葡萄分層旋拋式清土起藤機高效旋拋刀設(shè)計與試驗

楊啟志，楊鑫宇，赫明勝，張若瑜，文天擬，施愛平

葡萄分層旋拋式清土起藤機高效旋拋刀設(shè)計與試驗

楊啟志，楊鑫宇，赫明勝，張若瑜，文天擬，施愛平

（江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

針對中國西北地區(qū)釀酒葡萄清土作業(yè)缺乏與土壤顆粒群相互作用的研究，憑經(jīng)驗設(shè)計使得單層旋拋清土方法效率低以及清土部件功耗高的問題，設(shè)計了一種分層旋拋式清土起藤機并對旋拋刀與土壤相互作用進行研究。首先，根據(jù)中國西北地區(qū)釀酒葡萄種植及清土的農(nóng)藝要求，完成分層旋拋刀的設(shè)計，然后對旋拋式清土起藤機的運動進行理論分析，確定影響旋拋刀功耗和拋送距離的主要因素，并通過EDEM—Recurdyn耦合仿真，以旋拋刀不同焊接角度、轉(zhuǎn)速及整機的前進速度為試驗因素，以清土率、旋拋刀扭矩為評價指標，分析土壤離散顆粒群與旋拋刀之間的相互作用，得到最優(yōu)參數(shù)組合，進一步基于臺架試驗對仿真試驗進行驗證。結(jié)果表明，當旋拋刀焊接角度為30°，轉(zhuǎn)速為270 r/min，前進速度為0.4 m/s時，清土率為49.1%，旋拋刀平均扭矩為13.09 N·m，土壤拋送距離集中在1.52～1.75 m之間，與仿真優(yōu)化結(jié)果（清土率為55.9%）相對誤差為13.8%，研究結(jié)果可為后續(xù)研制分層旋拋式清土起藤機提供理論依據(jù)及技術(shù)參考。

農(nóng)業(yè)機械；試驗；仿真；分層旋拋式清土起藤機；旋拋刀；EDEM—Recurdyn

0 引 言

中國寧夏地區(qū)的賀蘭山東麓是葡萄生長的天然沃土，然而由于該地區(qū)特殊的地理環(huán)境，冬季氣候寒冷干燥，且時常伴有較大的風(fēng)沙，極易導(dǎo)致葡萄藤蔓風(fēng)干和凍傷，目前普遍采取冬季覆土埋藤以及春季清土起藤來應(yīng)對氣候變化[1-2]，這直接增加了中國西北釀酒葡萄產(chǎn)區(qū)葡萄種植的復(fù)雜程度，尤其是在春季清土起藤環(huán)節(jié)，使得釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)的種植成本直線上升，長久居高不下。目前國內(nèi)已基本實現(xiàn)冬季覆土環(huán)節(jié)完全機械化，春季清土作業(yè)仍以人工和半機械化作業(yè)為主[3]，因此發(fā)展高效清土起藤的方法與技術(shù)是解決當前葡萄酒產(chǎn)業(yè)停滯不前的關(guān)鍵。

國外優(yōu)質(zhì)葡萄種植園主要集中在溫帶、亞熱帶等地區(qū)，不需要進行冬季埋土作業(yè)及春季清土作業(yè)，故未見有相關(guān)清土機的研究。近些年國內(nèi)學(xué)者及農(nóng)機企業(yè)對于釀酒葡萄清土機進行了研發(fā)，并取得了一些研究成果，如寧夏智源與寧夏大學(xué)合作研制了葡萄藤起藤自動除土機，通過前端葉片進行旋轉(zhuǎn)清土，同時借助后方刮板輔助清土[4]，但是存在整機功耗大，清土效果一般，實際操作難度大等問題；李法健[5]設(shè)計了一種葉片旋轉(zhuǎn)式清土機，通過拖拉機提供動力，清掃葉片旋轉(zhuǎn)清土，對于結(jié)實性土壤清除效果較差；馬帥等[6]設(shè)計了一種組合式葡萄藤單邊清除機，通過刮板與葉輪配合清土，但是清土效率低，核心區(qū)域剩余覆土過多；王文斌[7]設(shè)計了一種螺旋式葡萄防寒土清除機，作業(yè)時機器將土壤旋耕打碎并輸送到行間，通過液壓裝置進行避障，但是由于整機的外形尺寸過大，不易操作，易損傷葡萄藤；周偉彬[8]設(shè)計了一種組合式葡萄起藤機，通過拖拉機牽引，推土板配合清掃盤清除覆土，清土裝置在液壓控制下完成避障，但是由于整機外形尺寸過大，需要跨壟作業(yè)，實際應(yīng)用中刮土板與清掃盤作業(yè)速度不匹配等問題，作業(yè)難度較大，因此，為了加快清土起藤的發(fā)展，減少整機的作業(yè)功耗，提高清土率，有必要對旋拋刀與防寒土顆粒的相互作用進行分析，形成分層旋拋式清土起藤機的設(shè)計理論，為系列化研制分層旋拋式清土起藤機打下基礎(chǔ)。

