白芹壅土機的設計與試驗

袁 浩，繆福福，靳 偉，易衛明，李 政

(1.江蘇大學 農業裝備工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.溧陽易佳甸園生態農業發展公司，江蘇 常州 213331)

0 引言

白芹是溧陽最具有代表性的農產品之一，品相潔白如玉，口味舒爽脆嫩，具有豐富的藥用價值[1]。《本草綱目》[2]中記載“旱芹，其性滑利”，認為白芹具有清理血液、調理脾胃的功效；《本草推陳》[3]和現代醫學雜志《衛生通訊》[4]指出白芹能夠降壓降脂。

白芹栽培工藝復雜，包括整地、施肥、排種、壅土、收割和清洗等環節，而壅土工藝是其中勞動強度最大的一個環節。南京農業機械化研究所設計的白芹培土機[5]，是目前已開發的唯一能夠進行田間壅土的機械設備，它選用了小型履帶式挖掘機為工作底盤，并基于挖掘機的后動臂和液壓系統開發出前懸掛壅土機具；但是該機需要人工安裝培土隔離板，沒有真正的實現機械化。白芹壅土機的開發將突破溧陽白芹種植千百年來人工種植的瓶頸，提高白芹種植效率，節省大量勞動力，降低生產成本，因而對白芹壅土機的研究具有重要意義。

1 整機結構和工作原理

所設計的白芹壅土機壅土高度需達到白芹自身高度，高度可調，壅土土墻之間寬度可調；攏苗時，白芹的損傷率小于5%，土壤堅實度大于80kPa[6]。白芹壅土機主要由機體、壅土成型裝置、傳動系統、濕度調節裝置和液壓升降裝置等組成，如圖1所示。

1.壅土罩殼 2.傳動軸 3.第2大帶輪 4.第2小帶輪 5.萬向節聯軸器 6.水箱 7.水泵大帶輪 8.第1大帶輪 9.第1小帶輪 10.水泵 11.油箱 12.第2柴油機 13.變速箱總成 14.第1柴油機 15.動臂架 16.底盤 17.液壓缸 18.水泵小帶輪 19.螺旋鉸刀

工作時，白芹壅土機的第2柴油機發出的動力經過減速器減速后通過鏈傳動至壅土成型裝置，帶動其上的螺旋鉸刀轉動；土壤被切削進入罩殼，在旋轉的螺旋鉸刀帶動下不斷被運輸，當土壤到達螺旋鉸刀的頂端后，土壤被不斷運輸和積累，使得螺旋槽內空隙逐漸變小，罩殼逐漸充滿，并被擠出成型，最終完成壅土。開始工作時，螺旋鉸刀先做回轉運動，操作人員操作液壓升降機構使動臂架下傾在一定高度，使其達到所需壅土深度；接著，啟動第1柴油機，將它的動力通過輸出帶輪傳到底盤的變速箱輸入軸，經過變速箱減速后傳遞到輸出軸，輸出軸通過帶傳動帶動拖拉機行走，邊前進邊壅土，一次作業可實現兩行壅土。其中，當土壤干燥時，用同步帶帶動水泵，調節土壤的濕度。白芹壅土機根據不同種植需求，可左右調節兩個壅土成形模具之間的間距，并通過調節孔將調節座和調節橫梁固連，以調節白芹壅土寬度。同時，上下調節兩個壅土成型模具之間的高度，通過高度調節孔將調節架與機架連接。

2 主要結構設計

2.1 主要技術參數

壅土動力采用56kW的濰坊R4105ZD型柴油機，標定轉速為1 500r/min；前進動力采用26kW的常柴3G25型柴油機，標定轉速為2 400r/min；作業速度≥360m/h；壅土高度為320mm(可調)；兩側壅土間距為50mm(可調)。

2.2 機體

機體包括行走底盤、安裝架和第1柴油機。考慮白芹壅土機需要在含水率較高的田間作業，而且經常要跨壟，行走底盤應具有較強的配套動力、良好的爬坡性能且著地壓強小，因此采用了自走式履帶底盤。底盤高500mm，長1 500mm，寬900mm。

