氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機研制*

牛叢，曾鑒，徐麗明，馬帥，閆成功，趙詩建

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京市，100083)

0 引言

截至2018年底，中國鮮食葡萄種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1-2]，但葡萄生產(chǎn)機械化仍處于較低水平[3-4]。葡萄作為喜溫作物，在世界范圍內(nèi)主要分布于溫帶及亞熱帶[5]，意大利、西班牙等葡萄生產(chǎn)大國屬于溫帶海洋性氣候和地中海氣候，全年氣候條件適宜葡萄生長。然而中國的葡萄種植區(qū)一半以上位于北方[6]，冬季寒冷干燥且多風，需要對葡萄藤進行防寒保護[7-8]，以埋土防寒模式應用最廣泛，即對下架的葡萄藤以覆土成壟的方式使其安全越冬[9]；等到第二年春季，將葡萄藤上方覆土清除便于葡萄藤上架。因此，中國北方葡萄種植較國外增加了兩道獨特的作業(yè)環(huán)節(jié)[10-11]：冬季下架埋藤防寒和春季清土起藤。目前，葡萄冬季埋藤作業(yè)已基本實現(xiàn)機械化，而葡萄春季清土起藤作業(yè)仍然依靠人工完成，存在人工成本高、效率低、勞動強度大等問題[12]。春季清土起藤作業(yè)具有很強的時效性[13]，過早過晚都不利于葡萄生長，因此亟需實現(xiàn)葡萄春季清土起藤作業(yè)的機械化。

近年來，針對葡萄藤埋土防寒模式，許多學者相繼研究了不同類型的葡萄防寒土清除機[14-18]，馬帥等[14]研制了葉輪旋轉(zhuǎn)式單邊清土機，采用旋轉(zhuǎn)葉輪與刮板組合清除土壟側邊土；謝東[15]、劉松[17]根據(jù)葡萄埋藤特點采用螺旋攪龍與防寒布組合的形式實現(xiàn)防寒土的清除。葡萄清土機所采用的清土部件主要包括刮板、攪龍、葉輪等，大多屬于剛性部件，由于葡萄藤在土壟中分布不規(guī)律，作業(yè)人員難以根據(jù)葡萄藤在土壟中的位置實時調(diào)整清土部件的位置，導致剛性清土部件與葡萄藤產(chǎn)生誤接觸，損傷葡萄藤，影響來年葡萄生長的質(zhì)量和產(chǎn)量；而避開葡萄藤作業(yè)將導致清土效率低下，清土效果變差。

針對上述問題，本文結合前期研究擬設計一種采用旋轉(zhuǎn)刷子與高壓氣流組合清土的氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機，闡述其工作原理，確定關鍵部件的結構和參數(shù)；分析影響機器清土效果的因素，加工樣機并設計試驗，對各個影響因素進行分析優(yōu)化，以期解決現(xiàn)有葡萄春季清土作業(yè)存在的難題，為后續(xù)葡萄清土機械的優(yōu)化與發(fā)展提供新思路。

1 整機結構與工作原理

本文設計的氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機為單邊清土機，作業(yè)時僅清除土壟一側的防寒土，適用于中國北方偏沙性土質(zhì)的葡萄種植區(qū)，如新疆、寧夏、甘肅等地。由實地調(diào)研可知，冬季葡萄藤下架沿水泥柱鋪放、捆綁并覆土成壟[19]，埋土形成土壟的截面形狀呈梯形，尺寸如圖1所示。葡萄種植行距e平均為3 m，土壟截面近似等腰梯形[14]，上底寬度a平均為350 mm，下底寬度d平均為1 000 mm，土壟高度h平均為300 mm。為了便于分析，將土壟劃分為外、中、內(nèi)3部分。其中外部土壤通過剛性清土部件如刮土板清除，本文設計的機器主要清除土壟單側貼近葡萄藤的中、內(nèi)部土壤。