眾所周知，西北地區(qū)土壤干燥且沙性較大，是典型的農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的離散顆粒群，其與機械部件的動態(tài)相互作用問題一直是當前研究的難點。近些年隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)很多學(xué)者對EDEM—Recurdyn耦合做了大量研究，可以更好地分析顆粒與機械部件間的接觸作用及顆粒的運動，已廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機械、工業(yè)機械等研發(fā)過程[9-12]，有效地縮短了研發(fā)周期。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院紀龍龍[13]采用EDEM-Recurdyn耦合的方法模擬馬鈴薯干式刷拖清土裝置的清土過程。馬帥等[14]基于EDEM-Recurdyn耦合仿真的方法，模擬了整機的避障和清土作業(yè)過程，并設(shè)計了一種可以自動躲避障礙并完成清土任務(wù)的物理樣機。

因此本文根據(jù)中國西北地區(qū)釀酒葡萄的種植模式，基于EDEM-Recurdyn耦合仿真土壤顆粒與旋拋刀相互作用的研究，擬解決傳統(tǒng)旋拋式清土起藤機功耗過大，清土效率低等問題，為分層旋拋式清土起藤機的設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 分層旋拋式清土起藤機整機結(jié)構(gòu)及原理

1.1 農(nóng)藝要求

通過實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，寧夏大部分地區(qū)冬季埋藤的作業(yè)模式為將葡萄藤沿著土壟擺成一條直線，然后通過土壟兩側(cè)土壤對其進行掩埋，土壟橫截面呈梯形，本文主要研究碎砂石類型土壤，以寧夏賀蘭山東麓的青銅峽鴿子山產(chǎn)區(qū)土壟為例，其上端寬度為600～700 mm，下底寬度為1 200～1 300 mm，高度為500～600 mm，水泥柱橫截面為邊長100 mm的正方形，葡萄藤上部埋土高度為250～350 mm，葡萄藤距水泥邊緣偏差為50～100 mm，其底層距地面為50～100 mm，如圖1所示。

注：m為土壟上端寬度，mm；n為土壟下底寬度，mm；h為土壟高度，mm；a為水泥柱橫截面邊長，mm；l為上部埋土高度，mm；e為葡萄藤距水泥邊緣偏差，mm；b為底層到地面距離，mm。

1.2 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

分層旋拋式清土起藤機主要用來清除大量的側(cè)邊土壤，其通過液壓控制，有上、下兩層旋拋刀組成，其中上層旋拋刀可以清除大部分外側(cè)覆土，底層旋拋刀主要對葡萄藤底層的土壤起到松動作用，本文重點將對分層式旋拋清土起藤機旋拋刀進行設(shè)計。整機結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.三點懸掛架 2.變速箱 3.機架 4.小型液壓站 5.柴油機 6.皮帶輪 7.軸承座 8.風(fēng)機 9.風(fēng)管 10.分層旋拋裝置 11.旋拋部件橫向伸縮裝置 12.旋拋部件縱向伸縮裝置