2.3 壅土裝置的設計

白芹壅土成型裝置包括兩個螺旋鉸刀、兩個固定架、兩個罩殼、高度調節機構、寬度調節機構，如圖2所示。

1. 螺旋鉸刀 2.攏苗架 3.取土罩殼 4.寬度調節架 5.高度調節架 6. 固定架 7.壅土成型罩殼

其中，罩殼分為取土罩殼和壅土成形罩殼。在壅土成型罩殼前端增加了攏苗架，慢慢向外擴張，這樣在壅土過程中就可以將白芹聚攏成一簇，正好在兩土墻之間。在取土罩殼的前端，設置有高壓噴水孔配合濕度調節機構調節土壤含水率，以利于壅土成型。將壅土成形裝置的螺旋鉸刀設置成與地面成20°角，有利于提高取土的深度與提升取土量。壅土高度調節機構包括兩個高度調節架、兩個調節螺桿和兩個調節螺母；壅土寬度調節機構包括兩個調節架和兩根調節橫梁，可以根據每塊田里白芹的長勢而調節壅土成型模具高度與寬度，分別對稱固定在固定架上。

2.4 濕度調節機構

濕度調節機構位于第2柴油機一側，包括水箱、水泵和水管。水箱固定在動臂架的后端中下側，水泵固定在第2柴油機一側，通過水管從水箱取水，加壓后通過水管輸入到壅土裝置的罩殼前端。

2.5 傳動系統的設計

傳動系統包括第2柴油機、萬向聯軸器、兩對小皮帶輪和兩對大皮帶輪。第2柴油機固定在動臂架的前中部，第1對小皮帶輪分別與第2柴油機輸出軸固連。另外，第1對大皮帶輪分別固定在萬向節聯軸器輸入軸一端端頭上，剩余一對小皮帶輪作為第2次皮帶輪傳動的動力輸出，其輸入軸與萬向節聯軸器的輸出軸固連，剩余一對大皮帶輪分別固定在壅土裝置的傳動軸上。傳動系統示意圖如圖3所示。

1.小皮帶輪1 2.大皮帶輪1 3.萬向節聯軸器 4.小皮帶輪2 5.大皮帶輪2 6.壅土裝置

2.6 液壓升降機構

液壓升降機構包括動臂架、油箱、液壓缸和其他液壓輔助元件。動臂架一端與機架底盤中部鉸接，油箱固定在動臂架一端上側，液壓缸設置在動臂架中部下側，液壓缸缸體與機架底盤一端鉸接，液壓缸活塞桿與動臂架中部鉸接。調整好高度后，采用單向閥與三位四通手動換向閥組成鎖緊回路，保證升降高度的位置不變。液壓升降工作原理如圖4所示，并確定動臂架的升降調速范圍為0.05～0.8m/min。

1.濾油器 2.變量泵 3.三位四通手動換向閥 4.單向閥 5.液壓缸 6.調速閥 7.溢流閥

3 螺旋鉸刀工作參數確定

3.1 螺旋葉片直徑

螺旋葉片的直徑變化直接影響到單位時間內螺旋鉸刀的取土量和螺旋鉸刀其他結構參數的設定，可按公式(1)[7]計算，即

(1)

Q=3600WHV前

(2)

則

(3)

式中D—螺旋葉片直徑(m)；

Q—土壤的輸送量(t/h)；

φ—土壤在壅土裝置中的填充系數，取φ=0.7；

K—土壤綜合特性的經驗系數，查表得K=0.049 0；

C—土壤傾斜輸送的校正系數，取C=0.65；

W—成型壅土的寬度，取W=0.2m；

H—成型壅土的高度，取H=0.32m；

V前—白芹壅土機向前行駛速度，取V前=0.1m/s。

帶入各值，計算得螺旋直徑D=235mm。根據設計規范要求[8]，選取D=250mm。此外，螺旋葉片一般是由厚度為2～10mm的不銹鋼冷軋處理而成，其厚度的選取可參考表1。本設計的螺旋葉片厚度Φ初步選取為6mm。一般螺旋葉片與取料罩殼內壁的最佳配合間隙應保持在0.1～0.8mm 范圍內[9]，本設計采用配合間隙δ=0.5mm。

表1 螺旋葉片厚度

3.2 螺旋升角及螺旋軸尺寸

螺旋升角β的計算公式為

(4)

螺旋葉片的螺距的計算公式為

S=k1D

(5)

則

(6)

其中，S為螺距；k1為螺旋葉片的螺距和和螺旋直徑之間的比值，取k1=1。

由此得到螺旋升角β為17.66°，即螺距S=250mm。

螺旋軸直徑的計算公式為

d=(0.35～0.7)D

(7)