(a)土壟截面

1.1 整機結構

氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機的整機結構如圖2(a)所示，由機架、清土刷總成、高壓風機總成、傳動機構和限深輪等組成。機架為整機零部件的安裝載體，其前端為三點懸掛，用于與拖拉機掛接。清土刷總成安裝于機架前端右側，包括刷片、橡膠板、清土刷傳動軸等；刷片與橡膠板均為柔軟、有彈性材料，二者共同構成清土刷，分別位于清土刷傳動軸中、下部并均勻分布于清土刷傳動軸四周。高壓風機總成安裝于機架后部，包括風機、風管、出風口、出風口方位調(diào)節(jié)裝置等；風機固定在機架后部，風管連接出風口和風機，出風口方位調(diào)節(jié)裝置固定并調(diào)節(jié)出風口的角度和高度，以確定高壓氣流噴射方向。機械傳動系統(tǒng)組成如圖2(b)所示，傳動機構將拖拉機輸入的動力分兩路為清土刷總成和高壓風機總成傳遞動力，包括變速箱、鏈傳動組件、帶傳動組件I和帶傳動組件Ⅱ等；變速箱的后輸出軸通過聯(lián)軸器與中間傳動軸Ⅰ相連，經(jīng)鏈傳動組件和帶傳動組件Ⅰ與風機相連，從而將拖拉機輸出的動力傳遞至風機以驅(qū)動風機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生穩(wěn)定的高壓氣流；變速箱的上輸出軸經(jīng)帶傳動組件Ⅱ與清土刷傳動軸相連，從而將動力傳遞至清土刷以驅(qū)動清土刷轉(zhuǎn)動。2個限深輪分別安裝在機架左、右兩側，支撐整機并調(diào)整機具作業(yè)高度。

(a)三維模型

1.2 工作原理

作業(yè)前，首先通過刮板式清土機刮除土壟側邊200 mm寬度的防寒土，然后土壟單側剩余300 mm寬度的防寒土由氣吹梳刷組合式清土機清除。該機器通過三點懸掛掛接在拖拉機后方，調(diào)整機組在行間的位置和限深輪的高度，使清土刷處于合適的作業(yè)位置；調(diào)整并固定出風口方位，使高壓氣流沿較優(yōu)的清土方向噴射。拖拉機牽引機具前進，拖拉機動力輸出軸(PTO)輸出的動力經(jīng)萬向節(jié)傳遞至變速箱并分兩路輸出，一路動力從變速箱后輸出軸經(jīng)鏈傳動和帶傳動傳遞至高壓風機總成以驅(qū)動風機轉(zhuǎn)動輸出穩(wěn)定高壓氣流，另一路動力從變速箱上輸出軸經(jīng)帶傳動傳遞至清土刷總成以驅(qū)動清土刷轉(zhuǎn)動。作業(yè)時，清土刷以540 r/min 的轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)(俯視)梳刷土壤，將土壟中部100 mm寬度的土壤掃除至行間，柔軟有彈性的清土刷接觸到葡萄藤時基本不會對葡萄藤產(chǎn)生損傷；風機轉(zhuǎn)動持續(xù)輸出穩(wěn)定的高壓、高速氣流，氣流流經(jīng)風管從出風口沿固定的方向噴射，出風口風壓和風速分別為9 279 Pa、124.34 m/s，可將內(nèi)部緊貼葡萄藤的土壤吹離土壟使葡萄藤露出土表，便于后期人工起藤上架，氣吹清土過程中不接觸葡萄藤，不會對葡萄藤產(chǎn)生損傷；刷梳與氣吹兩種清土方式相結合，能夠有效降低機械化清土作業(yè)中葡萄藤的損傷率，改善清土作業(yè)質(zhì)量。

1.3 主要技術參數(shù)

結合中國北方葡萄種植農(nóng)藝要求和冬季埋土作業(yè)狀況，確定氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機的主要技術參數(shù)，如表1所示。

表1 主要技術參數(shù)