2 旋拋刀結(jié)構(gòu)設(shè)計及清土機理

2.1 旋拋刀結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)春季起藤的農(nóng)藝要求，旋拋裝置不僅可以清除葡萄藤外側(cè)的防寒土，而且對底部土壤起到松動作用。主要包括液壓馬達、上法蘭盤、軸座板、凸緣聯(lián)軸器、軸、圓錐滾子軸承、下法蘭盤、上層旋刀以及下層旋刀等零件，液壓馬達傳遞動力，軸與聯(lián)軸器和下法蘭盤通過平鍵連接，軸帶動下法蘭盤轉(zhuǎn)動，進而帶動整個旋拋部分轉(zhuǎn)動，軸的底部通過開槽鎖緊螺母連接，至此完成了整個裝置的動力傳輸過程。因葡萄園內(nèi)環(huán)境較為惡劣，故在軸底部安裝尾端蓋，在一定程度上起防塵作用，如圖3所示。

1.液壓馬達 2.聯(lián)軸器 3.上法蘭盤 4.軸座板 5.軸 6.旋轉(zhuǎn)輥筒 7.平鍵Ⅰ 8.軸承Ⅰ 9.軸承Ⅱ 10.末端蓋 11.下法蘭盤 12.平鍵Ⅱ 13.尾端蓋 14.鎖緊螺母 15.馬達法蘭 16.法蘭 17.下層旋拋刀 18.上層旋拋刀

2.1.1 上層旋拋刀設(shè)計

上層旋拋刀主要用來清除葡萄藤的上側(cè)覆土，以供冬季埋藤時再次使用，其作業(yè)效果和功耗與其自身的形狀以及結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，目前常見的旋拋刀類型有直線、拋物線、圓弧線、螺旋線等形式。拋物線、螺旋線是通過建立無數(shù)個孤立點并連接，自身規(guī)律很難直接體現(xiàn)出來，曲面的滑切性也無法完整的表達，且加工極為困難，因此選擇旋拋刀為偏心圓弧型曲線，其參數(shù)如圖4所示。根據(jù)寧夏地區(qū)葡萄藤埋土尺寸設(shè)計旋拋刀高度為300 mm，旋拋刀長度為450 mm，旋拋刀厚度為8 mm，旋拋刀刀柄處距離為50 mm，其為刀柄與刀口連線處夾角，通常取10°～20°，本文取15°，為圓弧型曲線彎曲角，根據(jù)文獻[15]取140°，為旋拋刀刀口切削角，一般取25°～35°，本文取25°。

2.1.2 下層旋拋刀的設(shè)計

下層旋拋刀作為松土部件，主要用來清除葡萄藤下方的覆土，并對底部含水率較高的緊實土壤起到松動作用，為后續(xù)氣吹式清土創(chuàng)造有利的條件，因此下層旋拋刀參考旋耕刀設(shè)計，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖5所示。其中為下層旋拋刀的長度，因其清除葡萄藤底部土壤，故設(shè)計長度為500 mm，為提高刀片的切土性能，減小工作阻力，根據(jù)經(jīng)驗，折彎角根據(jù)經(jīng)驗一般取100°～130°，本文取130°，旋拋刀前端為40 mm，旋拋刀刀柄為60 mm，為避免損傷葡萄藤，上層旋拋刀與下層旋拋刀間留有200 mm的間距，刀片的厚度為10 mm。

注：L1為旋拋刀長度，mm；D為旋拋刀厚度，mm；B為旋拋刀刀柄處距離，mm；θ1為刀柄與刀口連線處夾角，(°)；β為圓弧形曲線彎曲角，(°)；α為旋拋刀刀口切削角，(°)。

注：l’為旋拋刀長度，mm；γ為旋拋刀折彎角，(°)；a’為旋拋刀前端長度，mm；b’為旋拋刀刀柄，mm。

2.2 旋拋刀清土機理分析

2.2.1 旋拋刀的受力分析

旋拋機構(gòu)在拖拉機牽引下對防寒土進行旋拋，主要受到的作用力為土壤對于旋拋刀的擠壓力，切削阻力以及摩擦力等，對土壤顆粒進行受力分析，得到如圖6所示旋拋刀在工作時的受力示意圖，因?qū)幭镍澴由降貐^(qū)土壤以沙壤土為主，在實際作業(yè)過程中，切削刃處阻力較小，所以在后續(xù)分析過程中忽略其阻力帶來的影響。

