自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)研制

馬 帥，徐麗明，袁全春，牛 叢，王爍爍，袁訓(xùn)騰

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

0 引 言

中國(guó)葡萄種植區(qū)域廣泛，是歐洲以外種植面積最大的國(guó)家[1-2]，其中大部分優(yōu)質(zhì)葡萄產(chǎn)區(qū)位于北方，為露天籬架式栽植，由于北方地區(qū)冬季寒冷干燥，故每當(dāng)冬季來臨之前，需將剪枝后的葡萄藤下架并埋入土中，待第二年春季天氣回暖時(shí)，再將其出土上架[3]。由于葡萄藤出土作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、工作量大、勞動(dòng)力成本高[4-5]，故采用機(jī)械化作業(yè)是必然發(fā)展趨勢(shì)。

近年來，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜遗c學(xué)者對(duì)葡萄藤防寒土清土機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行了研究，如曾保寧等[6-7]研究了以刮板為主要清土部件的防寒土清土機(jī)，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、適用范圍廣、作業(yè)效率高，但清土不徹底，需要人工進(jìn)行二次作業(yè)；劉芳建等[8-9]研究了以旋轉(zhuǎn)攪龍為主要清土部件的防寒土清土機(jī)，作業(yè)時(shí)，機(jī)器通過攪龍旋轉(zhuǎn)傳送土壤，出土量大，且能將清除的葡萄藤防寒土均勻地平鋪到行間，但攪龍部件為剛性體，在作業(yè)過程中容易損傷土壤中的葡萄藤；王文斌[10]研制了一種葡萄藤防寒土清除開溝機(jī)，通過觸桿識(shí)別水泥柱的位置，采用螺旋旋耕的方式進(jìn)行破土和側(cè)向輸送土壤，具有一定的清土效果，但葡萄藤附近的防寒土不能清除，并且整機(jī)采用四連桿機(jī)構(gòu)，移動(dòng)部件總質(zhì)量較大，慣性大，作業(yè)操作難度大；謝冬等[11-12]研制的葡萄藤防寒土清土機(jī)也是以旋轉(zhuǎn)攪龍為清土部件，但僅應(yīng)用于葡萄藤防寒土覆蓋之前先鋪設(shè)彩條布的情況，通過回收彩條布進(jìn)而將防寒土清除干凈；馬帥等[13]研制的葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤防寒土清土機(jī)，采用刮土板、葉輪和旋轉(zhuǎn)攪龍組合的方式對(duì)葡萄藤防寒土進(jìn)行清除，但僅適用于防寒土埋在水泥柱單側(cè)的情況，若兩側(cè)埋土，水泥柱位于土壟中間，則水泥柱中間的土壤不能被有效清除。國(guó)外葡萄產(chǎn)區(qū)主要集中在溫帶及亞熱帶地區(qū)，冬季氣候溫和濕潤(rùn)，葡萄生產(chǎn)作業(yè)沒有冬季埋土防寒和春季清土上架環(huán)節(jié)，故未見有關(guān)葡萄藤防寒土清土機(jī)方面的研究[3,5]。

目前關(guān)于葡萄藤防寒土清土機(jī)的研究大多以剛性體清土部件為主，作業(yè)時(shí)不僅會(huì)損傷葡萄藤，而且清土不徹底，此外關(guān)于清土機(jī)的整體研究理論較少、研究方法單一。近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，離散元法（Discrete Element Method，DEM）及其仿真軟件EDEM 在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了廣泛使用，越來越多的學(xué)者將其應(yīng)用于土壤離散元仿真參數(shù)的標(biāo)定[14-16]和觸土作業(yè)機(jī)具的設(shè)計(jì)及優(yōu)化[17-19]，其中觸土部件的研究目前主要集中在開溝施肥機(jī)、深松鏟和排種器等方面。葡萄藤防寒土清土機(jī)作為一種典型的觸土作業(yè)機(jī)具，很少有人借助于該方法進(jìn)行相關(guān)研究，此外，為清除水泥柱間的防寒土，清土機(jī)在作業(yè)時(shí)不僅與土壤間相互接觸作用，而且需要避開水泥柱，為綜合模擬整機(jī)作業(yè)效果，研究機(jī)具避障機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)直觀分析觸土部件的清土效果，需利用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件與離散元仿真軟件耦合，目前關(guān)于此耦合仿真試驗(yàn)方法的應(yīng)用也鮮有研究。

