分層交錯式葡萄防寒土弧形清土葉輪的設計與試驗

馬 帥，徐麗明，牛 叢，閆成功，趙詩建，王 坤，譚好超

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化·

分層交錯式葡萄防寒土弧形清土葉輪的設計與試驗

馬 帥，徐麗明※，牛 叢，閆成功，趙詩建，王 坤，譚好超

（中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083）

針對目前中國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，設計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，采用分層交錯式結(jié)構(gòu)，以十字交叉形式排布。首先，依據(jù)中國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。通過理論分析弧形清土葉輪的運動和受力，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速度、轉(zhuǎn)速和葉輪片彎曲角為試驗因素，以葉輪扭矩和水平前進阻力為試驗指標，進行三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合模擬試驗，以扭矩和水平前進阻力最小為優(yōu)化目標，獲得最優(yōu)參數(shù)組合；進一步基于土槽試驗，驗證弧形清土葉輪仿真優(yōu)化結(jié)果的準確性，并與直板式清土葉輪作業(yè)進行對比分析。仿真優(yōu)化結(jié)果表明，當弧形清土葉輪前進速度為0.38 m/s，轉(zhuǎn)速為450 r/min，葉輪片彎曲角為18°時，其扭矩和水平前進阻力最小，分別為9.99 N·m和27.09 N；土槽試驗結(jié)果表明，弧形清土葉輪扭矩和水平前進阻力分別為11.56 N·m和31.82 N，與仿真優(yōu)化結(jié)果的相對誤差分別為13.58%和14.86%，同時，與直板式清土葉輪作業(yè)對比，弧形清土葉輪扭矩和水平前進阻力分別降低了9.40%和15.37%。研究結(jié)果可為后續(xù)葡萄藤防寒土清土機的整體設計提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

農(nóng)業(yè)機械；弧形葉輪；分層交錯式；葡萄防寒土；清土；設計；EDEM

0 引 言

目前，葡萄在中國種植區(qū)域分布廣泛[1-2]，由于北方冬季寒冷干燥，故在入冬前，需要對葡萄產(chǎn)區(qū)進行埋土防寒作業(yè)，待第二年春季天氣回暖時，再進行清土作業(yè)[3-4]，其中春季清土作業(yè)是葡萄整個生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)中勞動量最大、勞動強度最高的一個環(huán)節(jié)，隨著國內(nèi)勞動力短缺和人工成本的日益增加，實現(xiàn)北方葡萄春季清土的機械化作業(yè)對中國葡萄產(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，國內(nèi)相關(guān)領域?qū)W者和部分農(nóng)機企業(yè)對葡萄清土機械進行了研究與試制，并取得了一些研究成果，如李法鍵[6]設計了一種液壓驅(qū)動型葡萄防寒土清土機，雙邊清土作業(yè)，可進行作業(yè)行距調(diào)節(jié)，由于該機采用橡膠片作為清土部件，故僅適應于沙土和沙壤土地區(qū)的葡萄園；馬帥等[7]設計了一種自動避障式葡萄防寒土清土機，單邊清土作業(yè)，作業(yè)時清土部件可自動避開水泥柱，由于該機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]設計了一種自動擺動葡萄藤扒土機，作業(yè)時通過攪龍的轉(zhuǎn)動，將葡萄上埋土清除輸送到行間，但攪龍結(jié)構(gòu)設計復雜，制造成本高；王文斌[9]設計了一種葡萄防寒土清除開溝機，該機以螺旋旋耕的方式進行破土和側(cè)向輸送土壤，具有避障功能，但整機質(zhì)量大，采用四連桿機構(gòu)導致作業(yè)慣性大，不易操作。農(nóng)機企業(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，包括單邊清土和雙邊清土2種機型，刮板式葡萄清土機由于結(jié)構(gòu)簡單、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)屬于被動式作業(yè)，功耗較大，且清土效果有限。總體看，國內(nèi)葡萄清土機械的研究主要還處于研究試驗階段，此外，現(xiàn)有研究大都是設計整機，對其整體進行粗略研究，以實現(xiàn)機器功能和完成葡萄防寒土的有效清除為基本目標，很少考慮機器作業(yè)功耗大小，鮮有研究進行單個清土部件的優(yōu)化設計，也沒有對其作業(yè)進行減阻降耗的深入分析研究。國外葡萄產(chǎn)區(qū)由于冬季氣候溫和濕潤，不需要進行冬季埋土防寒和春季清土作業(yè)，故未見有關(guān)葡萄清土機械方面的研究[3,10]。