由旋拋刀工作受力分析圖6可知：

F=Fcos+Fsin（1）

F=Fsin+Fcos（2）

其中F在土壤切向方向的阻力主要由兩部分組成，一部分是土壤與旋拋刀接觸的摩擦力F，另一部分為土壤粘結(jié)在旋拋刀上方的粘結(jié)力F，即：

F=F+F（3）

鴿子山地區(qū)葡萄園內(nèi)土壤本征參數(shù)的測量，土壤的含水率極低，因此忽略土壤在旋拋刀上的粘結(jié)力，旋拋刀在前進方向及水平方向上的阻力分別為

注：Fx為旋拋刀在前進方向上的作用力，N；Fy為土壤對旋拋刀的水平作用力，N；FN為土壤法向壓力，N；Ft為土壤沿旋拋刀的切向阻力，N；β為旋拋刀的彎曲角，(°)；θ為旋拋刀與輥筒間焊接的角度，(°)。

F=Fcos+Fsin（4）

F=Fcos+Fsin（5）

旋拋刀在工作時前進方向上所受到的阻力F為來自前進方向土壤的作用力。

2.2.2 旋拋刀的扭矩分析

同一地區(qū)土壟的橫截面是一定的，所以刀片的半徑是確定的，刀片的彎曲角度可根據(jù)文獻直接選取，土壤對旋拋刀的扭矩大小為

=F·=(F·coscos+Fsincos)（6）

其中

整理得：

式中為刀片所受扭矩，N·m；F為科氏力，N；為土壤質(zhì)心到輥筒的中心距離，m；為土壤的質(zhì)量，kg；為角速度，rad/s；d/d為土壤顆粒運動的相對速度，mm/s；為旋拋刀的轉(zhuǎn)速，r/min；為摩擦系數(shù)。

由式（7）可得，旋拋裝置的轉(zhuǎn)矩[16-17]與其自身的轉(zhuǎn)速、刀片半徑、清除土壤的質(zhì)量、旋拋刀的焊接角度、旋拋刀彎曲角以及土壤與旋拋刀間的摩擦系數(shù)有關(guān)。

2.2.3 土壤顆粒在空氣中的運動分析

在旋拋刀作用下，大量的土壤會在離開刀片邊緣后拋向機器前進方向的斜前方[18]，以土壤顆粒為坐標原點，機器的前進方向為軸，土壤被拋出的方向為軸，重力的方向為軸。土壤脫離旋拋刀時間后，以速度向斜前方拋出，土壤運動的軌跡方程為

式中v為土壤運動速度，mm/s；v為機器前進速度，mm/s；為作業(yè)時間，s；為土壤拋送距離，mm;為旋拋刀回轉(zhuǎn)半徑，mm。

由式（9）可知，土壤的拋送距離與機器前進速度、旋拋刀的旋轉(zhuǎn)速度、回轉(zhuǎn)半徑以及刀具焊接角度有關(guān)，根據(jù)農(nóng)藝要求，刀片的半徑是一定的，故其與前進速度、刀具回轉(zhuǎn)速度以及焊接角度有關(guān)，在后續(xù)仿真及試驗中將對這3個因素進一步分析。

