)情況設(shè)計(jì)的避障出土作業(yè)部件，出土作業(yè)覆蓋整個(gè)土壟，遇到支柱時(shí)在避障系統(tǒng)的控制下迅速、準(zhǔn)確地完成避障和歸位動(dòng)作。在這個(gè)過程中,扒土部件要盡量降低對(duì)葡萄藤的傷害，增大有效出土量。

隨著拖拉機(jī)前進(jìn)，依靠牽引力，刮土板起土并推土前進(jìn)，絞龍輔助輸送土壤。當(dāng)遇到障礙物(主要為葡萄藤支架)時(shí)，避障機(jī)構(gòu)能夠通過換向閥收縮避障油缸，使扒土部件回轉(zhuǎn)至行間，避開障礙物；當(dāng)機(jī)組越過障礙物時(shí)，避障機(jī)構(gòu)又通過換向閥使避障油缸伸出，使扒土部件擺至株間繼續(xù)作業(yè)。輔助調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能夠調(diào)節(jié)扒土部件的作業(yè)位置(高度和外擺距離)，以適應(yīng)不同形式的覆土壟。

2　主要部件設(shè)計(jì)

2.1扒土部件的設(shè)計(jì)

扒土部件為右側(cè)擺式，采用推土鏟與絞龍組合的方式，推土鏟依靠自身弧度與傾斜度，隨拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)完成起土、側(cè)向推土的作用，絞龍由液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，起到輔助輸送土壤作用。這種方式的扒土部件對(duì)不同寬度、截面形狀的土壟適應(yīng)性好，出土量大，穩(wěn)定均勻，不會(huì)出現(xiàn)拋散現(xiàn)象。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.推土鏟　2.絞龍　3.轉(zhuǎn)向臂　4.出土口　5.液壓馬達(dá)

推土鏟寬度至少應(yīng)能覆蓋作物覆土垡寬度，適當(dāng)加寬可防止土壤由外側(cè)溢出，但較大的寬度需要避障機(jī)構(gòu)有較大的回轉(zhuǎn)角和回轉(zhuǎn)速度；其高度應(yīng)使土屑不從推土鏟上沿翻落推土鏟曲面決定了部件的土壤黏附和阻力大??；其對(duì)土壤切削角越小，前進(jìn)阻力越小，但角度受鏟刀強(qiáng)度影響，一般取45°～60°[6]。

絞龍起輔助出土作用，其出土量計(jì)算公式為[7]

Q=47D2φsnγC(t/h)

其中，D為螺旋直徑(m)；φ為充滿系數(shù)；s為螺距(m)；n為螺旋轉(zhuǎn)速(r/min)；γ為物料容量(t/m3)；C為傾斜輸送修正系數(shù)。

其所需功率按如下公式近似計(jì)算，即

其中，N0為絞龍軸功率(kW)；Nf為功率儲(chǔ)備系數(shù)；η為驅(qū)動(dòng)裝置總效率；Q為輸送量；W0為物料阻力系數(shù)。

2.2避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

避障功能由跟出土部件連接的液壓油缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)作業(yè)部件前進(jìn)至靠近支柱時(shí)，作業(yè)部件前部的避障觸桿先接觸支柱；隨著機(jī)具前進(jìn)，觸桿由于受到支柱擠壓發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，將這一轉(zhuǎn)動(dòng)量傳遞給液壓換向閥，控制油缸收縮，作業(yè)部件回旋避開支柱。隨著機(jī)具前進(jìn)至超過支柱，觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)量慢慢達(dá)到最大，當(dāng)觸桿末端越過支柱時(shí)，由支柱產(chǎn)生的擠壓消失，觸桿在拉簧的作用下瞬時(shí)復(fù)位，進(jìn)而運(yùn)動(dòng)傳遞給液壓換向閥，油缸伸出，出土部件迅速回復(fù)至原位置，至此完成一個(gè)支柱避障的工作過程。

