牛叢，曾鑒，徐麗明，馬帥，閆成功，趙詩建

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京市，100083)

0 引言

截至2018年底，中國鮮食葡萄種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1-2]，但葡萄生產(chǎn)機械化仍處于較低水平[3-4]。葡萄作為喜溫作物，在世界范圍內(nèi)主要分布于溫帶及亞熱帶[5]，意大利、西班牙等葡萄生產(chǎn)大國屬于溫帶海洋性氣候和地中海氣候，全年氣候條件適宜葡萄生長。然而中國的葡萄種植區(qū)一半以上位于北方[6]，冬季寒冷干燥且多風，需要對葡萄藤進行防寒保護[7-8]，以埋土防寒模式應用最廣泛，即對下架的葡萄藤以覆土成壟的方式使其安全越冬[9]；等到第二年春季，將葡萄藤上方覆土清除便于葡萄藤上架。因此，中國北方葡萄種植較國外增加了兩道獨特的作業(yè)環(huán)節(jié)[10-11]：冬季下架埋藤防寒和春季清土起藤。目前，葡萄冬季埋藤作業(yè)已基本實現(xiàn)機械化，而葡萄春季清土起藤作業(yè)仍然依靠人工完成，存在人工成本高、效率低、勞動強度大等問題[12]。春季清土起藤作業(yè)具有很強的時效性[13]，過早過晚都不利于葡萄生長，因此亟需實現(xiàn)葡萄春季清土起藤作業(yè)的機械化。

近年來，針對葡萄藤埋土防寒模式，許多學者相繼研究了不同類型的葡萄防寒土清除機[14-18]，馬帥等[14]研制了葉輪旋轉(zhuǎn)式單邊清土機，采用旋轉(zhuǎn)葉輪與刮板組合清除土壟側(cè)邊土；謝東[15]、劉松[17]根據(jù)葡萄埋藤特點采用螺旋攪龍與防寒布組合的形式實現(xiàn)防寒土的清除。葡萄清土機所采用的清土部件主要包括刮板、攪龍、葉輪等，大多屬于剛性部件，由于葡萄藤在土壟中分布不規(guī)律，作業(yè)人員難以根據(jù)葡萄藤在土壟中的位置實時調(diào)整清土部件的位置，導致剛性清土部件與葡萄藤產(chǎn)生誤接觸，損傷葡萄藤，影響來年葡萄生長的質(zhì)量和產(chǎn)量；而避開葡萄藤作業(yè)將導致清土效率低下，清土效果變差。

針對上述問題，本文結(jié)合前期研究擬設(shè)計一種采用旋轉(zhuǎn)刷子與高壓氣流組合清土的氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機，闡述其工作原理，確定關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和參數(shù)；分析影響機器清土效果的因素，加工樣機并設(shè)計試驗，對各個影響因素進行分析優(yōu)化，以期解決現(xiàn)有葡萄春季清土作業(yè)存在的難題，為后續(xù)葡萄清土機械的優(yōu)化與發(fā)展提供新思路。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

本文設(shè)計的氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機為單邊清土機，作業(yè)時僅清除土壟一側(cè)的防寒土，適用于中國北方偏沙性土質(zhì)的葡萄種植區(qū)，如新疆、寧夏、甘肅等地。由實地調(diào)研可知，冬季葡萄藤下架沿水泥柱鋪放、捆綁并覆土成壟[19]，埋土形成土壟的截面形狀呈梯形，尺寸如圖1所示。葡萄種植行距e平均為3 m，土壟截面近似等腰梯形[14]，上底寬度a平均為350 mm，下底寬度d平均為1 000 mm，土壟高度h平均為300 mm。為了便于分析，將土壟劃分為外、中、內(nèi)3部分。其中外部土壤通過剛性清土部件如刮土板清除，本文設(shè)計的機器主要清除土壟單側(cè)貼近葡萄藤的中、內(nèi)部土壤。

(a)土壟截面

1.1 整機結(jié)構(gòu)

氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機的整機結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，由機架、清土刷總成、高壓風機總成、傳動機構(gòu)和限深輪等組成。機架為整機零部件的安裝載體，其前端為三點懸掛，用于與拖拉機掛接。清土刷總成安裝于機架前端右側(cè)，包括刷片、橡膠板、清土刷傳動軸等；刷片與橡膠板均為柔軟、有彈性材料，二者共同構(gòu)成清土刷，分別位于清土刷傳動軸中、下部并均勻分布于清土刷傳動軸四周。高壓風機總成安裝于機架后部，包括風機、風管、出風口、出風口方位調(diào)節(jié)裝置等；風機固定在機架后部，風管連接出風口和風機，出風口方位調(diào)節(jié)裝置固定并調(diào)節(jié)出風口的角度和高度，以確定高壓氣流噴射方向。機械傳動系統(tǒng)組成如圖2(b)所示，傳動機構(gòu)將拖拉機輸入的動力分兩路為清土刷總成和高壓風機總成傳遞動力，包括變速箱、鏈傳動組件、帶傳動組件I和帶傳動組件Ⅱ等；變速箱的后輸出軸通過聯(lián)軸器與中間傳動軸Ⅰ相連，經(jīng)鏈傳動組件和帶傳動組件Ⅰ與風機相連，從而將拖拉機輸出的動力傳遞至風機以驅(qū)動風機轉(zhuǎn)動產(chǎn)生穩(wěn)定的高壓氣流；變速箱的上輸出軸經(jīng)帶傳動組件Ⅱ與清土刷傳動軸相連，從而將動力傳遞至清土刷以驅(qū)動清土刷轉(zhuǎn)動。2個限深輪分別安裝在機架左、右兩側(cè)，支撐整機并調(diào)整機具作業(yè)高度。

(a)三維模型

1.2 工作原理

作業(yè)前，首先通過刮板式清土機刮除土壟側(cè)邊200 mm寬度的防寒土，然后土壟單側(cè)剩余300 mm寬度的防寒土由氣吹梳刷組合式清土機清除。該機器通過三點懸掛掛接在拖拉機后方，調(diào)整機組在行間的位置和限深輪的高度，使清土刷處于合適的作業(yè)位置；調(diào)整并固定出風口方位，使高壓氣流沿較優(yōu)的清土方向噴射。拖拉機牽引機具前進，拖拉機動力輸出軸(PTO)輸出的動力經(jīng)萬向節(jié)傳遞至變速箱并分兩路輸出，一路動力從變速箱后輸出軸經(jīng)鏈傳動和帶傳動傳遞至高壓風機總成以驅(qū)動風機轉(zhuǎn)動輸出穩(wěn)定高壓氣流，另一路動力從變速箱上輸出軸經(jīng)帶傳動傳遞至清土刷總成以驅(qū)動清土刷轉(zhuǎn)動。作業(yè)時，清土刷以540 r/min 的轉(zhuǎn)速逆時針旋轉(zhuǎn)(俯視)梳刷土壤，將土壟中部100 mm寬度的土壤掃除至行間，柔軟有彈性的清土刷接觸到葡萄藤時基本不會對葡萄藤產(chǎn)生損傷；風機轉(zhuǎn)動持續(xù)輸出穩(wěn)定的高壓、高速氣流，氣流流經(jīng)風管從出風口沿固定的方向噴射，出風口風壓和風速分別為9 279 Pa、124.34 m/s，可將內(nèi)部緊貼葡萄藤的土壤吹離土壟使葡萄藤露出土表，便于后期人工起藤上架，氣吹清土過程中不接觸葡萄藤，不會對葡萄藤產(chǎn)生損傷；刷梳與氣吹兩種清土方式相結(jié)合，能夠有效降低機械化清土作業(yè)中葡萄藤的損傷率，改善清土作業(yè)質(zhì)量。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合中國北方葡萄種植農(nóng)藝要求和冬季埋土作業(yè)狀況，確定氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機的主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與選型

