袁 浩，繆福福，靳 偉，易衛(wèi)明，李 政

(1.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.溧陽(yáng)易佳甸園生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展公司，江蘇 常州 213331)

0 引言

白芹是溧陽(yáng)最具有代表性的農(nóng)產(chǎn)品之一，品相潔白如玉，口味舒爽脆嫩，具有豐富的藥用價(jià)值[1]?！侗静菥V目》[2]中記載“旱芹，其性滑利”，認(rèn)為白芹具有清理血液、調(diào)理脾胃的功效；《本草推陳》[3]和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)雜志《衛(wèi)生通訊》[4]指出白芹能夠降壓降脂。

白芹栽培工藝復(fù)雜，包括整地、施肥、排種、壅土、收割和清洗等環(huán)節(jié)，而壅土工藝是其中勞動(dòng)強(qiáng)度最大的一個(gè)環(huán)節(jié)。南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所設(shè)計(jì)的白芹培土機(jī)[5]，是目前已開(kāi)發(fā)的唯一能夠進(jìn)行田間壅土的機(jī)械設(shè)備，它選用了小型履帶式挖掘機(jī)為工作底盤(pán)，并基于挖掘機(jī)的后動(dòng)臂和液壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)出前懸掛壅土機(jī)具；但是該機(jī)需要人工安裝培土隔離板，沒(méi)有真正的實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。白芹壅土機(jī)的開(kāi)發(fā)將突破溧陽(yáng)白芹種植千百年來(lái)人工種植的瓶頸，提高白芹種植效率，節(jié)省大量勞動(dòng)力，降低生產(chǎn)成本，因而對(duì)白芹壅土機(jī)的研究具有重要意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

所設(shè)計(jì)的白芹壅土機(jī)壅土高度需達(dá)到白芹自身高度，高度可調(diào)，壅土土墻之間寬度可調(diào)；攏苗時(shí)，白芹的損傷率小于5%，土壤堅(jiān)實(shí)度大于80kPa[6]。白芹壅土機(jī)主要由機(jī)體、壅土成型裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、濕度調(diào)節(jié)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(dòng)軸 3.第2大帶輪 4.第2小帶輪 5.萬(wàn)向節(jié)聯(lián)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(jī) 13.變速箱總成 14.第1柴油機(jī) 15.動(dòng)臂架 16.底盤(pán) 17.液壓缸 18.水泵小帶輪 19.螺旋鉸刀

工作時(shí)，白芹壅土機(jī)的第2柴油機(jī)發(fā)出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)減速器減速后通過(guò)鏈傳動(dòng)至壅土成型裝置，帶動(dòng)其上的螺旋鉸刀轉(zhuǎn)動(dòng)；土壤被切削進(jìn)入罩殼，在旋轉(zhuǎn)的螺旋鉸刀帶動(dòng)下不斷被運(yùn)輸，當(dāng)土壤到達(dá)螺旋鉸刀的頂端后，土壤被不斷運(yùn)輸和積累，使得螺旋槽內(nèi)空隙逐漸變小，罩殼逐漸充滿(mǎn)，并被擠出成型，最終完成壅土。開(kāi)始工作時(shí)，螺旋鉸刀先做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，操作人員操作液壓升降機(jī)構(gòu)使動(dòng)臂架下傾在一定高度，使其達(dá)到所需壅土深度；接著，啟動(dòng)第1柴油機(jī)，將它的動(dòng)力通過(guò)輸出帶輪傳到底盤(pán)的變速箱輸入軸，經(jīng)過(guò)變速箱減速后傳遞到輸出軸，輸出軸通過(guò)帶傳動(dòng)帶動(dòng)拖拉機(jī)行走，邊前進(jìn)邊壅土，一次作業(yè)可實(shí)現(xiàn)兩行壅土。其中，當(dāng)土壤干燥時(shí)，用同步帶帶動(dòng)水泵，調(diào)節(jié)土壤的濕度。白芹壅土機(jī)根據(jù)不同種植需求，可左右調(diào)節(jié)兩個(gè)壅土成形模具之間的間距，并通過(guò)調(diào)節(jié)孔將調(diào)節(jié)座和調(diào)節(jié)橫梁固連，以調(diào)節(jié)白芹壅土寬度。同時(shí)，上下調(diào)節(jié)兩個(gè)壅土成型模具之間的高度，通過(guò)高度調(diào)節(jié)孔將調(diào)節(jié)架與機(jī)架連接。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

壅土動(dòng)力采用56kW的濰坊R4105ZD型柴油機(jī)，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為1 500r/min；前進(jìn)動(dòng)力采用26kW的常柴3G25型柴油機(jī)，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2 400r/min；作業(yè)速度≥360m/h；壅土高度為320mm(可調(diào))；兩側(cè)壅土間距為50mm(可調(diào))。