2.2.1液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)由避障桿、換向閥、復(fù)位彈簧、油缸及限位機(jī)構(gòu)等組成，如圖3所示。

圖3　液壓系統(tǒng)組成原理圖

優(yōu)先分流閥的功能是確保馬達(dá)始終處于工作狀態(tài)，及時(shí)出土，并且能夠調(diào)節(jié)油缸油路的供油量，以調(diào)節(jié)油缸伸縮速度。當(dāng)油缸外伸至頂端時(shí)，為防止油路憋死，此處應(yīng)選用兩位四通換向閥H型，讓壓力油卸荷回油箱，相應(yīng)地在回油路上設(shè)有一節(jié)流閥，在回油路上產(chǎn)生背壓。

2.2.2避障桿的設(shè)計(jì)

避障桿的作用是與障礙物接并觸通過控制二位四通換向閥產(chǎn)生產(chǎn)生避障信號(hào)，并保持避障狀態(tài)至其越過障礙物，然后依靠彈簧自動(dòng)回位，避障信號(hào)消失，機(jī)組恢復(fù)工作狀態(tài)。

避障桿產(chǎn)生的避障信號(hào)應(yīng)保持至扒土部件越過障礙物，這個(gè)過程中避障桿會(huì)有一個(gè)較大的轉(zhuǎn)向角，而換向閥桿行程很小，若避障桿另一端與閥桿剛性連接，則會(huì)使閥桿折斷。因此，設(shè)計(jì)了行程保護(hù)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。

接觸桿與擺桿一端通過兩個(gè)曲面轉(zhuǎn)塊接觸，兩轉(zhuǎn)塊通過彈簧壓緊，屬于高副連接。彈簧除了起到壓緊曲面轉(zhuǎn)塊的作用外，當(dāng)越過障礙物時(shí)，還能靠對(duì)曲面轉(zhuǎn)塊施壓從而使接觸桿復(fù)位。擺桿另一端與換向閥手柄通過一套筒-插桿連接，套筒與擺桿焊合，插桿兩端分別與套筒和換向閥手柄套合，插桿可在套筒內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，插桿的運(yùn)動(dòng)由兩部分組成，即隨套筒一起擺動(dòng)和在套筒內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，由此套筒-插桿機(jī)構(gòu)可將擺動(dòng)傳遞給換向閥手柄，而不產(chǎn)生卡死現(xiàn)象。

當(dāng)接觸桿開始碰到障礙物時(shí)，障礙物對(duì)其產(chǎn)生扭矩，由于此時(shí)扭矩較小，兩轉(zhuǎn)塊在壓簧的作用下不會(huì)產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)接觸桿、壓簧、曲面轉(zhuǎn)動(dòng)塊、擺桿可近似為一剛體，整體繞擺桿轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)換向閥手柄擺動(dòng)，從而使工作部件無延遲產(chǎn)生避障反應(yīng)，換向閥手柄很快達(dá)到最大行程處。隨著機(jī)具前進(jìn)，障礙物對(duì)接觸桿持續(xù)產(chǎn)生扭矩，當(dāng)此扭矩大于轉(zhuǎn)塊自身摩擦力產(chǎn)生的扭矩時(shí)，滑塊產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，接觸桿與擺桿不能視為同一整體，擺桿繞壓簧軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，這個(gè)過程中換向閥手柄始終處于換向位置，油缸回縮至最小位置并保持至機(jī)具通過障礙物。當(dāng)接觸桿越過障礙物，其轉(zhuǎn)矩消失，在壓簧作用下，兩轉(zhuǎn)塊、接觸桿與換向閥手柄都恢復(fù)至原來位置，油缸外伸，工作部件運(yùn)動(dòng)至株間位置，至此完成一個(gè)避障循環(huán)。