綜上所述，為解決葡萄藤防寒土清土機(jī)自動(dòng)化程度低、清土不徹底和易傷藤等問題，本文基于多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn 和離散元軟件EDEM 耦合仿真的方法，針對(duì)中國(guó)北方砂壤土地區(qū)葡萄園內(nèi)的葡萄藤防寒土清除，提出采用柔性刷子與橡膠組合的清土部件，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)，并對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，確定其關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)；在耦合仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展四因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合模擬試驗(yàn)，優(yōu)化作業(yè)參數(shù)組合并通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證，以期在解決葡萄藤防寒土清除問題的同時(shí)，為觸土機(jī)具避障機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)主要由機(jī)架、避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、避障信號(hào)采集機(jī)構(gòu)、控制器、清土部件、擋土板、傳動(dòng)部件和限深輪等組成，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括擺動(dòng)支架和避障油缸，擺動(dòng)支架通過中間旋轉(zhuǎn)軸以鉸接方式安裝在機(jī)架的右側(cè)，并將清土部件安裝在擺動(dòng)支架的最右端，清土部件采用柔性刷子和橡膠組合的結(jié)構(gòu)形式；避障信號(hào)采集機(jī)構(gòu)包括觸桿、避障位移傳感器、氣彈簧和同步位移傳感器等，同步位移傳感器安裝在避障油缸的底部并與其保持平行，以保證同步位移傳感器和避障油缸的伸縮運(yùn)動(dòng)一致，觸桿安裝在擺動(dòng)支架的前端，用于感知前方障礙物（水泥柱），當(dāng)觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度達(dá)到控制器中預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，控制器通過控制電磁換向閥使避障油缸縮回，進(jìn)而帶動(dòng)清土部件避開水泥柱；擋土板安裝在機(jī)架底部，可以在機(jī)架底部的前后橫梁上左右移動(dòng)，用來防止被清除的土壤過度向清土部件在機(jī)架上安裝位置的另一側(cè)拋灑；傳動(dòng)部件采用2 級(jí)帶傳動(dòng)；2 個(gè)限深輪分別安裝在機(jī)架的后端兩側(cè)，通過調(diào)節(jié)限深輪，改變機(jī)具在作業(yè)過程中的離地高度，增強(qiáng)機(jī)具作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性。

1.2 自動(dòng)避障系統(tǒng)

葡萄藤防寒土清土機(jī)自動(dòng)避障系統(tǒng)主要由電源部分、避障感知部分、控制部分和液壓執(zhí)行部分組成，如圖2 所示。避障信號(hào)采集機(jī)構(gòu)中的觸桿為自動(dòng)避障系統(tǒng)的感知部分，用于識(shí)別障礙物的存在；STM32 單片機(jī)作為控制部分中的主控制器，用于采集避障位移傳感器和同步位移傳感器的信號(hào)，然后輸出信號(hào)控制電磁換向閥，進(jìn)而控制避障油缸的伸縮；液壓部分主要由液壓閥組和避障油缸組成，其中液壓閥組包括溢流閥、調(diào)速閥和電磁換向閥，溢流閥用于穩(wěn)定油路壓力，調(diào)速閥用于調(diào)節(jié)避障油缸的伸縮速度，電磁換向閥采用三位四通且中位機(jī)能為M 型結(jié)構(gòu)，用于控制避障油缸的伸縮，避障油缸作為執(zhí)行部件，用于帶動(dòng)清土部件避開障礙物。工作時(shí)，液壓油由拖拉機(jī)后側(cè)液壓輸出口提供，當(dāng)觸桿碰到水泥柱時(shí)，觸桿繞自身旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度達(dá)到STM32單片機(jī)程序中預(yù)先設(shè)定的角度閾值時(shí)，STM32 單片機(jī)輸出信號(hào)給繼電器以控制電磁換向閥閥芯的移動(dòng)，進(jìn)而控制避障油缸縮回，從而帶動(dòng)清土部件避開障礙物。避開障礙物后，觸桿在氣彈簧的作用下逐漸恢復(fù)到初始位置，當(dāng)觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度恢復(fù)到小于STM32 單片機(jī)程序中設(shè)定的角度閾值時(shí)，STM32 單片機(jī)再次輸出信號(hào)給繼電器以控制電磁換向閥閥芯的移動(dòng)，進(jìn)而控制避障油缸伸出，從而帶動(dòng)清土部件伸入水泥柱間繼續(xù)進(jìn)行清土作業(yè)，依此反復(fù)。在避障油缸伸縮的同時(shí)，與其平行的同步位移傳感器也隨之伸縮，當(dāng)STM32 單片機(jī)通過同步位移傳感器檢測(cè)到避障油缸完全縮回或完全伸出時(shí)，輸出控制信號(hào)使電磁換向閥的閥芯位于中位，由于采用的是M 型中位機(jī)能的電磁換向閥，故由液壓源輸出的液壓油直接經(jīng)相通的進(jìn)、回油口直接回到油箱，從而使液壓油達(dá)到卸荷的目的。