2.1 清土刷總成

清土刷總成由刷片、橡膠板、花鍵軸軸套、清土刷安裝座、橡膠板安裝座等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。清土作業(yè)時清土機僅清除土壟單側(cè)覆土，即一次作業(yè)清土寬度僅為土壟下底寬的一半。由實地調(diào)研可知，下架捆綁的葡萄藤束寬度b約為300 mm，刮土板刮除土壤寬度為200 mm，氣吹清土寬度遠小于刮土板，約為50 mm，則清土刷理論清土寬度f如式(1)所示。清土刷逆時針旋轉(zhuǎn)(俯視)掃除土壟中部土壤，可防止土壤回填，由圖1可知，土壟側(cè)邊傾斜，而清土刷總成外形呈圓柱狀，直徑為550 mm，高度為400 mm，作業(yè)時保持豎直，故其上部清除土壤少于下部；同時，土壟底部土壤緊實度大于中上部，故清土刷總成受力從上往下依次增大。由前期試驗可知，全部由刷片組成的清土刷總成作業(yè)時底部刷絲較中上部脫落、磨損、變形嚴重，影響底部清土質(zhì)量，長期作業(yè)需頻繁更換底部損壞的刷片。

(1)

為解決清土刷上下受力不均導致的材料損壞問題，將清土刷總成(圖3)設(shè)計為分層結(jié)構(gòu)[20]，上層為刷片，下層為橡膠板，以適應土壟不同深度緊實度的變化。刷片由密布的刷絲組成，有效長度為150 mm，高度為300 mm；橡膠板有效長度為150 mm，高度為100 mm。下層橡膠板為柔軟、有彈性材料，但硬度較刷片高，受力變形程度小于刷片，耐磨損，故用于清除土壟底部土壤。分層結(jié)構(gòu)適應土壤緊實度變化，能有效減少材料的磨損變形，改善清土效果。

圖3 清土刷總成結(jié)構(gòu)

2.2 風機與出風口

高壓風機作為氣吹清土的關(guān)鍵部件，選型需要考慮作業(yè)對象的特殊性。由前文可知，氣吹清土需要盡可能達到200 mm的清土寬度要求，其中葡萄藤寬度占據(jù)絕大部分，剩余土壟寬度小于50 mm；雖然清土寬度較小，但土壤的緊實度和密度大，因此需要具有較高風壓、風速的氣流才能達到作業(yè)要求。通過對比目前市面常見的高壓風機類型，選定穩(wěn)赫8-09型高壓風機，風機性能參數(shù)如表2所示。拖拉機動力輸出軸輸出轉(zhuǎn)速為540 r/min，依次通過3倍鏈傳動增速和2倍帶傳動增速，以總計6倍增速傳動設(shè)計驅(qū)動風機達到額定工作狀態(tài)，從而保持長時間穩(wěn)定工作。為了減少高壓氣流在風管變徑處的壓降與速度損失，同時保證氣流的清土效果，選擇內(nèi)徑為120 mm的風管，與風機出風口外徑保持相同。出風口結(jié)構(gòu)形狀考慮出風口方向可調(diào)節(jié)的要求，選擇圓柱形萬向球鉸結(jié)構(gòu)。

表2 風機性能參數(shù)

2.3 出風口方位調(diào)節(jié)裝置

出風口方位調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)高壓氣流的噴射方向以適應不同的埋土狀況，從而保證氣吹清土達到較好作業(yè)效果，由外套管、內(nèi)套管、轉(zhuǎn)軸、限位板等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。出風口方位調(diào)節(jié)裝置需要實現(xiàn)出風口在三維空間內(nèi)角度和高度的調(diào)節(jié)，可分解為x、y、z三個方向的位置調(diào)節(jié)。出風口為萬向球鉸結(jié)構(gòu)，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)一個初始角度并固定，便于出風口與風管連接。出風口通過內(nèi)套管前端的限位孔實現(xiàn)其在豎直方向(z)400 mm范圍內(nèi)的高度調(diào)節(jié)，可適應不同葡萄園內(nèi)土壟高度的變化。外套管通過轉(zhuǎn)軸與機架鉸接，轉(zhuǎn)動實現(xiàn)其在水平面90°范圍內(nèi)的角度(x，y)調(diào)節(jié)，并通過限位板固定該角度，從而確定出風口在水平面內(nèi)的角度。調(diào)節(jié)內(nèi)套管相對外套管的伸縮長度可達500 mm，使出風口與土壟保持合適的間距(y)。出風口方位調(diào)節(jié)裝置在x、y、z三個分方向的位置調(diào)節(jié)，共同實現(xiàn)了出風口三維空間內(nèi)的方位調(diào)節(jié)，進而滿足作業(yè)要求。

圖4 出風口方位調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)