1.接觸桿　2.壓簧　3.曲面轉(zhuǎn)動(dòng)塊 4.擺桿　5.套筒-插桿　6.換向閥手柄

2.3輔助機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的機(jī)具作業(yè)部件應(yīng)在側(cè)向和垂直方向具有調(diào)節(jié)功能，使作業(yè)部件能更好地覆蓋、適應(yīng)不同的覆土壟。側(cè)向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由套插的兩矩形鋼管組成，母管為機(jī)具懸掛架，公管上連接作業(yè)部件，其伸縮依靠液壓油缸實(shí)現(xiàn)。垂直方向的調(diào)節(jié)基于杠桿原理，通過一擺臂實(shí)現(xiàn)。擺臂中部轉(zhuǎn)軸固定在機(jī)架上，一端與同樣固定于機(jī)架上的油缸連接，擺臂另一端與作業(yè)部件總成連接。輔助機(jī)構(gòu)如圖5所示。

3　試驗(yàn)

由于還沒有葡萄扒藤機(jī)相關(guān)的試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，本文將出土量作為試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)樣機(jī)進(jìn)行考核。試驗(yàn)辦法為：在一定長(zhǎng)度的葡萄壟上，先鋪一層地膜；然后，在地膜上覆蓋均勻厚度的埋藤土壤。覆蓋前對(duì)土壤稱重G1，機(jī)具作業(yè)后，稱取仍留在地膜上的土壤重量G2，考核長(zhǎng)度10m，出土率C計(jì)算公式為

試驗(yàn)地為中國(guó)長(zhǎng)城葡萄酒桑干酒莊優(yōu)質(zhì)原料種植基地，時(shí)間為2016年4月8日-9日，釀酒葡萄采用標(biāo)準(zhǔn)化種植模式，行距3m，株距1m，樹齡7年，水泥樁斷面10cm×10cm,高度1.8～2m,間距6m， 水泥樁之間架設(shè)鐵絲4道，最下面一條離地高度30～40cm，入冬前葡萄藤剪干枝后留約100cm長(zhǎng)主藤埋土，以防止葡萄藤風(fēng)干壞死。埋藤機(jī)埋土前，一人先將葡萄藤沿行中心壓倒，另一人用鐵鍬鏟土壓藤，然后用埋藤機(jī)埋土；埋土后，斷面形狀基本呈三角形，底部寬約100cm，高約30cm，頂部呈半圓形。桑干基地的土質(zhì)屬于沙壤土，埋土層土質(zhì)松軟，不結(jié)塊。

在不同地段做6組試驗(yàn)，按上述公式求取出土率平均值為76.8%，符合作業(yè)要求，試驗(yàn)過程中未出現(xiàn)傷藤現(xiàn)象。

1.擺臂　2.擺臂油　3.機(jī)架調(diào)節(jié)公管 4.橫向調(diào)節(jié)油缸　5.機(jī)架母管圖5　輔助機(jī)構(gòu)

4　結(jié)論

1)設(shè)計(jì)的自動(dòng)避障扒土機(jī)扒土性能良好，避障功能快速、準(zhǔn)確，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，能夠勝任扒土作業(yè)。

2) 葡萄埋藤的質(zhì)量影響到扒藤時(shí)出土率和葡萄藤的破損率，因此埋藤作業(yè)尤為重要。要做到葡萄藤下架時(shí)埋土高度盡量一致，埋土量盡量均勻，最好使用專用機(jī)具作業(yè)。

3) 本試驗(yàn)樣機(jī)液壓動(dòng)力來自拖拉機(jī)自帶液壓輸出口，由于沒有專門的散熱系統(tǒng)，長(zhǎng)時(shí)間工作后會(huì)產(chǎn)生液壓油升溫較高的問題，在后續(xù)的改進(jìn)機(jī)型應(yīng)增設(shè)副油箱，用來增加循環(huán)工作油量，并提高其散熱功能；或者直接在機(jī)組上增設(shè)液壓泵站，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸提供動(dòng)力，這樣工作部件動(dòng)力更為強(qiáng)勁，同時(shí)解決了油溫過高的問題。

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