分層交錯(cuò)式葡萄防寒土弧形清土葉輪的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

馬 帥，徐麗明，牛 叢，閆成功，趙詩(shī)建，王 坤，譚好超

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

分層交錯(cuò)式葡萄防寒土弧形清土葉輪的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

馬 帥，徐麗明※，牛 叢，閆成功，趙詩(shī)建，王 坤，譚好超

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)目前中國(guó)北方葡萄防寒土清土部件作業(yè)功耗高和相關(guān)理論研究較少的問題，設(shè)計(jì)了一種葡萄防寒土弧形清土葉輪，主要由花鍵連接軸套、葉輪軸、弧形葉輪片和葉輪片連接板等組成，采用分層交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)，以十字交叉形式排布。首先，依據(jù)中國(guó)北方葡萄防寒土清除農(nóng)藝要求，確定弧形清土葉輪的外形尺寸和葉輪片數(shù)量。通過(guò)理論分析弧形清土葉輪的運(yùn)動(dòng)和受力，確定影響其作業(yè)功耗的主要因素。并基于EDEM軟件，以弧形清土葉輪前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速和葉輪片彎曲角為試驗(yàn)因素，以葉輪扭矩和水平前進(jìn)阻力為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合模擬試驗(yàn)，以扭矩和水平前進(jìn)阻力最小為優(yōu)化目標(biāo)，獲得最優(yōu)參數(shù)組合；進(jìn)一步基于土槽試驗(yàn)，驗(yàn)證弧形清土葉輪仿真優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，并與直板式清土葉輪作業(yè)進(jìn)行對(duì)比分析。仿真優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)弧形清土葉輪前進(jìn)速度為0.38 m/s，轉(zhuǎn)速為450 r/min，葉輪片彎曲角為18°時(shí)，其扭矩和水平前進(jìn)阻力最小，分別為9.99 N·m和27.09 N；土槽試驗(yàn)結(jié)果表明，弧形清土葉輪扭矩和水平前進(jìn)阻力分別為11.56 N·m和31.82 N，與仿真優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差分別為13.58%和14.86%，同時(shí)，與直板式清土葉輪作業(yè)對(duì)比，弧形清土葉輪扭矩和水平前進(jìn)阻力分別降低了9.40%和15.37%。研究結(jié)果可為后續(xù)葡萄藤防寒土清土機(jī)的整體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；弧形葉輪；分層交錯(cuò)式；葡萄防寒土；清土；設(shè)計(jì)；EDEM

0 引 言

目前，葡萄在中國(guó)種植區(qū)域分布廣泛[1-2]，由于北方冬季寒冷干燥，故在入冬前，需要對(duì)葡萄產(chǎn)區(qū)進(jìn)行埋土防寒作業(yè)，待第二年春季天氣回暖時(shí)，再進(jìn)行清土作業(yè)[3-4]，其中春季清土作業(yè)是葡萄整個(gè)生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)中勞動(dòng)量最大、勞動(dòng)強(qiáng)度最高的一個(gè)環(huán)節(jié)，隨著國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力短缺和人工成本的日益增加，實(shí)現(xiàn)北方葡萄春季清土的機(jī)械化作業(yè)對(duì)中國(guó)葡萄產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和提高葡萄種植戶收入具有重要意義[5]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者和部分農(nóng)機(jī)企業(yè)對(duì)葡萄清土機(jī)械進(jìn)行了研究與試制，并取得了一些研究成果，如李法鍵[6]設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動(dòng)型葡萄防寒土清土機(jī)，雙邊清土作業(yè)，可進(jìn)行作業(yè)行距調(diào)節(jié)，由于該機(jī)采用橡膠片作為清土部件，故僅適應(yīng)于沙土和沙壤土地區(qū)的葡萄園；馬帥等[7]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)避障式葡萄防寒土清土機(jī)，單邊清土作業(yè)，作業(yè)時(shí)清土部件可自動(dòng)避開水泥柱，由于該機(jī)采用柔性刷子和橡膠組合的清土部件，故也僅適用于沙土和沙壤土地區(qū)的葡萄園；劉芳建等[8]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)擺動(dòng)葡萄藤扒土機(jī)，作業(yè)時(shí)通過(guò)攪龍的轉(zhuǎn)動(dòng)，將葡萄上埋土清除輸送到行間，但攪龍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，制造成本高；王文斌[9]設(shè)計(jì)了一種葡萄防寒土清除開溝機(jī)，該機(jī)以螺旋旋耕的方式進(jìn)行破土和側(cè)向輸送土壤，具有避障功能，但整機(jī)質(zhì)量大，采用四連桿機(jī)構(gòu)導(dǎo)致作業(yè)慣性大，不易操作。農(nóng)機(jī)企業(yè)以寧夏智源農(nóng)業(yè)裝備有限公司為代表，主要研制了刮板式葡萄清土機(jī)，包括單邊清土和雙邊清土2種機(jī)型，刮板式葡萄清土機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、制造成本低，被大多數(shù)農(nóng)戶接受，但刮板作業(yè)屬于被動(dòng)式作業(yè)，功耗較大，且清土效果有限?？傮w看，國(guó)內(nèi)葡萄清土機(jī)械的研究主要還處于研究試驗(yàn)階段，此外，現(xiàn)有研究大都是設(shè)計(jì)整機(jī)，對(duì)其整體進(jìn)行粗略研究，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器功能和完成葡萄防寒土的有效清除為基本目標(biāo)，很少考慮機(jī)器作業(yè)功耗大小，鮮有研究進(jìn)行單個(gè)清土部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，也沒有對(duì)其作業(yè)進(jìn)行減阻降耗的深入分析研究。國(guó)外葡萄產(chǎn)區(qū)由于冬季氣候溫和濕潤(rùn)，不需要進(jìn)行冬季埋土防寒和春季清土作業(yè)，故未見有關(guān)葡萄清土機(jī)械方面的研究[3,10]。