2 關鍵部件設計與選型

2.1 清土刷總成

清土刷總成由刷片、橡膠板、花鍵軸軸套、清土刷安裝座、橡膠板安裝座等組成，結構如圖3所示。清土作業(yè)時清土機僅清除土壟單側覆土，即一次作業(yè)清土寬度僅為土壟下底寬的一半。由實地調(diào)研可知，下架捆綁的葡萄藤束寬度b約為300 mm，刮土板刮除土壤寬度為200 mm，氣吹清土寬度遠小于刮土板，約為50 mm，則清土刷理論清土寬度f如式(1)所示。清土刷逆時針旋轉(zhuǎn)(俯視)掃除土壟中部土壤，可防止土壤回填，由圖1可知，土壟側邊傾斜，而清土刷總成外形呈圓柱狀，直徑為550 mm，高度為400 mm，作業(yè)時保持豎直，故其上部清除土壤少于下部；同時，土壟底部土壤緊實度大于中上部，故清土刷總成受力從上往下依次增大。由前期試驗可知，全部由刷片組成的清土刷總成作業(yè)時底部刷絲較中上部脫落、磨損、變形嚴重，影響底部清土質(zhì)量，長期作業(yè)需頻繁更換底部損壞的刷片。

(1)

為解決清土刷上下受力不均導致的材料損壞問題，將清土刷總成(圖3)設計為分層結構[20]，上層為刷片，下層為橡膠板，以適應土壟不同深度緊實度的變化。刷片由密布的刷絲組成，有效長度為150 mm，高度為300 mm；橡膠板有效長度為150 mm，高度為100 mm。下層橡膠板為柔軟、有彈性材料，但硬度較刷片高，受力變形程度小于刷片，耐磨損，故用于清除土壟底部土壤。分層結構適應土壤緊實度變化，能有效減少材料的磨損變形，改善清土效果。

圖3 清土刷總成結構

2.2 風機與出風口

高壓風機作為氣吹清土的關鍵部件，選型需要考慮作業(yè)對象的特殊性。由前文可知，氣吹清土需要盡可能達到200 mm的清土寬度要求，其中葡萄藤寬度占據(jù)絕大部分，剩余土壟寬度小于50 mm；雖然清土寬度較小，但土壤的緊實度和密度大，因此需要具有較高風壓、風速的氣流才能達到作業(yè)要求。通過對比目前市面常見的高壓風機類型，選定穩(wěn)赫8-09型高壓風機，風機性能參數(shù)如表2所示。拖拉機動力輸出軸輸出轉(zhuǎn)速為540 r/min，依次通過3倍鏈傳動增速和2倍帶傳動增速，以總計6倍增速傳動設計驅(qū)動風機達到額定工作狀態(tài)，從而保持長時間穩(wěn)定工作。為了減少高壓氣流在風管變徑處的壓降與速度損失，同時保證氣流的清土效果，選擇內(nèi)徑為120 mm的風管，與風機出風口外徑保持相同。出風口結構形狀考慮出風口方向可調(diào)節(jié)的要求，選擇圓柱形萬向球鉸結構。

表2 風機性能參數(shù)

2.3 出風口方位調(diào)節(jié)裝置

出風口方位調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)高壓氣流的噴射方向以適應不同的埋土狀況，從而保證氣吹清土達到較好作業(yè)效果，由外套管、內(nèi)套管、轉(zhuǎn)軸、限位板等組成，結構如圖4所示。出風口方位調(diào)節(jié)裝置需要實現(xiàn)出風口在三維空間內(nèi)角度和高度的調(diào)節(jié)，可分解為x、y、z三個方向的位置調(diào)節(jié)。出風口為萬向球鉸結構，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)一個初始角度并固定，便于出風口與風管連接。出風口通過內(nèi)套管前端的限位孔實現(xiàn)其在豎直方向(z)400 mm范圍內(nèi)的高度調(diào)節(jié)，可適應不同葡萄園內(nèi)土壟高度的變化。外套管通過轉(zhuǎn)軸與機架鉸接，轉(zhuǎn)動實現(xiàn)其在水平面90°范圍內(nèi)的角度(x，y)調(diào)節(jié)，并通過限位板固定該角度，從而確定出風口在水平面內(nèi)的角度。調(diào)節(jié)內(nèi)套管相對外套管的伸縮長度可達500 mm，使出風口與土壟保持合適的間距(y)。出風口方位調(diào)節(jié)裝置在x、y、z三個分方向的位置調(diào)節(jié)，共同實現(xiàn)了出風口三維空間內(nèi)的方位調(diào)節(jié)，進而滿足作業(yè)要求。