圖1 自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Schematic diagram of automatic obstacle-avoiding grapevine cold-proof soil cleaners

1.3 工作原理

自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)作業(yè)時(shí)，由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，同時(shí)通過動(dòng)力輸出裝置（Power Take-Off，PTO）將動(dòng)力傳給變速箱，由變速箱輸出軸將動(dòng)力經(jīng)二級(jí)帶傳動(dòng)傳給清土部件，從而實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)清土的功能。在機(jī)具前進(jìn)過程中遇到水泥柱時(shí)，觸桿與其碰觸，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到避障信號(hào)后，避障油缸縮回進(jìn)而帶動(dòng)清土部件避開水泥柱，在避障油缸縮回的同時(shí)，同步位移傳感器也隨之縮回，當(dāng)檢測(cè)到避障油缸完全縮回時(shí)，電磁換向閥不通電，液壓油卸荷；當(dāng)避開水泥柱后，觸桿和避障位移傳感器在氣彈簧的作用下恢復(fù)到初始位置，避障油缸帶動(dòng)清土部件伸出，同步位移傳感器也隨之伸出，清土部件重新進(jìn)入水泥柱間進(jìn)行清土作業(yè)，當(dāng)檢測(cè)到避障油缸完全伸出時(shí)，電磁換向閥再次斷電，液壓油卸荷，以此往復(fù)，完成葡萄藤防寒土的避障清土作業(yè)過程。

圖2 自動(dòng)避障系統(tǒng) Fig.2 Automatic obstacle-avoiding system

1.4 整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合中國(guó)北方地區(qū)葡萄種植的行距和葡萄藤春季清土情況，確定自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)，如表1 所示。

2 關(guān)鍵部件及其主要技術(shù)參數(shù)

2.1 避障信號(hào)采集機(jī)構(gòu)

避障信號(hào)采集機(jī)構(gòu)主要由安裝支架、觸桿、避障位移傳感器、氣彈簧、限位裝置和同步位移傳感器等組成，如圖3 所示（圖中未顯示同步位移傳感器）。設(shè)觸桿未碰到水泥柱時(shí)的位置為P1，碰到水泥柱后，觸桿繞O 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到P2位置時(shí)，此時(shí)觸桿末端位于清土部件外側(cè)邊緣位置，同時(shí)觸桿另一端由a1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到a2點(diǎn)，并帶動(dòng)避障位移傳感器和氣彈簧伸出。當(dāng)觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大于STM32 單片機(jī)程序中預(yù)先設(shè)定的角度閾值時(shí)，避障油缸縮回進(jìn)而帶動(dòng)清土部件向后擺動(dòng)避開水泥柱。為了防止觸桿在作業(yè)過程中由于旋轉(zhuǎn)角度過大而損壞傳感器，故在安裝支架的右側(cè)設(shè)置了限位裝置，主要包括前限位擋塊和后限位擋塊，以保證觸桿在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

觸桿由一段直線部分和一段圓弧部分組成，由于經(jīng)常與水泥柱碰觸，為防止其變形，采用直徑d 為8 mm 的彈簧鋼制成，其中圓弧部分的半徑R 與清土部件的回轉(zhuǎn)半徑相同，為275 mm，圓弧部分的弧度角α0為65°，為了保證清土部件作業(yè)時(shí)不碰到水泥柱，觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)前，其末端在水平橫向上的位置應(yīng)到達(dá)清土部件外側(cè)邊緣所在的位置，結(jié)合避障信號(hào)采集機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和在擺動(dòng)支架上的安裝位置，取觸桿的直線部分長(zhǎng)度l2為505 mm，當(dāng)觸桿繞O 點(diǎn)由P1轉(zhuǎn)動(dòng)到P2位置時(shí)，此時(shí)觸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ0為16.5°，達(dá)到了最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度，由此可計(jì)算出觸桿直線部分末端由b1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到b2點(diǎn)的位移l4為145 mm。觸桿的另一端從a1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到a2點(diǎn)時(shí)，避障位移傳感器的伸長(zhǎng)量為l3，由于STM32 單片機(jī)采集得到的避障位移傳感器的輸出信號(hào)為電壓值，并且該值隨避障位移傳感器伸長(zhǎng)量的增加而增大，考慮到STM32 單片機(jī)采集避障位移傳感器輸出電壓值的準(zhǔn)確性與快速性[20]，在此取避障位移傳感器的伸長(zhǎng)量為30 mm，即l3=30 mm，由圖3 中ΔOO1a2∽ΔOO2b2可得

