葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤埋土單邊清除機研制

馬 帥，徐麗明，邢潔潔，袁全春，于暢暢，段壯壯，陳 晨，曾 鑒

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葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤埋土單邊清除機研制

馬 帥，徐麗明※，邢潔潔，袁全春，于暢暢，段壯壯，陳 晨，曾 鑒

（中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083）

針對目前春季中國北方葡萄種植主產(chǎn)區(qū)人工進行葡萄藤清土作業(yè)效率低、機械化程度低等問題，該文設計了一種適應于單邊清土的葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機，主要由機架、刮土部件、葉輪部件和平土攪龍部件組成。刮土部件和葉輪部件能夠分別將葡萄藤上方和側(cè)面土壤清除，平土攪龍部件能夠?qū)⑶宄耐寥肋M一步向行間輸送并使其均勻地平鋪在葡萄行正中間。以機器前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速和攪龍轉(zhuǎn)速為因素，以清土中心距為指標，在離散元軟件EDEM中對葡萄藤清土機作業(yè)進行仿真試驗，得到最佳工作參數(shù)：前進速度1.2 m/s、葉輪轉(zhuǎn)速420 r/min、攪龍轉(zhuǎn)速300 r/min，此時清土中心距為44 mm。加工物理樣機并進行田間試驗，田間試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，兩者清土中心距的相對誤差約為15%，滿足葡萄藤清土機單邊清土的作業(yè)要求。該研究可為后續(xù)其他類型葡萄藤清土機的研制提供參考。

機械化；設計；優(yōu)化；葡萄藤；清土機；EDEM

0 引 言

葡萄是中國主要的水果之一，已在新疆、山東、河北、京津地區(qū)、遼寧、山西、吉林和河南等31個省（市、自治區(qū)）種植，以鮮食為主，其次作為釀酒原料和制干[1]。近年來，葡萄產(chǎn)業(yè)隨著中國農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整而迅速發(fā)展[2]，葡萄種植面積與產(chǎn)量逐年上升，2016年，葡萄種植面積達到84.7萬hm2，比2015年增加1.7萬hm2 [3]。由于中國北方葡萄種植主產(chǎn)區(qū)氣候寒冷干燥，葡萄藤會遭受早晚霜凍等周期性的凍害，每當冬季來臨之際，為了避免葡萄藤出現(xiàn)風干或凍傷現(xiàn)象，要對葡萄藤采取適當保護措施來保證其安全過冬，一般將葡萄藤放倒之后用土掩埋起來，待冬季結(jié)束之后將土清除干凈[4]，故相比國外，中國葡萄種植需要額外2項作業(yè)環(huán)節(jié)：對葡萄藤在冬季進行埋土防寒和在春季進行清土上架，僅春季清土上架環(huán)節(jié)的勞動力成本就占葡萄生產(chǎn)管理總成本的1/5左右[5]。此外，春季清土作業(yè)季節(jié)性強[6]，工作量大，勞動強度高，作業(yè)效率低，人工成本高，這不僅制約了葡萄產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，而且降低了葡萄種植戶的收入[7]，因此，研制相關機械對葡萄藤進行清土作業(yè)具有十分重要的意義。

在國外，葡萄產(chǎn)區(qū)主要集中在溫帶及亞熱帶地區(qū)，如法國、德國、美國等國家和地區(qū)，由于其自身處于地中海氣候的優(yōu)勢，葡萄產(chǎn)區(qū)冬季溫暖濕潤，葡萄藤不會凍傷，不需要經(jīng)過冬季埋藤以及春季起藤工序，從而在這方面的研究較少，故未見有關葡萄藤清土機方面的文獻資料[4]。在國內(nèi)，近年來對葡萄藤清土機的研究取得了一些研究成果，如劉芳建等[8]研制了一種帶避障功能的葡萄藤扒土機，主要包括機架、扒土部件和避障系統(tǒng)等，工作時，通過伸縮油缸控制扒土部件，使其避開葡萄藤支架，該機器出土量大、避障效果好，但由于沒有獨立的液壓系統(tǒng)，機器不能長時間連續(xù)作業(yè)；王志強等[5]研制了一種前置式葡萄藤清土機，該機器以拖拉機為動力源，通過動力輸入軸與拖拉機動力輸出軸連接，動力一路傳遞給平地攪龍，平地攪龍將葡萄藤埋土均勻攤鋪到行間，同時另一路動力驅(qū)動清土攪龍工作，在作業(yè)過程中，能夠避開葡萄藤支架，此機器清土效率較高，對葡萄藤產(chǎn)生機械損傷小，但該機器前后長度大，掉頭困難；劉松[9]設計研發(fā)了一種葡萄藤清土機，該機器以拖拉機為主要動力來源，3點后懸掛式連接，對清土的葡萄藤要求在冬季埋藤過程中，在捆綁好的葡萄藤上層鋪設一條彩條布，工作時，機器上部清土攪龍將把彩條布上的土拉拽下來，并經(jīng)過鏤空護欄孔落下，下部攪龍將清理下來的土輸送到葡萄行間，并將土壤整理齊平。該清土機作業(yè)速度快、質(zhì)量高，能夠最大程度上降低葡萄藤受到機械損傷，但結(jié)構(gòu)相對復雜，且埋藤時需鋪設彩條布；曾保寧等[10]研制了一種懸掛式葡萄藤清土機，該機器中兩側(cè)鏟土犁、刮土板為主要工作機構(gòu)，在拖拉機的牽引下前進，能夠進行雙邊清土作業(yè)，此機器結(jié)構(gòu)簡單、設計合理、造價較低，但對葡萄種植行距和拖拉機手駕駛水平要求高，而且葡萄藤壟中間的埋土不能有效清除。除此之外，還有一些葡萄種植戶自己設計加工的刮土板式葡萄藤清土機?？傮w上，葡萄藤清土機的研究都還在試制和試驗階段，清土作業(yè)效果有待提高。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展，離散元法（discrete element method，DEM）及其仿真軟件在農(nóng)業(yè)工程領域得到了廣泛應用[11-16]，為分析機具與土壤相互作用的微觀及宏觀變化規(guī)律、優(yōu)化相關部件作業(yè)性能提供了良好的平臺與手段[17]。