針對(duì)上述問題，本文參照撒肥裝置[11-13]中常用的葉輪片，優(yōu)化設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)輕便、作業(yè)功耗低的分層交錯(cuò)式葡萄防寒土弧形清土葉輪部件，對(duì)其清土作業(yè)受力進(jìn)行理論分析，基于離散元法（DEM）對(duì)弧形清土葉輪清除土壤過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，探究其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)作業(yè)功耗的影響，并進(jìn)行土槽驗(yàn)證試驗(yàn)，以期為葡萄防寒土清土機(jī)具減阻降耗的研究提供理論參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葡萄防寒土弧形清土葉輪部件主要由花鍵連接軸套、葉輪軸、葉輪片連接板和弧形葉輪片等組成，如圖1所示，采用分層交錯(cuò)式結(jié)構(gòu)，即分為上下兩層，以十字交叉形式排布，每層沿葉輪軸圓周方向焊接葉輪片連接板，并在葉輪片連接板上通過(guò)螺栓固定連接弧形葉輪片，

兩層弧形葉輪片和葉輪片連接板的結(jié)構(gòu)和參數(shù)相同。

1.花鍵連接軸套 2.葉輪軸 3.葉輪片連接板 4.弧形葉輪片

1.Spline connection sleeve 2.Impeller shaft 3.Connecting plate of impeller blades 4.Arc impeller blade

注：為弧形清土葉輪的回轉(zhuǎn)直徑，mm；為葉輪軸直徑，mm；為弧形清土葉輪總高度，mm；為單層葉輪片高度，mm；1為單個(gè)弧形葉輪片水平長(zhǎng)度，mm；2為弧形葉輪片上直線段部分長(zhǎng)度，mm；為弧形葉輪片的半徑，mm；為弧形葉輪片厚度，mm；為弧形葉輪片彎曲角，(°)。

Note:is the turning diameter of arc soil cleaning impeller, mm;is the diameter of impeller shaft, mm;is the total height of arc soil cleaning impeller, mm;is the height of single-layer impeller blade, mm;1is the horizontal length of arc impeller blade, mm;2is the length of straight section on arc impeller blade, mm;is the radius of arc impeller blade, mm;is the thickness of arc impeller blade, mm;is the bending angle of arc impeller blade, (°).

圖1 分層交錯(cuò)式葡萄防寒土弧形清土葉輪結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure diagram of arc soil cleaning impeller with layered-staggered structure to clean cold-proof soil on grapes

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

弧形清土葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)包括整體外形參數(shù)和單個(gè)弧形葉輪片參數(shù)，其中整體外形參數(shù)依據(jù)葡萄防寒土清除農(nóng)藝要求確定。由調(diào)研可知，中國(guó)北方葡萄在冬季埋土后形成橫截面類似于等腰梯形的土壟，各地區(qū)埋土情況不同，故而土壟的尺寸有所差異[14]。本文選擇常規(guī)的埋土尺寸，如圖2所示，即土壟的上底寬350 mm，下底寬900 mm，高350 mm，水泥柱截面尺寸為100 mm′100 mm，葡萄被土壤埋在水泥柱行中間，土壤中葡萄寬度一般不超過(guò)300 mm，高度不超過(guò)200 mm。清土作業(yè)時(shí)，一般采用具有自動(dòng)避障功能的刮土板與清土葉輪配合作業(yè)，刮土板清除土壟上方厚度約為120 mm的埋土，葉輪清除側(cè)邊的埋土，實(shí)際上葉輪清除的土壤不僅包括葡萄藤防寒土土壟側(cè)邊的埋土，還包括被與之配合作業(yè)的刮土板向兩側(cè)清除流動(dòng)的土壤，在此，本文僅研究葉輪的清土作業(yè)部分。為防止葉輪在作業(yè)時(shí)碰傷葡萄藤，土壟兩側(cè)各預(yù)留50 mm的安全距離，因此，葉輪單邊清除土壤的寬度為250 mm、高度為230 mm。