式中l(wèi)1為避障位移傳感器前端安裝支點(diǎn)到旋轉(zhuǎn)中心O 點(diǎn)的距離，mm；由l2=505 mm，l3=30 mm，l4=145 mm，求得l1=104 mm，即避障位移傳感器前端安裝支點(diǎn)到觸桿旋轉(zhuǎn)中心的距離為104 mm。

圖3 避障信號(hào)采集機(jī)構(gòu)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of obstacle-avoiding signal acquisition mechanism

2.2 避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)

避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由擺動(dòng)支架和避障油缸組成，其中避障油缸是擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的執(zhí)行部件，其缸徑和行程是2 個(gè)關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，因此需要通過對(duì)避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以確定其參數(shù)。

2.2.1 動(dòng)力學(xué)分析

分析清土機(jī)的作業(yè)過程可知，當(dāng)碰到水泥柱時(shí)，避障油缸將帶動(dòng)擺動(dòng)支架向清土機(jī)后方轉(zhuǎn)動(dòng)以避開水泥柱，由于清土部件是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，隨著清土機(jī)的前進(jìn)，其后方的土壤被完全清除，故擺動(dòng)機(jī)構(gòu)向清土機(jī)后方轉(zhuǎn)動(dòng)避障時(shí)，由于沒有土壤阻力的作用，可認(rèn)為避障油缸伸縮所需要克服的阻力主要與中間旋轉(zhuǎn)軸在軸承中轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦力有關(guān)，由于此力較小，可忽略不計(jì)，活塞桿僅受拉壓作用，本文選取缸徑40 mm、活塞桿直徑25 mm、推力20 100 N 和拉力12 270 N 的HSG 型工程液壓缸[21-22]。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

為確定避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中避障油缸的行程，需要對(duì)避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。為了將水泥柱行間的防寒土清除干凈，清土部件外側(cè)邊緣伸入水泥柱行間的最大距離應(yīng)大于等于水泥柱本身橫截面的寬度，同時(shí)，為保證清土部件避開水泥柱，當(dāng)避障油缸完全縮回時(shí)，清土部件外側(cè)邊緣到水泥柱外邊緣的距離至少為0 mm，根據(jù)葡萄園常用的水泥柱尺寸規(guī)格，初定清土部件水平橫向運(yùn)動(dòng)的幅度為80 mm。

以O(shè)3為坐標(biāo)原點(diǎn)（即中間旋轉(zhuǎn)軸的位置），將避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為二維平面運(yùn)動(dòng)模型，如圖4 所示。當(dāng)避障油缸完全伸出時(shí)，擺動(dòng)支架處于水平位置，與x軸正方向重合，此時(shí)清土部件位于E1位置，當(dāng)避障油缸完全縮回時(shí)，清土部件避開水泥柱，此時(shí)清土部件位于E2位置。

分析可知，避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)滿足公式（2）～（6）：

式中l(wèi)5、l6、l7、γ 和θ 為避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸，l5=502 mm，l6=240 mm，l7=367 mm，γ=78°，θ=29°，其中清土部件橫向運(yùn)動(dòng)距離k=80 mm，由此求得L=135 mm?？紤]到葡萄園內(nèi)水泥柱行的直線度誤差，同時(shí)，拖拉機(jī)手操作機(jī)器作業(yè)時(shí)也存在一定偏差，故需增大避障油缸的行程，本文取L=200 mm。

圖4 避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 Fig.4 Kinematics analysis of swing mechanism for obstacle-avoiding

2.3 清土部件

清土部件結(jié)構(gòu)如圖5 所示，主要由旋轉(zhuǎn)滾筒、刷子和橡膠片等組成，刷子由多層柔性塑料刷絲從旋轉(zhuǎn)滾筒底部依次向上套壓而成，共15 層，底部用壓板固定；在壓板的底面均勻地焊接固定板，通過動(dòng)板與固定板的連接固定安裝橡膠片；固定部分均用螺栓連接，便于更換。由前期田間試驗(yàn)可知，清土部件可有效清除葡萄藤防寒土，由于土壟下部的緊實(shí)度大于上部，故清土部件下部的磨損比上部嚴(yán)重，因此下部材料采用耐磨的夾線橡膠片。根據(jù)葡萄藤下架后壓倒在地面上的尺寸范圍和埋土后形成土壟的外形尺寸[13]，本文設(shè)計(jì)清土部件的直徑D1為550 mm，有效作業(yè)高度H 為350 mm，其中刷子部分的高度為270 mm，橡膠片的高度a 為80 mm，厚度D 為8 mm，長(zhǎng)度b 為228 mm。底部壓板上橡膠片的數(shù)量對(duì)土壟下部的清掃范圍具有一定的影響，隨著橡膠片數(shù)量的增加，漏掃區(qū)域減小，清掃重疊區(qū)域增大[23]，為保證清土質(zhì)量，本文確定橡膠片數(shù)量為5 片。

