釀酒葡萄覆膜埋藤機的設計與分析

朱新月，王麗紅，徐 亭，彭慧杰，黨永強，高明勇

(1.石河子大學 機械電氣工程學院/農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000；2. 新疆瑪納斯縣農機局，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆是我國最早種植葡萄的地區[1-2]，其獨特的地理環境非常適合葡萄的生長[3]。葡萄制品營養豐富[4]，葡萄酒中含有的白藜蘆醇更是有延緩衰老、抑癌抗瘤的功效，深受人們的喜愛[5]。近年來，隨著新疆農業產業結構的調整，釀酒葡萄的種植面積不斷擴大[6]。據報道，截止2017年，新疆釀酒葡萄的種植面積已超過40 000hm2[7]。埋藤是釀酒葡萄種植過程中的一個關鍵環節，目前釀酒葡萄埋藤作業主要以人工為主，人工埋藤具有勞動強度大、作業效率低、工作環境差等問題，嚴重制約了釀酒葡萄產業發展，釀酒葡萄的機械化埋藤已成為必然趨勢[8]。

近年來，國內學者對釀酒葡萄埋藤機具進行了研究。遼寧省農業機械化技術推廣站[9]研制出了3MT-5式釀酒葡萄埋藤機，該機主要通過旋耕機旋耕輸送土壤，將土壤拋送到葡萄藤上，完成冬季埋藤作業；于2013年研制出了3MT-5.0式釀酒葡萄埋藤機[10]，該機利用埋土器將起土犁提升的土壤粉碎并拋送出去，在葡萄藤上覆蓋一定厚度的土層，完成作業。新疆生產建設兵團農八師149團研制出了1MP-500式釀酒葡萄埋藤機[11]，該機工作時，由旋耕機旋耕粉碎土壤，鏟土板把土拋送到輸送帶上，再下落到與前進方向一致的水平輸送帶上，由土覆蓋葡萄藤，完成埋藤作業。

防寒土覆蓋具有取土方便的優勢，但葡萄秋埋春扒兩次翻耕傷害葡萄枝蔓、費工費時，造成冬季揚沙起塵污染環境[12]。因此，為解決我國新疆地區葡萄越冬防寒問題，提出了免埋土越冬[13]的埋藤方式。免埋土越冬是指用彩條布覆蓋葡萄藤使其安全越冬。研究表明：采取雙層膜覆蓋不僅可以使葡萄藤安全越冬，還可以改善葡萄品質、增加產量、降低葡萄生產成本[14-15]。因此，筆者針對免埋土越冬技術設計了一種覆膜埋藤機，對覆膜埋藤機的關鍵部件進行了設計和分析，以期為釀酒葡萄機械化埋藤提供參考。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

對新疆石河子及其周邊地區的釀酒葡萄種植模式和秋季葡萄園壓倒葡萄藤后的情況進行了調研，如表1所示。

表1 釀酒葡萄秋季葡萄園參數

在表1基礎上設計了釀酒葡萄覆膜埋藤機，如圖1所示。該機主要由壓藤輪、展膜輥(彩條布)、展膜輥(透明薄膜)、鋪膜輥(彩條布)、鋪膜輥(透明薄膜)、覆土箱、攪龍、后壓膜輪、機架、覆土圓盤、刮板輸送帶，以及旋耕刀等部件組成，主要技術參數如表2所示。

表2 釀酒葡萄覆膜埋藤機主要技術參數

1.2 工作原理

釀酒葡萄覆膜埋藤機主要由拖拉機通過后置三點懸掛牽引前進。工作時，覆膜埋藤機向前行走，壓藤輪將已放倒在葡萄行上的葡萄藤壓倒離地面距離約為200mm；鋪膜機構將雙層膜鋪在葡萄藤上(第1層是彩條布，第2層是塑料薄膜)，跟在其后的壓膜輪將雙層膜壓在地上；遠離水泥柱一側的塑料薄膜由覆土圓盤將土覆蓋到雙層膜邊，另一側通過旋耕刀將葡萄壟旁的土壤打碎并拋到刮板輸送帶上，由刮板輸送帶將土壤輸送到覆土箱內；覆土箱內的單向攪龍將土壤輸送到覆土口處，掉落在膜的側邊，壓膜輪將覆蓋在膜兩邊的土壓實，完成釀酒葡萄的鋪膜覆土作業。