針對上述問題，本文結(jié)合北方地區(qū)葡萄藤單邊清土的農(nóng)藝要求，設計了一種葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤埋土單邊清除機（下文簡稱葡萄藤清土機），對其工作原理進行分析，在EDEM軟件中通過仿真試驗優(yōu)化機器最佳工作參數(shù)組合，并進行田間試驗檢測機器作業(yè)性能，以期為葡萄藤清土作業(yè)提供一種切實可用的機械，為后續(xù)其他類型葡萄藤清土機的研制提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

由于各個地區(qū)具體的地理環(huán)境不同，葡萄種植方式和種植行距也不同，故冬季葡萄藤埋土方式、埋土厚度和埋土位置存在差異，因此，采用機械化清土作業(yè)應當規(guī)范葡萄藤的埋土過程。本文以行距在2.5～3 m之間的籬架式單邊埋土葡萄藤為作業(yè)對象，即入冬前將修剪后的葡萄藤壓倒在水泥柱的一側(cè)，用土壤覆蓋，形成截面形狀近似為等腰梯形的土壟[9,18]，如圖1所示。根據(jù)前期實地調(diào)研，一般北方地區(qū)冬季埋藤后形成的土壟上底寬300 mm≤≤400 mm、下底寬800 mm≤≤1 100 mm、總高度300 mm≤≤350 mm，葡萄藤上方埋土厚度120 mm≤≤180 mm。據(jù)此，本文選擇葡萄藤埋土之后的土壟截面尺寸上底寬為400 mm，下底寬為900 mm，埋土總高度為300 mm，葡萄藤上埋土厚度為160 mm。

在春季對葡萄藤進行機械化清土作業(yè)時，需將葡萄藤上方和側(cè)面的土壤清除，使埋在土壤里的葡萄藤顯露出來，同時，需將清除的土壤均勻地平鋪在葡萄行正中間，以便當年冬季葡萄藤埋土的再次使用和后期植保機械在葡萄行間的行走作業(yè)，以此為目標，本文設計了一種適用于葡萄藤單邊清土作業(yè)的葉輪旋轉(zhuǎn)式清土機。

1.1 整機結(jié)構(gòu)

葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機主要由機架、刮土部件、葉輪部件、平土攪龍部件、動力傳動部件和限深輪等組成，以拖拉機為動力源，其整機結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中刮土部件、葉輪部件和平土攪龍部件為機器主要清土作業(yè)部件，從前到后、從左到右依次安裝在機架上，為了進行清土作業(yè)時不漏除葡萄藤上的埋土，刮土部件的底端和左側(cè)分別與葉輪部件的頂端和右側(cè)有一定距離的重疊，攪龍部件的右側(cè)與葉輪部件的左側(cè)也有一定距離的重疊，重疊部位的尺寸如圖2b所示，通過這3個部件的配合作業(yè)，可將葡萄藤上方和遠離水泥柱一側(cè)土壤清除，并使其均勻地平鋪到葡萄行正中間。3個限深輪分別安裝在機架的前方、后方和右側(cè)，在構(gòu)成穩(wěn)定3點支撐的同時，配合拖拉機的液壓后懸掛裝置，調(diào)節(jié)機器在作業(yè)過程中距離地面的高度，從而更好的完成葡萄藤的清土作業(yè)。

注：a為土壟上底寬，mm；b為土壟下底寬，mm；h為埋土總高度，mm；l為葡萄藤上方的埋土厚度，mm。

1. 機架 2. 三點懸掛架 3. 刮土板部件 4. 限深輪1 5. 葉輪部件 6. 攪龍部件 7. 中間傳動軸支撐架 8. 中間傳動軸 9. 鏈輪傳動軸支撐架 10. 限深輪2 11. 主動鏈輪 12. 從動鏈輪 13. 張緊輪 14. 鏈條15. 攪龍支撐架 16. 鏈輪傳動軸 17. 萬向節(jié)連軸器1 18. 萬向節(jié)連軸器2 19. 換向器 20. 變速箱 21. 刮土板支架 22. 限深輪3