圖5 清土部件 Fig.5 Soil cleaning parts

3 清土作業(yè)仿真試驗(yàn)

由清土機(jī)的作業(yè)過程可知，機(jī)器前進(jìn)速度、避障油缸速度、清土部件轉(zhuǎn)速、STM32 單片機(jī)程序中預(yù)設(shè)的觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值（當(dāng)觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于等于該值時(shí)，避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)開始工作）和田間環(huán)境狀況都可能會(huì)對(duì)清土作業(yè)效果產(chǎn)生一定的影響。為了分析各因素對(duì)清土作業(yè)效果的影響，進(jìn)而為機(jī)具的優(yōu)化及試驗(yàn)參數(shù)的選取提供參考依據(jù)，本文利用多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn 和離散元軟件EDEM 耦合仿真試驗(yàn)，前者用來設(shè)置機(jī)具的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，后者用來生成土壤顆粒模型并分析清土作業(yè)效果。

3.1 仿真模型建立

建模時(shí)若按照1∶1 的比例模擬葡萄園內(nèi)作業(yè)環(huán)境，需生成大量顆粒，由于顆粒數(shù)量對(duì)仿真時(shí)間影響巨大[24]，故為了減少仿真計(jì)算量，提高仿真效率，本文進(jìn)行縮比建模試驗(yàn)。首先將SolidWorks 中的機(jī)具三維模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的模型主要包括機(jī)架、觸桿、擺動(dòng)支架、避障油缸和清土部件等，然后將簡(jiǎn)化后的所有結(jié)構(gòu)尺寸縮小為原來的一半，保存為.igs 格式并導(dǎo)入RecurDyn 軟件中，同時(shí)添加相應(yīng)的材料屬性參數(shù)，根據(jù)機(jī)具的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，為其各個(gè)部件之間添加固定副、移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副等約束條件，并在RecurDyn中建立直徑為40 mm的圓柱體代替水泥柱。為了模擬觸桿與水泥柱間的碰撞，在觸桿與水泥柱之間添加接觸力；為了使觸桿避開水泥柱后自動(dòng)復(fù)位，在觸桿與擺動(dòng)支架之間創(chuàng)建線性彈簧阻尼器，同時(shí)通過設(shè)定IF 函數(shù)模擬觸桿碰水泥柱的過程，當(dāng)觸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于STM32單片機(jī)程序中預(yù)設(shè)的觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值后，避障油缸帶動(dòng)清土部件避開水泥柱；在機(jī)架與地面間的移動(dòng)副和清土部件與擺動(dòng)支架間的旋轉(zhuǎn)副上分別添加驅(qū)動(dòng)來模擬機(jī)具的前進(jìn)速度v1和清土部件轉(zhuǎn)速n。

在RecurDyn 軟件中完成機(jī)構(gòu)建模和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)置后，將其中與土壤直接接觸作業(yè)的清土部件導(dǎo)入EDEM中[25-26]，2 個(gè)軟件中相同部件的坐標(biāo)位置一致，根據(jù)清土部件在EDEM 中的位置，建立長(zhǎng)×寬×高為3 000 mm× 2 000 mm×220 mm 的土槽作為仿真作業(yè)的環(huán)境范圍，建立土壤離散元模型時(shí)，相關(guān)模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[27]，采用2 個(gè)長(zhǎng)×寬為2 500 mm×150 mm 的四邊形作為顆粒工廠，以8 000 個(gè)/s 的速率生成初速度為2 m/s 的土壤顆粒模型，每個(gè)顆粒工廠生成40 000 個(gè)，共生成80 000 個(gè)，生成總時(shí)間為6 s，以保證顆粒的完全生成與下落沉積[28-29]，最終生成上底寬150 mm、下底寬400 mm、高125 mm、有效作業(yè)長(zhǎng)度2 500 mm 的葡萄藤防寒土土壟模型，如圖6 所示。