2 主要工作部件的設計

2.1 鋪膜裝置的設計

鋪膜裝置是覆膜埋藤機的核心部件，其結構形式的好壞直接影響后面的覆土工作。由于新疆冬季寒冷，釀酒葡萄藤安全過冬需要鋪設雙層膜：第1層為彩條布，第2層為透明薄膜，兩層膜要求先后鋪設，同時覆土。為確保裝置整體結構的緊湊性和作業穩定性，雙層膜機構的設計采用兩組鋪膜機構并聯連接的方式。鋪膜裝置主要由鋪膜輥1、鋪膜輥2、機架、卷膜棍1及卷膜棍2組成，如圖2所示。

1.鋪膜輥1 2.鋪膜輥2 3.部分機架 4.卷膜棍2 5.卷膜棍1

葡萄藤壓倒后其橫截面近似于一個等腰梯形，底角為45°[16]，如圖3所示。

圖3 葡萄藤截面圖

由田間調研可知：葡萄藤底部寬為600～800mm，葡萄藤壓倒后的平均高度約為250mm，由此可計算出等腰梯形的三邊周長(除去底邊)約為1 000mm，鋪膜時兩邊要各預留出1 200mm寬度來覆土。綜上所述，確定鋪膜輥和卷膜棍的長度為1 300mm。

2.2 旋耕輸送覆土裝置的設計

2.2.1 旋耕刀的設計

新疆葡萄園秋季土壤存在板結嚴重、堅實度大的問題。與其他耕作機具相比，旋耕機具有碎土充分、耕后地表平整等優點。因此，本文的碎土機構選用旋耕機。旋耕機的關鍵部件為旋耕刀片，不僅要有良好的碎土性能，還要求具有定向拋土功能。本文對旋耕機的兩種旋耕刀片進行設計，使其共同完成旋耕碎土、拋土作業。

由于彎刀具有較好的滑切性能，不易纏草，因此本文的碎土和取土作業刀具都選用彎刀。碎土彎刀主要將葡萄園板結的土壤打碎并進行雜草切斷作業，為使碎土彎刀具有銳利的正切刃和側切刃，碎土彎刀采用等進螺線[17](阿基米德螺線)進行設計。等進螺線方程為

ρ=ρ0+αθ

(1)

其中，ρ0為螺線起點的極徑(mm)；α為螺線極角每增加1rad極徑的增量(mm)；θ為螺旋線上任意點的極角(rad)。

為確定螺線起點的極徑ρ0，避免無刃部分切土，ρ0可由下式計算，即

(2)

其中，S為設計切土節距(mm)；a為設計耕深(mm)；R為彎刀回轉半徑(mm),當耕深為140～160mm時，常采用240～260mm。

確定螺旋線終點處的極徑ρn，使螺線能與正切刃圓滑過渡，ρn值一般比彎刀回轉半徑小10～20mm。

螺線終點的極角θn為

(3)

其中，θn為螺線終點的極角(rad)；ρn為螺旋終點處的極徑(mm)；τn為螺旋終點處的滑切角(°)，常取50°～60°。

確定參數時，考慮到刀具的靜態滑切角也不易過大，具有較大靜態滑切角的彎刀，其刀刃的長度也較大，會增加切土時與土壤間的摩擦面，有增大耕耘阻力的趨向。綜合上述分析，并結合工作參數，取土彎刀耕深150mm，刀具作業回轉半徑取245mm，切土節距為30～50mm，將其代入式(1)～式(3)中，可得碎土刀具結構參數為ρ0=200mm，ρn=245 mm，τn=60°，θn=0.318rad。碎土彎刀的結構如圖4所示。

圖4 碎土彎刀簡圖

為了將碎土彎刀打碎的土壤進行二次粉碎并拋擲到后面的刮板輸送帶上，完成土壤的定向拋灑，且避免刀具作業時因纏草增加機具功率損耗，拋土彎刀的設計采用正弦指數曲線，其方程為

