懸掛式葡萄埋藤機的設計與試驗

郭 輝，孫濱洪，畢志波，夏廣寶

(新疆農業大學 機電工程學院，烏魯木齊 830052)

0 引言

葡萄是大樹種之一，在我國已有數千年之久的種植歷史。由于受到不同地理環境和氣候條件的影響，優質葡萄主要分布在西北及北部地區，并在各地區形成了特有的葡萄種植模式：春季扒藤，秋季收獲，秋末埋藤[1]。其中，秋末埋藤是葡萄種植生產過程中一項勞動強度大、質量要求高和時間性強的作業。在以往，葡萄埋藤作業都是以人工埋藤為主，存在效率低、土塊大和埋土不勻等缺點，容易導致葡萄藤死亡，嚴重制約了葡萄產業化發展[2]。隨著我國葡萄埋藤機械的不斷改進和研發，埋藤機性能逐步完善，但仍然存在工作效率低、功率消耗大和工作成本高等弊端。為此，本文研制出一種基于刀輥取土裝置和葉輪拋土裝置的懸掛式葡萄埋藤機，不僅實現了機械化埋藤作業，而且作業質量較人工埋藤也有顯著提高[3-4]。

1 結構及工作原理

1.1 結構構成

懸掛式葡萄埋藤機包含齒輪傳動箱、左側萬向聯軸器、鏈傳動組件、刀輥取土裝置、集土罩、導向罩、葉輪拋土裝置、帶傳動組件、后側萬向聯軸器和機架，如圖1所示。其中，刀輥取土裝置包括扭轉直刀片、刀片固定座和動力軸，如圖2所示；葉輪拋土裝置包括徑向葉片、圓盤和減速器，4個徑向葉片垂直成90°連接在圓盤上。

1．齒輪傳動箱 2.左側萬向聯軸器 3.鏈傳動組件 4.刀輥取土裝置 5.集土罩 6.導向罩 7.葉輪拋土裝置 8.帶傳動組件 9.后側萬向聯軸器 10.機架

懸掛式葡萄埋藤機的主要技術參數為：

作業方式:懸掛作業

連接方式:后置三點懸掛連接

配套動力/kW：≥20.6

適應行距/mm：≥2 500

作業速度/km·h-1：1.2～1.8

工作幅寬/mm:1 100±50

旋耕深度/mm：15～20

1．扭轉直刀片 2.刀片固定座 3.動力軸

1.2 工作原理

懸掛式葡萄埋藤機通過后置三點全懸掛方式連接在拖拉機上，拖拉機的動力輸出軸與埋藤機的齒輪傳動箱聯接，齒輪傳動箱為一輸入兩輸出型，左側動力輸出通過鏈傳動組件將動力傳動到動力軸，動力軸帶動刀片固定座和刀片高速轉動，使土壤向中間輸送；后側動力輸出通過帶傳動組件將動力傳遞給葉輪拋土裝置，土壤經集土罩的集土擋板和集土鏟匯集到圓筒中，然后被徑向葉片從開口處拋出，在導向罩的引導下，覆蓋到預期位置，完成埋藤作業。

2 關鍵部件結構參數的設計

2.1 刀輥取土裝置設計

2.1.1 刀片形狀設計

本文設計的扭轉直刀片外形如圖3所示，刀片切土狀態如圖4所示。

圖3 刀片形狀示意圖Fig.3 Design blade shape

圖4 刀片切土狀態Fig.4 The blade cut the earth motion

扭轉直刀片的入土部分與旋轉平面呈一定角度，提高了軸向輸送能力，達到了碎土、取土要求[5]。

2.1.2 運動軌跡分析

扭轉直刀片向后側面拋土，其拋土運動模型圖如圖5所示。

圖5 拋土運動模型圖Fig.5 Cast soil motion model diagram

設r0為刃尖的回轉半徑，轉角為ωt，則向前傾面上p點移動，前進方向為x軸，縱坐標為y軸，p點坐標為(px,py)，扭轉直刀片的運動軌跡為

Px=vt+r0cosωt

Py=r0+r0sinωt

設土壤離開扭轉直刀片的初始速度為v，其水平速度和垂直速度分別為Vx、Vy，則

Vx=v-r0ωsinωt

Vy=r0ωcosωt

扭轉直刀片拋出土壤的運動軌跡為

x=px+vx(t-tmax)sinφ

根據葡萄埋藤需土量確定作業深度后，為了確保刀輥取土裝置在工作過程中具有向后的拋土速度，必需要滿足下面的公式，即

式中R—刀片端部的旋轉半徑；

H—耕深；

Vm—旋刀機前進速度；

n1—刀軸轉速。

代入相關參數，得出已耕土壤的高度H。當H=0.3m、r0=0.37m時，滿足H

2.1.3 扭轉直刀片的轉速

路陽紅-404拖拉機的轉速為540r/min或720r/min，本設計的埋藤機配套動力轉速選定為n=540r/min。由農業機械設計手冊可知：旋耕機在含水率為20%～30%的輕質土壤環境中，切土節距可以達到s=100mm以上；在中粘度土壤環境中，切土節距為s=60～90mm；在粘重土壤環境或者多草田地中，切土節距s=40～60mm。該機的行進速度需要根據不同的土壤環境進行調整，埋藤機行進速度過快時應避免產生土壤堆積在集土罩前[6]。一般埋藤機行進速度為1.2～1.8km/h之間，額定行進速度是1.8km/h。根據公式變換，可得轉速計算公式為