圖6 仿真作業(yè)模型 Fig.6 Simulation operation model

3.2 仿真作業(yè)過程分析

仿真試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置機(jī)具位于水泥柱的一側(cè)進(jìn)行作業(yè)，根據(jù)實(shí)際作業(yè)狀態(tài)，先以某一常規(guī)工況進(jìn)行仿真作業(yè)：在RecurDyn 軟件中設(shè)置機(jī)具前進(jìn)速度為0.3 m/s，避障油缸速度為80 mm/s，清土部件轉(zhuǎn)速為450 r/min，觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值為8°，同時(shí)為保證仿真的連續(xù)性，設(shè)置仿真的時(shí)間步為500，總時(shí)間為10 s，由仿真試驗(yàn)可知，在機(jī)具前進(jìn)過程中，不僅能夠使清土部件順利避開水泥柱，而且可將水泥柱側(cè)邊和水泥柱行間的土壤清除，圖7a 為機(jī)具避開水泥柱時(shí)的狀態(tài)，圖7b 為機(jī)具避開水泥柱后的正常清土作業(yè)狀態(tài)。

圖7 仿真清土作業(yè)過程 Fig.7 Simulation of soil cleaning operation process

為分析影響清土機(jī)作業(yè)效果的主要因素，進(jìn)而得到理想的作業(yè)參數(shù)組合，在仿真模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行多因素、多水平試驗(yàn)研究。為提高試驗(yàn)的可控性與準(zhǔn)確性，選取機(jī)具前進(jìn)速度、避障油缸速度、清土部件轉(zhuǎn)速和觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值為試驗(yàn)因素，由于清土機(jī)中液壓部分的液壓油來自拖拉機(jī)后側(cè)液壓輸出口，在液壓油輸出流量的限制下，避障油缸實(shí)際速度不超過100 mm/s，根據(jù)仿真預(yù)試驗(yàn)，在避障油缸速度設(shè)置為最大值的情況下，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度大于0.6 m/s 時(shí)，清土部件來不及避開水泥柱，當(dāng)避障油缸速度較小、觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值較大時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)同樣的問題，考慮到機(jī)具的作業(yè)效率和避障效果，選取機(jī)具前進(jìn)速度范圍為0.3～0.6 m/s、避障油缸速度范圍為60～100 mm/s，觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值范圍為5～10°。此外，當(dāng)清土部件轉(zhuǎn)速較小時(shí)，被清除的部分土壤會(huì)旋回土壟，達(dá)不到有效清土的目的，但當(dāng)清土部件轉(zhuǎn)速較高時(shí)，又會(huì)加大機(jī)器的振動(dòng)，故為了保證清土機(jī)的作業(yè)效果和運(yùn)行的平穩(wěn)性，確定清土部件的轉(zhuǎn)速范圍為350～550 r/min，仿真作業(yè)結(jié)束后，以土壤清除率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，土壤清除率的計(jì)算公式為

式中C 為土壤清除率，%；N 為清土前生成的土壤顆?？倲?shù)（本研究中N=80 000）；N1為清土后土壟上剩余的土壤顆粒總數(shù)。

3.3 仿真優(yōu)化試驗(yàn)

以機(jī)具前進(jìn)速度v1、避障油缸速度v2、清土部件轉(zhuǎn)速n 和觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值θ 為試驗(yàn)因素，以土壤清除率C為試驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)合仿真預(yù)試驗(yàn)確定的各試驗(yàn)因素范圍，采用4 因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合模擬試驗(yàn)，由試驗(yàn)設(shè)計(jì)原則，確定編碼系數(shù)r 為2.0[30-31]，試驗(yàn)因素編碼結(jié)果如表2 所示。

表2 清土作業(yè)仿真試驗(yàn)因素編碼表 Table 2 Code table for simulation test factors of soil cleaning operation

共進(jìn)行31 組試驗(yàn)（0 水平試驗(yàn)重復(fù)7 次），試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3 所示，采用Design-expert 8.0.6 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采用Quadratic 模型建立土壤清除率C的回歸模型，回歸模型的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

根據(jù)土壤清除率C 的分析結(jié)果可知，回歸模型的P值小于0.001，而失擬項(xiàng)的P 值大于0.05，說明回歸模型極其顯著且失擬不顯著，回歸有效。在4 個(gè)試驗(yàn)因素中，X1、X2、X3、X4項(xiàng)的系數(shù)均達(dá)到顯著性水平；交互項(xiàng)因素中只有X3X4項(xiàng)對(duì)土壤清除率影響顯著，其余因素的交互影響不顯著；二次方項(xiàng)因素中，X22對(duì)土壤清除率影響顯著，其余影響不顯著。將不顯著項(xiàng)刪除后得到土壤清除率C 的回歸方程為

表3 清土作業(yè)仿真試驗(yàn)方案與結(jié)果 Table 3 Simulation test scheme and results of soil cleaning operation