圖4 出風口方位調(diào)節(jié)裝置結構

3 田間試驗

影響氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機作業(yè)性能的參數(shù)包括清土刷轉(zhuǎn)速、高壓氣流流速與噴射方向、出風口形狀尺寸、機具前進速度等，為了使機器實現(xiàn)較好地清土效果，需要對上述參數(shù)進行優(yōu)化。葡萄春季清土作業(yè)速度通常在3 km/h以下，為保證清土作業(yè)質(zhì)量并防止過高作業(yè)速度導致葡萄藤損傷率增大，將機具前進速度保持在高速狀態(tài)(3 km/h)，優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)同樣適用于中、低速狀態(tài)；參考本團隊前期研究，清土刷轉(zhuǎn)速設計為540 r/min[20]，高速作業(yè)時仍能保持較好地清土效果；在傳動比固定的機械傳動系統(tǒng)中，穩(wěn)定工作時高壓風機的輸入轉(zhuǎn)速是固定的，輸出氣流的流速、風壓等也是固定的，不能針對不同作業(yè)狀況實時調(diào)節(jié)。結合前期研究，本文僅針對高壓氣流的噴射方向即出風口方位進行優(yōu)化以改善氣吹清土作業(yè)效果，從而保證機器的最終清土效果滿足作業(yè)要求。

3.1 試驗準備

本文根據(jù)有關國家標準和農(nóng)業(yè)機械試驗方法于寧夏農(nóng)林科學院葡萄園開展田間試驗，試驗地土質(zhì)與實際埋土作業(yè)土質(zhì)相同。由于試驗時沒有下架埋藤的土壟，故在試驗地模擬葡萄冬季埋土作業(yè)。選擇某一方向作為行向，沿行向間隔2.5 m豎直擺放鋼管作為水泥柱，以水泥柱為中心沿行向構建上底350 mm、下底1 000 mm、高300 mm、長10 m的土壟，并選擇若干直徑為30～60 mm的葡萄藤置于離地200 mm的土壟中央，構建好的土壟的平均含水率為8%，土壤緊實度在69～135 kPa范圍內(nèi)變化。試驗儀器及設備包括雷沃歐豹FT70型輪式拖拉機、風壓風速測試儀、電子量角器、秒表、卷尺等。

3.2 出風口方位優(yōu)化試驗

試驗開始前，啟動拖拉機動力輸出軸以驅(qū)動清土刷和風機轉(zhuǎn)動，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后測得出風口風壓和風速分別為9 279 Pa、124.34 m/s。采用刮板式清土機將土壟外部200 mm寬度的土壤刮除，然后切斷風機動力輸入，采用獨立的清土刷掃除土壟中部100 mm寬度的土壤，剩余土壟作為氣吹清土試驗環(huán)境。