1. Frame 2. Three point head stock 3. Soil scraper parts 4. Depth wheel 1 5. Impeller parts 6. Screw shaft parts 7. Middle drive shaft support frame 8. Middle drive shaft 9. Sprocket drive shaft support frame 10. Depth wheel 2 11. Active sprocket 12. Driven sprocket 13. Tensioning sprocket 14. Chain 15. Support frame of screw shaft 16. Sprocket drive shaft 17. Universal joint transmission shaft 1 18. Universal joint transmission shaft2 19. Reversing device 20. Gearbox 21. Soil scraper bracket 22. Depth wheel 3

注：主視圖中為了清楚的表示攪龍部件的右側(cè)與葉輪部件的左側(cè)相重疊的尺寸，隱藏了限深輪1。

Note: In the front view, the depth wheel 1 is hidden in order to clearly show the size of the right side of the screw shaft overlapping the left side of the impeller parts.

圖2 葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤埋土單邊清除機結(jié)構(gòu)圖

Fig.2 Structure diagram unilateral cleaning machine for graperine buried by soil with rotary impeller

1.2 工作原理

正常作業(yè)時，葡萄藤清土機通過三點懸掛方式與拖拉機連接，根據(jù)葡萄藤埋土的厚度和寬度調(diào)整刮土板的位置和角度，同時調(diào)整拖拉機的液壓懸掛系統(tǒng)和限深輪的高度，使刮土板能夠?qū)⑵咸烟偕戏降穆裢镣耆蛐虚g刮除；由拖拉機動力輸出軸輸出的動力經(jīng)中間傳動部件傳給變速箱，變速箱將動力分2路輸出：一路通過萬向節(jié)聯(lián)軸器傳給換向器，最終傳給葉輪旋轉(zhuǎn)軸，使旋轉(zhuǎn)的葉輪能夠把葡萄藤上遠離水泥柱一側(cè)的土壤和前方刮土板刮來的土壤向行間清除；另一路經(jīng)鏈傳動傳給平土攪龍，進而將清除的土壤進一步向行間輸送并使其均勻地平鋪在葡萄行正中間，從而完成葡萄藤的清土作業(yè)。

1.3 整機主要技術參數(shù)

整機以60 mm×60 mm×3 mm規(guī)格的方鋼焊接而成的機架作為支撐，其他所有零部件都安裝在此機架上，整機主要技術參數(shù)如表1所示。

表1 葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機主要技術參數(shù)

2 關鍵部件結(jié)構(gòu)設計

2.1 刮土部件

刮土部件主要由刮土板、支柱和柔性橡膠組成，刮土板采用8 mm厚的鋼板沖壓成型，焊在無縫鋼管支柱上，如圖3所示。刮土部件通過鋼管支柱用U型螺栓安裝在機架的左前方，刮土板上下高度調(diào)節(jié)和該清土機上限深輪的調(diào)節(jié)共同決定刮土板入土的深度，即清除葡萄藤上方埋土的厚度，刮土板沿軸向旋轉(zhuǎn)角度的大小對作業(yè)時機器前進阻力和壅土率有很大影響，從上往下看，逆時針旋轉(zhuǎn)的角度越大，刮土板刮土的幅寬越大、機器前進阻力越大、向前壅土越嚴重，刮土板的前后固定位置配合其旋轉(zhuǎn)角度進行調(diào)節(jié)，保證在角度調(diào)節(jié)過程中，刮土板的后側(cè)不與葉輪片的外邊緣干涉即可，刮土板上下高度、前后位置和沿軸向旋轉(zhuǎn)角度的調(diào)節(jié)范圍依次為0～140 mm、0～150 mm、0～30°。

1. 支柱 2. 刮土板 3. 柔性橡膠

作業(yè)時，要求刮土板受到的縱向阻力小、翻運順利、粘附土壤少，且加工制造相對容易，同時需把葡萄藤上方埋土全部刮除，而且不損傷土壤里面的葡萄藤，故將其曲面設計成類似于翻垡犁的曲面結(jié)構(gòu)[10]，并在其底部邊緣做折彎處理，同時包裹一層柔性橡膠片，用螺栓安裝固定，以便磨損嚴重時易更換，依據(jù)第1部分敘述的葡萄藤清土農(nóng)藝要求以及實際工作情況設計刮土板的總長為700 mm，上下總高度為300 mm，保證刮土時土壤不會越過刮土板頂部。

2.2 葉輪部件

葉輪部件包含葉輪軸、葉輪片、葉輪片連接件和柔性橡膠片，葉輪片采用4 mm厚的鋼板激光切割而成，葉輪軸的上端通過萬向節(jié)聯(lián)軸器與換向器輸出軸連接，下端沿其軸向均勻焊接4個葉輪片連接件，葉輪片連接件與葉輪片采用螺栓連接，如圖4所示。根據(jù)葡萄藤清土的厚度和清土的寬度，設計單個葉輪片的高度為240 mm，寬度為180 mm。為了保證在有效清土作業(yè)的同時避免損傷葡萄藤，在葉輪片的外邊緣通過螺栓連接外邊緣設計成鋸齒形結(jié)構(gòu)的柔性橡膠片，以便磨損嚴重時可以隨時更換。