表4 回歸模型顯著性分析 Table 4 Significant analysis of regression model

為得到理想的作業(yè)參數(shù)組合，利用Design-expert 8.0.6軟件Optimization-Numerical 模塊對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，以土壤清除率最大為尋優(yōu)目標(biāo)，得到4 個(gè)試驗(yàn)因素的優(yōu)化結(jié)果為機(jī)具前進(jìn)速度0.43 m/s、避障油缸速度60 mm/s、清土部件轉(zhuǎn)速550 r/min 和觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值9.96°，此時(shí)最佳土壤清除率理論值為54.33%。為便于后期在田間試驗(yàn)中準(zhǔn)確測(cè)定并驗(yàn)證觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值大小，將其圓整為10°，根據(jù)優(yōu)化得到的作業(yè)參數(shù)組合再次進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到土壤清除率為54.65%，與理論值基本一致。

4 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

田間試驗(yàn)于2019 年10 月底在山東高密益豐機(jī)械有限公司試驗(yàn)地進(jìn)行，土壤質(zhì)地為砂壤土，含水率6%～8%，類似于葡萄園內(nèi)的葡萄藤防寒土，試驗(yàn)前，采用直徑為40 mm的鐵管代替水泥柱，按行距3 m、前后間距3 m 插在地上，共2 行，每行5 根，模擬葡萄園內(nèi)的水泥柱行，其中一行用來試驗(yàn)機(jī)具的避障清土作業(yè)過程，另一行用來模擬葡萄行，以驗(yàn)證擋土板能否將清土部件清除的土壤全部擋在行間。為了使土壟具有的一定堅(jiān)實(shí)度（葡萄園內(nèi)土壟從上部到底部堅(jiān)實(shí)度為69～135 kPa，并逐漸增大），利用葡萄藤埋土機(jī)從兩邊取土覆蓋到其中一行的圓管鐵柱附近，并用鐵鍬將土壟周圍進(jìn)行修整與壓實(shí)，最終形成類似于葡萄園內(nèi)的葡萄藤埋土土壟，土壟橫截面近似于等腰梯形，上底寬約為300 mm，下底寬約為800 mm，高約為250 mm，如圖8 所示。試驗(yàn)設(shè)備與儀器包括五征NS604C 拖拉機(jī)、自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)、電腦、數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6008（美國(guó)國(guó)家儀器有限公司，模擬輸入采樣速率為 10 kHz，采集電壓范圍為-10～10 V，精度為84.8 mV）、智能數(shù)字轉(zhuǎn)速表（分辨率0.1 r/min，非接觸式激光測(cè)量，激光射程有效距離50～500 mm）、SC-900 土壤緊實(shí)度儀（測(cè)量壓力范圍為0～7 000 kPa，測(cè)量深度為0～450 mm）、TDR 150 土壤含水率測(cè)定儀（精度±3%，分辨率0.1%）、數(shù)顯角度尺（量程0～360°，分辨率0.05 度）、卷尺（浙江奧奔工具有限公司，0～5 m，精度為1 mm）、鋼尺（量程50 cm，精度1 mm）、手機(jī)（用作計(jì)時(shí)秒表）等。

圖8 田間清土試驗(yàn) Fig.8 Field soil cleaning test

試驗(yàn)前，在拖拉機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，在電腦在程序中設(shè)定觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值為10°，并通過USB線下載到STM32單片機(jī)中，采用數(shù)顯角度尺測(cè)量觸桿的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度。利用電腦處理數(shù)據(jù)采集卡測(cè)得的同步位移傳感器的輸出信號(hào)計(jì)算避障油缸速度，采用智能數(shù)字轉(zhuǎn)速表測(cè)量清土部件的轉(zhuǎn)速，通過控制拖拉機(jī)油門的大小使避障油缸速度和清土部件轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在60 mm/s和550 r/min左右，并在作業(yè)時(shí)保持。試驗(yàn)時(shí)，利用秒表測(cè)定拖拉機(jī)勻速行駛一定距離的時(shí)間，以計(jì)算其前進(jìn)速度，使其穩(wěn)定在0.43 m/s 左右，使機(jī)具的田間作業(yè)參數(shù)與仿真優(yōu)化試驗(yàn)保持一致。田間試驗(yàn)的土壤清除率采用作業(yè)前和作業(yè)后土壟橫截面面積的變化量來衡量（作業(yè)前，土壟橫截面形狀近似為等腰梯形，計(jì)算到其面積為137 500 mm2），計(jì)算公式如下：

式中C＇為田間試驗(yàn)土壤清除率，%；S 為清土作業(yè)后的土壟橫截面面積，mm2.