3.2.1 試驗因素

出風口方位在三維空間內(nèi)由高度和角度決定，如圖5所示，出風口中軸線AC沿z軸的投影與x軸的夾角α、出風口中軸線AC沿x軸的投影與z軸的夾角β決定出風口三維空間角度，出風口前端A在土壟側邊的對應點H決定出風口高度。為減小氣流在管道彎曲部分的壓降和速度損失[21]，管道彎曲不應超過30°[22]，即僅在±30°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此控制α在x-y平面內(nèi)變化范圍不超過60°；β受萬向球鉸結構限制，其在y-z平面內(nèi)變化范圍不超過30°。葡萄清土作業(yè)要求使盡可能多的葡萄藤露出土壤表面，當高壓氣流作用于土壟上部和中部時，土壤被清理至行間或受擾動滑落至土壟底部，不影響葡萄藤露出土表；高壓氣流作用于土壟底部，上方防寒土容易滑落重新掩埋葡萄藤；同時考慮各地葡萄園種植模式存在差異，土壟高度不一，難以采用統(tǒng)一的量化參數(shù)，故H取土壟中、上部，即A、B點對應的位置。為尋求較優(yōu)出風口方位，對以上3個參數(shù)(α、β、H)采用擬水平法[23-24]試驗尋優(yōu)，選用正交表L9(34)進行試驗設計與分析[25]，按照各參數(shù)的取值范圍安排因素水平，如表3所示。

圖5 出風口方位示意圖

表3 試驗因素與水平

3.2.2 評價指標

目前清土作業(yè)質(zhì)量尚無明確的量化評價指標[14, 26-27]，評價方法多因機器不同而異，本文結合氣吹梳刷組合式清土的特點，考慮后期便于人工發(fā)現(xiàn)葡萄藤的位置并將其從土壟中取出上架，以葡萄藤露出土壤表面作為清土合格的評價標準。測量每行土壟總長度和清土作業(yè)后滿足清土合格標準的土壟長度，計算清土合格長度與土壟總長度的比值，將其定義為清土合格率，清土合格率越高，則清土作業(yè)質(zhì)量越好，機器作業(yè)性能越好。

3.2.3 試驗方案與結果分析

每組試驗重復3次，結果取平均值，試驗方案與結果如表4所示。在擬水平法試驗中，因素H與因素α和β的水平數(shù)不同，采用極差分析法來比較因素的主次是不恰當?shù)?，但采用方差分析法仍能得到可靠的結果。為了獲得較優(yōu)出風口方位，對試驗結果進行了方差分析[28]，結果如表5所示。

表4 試驗方案與結果

表5 方差分析結果

從表5可以看出，3個因素對清土合格率的影響由大到小依次為α、β、H。α對清土合格率的影響最大，清土合格率隨α增大而減小；隨α增大，高壓氣流對土壤的正向作用力逐漸增大，而切向作用力逐漸減?。磺逋了⑹崴⑼寥罆r會對未清除的內(nèi)部土壤有壓實作用，導致內(nèi)部土壤緊實度增大；高壓氣流對土壤的切向作用趨近于逐層清除防寒土，作業(yè)阻力相對較小，正向作用更趨近于防寒土壟的整體清除，作業(yè)阻力相對較大，故α較小時清土合格率較高，清土效果好。β對清土合格率的影響僅次于α，清土合格率隨β增大而減??；β對氣吹清土效果的影響規(guī)律與α相同，隨β增大，高壓氣流對土壤的正向作用力增強，而切向作用力減弱。α較β對清土作業(yè)的影響更大，這是由于α決定了高壓氣流切向作用沿機具前進方向，高壓氣流與土壤首次發(fā)生作用后強度雖然減弱，但會持續(xù)作用于前部土壤，使前部土壤松動并清除部分土壤，從而有助于提高高壓氣流沿該方向的清土效果；β決定了高壓氣流切向作用沿豎直向下的方向，而土壟高度較小，高壓氣流與土壤首次發(fā)生作用后沿地面擴散，并未對后續(xù)清土作業(yè)產(chǎn)生助力，故α較β對清土作業(yè)的影響更大。H對清土合格率的影響最小，清土合格率隨H增大而減小，這是由于無論刮土板還是清土刷均沿土壟側邊由外到內(nèi)的方向清土，葡萄藤上方土壤厚度是基本不變的，僅少量土壤因受到擾動而滑落土壟，H增大即高壓氣流作用高度增大(頂點)，清土阻力相對高壓氣流作用于較低位置(中點)時的清土阻力大，清土效果較土壟中部位置差。由于清土合格率越高氣吹清土效果越好，故出風口方位的較優(yōu)參數(shù)組合為α1β1H1,即α為30°，β為60°，H為中點，此時清土合格率為89.3%，葡萄藤無損傷，氣吹清土效果較好。