若柔性橡膠片伸出葉輪片的外邊緣長度較大，則作業(yè)時易使橡膠片彎曲、損壞，清土效果下降，若外伸長度較小，則易使剛性葉輪片碰傷葡萄藤，故本文選擇柔性橡膠片的厚度為5 mm，伸出葉輪片外邊緣的長度為60 mm，具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4b所示。

1. 葉輪片連接件 2. 葉輪軸 3. 葉輪片 4. 柔性橡膠片

2.3 平土攪龍部件

平土攪龍部件主要由平土攪龍、攪龍支撐架、端部連接軸和帶圓形座軸承組成，如圖5所示，端部連接軸用來安裝鏈傳動中的從動鏈輪，攪龍支撐架上沿豎直方向設計一系列的安裝孔，作業(yè)時，可根據(jù)實際情況更換安裝孔的位置，從而來調(diào)整平土攪龍距離地面的高度。為了將葡萄藤上清除的土壤進一步向行間輸送，并使其均勻地平鋪在葡萄行間，配合機具中傳動部件的轉(zhuǎn)向，在此選擇右旋的攪龍可滿足作業(yè)要求。為了滿足平土攪龍實際需要輸送的清土量，初步確定攪龍的外徑= 125 mm、內(nèi)徑=20 mm、螺距=230 mm，其轉(zhuǎn)速大小需配合機器作業(yè)時前進速度的大小，由仿真試驗得出。

1. 攪龍支撐架 2. 帶圓形座軸承 3. 平土攪龍 4. 端部連接軸

3 離散元模型建立與仿真分析

3.1 離散元模型的建立

3.1.1 清土機幾何模型建立

為便于仿真模擬，對在Solidworks中建立的整機三維模型進行適當?shù)暮喕幚?，隱去三點懸掛架、各級傳動箱體和限深輪等不與土壟上的土壤直接作用的部件，同時，為了減少仿真計算量，提高仿真效率，將簡化處理后的整機三維模型中的所有零件再進行0.5倍的縮小，然后導入EDEM仿真軟件中[19]，如圖6所示。

圖6 導入EDEM中的葡萄藤清土機仿真模型

由于仿真過程中主要是觀察葡萄藤清土機對土壟上土壤的清除情況，故在EDEM中只生成水泥柱和土壤顆粒，忽略土壤中的葡萄藤建模。前期設計機器時，為了避免作業(yè)時損傷埋在土壤里的葡萄藤，在刮土板的底部邊緣和葉輪片的外側(cè)邊緣都安裝了柔性橡膠材料，但在此EDEM中沒有建立葡萄藤模型，故不需要考慮葡萄藤的損傷情況，為操作方便，對機具零件統(tǒng)一添加材料屬性為45號鋼。

3.1.2 葡萄藤埋土模型建立

建立準確的土壤顆粒模型是保證仿真結(jié)果有效性的基礎。現(xiàn)有研究表明，土壤顆粒的基本結(jié)構(gòu)主要包括塊狀顆粒、核狀顆粒、片狀顆粒和柱狀顆粒[20]。在本研究中，由于葡萄藤清土機后期所要作業(yè)的葡萄園內(nèi)土壤質(zhì)地為沙壤土，其離散度高、顆粒小、結(jié)構(gòu)形狀差異不大，故建模時采用EDEM自帶的顆粒單元：球形結(jié)構(gòu)，選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型[21-23]。

實際作業(yè)環(huán)境中，以土壟總高度300 mm，總寬度900 mm，葡萄種植行距3 000 mm為例。為了匹配0.5倍縮小的機械模型，將葡萄藤清土機的整體模擬作業(yè)環(huán)境也進行0.5倍的縮小。運用EDEM軟件建立土槽，設置其基本尺寸（長′寬′高）為1 800 mm′1 550 mm′150 mm，在土槽頂部靠近邊緣一側(cè)設置一個長×寬為1 600 mm′200 mm四邊形作為虛擬顆粒工廠，以15 000個/s、初始速度為2 m/s生成粒徑尺寸在2～5 mm之間且尺寸大小呈正態(tài)分布的土壤顆粒模型，總量為300 000個，生成顆?？倳r間為20 s。最終生成的土壟模型總高度約為150 mm、總寬度約為450 mm，其截面形狀與田間實際截面形狀相似，并在土壟的一側(cè)建立水泥柱，設定行距為1 500 mm，如圖7所示。

圖7 葡萄園埋藤土壟模型

3.1.3 仿真參數(shù)設置

離散元仿真參數(shù)主要包括材料本征參數(shù)與接觸參數(shù)。材料本征參數(shù)包括土壤和機器零件材質(zhì)（45號鋼）的密度、泊松比及剪切模量，接觸參數(shù)包括土壤-土壤、土壤-45號鋼之間的恢復系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)，其中土壤密度通過環(huán)刀法試驗測量獲取，其他參數(shù)參照文獻[24-27]中的數(shù)據(jù)，仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