故d=(0.35～0.7)D=87.5～175mm。本設計取螺旋軸徑d=90mm。

3.3 螺旋鉸刀軸向運動分析與運動參數的確定

在對螺旋鉸刀的運動與受力進行分析前，為了方便研究和簡化計算，做出如下假設[10]：

1)不考慮土壤擠壓的過渡狀態(即土壤已經填充滿螺旋空隙)，土壤一進入罩殼就開始輸送與擠壓過程；

2)土壤之間連續、規則且盡量緊密；

3)不考慮土壤之間的相互壓縮及忽略螺旋鉸刀與罩殼之間的間隙的影響；

4)認為螺旋葉片、罩殼與土壤及土壤之間的摩擦因數相同，取u=0.3；

5)忽略土壤之間的內聚力，土壤流動穩定。

3.3.1 軸向運動速度分析

選取一段螺旋葉片，假定螺旋葉片截面上有一半徑為r的土壤質點A，當螺旋軸以角速度ω勻速旋轉時，土壤質點與螺旋葉片間有沿著表面的相對滑動速度vp，兩者速度合成為vb，沿垂直于螺旋葉片的方向前進。由于螺旋葉片與土壤之間存在摩擦力，使得vp變為vt，vb偏離一個θ角度變為va，沿軸向的速度vd變為vc。土壤質點的速度分析如圖5所示。

圖5 土壤質點的速度分析圖

(8)

可得土壤沿著軸向的速度為

(9)

由式(9)可知：螺旋鉸刀工作時，土壤沿軸向的運動速度與螺旋鉸刀的半徑、轉速、摩擦角和螺旋升角有關。其中，后3個參數在設計時已經確定，意味著土壤在螺旋軸上各點的軸向運動速度僅隨半徑變化而變化，越靠近取土罩殼壁的土壤質點軸向速度越大，土壤間不可避免地存在分層現象。

為了研究方便，認為同一平面上的各土壤質點沿著軸向運動的速度相同，其大小取軸向速度的中值，即處于螺旋葉片內徑與外徑中間的土壤質點的速度。由此可得

(10)

3.3.2 螺旋鉸刀轉速的確定

白芹壅土機帶動螺旋鉸刀向前取土，此時白芹壅土機每秒的前進距離S1可認為是螺旋鉸刀的取土距離S0，即

S1=S=0.1m

(11)

w=2πn0

(12)

帶入可得

(13)

式中n0—螺旋鉸刀的轉速(r/s)。

θ—土壤與螺旋葉片的摩擦角，取θ=30°；

T—取T=1s。

n設計≥kn0

(14)

其中，k為系數，一般取k=1～2，但考慮到壅土土質濕度大，土壤之間、土壤與螺旋鉸刀與罩殼之間粘結性強，容易阻礙土壤的軸向運動，因此取k=4。

將各參數值帶入，即可得轉速n設計≥3.2r/s=192r/min,取n設計=240r/min。

本設計以表2中螺旋鉸刀的相關參數為參考，對白芹壅土機的相關機構進行計算和選型。

表2 螺旋鉸刀的參數

4 田間試驗

4.1 試驗地概況

為了測試白芹壅土機械的工作情況，于2016年5月在溧陽市戴埠鎮生態農業發展有限責任公司實驗田內進行了田間試驗。試驗地面積0.60hm2，所處地勢平坦，土壤類型為壤土；土壤含水率確定為30%～40%，此含水率下土壤可隨意成型，土壤粘性大[10]，比較適合白芹壅土機的作業。白芹壅土機的試驗樣機如圖6所示。

圖6 白芹壅土機

4.2 試驗數據

白芹壅土機田間性能試驗測試結果如表3和表4所示，壅土效果如圖7所示。

表3 白芹損傷長度L

表4 成型土壤參數平均值

圖7 壅土效果

4.3 試驗分析

通過以上計算發現：此含水率下的成型壅土得出的白芹損傷率為3.8%、土壤堅實 度均值為106.89kPa，均符合設計要求；而成型壅土的高度與寬度的均值為314.83mm和47.55mm,均小于設計值，最大偏差約為6mm，在可接受范圍內。造成這種情況的原因在于土壤在壅土過程中被擠壓縮，體積減小。另外，由于田間地勢不平坦，白芹壅土機在行駛過程中車體存在傾斜抖動，導致兩側成型壅土的高度和寬度之間會存在較大差距，甚至導致部分成型壅土的高度與寬度能夠超過設計值。有些土壤堅實度的值與平均值相差較大，可能與田間土壤的水分分布不均勻有關。

5 結論

1)基于白芹的種植模式，并結合傳統壅土工藝和水田作業環境特點，設計了一種白芹壅土機并詳細闡述了各部分的結構組成，能實現攏苗、取土和成型。

2)通過理論分析和計算，確定螺旋鉸刀的結構和運動參數。

3)在完成整機裝配后，選定了含水率 為30%～40%的稻板田進行田間試驗，以白芹損傷率、成型壅土的堅實度成型壅土的高度和寬度作為評價指標。結果表明：含水率為30%～40%時，成型效果良好，白芹壅土機能夠完成設計要求。