3 旋拋清土機理仿真分析

3.1 土壟離散元模型

本研究仿真的土壤主要為寧夏地區(qū)葡萄園種植基地碎沙石型土壤，該土壤沙性較大，黏性較小，不同土層的土壤本征參數(shù)都不同。通過對于土壤粒徑的測量可知，實際葡萄園內(nèi)土壤的粒徑相對較小，如果按照實際測量的土壤粒徑在EDEM軟件中進行建模，則會導(dǎo)致土壟的顆粒數(shù)量太多，增加計算量[19-21]。經(jīng)過春季返潮，底層土壤的含水率相對于上層土壤更高，土壤間會有粘結(jié)現(xiàn)象，所以底層土壤采用塊狀三球體形狀，中間層土壤采用雙球體形狀，頂層土壤則是由砂粒土和部分碎砂石組成，通過測量碎砂石和砂土的比例，采用單球體和三球體混合建模，其中單球體數(shù)量占頂層土壤70%，三球體數(shù)量占30%，土壤粒徑為5 mm。采用環(huán)刀法及土壤直剪試驗，利用泊松比公式及剪切模量公式，獲得不同層土壤的本征參數(shù)，并導(dǎo)入EDEM軟件材料數(shù)據(jù)庫模塊，以此獲得土壤顆粒間接觸參數(shù)的取值范圍，最終確定的不同層土壤仿真參數(shù)如表1所示。

表1 不同土壤層離散元仿真參數(shù)

經(jīng)過實地調(diào)研，葡萄藤外側(cè)防寒土橫截面呈梯形，在Solidworks中創(chuàng)建一個梯形土壟，其橫截面為1 000 mm×600 mm×300 mm×300 mm（長×下底×上底×高），先在EDEM中創(chuàng)建一個基本尺寸為5 000 mm× 5 000 mm（長×寬）的平面作為仿真平面，將創(chuàng)建的土壟模型導(dǎo)入到EDEM中，在縱向?qū)ζ溥M行分層處理，逐次建立3層不同土壤層，土壤粒徑為5 mm，顆粒倍徑為0.8～1.2隨機生成，最終生成200 000個土壤顆粒，生成的仿真示意圖如圖7所示。設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后，在Recurdyn軟件[22-23]中運行耦合仿真，仿真過程如圖8所示。在EDEM后處理設(shè)置質(zhì)量檢測區(qū)域，旋拋刀具前方的土壤均屬于未成功清除的土壤，對其進行稱量，土壤的質(zhì)量90.791 kg。

圖7 土壟仿真模型

圖8 仿真過程

3.2 單因素分析

3.2.1 試驗設(shè)計

根據(jù)上文旋拋刀清土機理的理論分析，分層旋拋式清土起藤機對清土率產(chǎn)生主要影響有旋拋刀焊接角度、機器前進速度以及刀具轉(zhuǎn)速。因此選取這3個主要因素研究對清土量，拋送距離及刀具轉(zhuǎn)矩的影響。

刀具焊接角度是影響旋拋刀清土的重要因素。據(jù)調(diào)研及實地試驗，旋拋刀焊接角過大對覆土的清除質(zhì)量較差，選取旋拋刀焊接角分別為0°、30°、45°及60°進行試驗。根據(jù)項目清土要求，機器前進速度低于0.4 m/s無法完成清土任務(wù)，因此前進速度設(shè)置為0.4、0.7 、1.0、1.3 m/s。根據(jù)參考文獻[24]，設(shè)定刀具轉(zhuǎn)速為50 、100、200、300、400、500 r/min。單因素試驗時，設(shè)定前進速度為0.7 m/s，刀具轉(zhuǎn)速為240 r/min，刀具焊接角為30°時對于清土量，拋送距離以及所需扭矩的影響。

清土量為土壤總質(zhì)量減去未清除的土壤質(zhì)量。清土率為清土量除以土壤總質(zhì)量。

3.2.2 試驗結(jié)果

仿真結(jié)果如表2所示。由表中焊接角度數(shù)據(jù)可知，旋拋刀焊接角為30°清土量最多，其次是45°和60°，0°清土量最少，刀具扭矩隨著焊接角度的增加先減小后增加，拋送距離隨著焊接角度的增加逐漸變大，其中鴿子山地區(qū)葡萄園行間距為3～3.5 m，所以全部焊接類型刀具拋送距離均在可接受范圍內(nèi)。

表2 單因素試驗結(jié)果

由表2中可以看到清土量不斷減少，土壤拋送距離、刀具扭矩隨著前進速度的增加不斷增加。故選取機器前進速度為0.4～0.7 m/s進行正交試驗。

隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加，清土量越多，土壤拋送的距離越遠，刀具扭矩隨著刀具轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大，當轉(zhuǎn)速為50～100 r/min時，由于土壤的拋送距離較小，拋出的土壤又被二次清除，導(dǎo)致刀具扭矩較大，考慮刀具功耗及清土率，選擇刀具轉(zhuǎn)速為200～300 r/min進行正交試驗。