3 田間試驗

影響氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機作業(yè)性能的參數(shù)包括清土刷轉(zhuǎn)速、高壓氣流流速與噴射方向、出風口形狀尺寸、機具前進速度等，為了使機器實現(xiàn)較好地清土效果，需要對上述參數(shù)進行優(yōu)化。葡萄春季清土作業(yè)速度通常在3 km/h以下，為保證清土作業(yè)質(zhì)量并防止過高作業(yè)速度導致葡萄藤損傷率增大，將機具前進速度保持在高速狀態(tài)(3 km/h)，優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)同樣適用于中、低速狀態(tài)；參考本團隊前期研究，清土刷轉(zhuǎn)速設(shè)計為540 r/min[20]，高速作業(yè)時仍能保持較好地清土效果；在傳動比固定的機械傳動系統(tǒng)中，穩(wěn)定工作時高壓風機的輸入轉(zhuǎn)速是固定的，輸出氣流的流速、風壓等也是固定的，不能針對不同作業(yè)狀況實時調(diào)節(jié)。結(jié)合前期研究，本文僅針對高壓氣流的噴射方向即出風口方位進行優(yōu)化以改善氣吹清土作業(yè)效果，從而保證機器的最終清土效果滿足作業(yè)要求。

3.1 試驗準備

本文根據(jù)有關(guān)國家標準和農(nóng)業(yè)機械試驗方法于寧夏農(nóng)林科學院葡萄園開展田間試驗，試驗地土質(zhì)與實際埋土作業(yè)土質(zhì)相同。由于試驗時沒有下架埋藤的土壟，故在試驗地模擬葡萄冬季埋土作業(yè)。選擇某一方向作為行向，沿行向間隔2.5 m豎直擺放鋼管作為水泥柱，以水泥柱為中心沿行向構(gòu)建上底350 mm、下底1 000 mm、高300 mm、長10 m的土壟，并選擇若干直徑為30～60 mm的葡萄藤置于離地200 mm的土壟中央，構(gòu)建好的土壟的平均含水率為8%，土壤緊實度在69～135 kPa范圍內(nèi)變化。試驗儀器及設(shè)備包括雷沃歐豹FT70型輪式拖拉機、風壓風速測試儀、電子量角器、秒表、卷尺等。

3.2 出風口方位優(yōu)化試驗

試驗開始前，啟動拖拉機動力輸出軸以驅(qū)動清土刷和風機轉(zhuǎn)動，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后測得出風口風壓和風速分別為9 279 Pa、124.34 m/s。采用刮板式清土機將土壟外部200 mm寬度的土壤刮除，然后切斷風機動力輸入，采用獨立的清土刷掃除土壟中部100 mm寬度的土壤，剩余土壟作為氣吹清土試驗環(huán)境。

3.2.1 試驗因素

出風口方位在三維空間內(nèi)由高度和角度決定，如圖5所示，出風口中軸線AC沿z軸的投影與x軸的夾角α、出風口中軸線AC沿x軸的投影與z軸的夾角β決定出風口三維空間角度，出風口前端A在土壟側(cè)邊的對應點H決定出風口高度。為減小氣流在管道彎曲部分的壓降和速度損失[21]，管道彎曲不應超過30°[22]，即僅在±30°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此控制α在x-y平面內(nèi)變化范圍不超過60°；β受萬向球鉸結(jié)構(gòu)限制，其在y-z平面內(nèi)變化范圍不超過30°。葡萄清土作業(yè)要求使盡可能多的葡萄藤露出土壤表面，當高壓氣流作用于土壟上部和中部時，土壤被清理至行間或受擾動滑落至土壟底部，不影響葡萄藤露出土表；高壓氣流作用于土壟底部，上方防寒土容易滑落重新掩埋葡萄藤；同時考慮各地葡萄園種植模式存在差異，土壟高度不一，難以采用統(tǒng)一的量化參數(shù)，故H取土壟中、上部，即A、B點對應的位置。為尋求較優(yōu)出風口方位，對以上3個參數(shù)(α、β、H)采用擬水平法[23-24]試驗尋優(yōu)，選用正交表L9(34)進行試驗設(shè)計與分析[25]，按照各參數(shù)的取值范圍安排因素水平，如表3所示。