針對上述問題，本文參照撒肥裝置[11-13]中常用的葉輪片，優(yōu)化設計一種結(jié)構(gòu)輕便、作業(yè)功耗低的分層交錯式葡萄防寒土弧形清土葉輪部件，對其清土作業(yè)受力進行理論分析，基于離散元法（DEM）對弧形清土葉輪清除土壤過程進行仿真模擬，探究其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)對作業(yè)功耗的影響，并進行土槽驗證試驗，以期為葡萄防寒土清土機具減阻降耗的研究提供理論參考。

1 結(jié)構(gòu)設計

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為單個弧形葉輪片水平長度，mm；2為弧形葉輪片上直線段部分長度，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)設計

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300 mm，高度不超過200 mm。清土作業(yè)時，一般采用具有自動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)時碰傷葡萄藤，土壟兩側(cè)各預留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，本文設計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。弧形葉輪片由直線段和圓弧段組成，如圖 1b所示，直線段長度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，從而實現(xiàn)減少功耗的目的，設計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)化試驗確定，弧形葉輪片的長度1為250 mm，厚度為6 mm。

1.2 葉輪片數(shù)量確定

作業(yè)時，葉輪的運動軌跡是其自身旋轉(zhuǎn)與前進2種運動的合成，本文設計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)速和前進速度一定的條件下，弧形葉輪片數(shù)量越多，重復清掃的區(qū)域就會越大，功耗也就越大，但同時對應的漏掃區(qū)域也會越小，考慮機械結(jié)構(gòu)設計的對稱性和受力均衡性，葉輪每層最低配置2個弧形葉輪片。由于葉輪一般配合避障刮土板進行作業(yè)[17]，故前進速度不能超過0.5 m/s，否則刮土板無法完成順利避障；由預試驗可知，當弧形清土葉輪的轉(zhuǎn)速低于350 r/min時，土壤在其旋轉(zhuǎn)作用下會產(chǎn)生回旋現(xiàn)象，即清除的土壤又被旋回土壟上，無法完成有效清土，故弧形清土葉輪在清除土壤時的轉(zhuǎn)速不能低于350 r/min。在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，當葉輪轉(zhuǎn)速最小、前進速度最大時，理論上對應的漏掃區(qū)域最大，但通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，在葉輪每層配置2個弧形葉輪片的情況下，當其前進速度為0.5 m/s，轉(zhuǎn)速為350 r/min時，即可形成有效清土繞扣軌跡線[6]，并且此時漏掃區(qū)域可忽略不計，故當弧形清土葉輪轉(zhuǎn)速大于350 r/min，前進速度不超過0.5 m/s時，每層配置2個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)過程中，當弧形清土葉輪接觸土壤時，在葉輪隨機具前進產(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)過程中則受到水平前進方向的阻力和旋轉(zhuǎn)方向的扭矩，水平前進阻力大小主要表明葉輪對土壤的堆積程度，若前進速度過快，土壤還沒有來得及被葉輪清除拋灑，就被向前堆積，則水平前進方向阻力就會變大，由于清除的土壤不斷堆積增多，葉輪旋轉(zhuǎn)扭矩也會增大，本文以弧形清土葉輪的水平前進阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩代表其作業(yè)功耗。

由于中國北方葡萄園內(nèi)的埋土主要以沙壤土為主，春季清土時，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數(shù)顆粒組成，故參考撒肥機研究中對單個肥料顆粒的相關(guān)分析[18]，本文以一質(zhì)量為的土壤顆粒為研究對象，在其即將離開弧形葉輪片的瞬間時刻進行分析，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其支持力F葉輪片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力F、葉輪片對其摩擦力F和科式力F，該土壤顆粒對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。