3.3 分層旋拋式清土起藤機正交試驗設(shè)計

3.3.1 正交仿真試驗方案設(shè)計

為找到旋拋刀最佳工作參數(shù)組合，以旋拋刀焊接角度（）、轉(zhuǎn)速（）及前進速度（）為影響因素，以扭矩、清土率為評價指標，進行正交試驗設(shè)計，根據(jù)前文的單因素仿真及理論分析，旋拋刀焊接角度在0°～60°取值，轉(zhuǎn)速在200～300 r/min取值，前進速度在0.4～0.7 m/s取值。將上述三因素分別取4個水平，試驗因素水平如表3所示。試驗采用三因素四水平，并添加一列空白列作為誤差列，選用L16（44）正交表。在EDEM后處理模塊設(shè)置質(zhì)量檢測區(qū)域，測量在旋拋刀具作業(yè)后未清除土壤質(zhì)量。

3.3.2 正交試驗結(jié)果分析

通過EDEM導(dǎo)出旋拋刀所受的扭矩，由表4對于清土量的極差分析可知，影響旋拋刀清土效果的主次因素依次為旋拋刀的焊接角、前進速度、轉(zhuǎn)速，其最優(yōu)搭配為當旋拋刀焊接角為30°，刀具轉(zhuǎn)速為300 r/min，前進速度為0.4 m/s。對刀具扭矩的極差分析可知，影響旋拋刀扭矩的主次因素依次為旋拋刀的焊接角，前進速度，刀具的轉(zhuǎn)速，其最優(yōu)搭配為當旋拋刀焊接角為30°，刀具轉(zhuǎn)速為270 r/min，前進速度為0.4 m/s。因配合風(fēng)力吹送式清土復(fù)式作業(yè)，故速度需保持一致，考慮整機的工作效率，最終選取旋拋刀焊接角為30°，刀具轉(zhuǎn)速為270 r/min，前進速度為0.4 m/s。

表3 因素水平表

表4 正交試驗結(jié)果極差分析

注：K(=1, 2, 3, 4)表示水平所對應(yīng)試驗指標的數(shù)值之和。

Note:K(=1, 2, 3, 4) represents the sum of the values of the test indicators corresponding to thelevel.

通過SPSS軟件對兩種評價指標進行方差分析，如表 5所示，以清土率為評價指標，刀具焊接角度影響極顯著，前進速度影響顯著，決定系數(shù)2=0.952，調(diào)整決定系數(shù)2adj=0.879；以扭矩為評價指標，焊接角度影響極顯著，前進速度影響顯著，決定系數(shù)2=0.949，調(diào)整決定系數(shù)2adj=0.873，表明模型可信，與極差分析結(jié)果一致。

選取旋拋刀焊接角度為30°，刀具轉(zhuǎn)速為270 r/min，前進速度為0.4 m/s再次進行仿真試驗，如圖9所示，其中未清除土壤質(zhì)量為40.028 kg，清土率為55.91%，其需要的平均扭矩為8.92 N·m，土壤拋送距離集中在1.44～1.67 m內(nèi)。

表5 清土率與扭矩方差分析

注：**表示極顯著（<0.01）；*表示顯著（0.01<<0.05）。

Note: ** means highly significant (<0.01); * means significant (0.01<<0.05).