3.2 仿真過程與結(jié)果分析

3.2.1 仿真過程

在清土作業(yè)仿真過程中，設置葡萄藤清土機位于水泥柱一側(cè)進行單邊清土，根據(jù)機器實際作業(yè)狀態(tài)及清土農(nóng)藝要求可知，影響清土中心距的工作參數(shù)有：機器前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速1和攪龍轉(zhuǎn)速2。以某一常規(guī)工況為例進行仿真，在EDEM中設置機器的前進速度為1 m/s，沿軸的負方向；葉輪轉(zhuǎn)速為400 r/min，沿軸正方向順時針轉(zhuǎn)動；平土攪龍轉(zhuǎn)速為200 r/min，沿軸正方向逆時針轉(zhuǎn)動；刮土深度為80 mm，占其土壟總高度的53.3%。

在EDEM求解器模塊對仿真時步、仿真時間、數(shù)據(jù)保存間隔及網(wǎng)格大小進行設置[22]。為保證仿真的連續(xù)性，設置其固定時間步長為5.51×10–5s（即Rayleigh時間步長的20%），總時間為22.6 s，有效作用時間為2.6 s（0～20 s為土壟模型生成時間，20～22.6 s為機器作業(yè)時間，直至機器完全運動到土槽外），數(shù)據(jù)保存間隔時間為0.05 s，網(wǎng)格單元尺寸設置為顆粒平均半徑的2倍，以便對后續(xù)數(shù)據(jù)精準處理。

葡萄藤清土機在EDEM中仿真清土作業(yè)狀態(tài)如圖8所示，當機具沿著軸的負方向前進時，刮土板先將土壟上方土壤刮向行間，然后，旋轉(zhuǎn)葉輪將葡萄藤上遠離水泥柱一側(cè)的土壤和刮土板刮來的土壤向行間旋轉(zhuǎn)清除，最后平土攪龍將清除的土壤進一步向行間輸送并使其均勻地平鋪在行間，從而完成葡萄藤清土作業(yè)過程。

圖8 EDEM中仿真作業(yè)狀態(tài)

3.2.2 評價指標

目前國內(nèi)外未見借助EDEM仿真軟件對葡萄藤清土機的作業(yè)過程進行研究，也沒有用來評價葡萄藤清土機作業(yè)質(zhì)量好壞的統(tǒng)一標準，大部分只要求能夠簡單完成清土作業(yè)即可。結(jié)合農(nóng)藝要求與實際清土作業(yè)情況可知：土壟上的土壤被清土機清除的距離太遠，會拋灑到另一行，太近會導致清土不徹底，考慮到當年冬季再次埋土使用和便于后期植保機械在葡萄行間的行走作業(yè)，本文定義將土壟上土壤清除后的最佳效果為使其均勻地平鋪到葡萄行正中間。土壟上的土壤被清除后在行間分布區(qū)域的中心線稱為行間土壤分布中心線，稱清土作業(yè)前除行間土壟以外的空白區(qū)域的中心線為行間中心線，本研究設定兩者之間的距離為清土中心距，并以此作為評價清土效果的指標，如圖9所示，越小，表明該清土機清土效果越好。

1. 水泥柱 2. 葡萄藤埋土土壟 3. 行間土壤分布中心線 4. 清除的土壤在行間的分布區(qū)域 5. 行間中心線

1. Cement pillar 2. Soil ridge of buried soil for grapevines 3. Inter-row soil distribution center line 4. Distribution of cleared soil between rows 5. Inter-row center line

注：為清土中心距，即行間土壤分布中心線和行間中心線之間的距離，mm。

Note:is the distance between the inter-row soil distribution center line and the inter-row center line, mm.

圖9 清土作業(yè)效果示意圖

Fig.9 Schematic diagram of soil cleaning operation effects

3.2.3 仿真結(jié)果分析

在進行葡萄藤清土作業(yè)前，先在EDEM中設置葡萄行間中心線，最終清除土壟上的土壤，使其拋灑平鋪到行間，以此線為中心分布是機器的最佳作業(yè)狀態(tài)，即此時土壟上清除的土壤被均勻地平鋪到了葡萄行正中間；根據(jù)3.2.1設置的工作參數(shù)組合進行仿真試驗，仿真試驗完成后，在EDEM后處理中通過設置坐標值設定行間土壤分布中心線，這2條中心線之間的距離即為前文所述的清土中心距，作為評價機器清土效果的指標，如圖10所示。從2條中心線各自坐標中的坐標值的大小即可得出此值。在預試驗中，2線之間的距離=42 mm。

圖10 EDEM中行間中心線和行間土壤分布中心線的確定

4 正交仿真試驗與參數(shù)優(yōu)化

為研究不同工況下葡萄藤清土機的作業(yè)效果，并找到使作業(yè)效果達到最佳的一組工作參數(shù)組合，在前期虛擬模型建立及數(shù)值模擬分析基礎上，利用EDEM軟件進行虛擬仿真正交試驗研究。葡萄藤清土機的作業(yè)質(zhì)量與機具前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速、平土攪龍轉(zhuǎn)速、田間地面狀況及土壤狀態(tài)等因素有關。為提高虛擬試驗的可控性與準確性，本研究選取機器前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速1和平土攪龍轉(zhuǎn)速2為試驗因素，以清土中心距為試驗指標。依據(jù)前期模擬分析的預實驗及葡萄藤清土作業(yè)要求，同時為了保證作業(yè)效率，使拖拉機行駛速度的最小值≥0.5 m/s，配合各因素可控工況范圍，設定試驗因素水平如表3所示。

