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

·農業裝備工程與機械化·

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

（中國農業大學工學院，北京 100083）

針對目前中國北方葡萄防寒土清土部件作業功耗高和相關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，采用分層交錯式結構，以十字交叉形式排布。首先，依據中國北方葡萄防寒土清除農藝要求，確定弧形清土葉輪的外形尺寸和葉輪片數量。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中心組合模擬試驗，以扭矩和水平前進阻力最小為優化目標，獲得最優參數組合；進一步基于土槽試驗，驗證弧形清土葉輪仿真優化結果的準確性，并與直板式清土葉輪作業進行對比分析。仿真優化結果表明，當弧形清土葉輪前進速度為0.38 m/s，轉速為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，與仿真優化結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%。研究結果可為后續葡萄藤防寒土清土機的整體設計提供理論依據和技術支撐。

農業機械；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，需要對葡萄產區進行埋土防寒作業，待第二年春季天氣回暖時，再進行清土作業[3-4]，其中春季清土作業是葡萄整個生產管理環節中勞動量最大、勞動強度最高的一個環節，隨著國內勞動力短缺和人工成本的日益增加，實現北方葡萄春季清土的機械化作業對中國葡萄產業化發展和提高葡萄種植戶收入具有重要意義[5]。

近年來，國內相關領域學者和部分農機企業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]設計了一種液壓驅動型葡萄防寒土清土機，雙邊清土作業，可進行作業行距調節，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，作業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，作業時通過攪龍的轉動，將葡萄上埋土清除輸送到行間，但攪龍結構設計復雜，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向輸送土壤，具有避障功能，但整機質量大，采用四連桿機構導致作業慣性大，不易操作。農機企業以寧夏智源農業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構簡單、操作方便、制造成本低，被大多數農戶接受，但刮板作業屬于被動式作業，功耗較大，且清土效果有限?？傮w看，國內葡萄清土機械的研究主要還處于研究試驗階段，此外，現有研究大都是設計整機，對其整體進行粗略研究，以實現機器功能和完成葡萄防寒土的有效清除為基本目標，很少考慮機器作業功耗大小，鮮有研究進行單個清土部件的優化設計，也沒有對其作業進行減阻降耗的深入分析研究。國外葡萄產區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，故未見有關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，優化設計一種結構輕便、作業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，探究其結構參數和運動參數對作業功耗的影響，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 結構設計

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，采用分層交錯式結構，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構和參數相同。

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構示意圖

Fig.1 Structure diagram of arc soil cleaning impeller with layered-staggered structure to clean cold-proof soil on grapes

1.1 結構參數設計

弧形清土葉輪結構參數包括整體外形參數和單個弧形葉輪片參數，其中整體外形參數依據葡萄防寒土清除農藝要求確定。由調研可知，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，各地區埋土情況不同，故而土壟的尺寸有所差異[14]。本文選擇常規的埋土尺寸，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，刮土板清除土壟上方厚度約為120 mm的埋土，葉輪清除側邊的埋土，實際上葉輪清除的土壤不僅包括葡萄藤防寒土土壟側邊的埋土，還包括被與之配合作業的刮土板向兩側清除流動的土壤，在此，本文僅研究葉輪的清土作業部分。為防止葉輪在作業時碰傷葡萄藤，土壟兩側各預留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。

根據葉輪清除土壟的尺寸，本文設計弧形清土葉輪的回轉直徑為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速下，清除的土壤顆粒更早地離開葉輪片，從而實現減少功耗的目的，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 葉輪片數量確定

作業時，葉輪的運動軌跡是其自身旋轉與前進2種運動的合成，本文設計的弧形清土葉輪的回轉直徑根據葡萄防寒土清除農藝要求已經固定，故在其轉速和前進速度一定的條件下，弧形葉輪片數量越多，重復清掃的區域就會越大，功耗也就越大，但同時對應的漏掃區域也會越小，考慮機械結構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[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速低于350 r/min時，土壤在其旋轉作用下會產生回旋現象，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速不能低于350 r/min。在試驗參數范圍內，當葉輪轉速最小、前進速度最大時，理論上對應的漏掃區域最大，但通過仿真分析發現，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]，并且此時漏掃區域可忽略不計，故當弧形清土葉輪轉速大于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要求。

2 弧形清土葉輪受力分析

作業過程中，當弧形清土葉輪接觸土壤時，在葉輪隨機具前進產生向前的推力和自身旋轉產生的離心力，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，而葉輪片在作業過程中則受到水平前進方向的阻力和旋轉方向的扭矩，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扭矩代表其作業功耗。

由于中國北方葡萄園內的埋土主要以沙壤土為主，春季清土時，土質較為松散，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顆粒組成，故參考撒肥機研究中對單個肥料顆粒的相關分析[18]，本文以一質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葉輪片旋轉產生的離心力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，(°)；為土壤顆粒質心距旋轉軸中心的距離，mm。