圖9 最優(yōu)組合試驗結(jié)果

4 分層旋拋式清土起藤機旋拋臺架試驗

4.1 試驗材料

試驗地點選在江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院土槽試驗室內(nèi)，在室內(nèi)搭建長為3 m，上底為600 mm，下底為600 mm，高為100 mm的地基，確保底部旋拋刀在工作過程中不會與水泥地面接觸，并驗證其對于葡萄藤底層土壤是否起到松動作用，然后在地基上繼續(xù)搭建長為3 m，上底為300 mm，下底為600 mm，高為300 mm的梯形土壟，土壤采用寧夏鴿子山葡萄園土壤。每次試驗前通過旋耕、壓實、澆水以及松土等方式對土壟進行預(yù)處理，試驗前測量每層的含水率，使得每層的土壟與寧夏鴿子山地區(qū)葡萄園內(nèi)的本征參數(shù)基本保持一致，通過設(shè)置尺寸線確保每次試驗土壟尺寸一致，最后對土壤稱量，為313 kg，確保每次試驗時土壤的質(zhì)量基本一致。土壤中埋入假藤，確保每次試土壟土壤參數(shù)與葡萄園內(nèi)土壤一致，故采用臺架試驗是可行的。臺架車通過電動車牽引，借助電動車的調(diào)速把手改變前進速度，根據(jù)伺服電機驅(qū)動器的速度控制模式進行轉(zhuǎn)速的設(shè)置，通過相機的慢速功能，觀察旋拋刀與土壤的相互作用，圖10所示為臺架試驗的布置情況，研究不同因素對于清土效果的影響。

1.電動車 2.試驗土壟 3.試驗臺架車 4.旋拋刀具

4.2 不同因素對清土過程的影響

1）不同轉(zhuǎn)速對清土過程的影響

旋拋刀在不同轉(zhuǎn)速下進行清土試驗，臺架車的前進速度為0.5 m/s，測量工作過程中所需要的扭矩、土壤拋送距離以及清土率。通過測量大量土壤集中拋散區(qū)域估算其拋送距離，通過稱重未清除土壤質(zhì)量計算清土率。刀具扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大，在200～300 r/min時最佳，拋送距離隨著轉(zhuǎn)速的增加逐漸變大，綜上在200～300 r/min時刀具轉(zhuǎn)矩最小，清土效果最佳且拋送距離適中，與仿真試驗相符。

2）不同前進速度對清土過程的影響

保持旋拋刀傾角為30°，刀具轉(zhuǎn)速為240 r/min時，研究整機速度在0.4、0.7、1.0、1.3 m/s時未清除土壤質(zhì)量、土壤拋送距離、刀具扭矩隨著前進速度的增加不斷增加。

3）不同刀具焊接角度對清土過程的影響

試驗時保證臺架車的前進速度為0.7 m/s，刀具轉(zhuǎn)速為240 r/min，通過更換不同焊接角度的刀具，測量每次試驗后未清除土壤質(zhì)量、土壤拋送距離及刀具扭矩。其中0°焊接刀具清土效果最差，其次是60°、45°，焊接角度30°清土效果最好。刀具扭矩隨著焊接角度的增加先增加后減小，土壤拋送距離隨著焊接角度的增加逐漸增加，與仿真結(jié)果一致。

4.3 最優(yōu)試驗結(jié)果

選取旋拋刀焊接角度30°，刀具轉(zhuǎn)速為270 r/min，前進速度為0.4 m/s時進行臺架試驗，重復(fù)3次取平均值，清土率為49.1%，旋拋刀平均扭矩為13.09 N·m，土壤拋送距離集中在1.52～1.75 m之間，與仿真結(jié)果的相對誤差為13.8%。

5 結(jié) 論

1）基于當前葡萄園內(nèi)試用的單層旋拋式清土起藤機缺乏旋拋刀具與土壤相互作用的動態(tài)理論研究，清土率低等問題，對分層旋拋式清土起藤機旋拋刀與土壤相互作用的研究，并對旋拋清土作業(yè)進行理論分析，確定影響整機功耗、拋送距離的主要因素為刀具焊接角度、刀具轉(zhuǎn)速、機器前進速度。

2）分層旋拋式清土起藤機的仿真分析。通過EDEM-Recurdyn耦合，對不同焊接角的刀具、轉(zhuǎn)速以及前進速度進行仿真分析，以清土率和扭矩為評價指標，通過正交試驗獲得分層式旋拋的最佳作業(yè)參數(shù)，當旋拋刀焊接角為30°，刀具轉(zhuǎn)速為270 r/min，前進速度為0.4 m/s，得出清土率為55.9%，平均扭矩為8.92 N·m。