根據(jù)葉輪清除土壟的尺寸，本文設(shè)計(jì)弧形清土葉輪的回轉(zhuǎn)直徑為600 mm，總高度為300 mm，單層弧形葉輪片的高度為150 mm，葉輪軸的直徑為100 mm，如圖1a所示?；⌒稳~輪片由直線段和圓弧段組成，如圖 1b所示，直線段長(zhǎng)度2為50 mm，用于打孔與葉輪片連接板固定連接，為了使弧形清土葉輪在一定轉(zhuǎn)速下，清除的土壤顆粒更早地離開葉輪片，從而實(shí)現(xiàn)減少功耗的目的，設(shè)計(jì)弧形葉輪片圓弧段的彎曲方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相反，弧形葉輪片的彎曲角決定土壤顆粒離開葉輪片瞬間的角度和速度[15-16]，由后期仿真優(yōu)化試驗(yàn)確定，弧形葉輪片的長(zhǎng)度1為250 mm，厚度為6 mm。

1.2 葉輪片數(shù)量確定

作業(yè)時(shí)，葉輪的運(yùn)動(dòng)軌跡是其自身旋轉(zhuǎn)與前進(jìn)2種運(yùn)動(dòng)的合成，本文設(shè)計(jì)的弧形清土葉輪的回轉(zhuǎn)直徑根據(jù)葡萄防寒土清除農(nóng)藝要求已經(jīng)固定，故在其轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度一定的條件下，弧形葉輪片數(shù)量越多，重復(fù)清掃的區(qū)域就會(huì)越大，功耗也就越大，但同時(shí)對(duì)應(yīng)的漏掃區(qū)域也會(huì)越小，考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)稱性和受力均衡性，葉輪每層最低配置2個(gè)弧形葉輪片。由于葉輪一般配合避障刮土板進(jìn)行作業(yè)[17]，故前進(jìn)速度不能超過(guò)0.5 m/s，否則刮土板無(wú)法完成順利避障；由預(yù)試驗(yàn)可知，當(dāng)弧形清土葉輪的轉(zhuǎn)速低于350 r/min時(shí)，土壤在其旋轉(zhuǎn)作用下會(huì)產(chǎn)生回旋現(xiàn)象，即清除的土壤又被旋回土壟上，無(wú)法完成有效清土，故弧形清土葉輪在清除土壤時(shí)的轉(zhuǎn)速不能低于350 r/min。在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速最小、前進(jìn)速度最大時(shí)，理論上對(duì)應(yīng)的漏掃區(qū)域最大，但通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，在葉輪每層配置2個(gè)弧形葉輪片的情況下，當(dāng)其前進(jìn)速度為0.5 m/s，轉(zhuǎn)速為350 r/min時(shí)，即可形成有效清土繞扣軌跡線[6]，并且此時(shí)漏掃區(qū)域可忽略不計(jì)，故當(dāng)弧形清土葉輪轉(zhuǎn)速大于350 r/min，前進(jìn)速度不超過(guò)0.5 m/s時(shí)，每層配置2個(gè)弧形葉輪片足以滿足清土作業(yè)要求。

2 弧形清土葉輪受力分析

作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)弧形清土葉輪接觸土壤時(shí)，在葉輪隨機(jī)具前進(jìn)產(chǎn)生向前的推力和自身旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，以及土壤顆粒與弧形葉輪片間的摩擦力的作用下，土壤顆粒被葉輪片拋灑出去，而葉輪片在作業(yè)過(guò)程中則受到水平前進(jìn)方向的阻力和旋轉(zhuǎn)方向的扭矩，水平前進(jìn)阻力大小主要表明葉輪對(duì)土壤的堆積程度，若前進(jìn)速度過(guò)快，土壤還沒有來(lái)得及被葉輪清除拋灑，就被向前堆積，則水平前進(jìn)方向阻力就會(huì)變大，由于清除的土壤不斷堆積增多，葉輪旋轉(zhuǎn)扭矩也會(huì)增大，本文以弧形清土葉輪的水平前進(jìn)阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩代表其作業(yè)功耗。

由于中國(guó)北方葡萄園內(nèi)的埋土主要以沙壤土為主，春季清土?xí)r，土質(zhì)較為松散，具有散粒體物料特性，從離散元法（DEM）角度分析，可將土壤看成是由無(wú)數(shù)顆粒組成，故參考撒肥機(jī)研究中對(duì)單個(gè)肥料顆粒的相關(guān)分析[18]，本文以一質(zhì)量為的土壤顆粒為研究對(duì)象，在其即將離開弧形葉輪片的瞬間時(shí)刻進(jìn)行分析，以圖3中所在的位置為例，土壤顆粒在弧形葉輪片上將受到重力底部顆粒對(duì)其支持力F葉輪片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力F、葉輪片對(duì)其摩擦力F和科式力F，該土壤顆粒對(duì)弧形清土葉輪的扭矩大小為

式中為葉輪所受扭矩，N?m；為葉輪片彎曲角，(°)；為土壤顆粒質(zhì)心距旋轉(zhuǎn)軸中心的距離，mm。