式中n1—動力軸轉速；

vm—埋藤機前進速度。

取vm=1.8km/h=500mm/s、s=40～60mm、z=2，可得n1=250～375r/min。

2.1.4 扭轉直刀片回轉半徑設計

影響刀輥取土裝置的碎土質量有多種原因，埋藤機行進速度是最重要的影響因素，決定著垡塊的拋送速度和垡塊的大小。垡塊的大小與切土節距有直接聯系，扭轉直刀片端部的旋轉半徑與切土節距的關系式為

式中λ—旋刀機的運動學參數；

R—刀片最大旋轉半徑；

Z—單組扭轉直刀片數量。

當單組扭轉直刀片數量Z確定之后，再確定滿足設計要求的最小運動學參數λ。運動學參數與刀片數量的配合關系如表1所示。

表1 運動學參數與刀片數量的配合關系Table 1 The relationship between kinematic parameters and the number of blades

2.2 葉輪拋土裝置設計

2.2.1 葉輪片數量

葉輪片為直葉片，具有形狀簡單、制造方便和強度較高等特點，能夠滿足機具埋藤的工作要求。查閱相關資料得出，該葉輪拋土裝置葉輪片個數為4。

2.2.2 葉輪片旋轉速度

葉輪拋土裝置的旋轉速度與刀輥取土裝置的給土量成正比。旋轉速度選取原則為：在滿足拋土距離要求的前提下，選取葉輪片轉速最低，且保證兩裝置間不產生土壤堵塞現象。新疆葡萄藤種植的行距為3～3.5m，該機作業幅寬設計為1.06m，使機具換行掉頭更加方便。葉輪拋土裝置位于埋藤機中間，距離埋藤機側端為0.53m，埋藤作業要求刀片取土裝置距離葡萄藤根部的安全距離為0.4～0.5m，所以實際需要的拋土距離為0.93m以上。查閱相關資料可知：在葉輪拋土裝置上，當葉輪片最大回轉直徑處線速度范圍在7～14m/s時，拋土距離的范圍可達1～2m。考慮到整體外觀尺寸和結構的緊湊性，設計葉輪片的回轉直徑為0.4m。葉輪片末端線速度計算公式為

V=2πrn2

式中n2—葉輪軸轉速；

V—葉輪片末端線速度。

經計算得n2的范圍為334.4～668.8r/min。

刀輥取土裝置單位時間內給土量為

Q=VmBH

式中Q—單位時間取土量；

Vm—行進速度；

B—動力軸作業幅寬；

H—刀輥作業深度。

葉輪拋土裝置單位時間內拋土量為

式中S—單位時間拋土量；

A1—無效拋土刀片長度；

n2—動力軸轉速；

A—葉輪片長度；

B1—葉輪片寬度。

當單位時間拋土量小于單位時間取土量時，刀輥取土裝置前面會發生土壤壅堵現象，因此拋土速率要高于取土速率，即S>Q，則

代入數據：Vm=50mm/s，B=106mm，H=13mm，B1=16mm,A=20mm。由葉輪片的有效拋土率可知：A1代入值為0.1m，得出n2≥4.57rad/s=274.2rad/min。綜上所述，葉輪拋土裝置的最小轉速為334.4rad/min[9-10]。

3 樣機試驗與分析

3.1 試驗設備和條件

1)試驗準備：懸掛式葡萄埋藤機1臺；路陽紅-404拖拉機1臺；鋼尺1把，精度為0.1mm；卷尺1把，量程為2m。

2)試驗時間：2016年6-7月。

3)試驗地點：烏魯木齊市新疆農業大學校園試驗田。土質為黏砂土，每次試驗前對土壤取樣，測得土壤含水率分別為26%、28%、25%、26%。

4)試驗水平選取如表2所示。

表2 樣機試驗數據表Table 2 Prototype test data table

3.2 試驗結果

在試驗中，通過更換皮帶輪和鏈輪設置不同的動力傳動比，調整動力軸轉速和葉輪片轉速，埋土寬度為73cm,埋土厚度為23.3cm，測得主要作業性能指標如表2所示，均符合行業標準[11-12]。

3.3 總結

1)動力軸轉速為250r/min～375r/min之間時，刀輥取土裝置的取土量滿足要求。同時，考慮到整機功耗問題：①在相同作業深度和土壤條件下，當埋藤機的行進速度不變時，刀輥取土裝置的功耗與動力軸轉速呈線性關系；②在相同作業深度和土壤條件下，當動力軸轉速不變時,刀輥取土裝置的功耗與埋藤機的行進速度呈線性關系。因此，埋藤機動力軸轉速選為250r/min。

2)在試驗過程中：當葉輪片轉速為335r/min時，埋藤機刀輥取土裝置前面會發生積土現象；當葉輪片轉速為523r/min時，埋土厚度和埋土寬度的效果更好。因此，葉輪片轉速選為523r/min。

4 結論

懸掛式葡萄埋藤機依據新疆葡萄埋藤的農藝要求，通過優化設計刀輥取土裝置和葉輪拋土裝置，使土壤準確覆蓋到預期位置，完成埋藤作業。作業效果滿足埋藤要求，作業效率是人工埋藤的50～60倍，生產率顯著提高，降低了作業成本，有效地解決了葡萄安全越冬的問題。