ρ=ρ0sinτ0/sinτ0-Kθ1/K

(4)

式中ρ0—曲線起點的極徑(mm)；

τ0—曲線起點的靜態滑切角(°)；

K—曲線上靜態滑切角遞減比。

參考農業機械設計手冊[18]中旋耕刀的相關設計要求，并結合秋季葡萄園中土壤板結嚴重、雜草多的實際情況，確定拋土彎刀的主要結構參數ρ0=175mm，τ0=55°。拋土彎刀的結構如圖5所示。

圖5 拋土彎刀簡圖

2.2.2 輸送裝置的設計

覆膜埋藤機的輸送裝置不僅要具備良好的輸送適應性，能夠輸送不同種類、含水率的土壤，還要把土壤運送到一定的高度，并能有效防止土壤掉落，提高輸送效率。由于是傾斜輸送，土壤與輸送面間的摩擦小容易打滑，將直接影響覆土的效果；而刮板可以避免傾斜輸送土壤向下滑動的問題，具有輸送效率高的特點。綜合考慮以上因素，輸送機構選用刮板輸送式。輸送裝置主要由側邊擋板、刮板、輸送帶、傳動軸和主動輪組成，如圖6所示。

1.主動輪 2.傳動軸 3.輸送帶 4.刮板 5.側邊擋板

2.2.3 覆土裝置的設計

覆土裝置的結構如圖7所示。箱體截面設計成U型，底部向下凸起，主要由箱體、攪龍、出土口和進土口等組成。

1.進土口 2.攪龍 3.箱體 4.出土口

箱體用來放置由刮板輸送帶輸送上來的土壤，輸送的土壤堆放在刮板一側，利用箱體內的單向攪龍將土壤進一步打碎并輸送到箱體的另一側，通過漏土口將土壤覆蓋在薄膜上。依據刮板輸送土壤的進土量和覆膜所需的出土量對箱體的整體結構進行了設計，最終確定箱體的長度設計為1 250mm，寬度為300mm，與之配合工作的攪龍螺旋葉片直徑為280mm。

3 工作部件關鍵因素分析

3.1 覆土圓盤力學分析

覆土圓盤作為單側覆土裝置的主要部件，在工作過程中受土壤阻力作用會產生變形和磨損，要有較強的抗變形能力，因此需對覆土圓盤進行力學分析，驗證其結構設計的合理性。覆土圓盤平面結構如圖8所示。

圖8 覆土圓盤結構簡圖

覆土圓盤在工作過程中，可以視為近似的平面圓盤，以速度v向前推進，在圓盤前端積土體積大，末端積土體積小，土壤從圓盤末端滑落，被覆蓋在雙層膜邊上，將膜覆蓋。覆土圓盤積土情況如圖9(a)所示。在此過程中，覆土圓盤必將受到土壤的壓力和摩擦力。為了合理的分析和求解覆土圓盤的受力情況，建立如圖9所示的直角坐標系。設圓盤運動方向的反向延長線與x軸夾角(即圓盤傾角)為δ。

(a)

(b)

基于薄板彎曲理論有如下假設：

1)板在彎曲變形中，中面法線保持為直線，且仍為撓曲面的法線。

2)板的厚度方向擠壓變形可以忽略不計，即z向應變εz=0。

3)板的中面只發生彎曲變形，沒有面內伸縮。

4)本結構方程中忽略次要應力σz、τzx、τzy對變形的影響。

根據假設1)，薄板彎曲后，板法線與撓曲面在x方向和y方向的切線相互垂直，即沒有切應變，所以γzx=γzy=0。

w=w(x,y)

由假設4)可知：薄板應力σx、σy和τxy是主要應力，對覆土圓盤應力的求解實際上是求解主要應力。

由薄板理論，有

則薄板應力為

對于圓形薄板，采用極坐標形式比較方便，由極坐標系中的Laplace算子，有

則撓曲線微分方程化為

(4)

把x軸和y軸分別轉到微元的r方向和θ方向，使微元的θ坐標為0，則彎矩Mx、My和扭矩Mxy，正應力σx、σy和τxy相應化為

(5)

(6)