3）基于旋拋清土臺架試驗，對設(shè)計的分層旋拋式清土起藤機旋拋刀仿真結(jié)果進行驗證，得出最優(yōu)參數(shù)下旋拋刀具的清土率為49.1%，旋拋刀平均扭矩為13.09 N·m，仿真優(yōu)化結(jié)果(清土率為55.9%)與臺架試驗結(jié)果的相對誤差為13.8%，驗證得出臺架試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

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Design and experiment of the rotary throwing knife of wine grape cleaning machine

Yang Qizhi, Yang Xinyu, He Mingsheng, Zhang Ruoyu, Wen Tianni, Shi Aiping

(,,212013,)

Soil clearing operation can be one of the most challenging steps in the wine industry in recent years. The low efficiency can often be found in the single-layer rotary throwing during the soil cleaning operation of wine grapes in northwest China. It is still lacking in the interaction with the soil particles in cold soil, due to empirical design. In this study, a layered rotary throwing soil remover was designed to clarify the interaction between the soil and the rotary throwing knife. The rotary throwing cutter was then realized to balance the different functions of the upper and lower rotary throwing cutters. A dynamic analysis was carried out to determine the overall size of rotary throwing knives using RecurDyn software. Among them, the RecurDyn was a new generation of simulation software for multi-body system dynamics. The movement of the rotary throwing soil cleaning machine was theoretically analyzed to determine the main factors affecting the power consumption and throwing distance of rotary throwing knives. Specifically, the trapezoidal soil ridges in the cross section of 1 000 mm× 600 mm×300 mm ×300 mm (Length × Bottom bottom × Upper bottom × height) were established in the EDEM, according to the agronomic requirements of wine grape planting and soil cleaning. The coupled EDEM and RecurDyn simulation was conducted to analyze the interaction between the discrete particle group of cold-proof soil and the rotary throwing knife. Among them, the test factors were taken as the rotating speed of the rotary throwing knives with the different welding angles, and the forward speed of the whole machine. The evaluation indexes were set as the influence of the soil removal amount and the torque of the rotary throwing knife. An optimal combination of parameters was then obtained after optimization. Then, a three-factor four-level orthogonal experiment was designed to verify the reliability of the model using the analysis of variance. Further verification was also made using a bench test. A series of parameters were also selected in the bench test, including the cleaning rate of the machine, and the torque during operation under the conditions of different welding angles, the rotating and forward speeds, as well as the optimal combination under the conditions of various parameters. The results show that an optimal combination was achieved, where the the soil removal rate was 49.1%, the torque of the rotary throwing knife was 13.09 N·m, and the soil throwing distance was concentrated between 1.52-1.75 m, particularly when the welding angle of the rotary throwing knife was 30°, the rotating speed of the knife was 270 r/min, and the forward speed was 0.4 m/s. Excellent consistency was also obtained with the simulation and experimental. The findings can also provide the theoretical basis and technical reference for the subsequent development of grapevine soil cleaning and vine lifting machine.

agricultural machinery; test; simulation; layered rotary throwing soil remover; rotary throwing knife; EDEM-Recurdyn

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.005

S220.1

A

1002-6819(2022)-24-0044-08

楊啟志，楊鑫宇，赫明勝，等. 葡萄分層旋拋式清土起藤機高效旋拋刀設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(24)：44-51.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.005 http://www.tcsae.org

Yang Qizhi, Yang Xinyu, He Mingsheng, et al. Design and experiment of the rotary throwing knife of wine grape cleaning machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(24): 44-51. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.005 http://www.tcsae.org

2022-09-06

2022-11-22

國家科技重大專項子課題（2019YFD1002502、2019YFD1002505）；寧夏重點研發(fā)計劃重大項目（2018BBF02020）；江蘇省高校自然基金重點項目（19KJA430018）；鎮(zhèn)江市重點研發(fā)計劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）（NY2019015）

楊啟志，教授，博導(dǎo)，工學(xué)博士，研究方向：機械動力學(xué)、移栽種植、田間管理機械等。Email：yangqz@ujs.edu.cn