3.3 整機作業(yè)性能測試試驗

試驗開始前，首先采用刮板式清土機將土壟外部土壤刮除，然后將氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機掛接在拖拉機后端，將機組置于合適的作業(yè)位置，調(diào)整出風口方位，使出風口中軸線沿z軸的投影與x軸的夾角α為30°，出風口中軸線沿x軸的投影與z軸的夾角β為60°，出風口前端在土壟側邊的對應點H為中點。試驗時，拖拉機以3 km/h的速度牽引機具前進，沿構建的土壟開始清土作業(yè)，旋轉(zhuǎn)的清土刷梳刷掃除土壟中部土壤，高壓氣流將緊貼葡萄藤的土壤吹離土壟，使葡萄藤從土壟中暴露出來。在相同試驗條件下重復3次構建土壟，并進行3次清土作業(yè)，試驗完成后觀察機器清土效果并測量、記錄數(shù)據(jù)，作業(yè)過程及效果如圖6所示。

(a)物理樣機

3次試驗的清土合格率分別為89.7%、92.4%和91.8%，平均清土合格率為91.3%，試驗過程中葡萄藤基本無損傷，表明氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機作業(yè)性能較好。綜合考慮作業(yè)環(huán)境的復雜性，機具前進速度以1.5 km/h為準，人工作業(yè)速度以30 m/h為準[14, 16, 18, 27, 29]，則機器作業(yè)效率為人工作業(yè)效率的50倍，作業(yè)效率高。綜上，氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機清土效果好，作業(yè)過程中基本不損傷葡萄藤，作業(yè)效率高，滿足葡萄清土作業(yè)要求。

4 結論

1)設計了一種由機架、清土刷總成、高壓風機總成、傳動機構等組成的氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機，可清除貼近葡萄藤的土壟中、內(nèi)部土壤，使葡萄藤露出土表，基本不損傷葡萄藤。

2)分析確定了清土刷總成為分層結構，適應不同清土高度下土壤緊實度的變化；選擇穩(wěn)赫8-09型高壓風機，在額定工作條件下可持續(xù)輸出滿足作業(yè)要求的高壓氣流；確定風管內(nèi)徑與風機出風口保持相同，出風口結構形式選用圓柱形萬向球鉸結構，出風口輸出穩(wěn)定氣流風壓與流速為9 279 Pa、124.34 m/s；設計了出風口方位調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)了出風口在三維空間內(nèi)的角度和高度調(diào)節(jié)。

3)分析確定了影響高壓氣流噴射方向即出風口方位的3個參數(shù)，其中出風口中軸線沿z軸的投影與x軸的夾角α以及出風口中軸線沿x軸的投影與z軸的夾角β決定出風口在三維空間的角度，出風口前端在土壟側邊的對應點H決定出風口高度。

4)加工樣機，以清土合格率為評價指標，采用擬水平法設計試驗以對出風口方位進行優(yōu)化。對試驗結果進行方差分析可知決定出風口方位的3個參數(shù)對清土合格率的影響由大到小依次為α、β、H，較優(yōu)參數(shù)組合為：α為30°，β為60°，H為中點，此時清土合格率為89.3%，作業(yè)過程不損傷葡萄藤，說明氣吹清土效果較好。根據(jù)優(yōu)化結果調(diào)整出風口方位，進行整機作業(yè)性能測試試驗，得到平均清土合格率為91.3%，作業(yè)過程中基本不損傷葡萄藤，作業(yè)效率為人工作業(yè)效率的50倍，清土效果較好，滿足作業(yè)要求。