試驗(yàn)采用多點(diǎn)測(cè)量法，在每一次土壟清除試驗(yàn)完成后，隨機(jī)選擇10 個(gè)測(cè)量點(diǎn)，包括圓管鐵柱之間和圓管鐵柱附近的位置，通過卷尺和鋼尺分別測(cè)量出這10 個(gè)測(cè)量點(diǎn)位置處的土壟橫截面尺寸，并計(jì)算其面積大小，共重復(fù)3 次清土試驗(yàn)，得到30 組數(shù)據(jù)，計(jì)算其平均值。試驗(yàn)得到清土機(jī)單邊清土作業(yè)時(shí)的土壤清除率C＇為59.73%，與仿真優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差為8.50%，產(chǎn)生誤差的原因除了與土壤條件差異、土壤中的雜物、地面平整度等有關(guān)，還受到拖拉機(jī)行駛穩(wěn)定性的影響。清土作業(yè)效果如圖9 所示，從圖中剩余土壟的邊緣可明顯觀察到清土部件的避障運(yùn)動(dòng)軌跡，同時(shí)可看出水泥柱側(cè)邊和水泥柱行間的土壤被有效清除，此外，清土部件清除的土壤都被擋土板擋在了行間。總體上，機(jī)具在田間以仿真優(yōu)化的工作參數(shù)組合進(jìn)行穩(wěn)定作業(yè)能夠較好地完成葡萄藤防寒土的清除。

圖9 田間試驗(yàn)清土作業(yè)效果 Fig.9 Soil cleaning operation effects of field test

5 結(jié)論與討論

1）設(shè)計(jì)了一種主要由機(jī)架、避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、避障信號(hào)采集機(jī)構(gòu)、控制器、清土部件、擋土板、傳動(dòng)部件和限深輪等組成的自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)，該機(jī)器中的清土部件采用柔性刷子和橡膠組合結(jié)構(gòu)，通過觸桿感知自動(dòng)避開水泥柱，可將水泥柱側(cè)邊和水泥柱行間的土壤全部清除干凈，確定了避障信號(hào)采集機(jī)構(gòu)、避障擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和清土部件等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)，其中避障油缸行程為200 mm、缸徑為40 mm，清土部件的回轉(zhuǎn)直徑為550 mm。

2）基于多體動(dòng)力學(xué)軟件RecurDyn 和離散元軟件EDEM 耦合仿真，以機(jī)具前進(jìn)速度、避障油缸速度、清土部件轉(zhuǎn)速和觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值為試驗(yàn)因素，以土壤清除率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了四因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合模擬試驗(yàn)，利用Design Expert 8.0.6 軟件對(duì)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸模型顯著性分析，機(jī)具前進(jìn)速度、避障油缸速度、清土部件轉(zhuǎn)速和觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值均對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，以土壤清除率最大化為優(yōu)化目標(biāo)值，采用響應(yīng)面法獲得了機(jī)具的最優(yōu)工作參數(shù)組合：機(jī)具前進(jìn)速度0.43 m/s、避障油缸速度60 mm/s、清土部件轉(zhuǎn)速550 r/min、觸桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度閾值10 °，在優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)組合下再次進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到土壤清除率理論值為54.65%。

3）加工物理樣機(jī)并進(jìn)行田間試驗(yàn)，采用優(yōu)化后的工作參數(shù)組合進(jìn)行田間作業(yè)性能測(cè)試，清土作業(yè)完成后，依據(jù)作業(yè)前后土壟橫截面面積的變化，通過多點(diǎn)測(cè)量，計(jì)算得出田間試驗(yàn)土壤清除率的平均值為59.73%，與仿真優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差為8.50%。

該文試驗(yàn)是在土壟中沒有埋入葡萄藤的情況下進(jìn)行的，主要分析了自動(dòng)避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)的避障效果和土壤清除率，而在實(shí)際葡萄園中的生產(chǎn)作業(yè)中，入冬前先將修剪后的葡萄藤下架壓在地面，然后采用葡萄藤埋土機(jī)進(jìn)行覆土，壓的葡萄藤的土壟高度和寬度各異，有的位于水泥柱行間，有的則超出水泥柱截面范圍，由于拖拉機(jī)的行走誤差，在葡萄園內(nèi)進(jìn)行清土作業(yè)時(shí)，清土部件不可避免地會(huì)與埋在土中的葡萄藤接觸，故清土部件需在保證清除土壤的同時(shí)不能損傷葡萄藤，此外，材料的耐磨性也必須可靠，下一步將深入分析清土部件材料與土壤和葡萄藤之間的相互接觸作用。