2.2 機(jī)體

機(jī)體包括行走底盤(pán)、安裝架和第1柴油機(jī)?？紤]白芹壅土機(jī)需要在含水率較高的田間作業(yè)，而且經(jīng)常要跨壟，行走底盤(pán)應(yīng)具有較強(qiáng)的配套動(dòng)力、良好的爬坡性能且著地壓強(qiáng)小，因此采用了自走式履帶底盤(pán)。底盤(pán)高500mm，長(zhǎng)1 500mm，寬900mm。

2.3 壅土裝置的設(shè)計(jì)

白芹壅土成型裝置包括兩個(gè)螺旋鉸刀、兩個(gè)固定架、兩個(gè)罩殼、高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

1. 螺旋鉸刀 2.攏苗架 3.取土罩殼 4.寬度調(diào)節(jié)架 5.高度調(diào)節(jié)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(kuò)張，這樣在壅土過(guò)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(shè)置有高壓噴水孔配合濕度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)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(shè)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)高度調(diào)節(jié)架、兩個(gè)調(diào)節(jié)螺桿和兩個(gè)調(diào)節(jié)螺母；壅土寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)調(diào)節(jié)架和兩根調(diào)節(jié)橫梁，可以根據(jù)每塊田里白芹的長(zhǎng)勢(shì)而調(diào)節(jié)壅土成型模具高度與寬度，分別對(duì)稱(chēng)固定在固定架上。

2.4 濕度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

濕度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位于第2柴油機(jī)一側(cè)，包括水箱、水泵和水管。水箱固定在動(dòng)臂架的后端中下側(cè)，水泵固定在第2柴油機(jī)一側(cè)，通過(guò)水管從水箱取水，加壓后通過(guò)水管輸入到壅土裝置的罩殼前端。

2.5 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)系統(tǒng)包括第2柴油機(jī)、萬(wàn)向聯(lián)軸器、兩對(duì)小皮帶輪和兩對(duì)大皮帶輪。第2柴油機(jī)固定在動(dòng)臂架的前中部，第1對(duì)小皮帶輪分別與第2柴油機(jī)輸出軸固連。另外，第1對(duì)大皮帶輪分別固定在萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器輸入軸一端端頭上，剩余一對(duì)小皮帶輪作為第2次皮帶輪傳動(dòng)的動(dòng)力輸出，其輸入軸與萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器的輸出軸固連，剩余一對(duì)大皮帶輪分別固定在壅土裝置的傳動(dòng)軸上。傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

1.小皮帶輪1 2.大皮帶輪1 3.萬(wàn)向節(jié)聯(lián)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(jī)構(gòu)

液壓升降機(jī)構(gòu)包括動(dòng)臂架、油箱、液壓缸和其他液壓輔助元件。動(dòng)臂架一端與機(jī)架底盤(pán)中部鉸接，油箱固定在動(dòng)臂架一端上側(cè)，液壓缸設(shè)置在動(dòng)臂架中部下側(cè)，液壓缸缸體與機(jī)架底盤(pán)一端鉸接，液壓缸活塞桿與動(dòng)臂架中部鉸接。調(diào)整好高度后，采用單向閥與三位四通手動(dòng)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(dòng)臂架的升降調(diào)速范圍為0.05～0.8m/min。

1.濾油器 2.變量泵 3.三位四通手動(dòng)換向閥 4.單向閥 5.液壓缸 6.調(diào)速閥 7.溢流閥

3 螺旋鉸刀工作參數(shù)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(shí)間內(nèi)螺旋鉸刀的取土量和螺旋鉸刀其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)定，可按公式(1)[7]計(jì)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(shù)，取φ=0.7；

K—土壤綜合特性的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，查表得K=0.049 0；

C—土壤傾斜輸送的校正系數(shù)，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(jī)向前行駛速度，取V前=0.1m/s。

帶入各值，計(jì)算得螺旋直徑D=235mm。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)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?zhí)幚矶桑浜穸鹊倪x取可參考表1。本設(shè)計(jì)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(nèi)壁的最佳配合間隙應(yīng)保持在0.1～0.8mm 范圍內(nèi)[9]，本設(shè)計(jì)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(jì)算公式為

(4)

螺旋葉片的螺距的計(jì)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(jì)算公式為

d=(0.35～0.7)D

(7)

故d=(0.35～0.7)D=87.5～175mm。本設(shè)計(jì)取螺旋軸徑d=90mm。

3.3 螺旋鉸刀軸向運(yùn)動(dòng)分析與運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定

在對(duì)螺旋鉸刀的運(yùn)動(dòng)與受力進(jìn)行分析前，為了方便研究和簡(jiǎn)化計(jì)算，做出如下假設(shè)[10]：

1)不考慮土壤擠壓的過(guò)渡狀態(tài)(即土壤已經(jīng)填充滿(mǎn)螺旋空隙)，土壤一進(jìn)入罩殼就開(kāi)始輸送與擠壓過(guò)程；