覆土圓盤工作狀態下中心為a的區域固定，邊緣自由，則其邊界條件為

土對覆土圓盤的載荷是復雜的，為簡化計算過程，假設土對圓盤的載荷是均布的，則w只是r的函數，式(4)可化為

其解為：w=C1Inr+C2r2Inr+C3r2+C4+w*。其中，C1、C2、C3、C4為常數；w*為特解。

考慮覆土圓盤中心沒有孔，中心處撓度或載荷不能無窮大，則C1=C2=0。特解w*可由積分得到

將上式帶入式(5)和式(6)，即可得到應力解。覆土圓盤的牽引力可由其輸出功率P確定，即

P=Fv

其中，P為覆土圓盤輸出功率(kW)；F為圓盤牽引力(N)；v為圓盤推進速度(m/s)。

土壤施加于覆土圓盤的正壓力N可由力的平衡方程確定,即

N=Fsinδ

則均布載荷q=N/S，S為覆土圓盤面積。

已知覆土圓盤直徑d=450mm，板中央固定區半徑a=25mm，板厚h=4mm，取覆土圓盤偏角δ=20°，輸出功率P=25kW，運行速度v=2km/h，泊松比v=0.3。帶入以上各式，求得最大應力在r=a處，σmax=232.38MPa，其值小于65Mn鋼的許用正應力[σ]=570MPa，本設計合理。

3.2 刮板輸送帶輸土特性分析

覆膜埋藤機工作時，刮板的絕對運動由拖拉機的前進速度v和刮板輸送帶的運動速度v′合成。當刮板運動到最低端呈豎直狀態時，以刮板的最底端端點為原點建立坐標系，如圖10所示。

1.旋耕刀 2.土壤 3.從動輪 4.刮板 5.輸送帶

則刮板輸送帶繞從動輪轉動時，刮板頂點的運動方程為

(7)

其中，x為刮板端部水平位移；y為刮板端部豎直位移；r為從動輪半徑；h為刮板高度；i為帶速與機組前進速度比；φ為刮板轉過的角度；δ為升運帶與水平面的夾角。

由式(7)可知：刮板的運動軌跡與刮板高度h、帶速v′與機組前進速度比i、刮板轉過的角度φ及升運帶與水平面的夾角δ有關。

在兩個刮板相繼取土的時間間隔Δt內，埋藤機前進的距離s=L/i，刮板前進的距離為L，近似認為在時間Δt內，旋耕機的起土量與拋送到刮板輸送帶上的土量相等，則旋耕機的起土量為

其中，q為旋耕機的起土量；b為輸送帶的寬度。

兩個刮板間的輸土量：

1)當兩個刮板間的距離L沒有完全被土覆蓋，如圖11(a)所示。

(a) (b)

此時，刮板的輸土量為

其中，θ為輸送帶上的土壤上表面與水平面的夾角，即土壤內摩擦角。

2)當兩個刮板間的距離L完全被土覆蓋時，如圖11(b)所示。此時，刮板的輸土量為

由實際情況可知，旋耕機的起土量應該大于刮板的輸送量，則

由此可以推出單位長度內，覆土箱的進土量為

(8)

其中，η為取土、輸送效率，主要與刮板充滿系數、輸送帶滑動率有關。

由式(8)可知：覆土箱的進土量Q′是刮板高度h、帶速與機組前進速度比i、升運角與水平面的夾角δ、土壤內摩擦角θ，以及刮板長度L的多元函數。刮板的長度越長，覆土箱的進土量越少，輸送帶輸送土壤的效率越低；輸送帶的寬度越寬，土壤輸送量越大。

4 結論

針對免埋土越冬技術的埋藤方式設計了釀酒葡萄覆膜埋藤機，并對覆膜埋藤機的關鍵部件進行了設計，確定了釀酒葡萄覆膜埋藤機的整體結構。

對覆土圓盤工作時的受力情況進行了分析，確定了覆土圓盤的最大應力位置，并對覆土圓盤的強度進行了校核，滿足使用要求。對刮板輸送裝置的輸土性能進行了分析，確定了取土量和輸土量的影響因素，為輸送裝置的參數優化提供了依據。