表3 試驗因素水平

在此基礎上，采用3因素4水平正交試驗，選用16（45）正交表[28-30]。試驗次數(shù)=16，在EDEM后處理模塊（Analyst）中測出每次試驗結(jié)果的試驗指標（mm），試驗設計及結(jié)果見表4，其中，，分別代表機具前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速1和平土攪龍轉(zhuǎn)速2。

由表4中極差分析知，影響土壟上的土壤被清除到行間遠近的3個主次因素順序為：葉輪轉(zhuǎn)速、攪龍轉(zhuǎn)速、前進速度，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為323，即葉輪轉(zhuǎn)速為400 r/min、攪龍轉(zhuǎn)速為300 r/min、前進速度為1.2 m/s，該狀態(tài)下清土中心距=28 mm。

通過方差分析可以更準確地判斷各因素水平對作業(yè)質(zhì)量影響的顯著性，由表5可知，對于清土中心距指標，葉輪轉(zhuǎn)速1是顯著影響因素，而前進速度和攪龍轉(zhuǎn)速2并不顯著。由于前進速度和攪龍轉(zhuǎn)速2不是顯著因素，故參考極差分析結(jié)果，直接選用其最佳前進速度、攪龍轉(zhuǎn)速2分別為1.2 m/s、300 r/min。為了確定最佳葉輪轉(zhuǎn)速1，在前進速度為1.2 m/s、攪龍轉(zhuǎn)速2為300 r/min的基礎上，進一步以清土中心距為試驗指標，對葉輪轉(zhuǎn)速1進行單因素試驗。由于在葉輪轉(zhuǎn)速為400 r/min的條件下，土壟上的土壤被清除平鋪到行間所在區(qū)域的行間土壤中心線還沒達到清土作業(yè)前葡萄行間中心線所在的位置，故取葉輪轉(zhuǎn)速試驗范圍在400～430 r/min，平均取4個水平，即400、410、420和430 r/min。單因素試驗結(jié)果表明，當葉輪轉(zhuǎn)速1為420 r/min時，清土中心距最小，為22 mm，故選擇葉輪的最佳轉(zhuǎn)速為420 r/min。由于仿真中所有尺寸是按0.5倍縮小的，故若按1∶1試驗仿真時，清土中心距的值約為44 mm。

表4 試驗方案與結(jié)果

表5 方差分析結(jié)果

注：* 表示顯著；檢驗下顯著性水平=0.05。

Note: * denotes significance; significance level=0.05 undertest.

5 田間試驗

為檢驗該葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機在田間的作業(yè)性能和作業(yè)效率，委托山東華龍農(nóng)業(yè)裝備有限公司按照前文第1部分整機結(jié)構(gòu)參數(shù)和第2部分關鍵部件參數(shù)進行物理樣機加工并進行田間試驗。

5.1 試驗前準備

由于物理樣機加工完成后，已經(jīng)過了葡萄藤清土的季節(jié)，故為了驗證機器的作業(yè)性能，將試驗地點就近選在該企業(yè)的試驗田，試驗田大小（長×寬）為150 m× 100 m，田內(nèi)土壤質(zhì)地為砂壤土，類似于葡萄園內(nèi)的葡萄藤埋土質(zhì)地。試驗前，使用起壟機在田間以3 m的間距進行起壟，共起8條土壟，每條土壟長度為100 m，模擬葡萄園內(nèi)的葡萄藤埋土壟形，即生成的土壟截面形狀近似為等腰梯形，上底寬為400 mm，下底寬為900 mm，高為300 mm。并在土壟的側(cè)邊每間隔4 m插上一根方形木柱模擬葡萄園內(nèi)水泥柱，以此形成葡萄種植行距，如圖11所示。土壟上土壤密度為1.25 g/cm3，含水率為11.76%，在土壟下面埋上樹枝條代替埋土的葡萄藤，枝條上方埋土厚度為160 mm，即為土壟上方刮土板刮土的厚度，此刮土厚度約占總高度的53.3%，與仿真清土厚度的百分比設置一致。機器作業(yè)前，先確定行間除土壟以外的空白區(qū)域的行中心線，做上標記。