2)土壤之間連續(xù)、規(guī)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(rèn)為螺旋葉片、罩殼與土壤及土壤之間的摩擦因數(shù)相同，取u=0.3；

5)忽略土壤之間的內(nèi)聚力，土壤流動(dòng)穩(wěn)定。

3.3.1 軸向運(yùn)動(dòng)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(zhì)點(diǎn)A，當(dāng)螺旋軸以角速度ω勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，土壤質(zhì)點(diǎn)與螺旋葉片間有沿著表面的相對(duì)滑動(dòng)速度vp，兩者速度合成為vb，沿垂直于螺旋葉片的方向前進(jìn)。由于螺旋葉片與土壤之間存在摩擦力，使得vp變?yōu)関t，vb偏離一個(gè)θ角度變?yōu)関a，沿軸向的速度vd變?yōu)関c。土壤質(zhì)點(diǎn)的速度分析如圖5所示。

圖5 土壤質(zhì)點(diǎn)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(shí)，土壤沿軸向的運(yùn)動(dòng)速度與螺旋鉸刀的半徑、轉(zhuǎn)速、摩擦角和螺旋升角有關(guān)。其中，后3個(gè)參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，意味著土壤在螺旋軸上各點(diǎn)的軸向運(yùn)動(dòng)速度僅隨半徑變化而變化，越靠近取土罩殼壁的土壤質(zhì)點(diǎn)軸向速度越大，土壤間不可避免地存在分層現(xiàn)象。

為了研究方便，認(rèn)為同一平面上的各土壤質(zhì)點(diǎn)沿著軸向運(yùn)動(dòng)的速度相同，其大小取軸向速度的中值，即處于螺旋葉片內(nèi)徑與外徑中間的土壤質(zhì)點(diǎn)的速度。由此可得

(10)

3.3.2 螺旋鉸刀轉(zhuǎn)速的確定

白芹壅土機(jī)帶動(dòng)螺旋鉸刀向前取土，此時(shí)白芹壅土機(jī)每秒的前進(jìn)距離S1可認(rèn)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(zhuǎn)速(r/s)。

θ—土壤與螺旋葉片的摩擦角，取θ=30°；

T—取T=1s。

n設(shè)計(jì)≥kn0

(14)

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

將各參數(shù)值帶入，即可得轉(zhuǎn)速n設(shè)計(jì)≥3.2r/s=192r/min,取n設(shè)計(jì)=240r/min。

本設(shè)計(jì)以表2中螺旋鉸刀的相關(guān)參數(shù)為參考，對(duì)白芹壅土機(jī)的相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和選型。

表2 螺旋鉸刀的參數(shù)

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)地概況

為了測(cè)試白芹壅土機(jī)械的工作情況，于2016年5月在溧陽(yáng)市戴埠鎮(zhèn)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司實(shí)驗(yàn)田內(nèi)進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地面積0.60hm2，所處地勢(shì)平坦，土壤類(lèi)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(jī)的作業(yè)。白芹壅土機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示。

圖6 白芹壅土機(jī)

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

白芹壅土機(jī)田間性能試驗(yàn)測(cè)試結(jié)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(zhǎng)度L

表4 成型土壤參數(shù)平均值

圖7 壅土效果

4.3 試驗(yàn)分析

通過(guò)以上計(jì)算發(fā)現(xiàn)：此含水率下的成型壅土得出的白芹損傷率為3.8%、土壤堅(jiān)實(shí) 度均值為106.89kPa，均符合設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)值，最大偏差約為6mm，在可接受范圍內(nèi)。造成這種情況的原因在于土壤在壅土過(guò)程中被擠壓縮，體積減小。另外，由于田間地勢(shì)不平坦，白芹壅土機(jī)在行駛過(guò)程中車(chē)體存在傾斜抖動(dòng)，導(dǎo)致兩側(cè)成型壅土的高度和寬度之間會(huì)存在較大差距，甚至導(dǎo)致部分成型壅土的高度與寬度能夠超過(guò)設(shè)計(jì)值。有些土壤堅(jiān)實(shí)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(guān)。

5 結(jié)論

1)基于白芹的種植模式，并結(jié)合傳統(tǒng)壅土工藝和水田作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種白芹壅土機(jī)并詳細(xì)闡述了各部分的結(jié)構(gòu)組成，能實(shí)現(xiàn)攏苗、取土和成型。

2)通過(guò)理論分析和計(jì)算，確定螺旋鉸刀的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

3)在完成整機(jī)裝配后，選定了含水率 為30%～40%的稻板田進(jìn)行田間試驗(yàn)，以白芹損傷率、成型壅土的堅(jiān)實(shí)度成型壅土的高度和寬度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果表明：含水率為30%～40%時(shí)，成型效果良好，白芹壅土機(jī)能夠完成設(shè)計(jì)要求。