1. 水泥柱 2. 行間中心線 3. 葡萄藤埋土土壟 4. 葡萄藤

5.2 田間試驗

試驗時，葡萄藤清土機與拖拉機通過三點懸掛連接，并由拖拉機PTO提供動力。試驗前，調(diào)節(jié)限深輪和刮土板的上下高度使其底部邊緣距離地面140 mm，調(diào)節(jié)刮土板沿其支柱軸向旋轉(zhuǎn)角度使刮土板板面與土壟在縱向上的放置角度為60°，調(diào)節(jié)刮土板的前后位置使其后側(cè)邊緣不與葉輪片干涉，在保證滿足前文所述清土作業(yè)厚度的同時，使土壟上方土壤（葡萄藤上方覆蓋的土壤）能被完全地清除。保持拖拉機在作業(yè)時的前進速度為1.2 m/s，用測速儀分別測定葉輪和攪龍的轉(zhuǎn)速，分別穩(wěn)定在420和300 r/min時，即工作參數(shù)和仿真優(yōu)化參數(shù)一致時，開始進行清土作業(yè)，將所起的8行土壟全部試驗完并觀測清土效果，如圖12所示。

a. 試驗現(xiàn)場 a. Experimental siteb. 作業(yè)效果 b. Operation effect

由圖12b可以明顯看到土壟上方和遠離水泥柱一側(cè)的土壤都被清除掉，葡萄藤從埋土中顯露出來，且清除的土被均勻地平鋪到葡萄行正中間，可用于當年冬季的再次埋土使用，剩下的工作只需將葡萄藤上架固定即可。

清土作業(yè)前，已經(jīng)確定葡萄行間除土壟以外空白區(qū)域的行間中心線并做標識；清土作業(yè)完成后，葡萄藤上方和內(nèi)側(cè)的土壤被均勻地清除平鋪在行間，用卷尺測量土壟上土壤被清除后在行間分布區(qū)域的中心線，即行間土壤分布中心線，如圖13所示。最后測量這2條中心線之間的距離，即為田間試驗清土中心距。對所試驗的8行土壟，每行隨機選取10個測量點，共得到80組數(shù)據(jù)，計算平均值，最終統(tǒng)計得到平均清土中心距為52 mm。

圖13 行間土壤分布中心線

在本文第4部分利用優(yōu)化后的參數(shù)進行仿真試驗時，得到清土中心距為44 mm，故仿真優(yōu)化試驗結(jié)果與田間試驗結(jié)果的相對誤差為15%，由農(nóng)業(yè)機械進行田間作業(yè)的實際經(jīng)驗可知該葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機清土作業(yè)的誤差在接受范圍內(nèi)，故該清土機滿足葡萄藤清土作業(yè)的農(nóng)藝要求。

該葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機正常作業(yè)時，平均每天大約可有效清除2.67～3.33 hm2的葡萄藤埋土，由調(diào)研知，一名正常男性勞動力同樣作業(yè)時間可清除0.07 hm2左右的葡萄藤埋土，故此機器的作業(yè)效率是人工清土作業(yè)的40～50倍。此葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機不僅作業(yè)效率高，而且相比其他機器，能夠?qū)⑵咸烟偕系穆裢粮嗟那宄聛恚也粫铰裨谕晾锏钠咸烟佟?/p>

6 討 論

目前春季葡萄藤清土作業(yè)是整個葡萄產(chǎn)業(yè)鏈中機械化程度較為薄弱的環(huán)節(jié)之一，葡萄藤清土機的自動化、智能化研究是未來發(fā)展的主要方向，本文設計的葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機是以單邊埋土的葡萄藤為作業(yè)對象，作業(yè)過程中只能進行單邊清土作業(yè)，由田間試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，設計安裝在刮土板下邊緣和葉輪片外邊緣的柔性橡膠非常容易磨損，作業(yè)過程中需頻繁更換，影響作業(yè)效率，可考慮替換為其他耐磨損材質(zhì)制成的柔性材料。此外，由于不同地區(qū)葡萄種植園內(nèi)土壤質(zhì)地不同和冬季葡萄藤埋土的多異性，所以后期需要繼續(xù)研究其他類型的葡萄藤清土機器，提高機器作業(yè)效率，進一步優(yōu)化完善葡萄藤清土機并進行相關試驗，以使其適用范圍和適用區(qū)域更加廣泛。

7 結(jié) 論

本文針對春季中國北方葡萄種植主產(chǎn)區(qū)對葡萄藤進行單邊清土作業(yè)的需求，設計了一種葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機，并通過EDEM仿真軟件及田間試驗的方法對機器設計和作業(yè)性能進行了研究，得到了以下結(jié)論：

1）設計了一種主要由機架、動力傳動部件、刮土部件、葉輪旋轉(zhuǎn)部件、平土攪龍部件和限深輪等組成的葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機，該機器可將葡萄藤上方和遠離水泥柱一側(cè)的土壤全部清除，最后將清除的土壤均勻地平鋪在葡萄行正中間，用以當年冬季葡萄藤埋土的再次使用和便于后期植保機械在葡萄行間行走作業(yè)，機器結(jié)構(gòu)簡單可靠。

2）在EDEM軟件中，以機器前進速度、葉輪旋轉(zhuǎn)速度1和平土攪龍轉(zhuǎn)速2為試驗因素，以清土中心距為試驗指標，利用正交試驗進行不同工作參數(shù)組合下的仿真模擬作業(yè)，由極差和方差分析結(jié)果可知，影響機器清土效果的主次因素順序為葉輪轉(zhuǎn)速1、攪龍轉(zhuǎn)速2、前進速度，最終確定當機器前進速度為1.2 m/s、葉輪旋轉(zhuǎn)速度為420 r/min和攪龍轉(zhuǎn)速為300 r/min時，仿真清土效果最為理想，此時清土中心距為44 mm。

3）加工了物理樣機，并采用仿真優(yōu)化得到的參數(shù)組合進行田間作業(yè)性能測試，清土作業(yè)完成后，通過多點測量清土中心距的大小，結(jié)果表明平均值為52 mm，與仿真試驗結(jié)果相對誤差為15%，在誤差允許范圍以內(nèi)。同時，通過田間試驗也可以明顯觀察到，清土機完成清土作業(yè)后，埋在土壤下面的葡萄藤（試驗中采用樹枝條代替）顯露出來，表明該機器對葡萄藤上方和側(cè)邊的土壤清除的比較徹底。綜上，此葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤清土機能夠滿足葡萄藤單邊清土的作業(yè)要求。

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Development of unilateral cleaning machine for grapevine buried by soil with rotary impeller

Ma Shuai, Xu Liming※, Xing Jiejie, Yuan Quanchun, Yu Changchang, Duan Zhuangzhuang, Chen Chen, Zeng Jian

(100083,)

Due to China’s unique climate and geographical conditions, compared with foreign countries, ours grape planting requires two additional operations, which are burying soil to prevent cold in winter and cleaning soil in spring, and the degree of mechanization in the spring soil-cleaning operation is relatively low. The design and development of grapevine soil cleaner is of great significance to the industrial development of the grape planting, so aiming at the problems of low efficiency and low mechanization of artificial soil cleaning operation of grapevines in the main grape producing areas of northern China in spring, this paper design a grapevine soil cleaner with rotary impeller for unilateral cleaning soil and its operation principle was analyzed. The machine is mainly composed of the frame, the soil scraper parts, the rotary impeller part, the screw shaft of levelling soil parts, and the depth limit wheel and so on. Among them, the soil scraper parts, the rotary impeller part and the screw shaft of levelling soil parts are the main soil cleaning parts of the machine. When the machine is working, the soil of the upper part of the grapevine was scraped to the rows by the soil scraper parts, the rotating impeller parts removes the soil on the side of the grapevines away from the cement pillar and the soil that scraped by the scraper parts, and the removed soil is again transported to the rows and evenly spread between the rows of grapes by the screw shaft of levelling soil parts, through the cooperation of these mainly parts, the soil on upper part of the grapevine and on the side far from the cement pillar can be removed to the middle of the grape rows, in order to re-use the buried soil in the winter and the late plant protection machinery to walk between the grape rows. During the working, the tractor hydraulic three-point hitch and the depth limit wheel are used to adjust the height of the machine from the ground. Modeling the machine in 3D software Solidworks. In order to reduce the amount of simulation calculations and improve simulation efficiency, this machine model is appropriately simplified and all of parts were scaled down to 0.5 and then imported into the EDEM. The whole simulation test environment was also scaled down to 0.5 correspondingly, and the simulation model of soil particle was established by using EDEM software to simulate the working process and verified the feasibility of the principle of the machine. Then, the forward speed, impeller rotary speed, and the screw shaft rotary speedwere taken as the factors, and the distance between the inter-row soil distribution center line and the inter-row center line was used as an indicator to conduct the orthogonal experiments, the minimum value of distance between the inter-row soil distribution center line and the inter-row center line is used as the optimal index, as a result, obtaining the best working parameter combination of the machine: impeller rotary speed 420 r/min, screw shaft rotary speed 300 r/min, forward speed 1.2 m/s. Under this condition, the distance between the inter-row soil distribution center line and the inter-row center line in EDEM is 44 mm. Finally, manufacturing physical prototypes and conducting field tests, and the results of field tests were compared with the result of simulation experiments, the results show that the field tests’ results are basically consistent with the simulation optimization results. The soil on upper part of the grapevine and on the side far from the cement pillar was evenly laid in the middle of the rows of grapevine. The relative error between field tests and simulation tests is 15%, which satisfies the operation requirements for unilateral soil cleaning of grapevines. This study provides a reference for the development of other types of grapevine soil cleaner.

mechanization; design; optimization; grapevines; soil cleaner; EDEM

馬 帥，徐麗明，邢潔潔，袁全春，于暢暢，段壯壯，陳 晨，曾 鑒. 葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤埋土單邊清除機研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34(23)：1－10. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.001 http://www.tcsae.org

Ma Shuai, Xu Liming, Xing Jiejie, Yuan Quanchun, Yu Changchang, Duan Zhuangzhuang, Chen Chen, Zeng Jian. Development of unilateral cleaning machine for grapevine buried by soil with rotary impeller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 1－10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.001 http://www.tcsae.org

2018-07-16

2018-10-27

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項資金資助（CARS-29）

馬 帥，博士生，主要從事生物生產(chǎn)自動化技術與裝備研究。Email：13637070719@163.com

徐麗明，教授，博士生導師，主要從事生物生產(chǎn)自動化技術和裝備研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.001

S222.3

A

1002-6819(2018)-23-0001-10