圖5 出風口方位示意圖

表3 試驗因素與水平

3.2.2 評價指標

目前清土作業(yè)質(zhì)量尚無明確的量化評價指標[14, 26-27]，評價方法多因機器不同而異，本文結(jié)合氣吹梳刷組合式清土的特點，考慮后期便于人工發(fā)現(xiàn)葡萄藤的位置并將其從土壟中取出上架，以葡萄藤露出土壤表面作為清土合格的評價標準。測量每行土壟總長度和清土作業(yè)后滿足清土合格標準的土壟長度，計算清土合格長度與土壟總長度的比值，將其定義為清土合格率，清土合格率越高，則清土作業(yè)質(zhì)量越好，機器作業(yè)性能越好。

3.2.3 試驗方案與結(jié)果分析

每組試驗重復3次，結(jié)果取平均值，試驗方案與結(jié)果如表4所示。在擬水平法試驗中，因素H與因素α和β的水平數(shù)不同，采用極差分析法來比較因素的主次是不恰當?shù)模捎梅讲罘治龇ㄈ阅艿玫娇煽康慕Y(jié)果。為了獲得較優(yōu)出風口方位，對試驗結(jié)果進行了方差分析[28]，結(jié)果如表5所示。

表4 試驗方案與結(jié)果

表5 方差分析結(jié)果

從表5可以看出，3個因素對清土合格率的影響由大到小依次為α、β、H。α對清土合格率的影響最大，清土合格率隨α增大而減??；隨α增大，高壓氣流對土壤的正向作用力逐漸增大，而切向作用力逐漸減??；清土刷梳刷土壤時會對未清除的內(nèi)部土壤有壓實作用，導致內(nèi)部土壤緊實度增大；高壓氣流對土壤的切向作用趨近于逐層清除防寒土，作業(yè)阻力相對較小，正向作用更趨近于防寒土壟的整體清除，作業(yè)阻力相對較大，故α較小時清土合格率較高，清土效果好。β對清土合格率的影響僅次于α，清土合格率隨β增大而減??；β對氣吹清土效果的影響規(guī)律與α相同，隨β增大，高壓氣流對土壤的正向作用力增強，而切向作用力減弱。α較β對清土作業(yè)的影響更大，這是由于α決定了高壓氣流切向作用沿機具前進方向，高壓氣流與土壤首次發(fā)生作用后強度雖然減弱，但會持續(xù)作用于前部土壤，使前部土壤松動并清除部分土壤，從而有助于提高高壓氣流沿該方向的清土效果；β決定了高壓氣流切向作用沿豎直向下的方向，而土壟高度較小，高壓氣流與土壤首次發(fā)生作用后沿地面擴散，并未對后續(xù)清土作業(yè)產(chǎn)生助力，故α較β對清土作業(yè)的影響更大。H對清土合格率的影響最小，清土合格率隨H增大而減小，這是由于無論刮土板還是清土刷均沿土壟側(cè)邊由外到內(nèi)的方向清土，葡萄藤上方土壤厚度是基本不變的，僅少量土壤因受到擾動而滑落土壟，H增大即高壓氣流作用高度增大(頂點)，清土阻力相對高壓氣流作用于較低位置(中點)時的清土阻力大，清土效果較土壟中部位置差。由于清土合格率越高氣吹清土效果越好，故出風口方位的較優(yōu)參數(shù)組合為α1β1H1,即α為30°，β為60°，H為中點，此時清土合格率為89.3%，葡萄藤無損傷，氣吹清土效果較好。

3.3 整機作業(yè)性能測試試驗

試驗開始前，首先采用刮板式清土機將土壟外部土壤刮除，然后將氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機掛接在拖拉機后端，將機組置于合適的作業(yè)位置，調(diào)整出風口方位，使出風口中軸線沿z軸的投影與x軸的夾角α為30°，出風口中軸線沿x軸的投影與z軸的夾角β為60°，出風口前端在土壟側(cè)邊的對應點H為中點。試驗時，拖拉機以3 km/h的速度牽引機具前進，沿構(gòu)建的土壟開始清土作業(yè)，旋轉(zhuǎn)的清土刷梳刷掃除土壟中部土壤，高壓氣流將緊貼葡萄藤的土壤吹離土壟，使葡萄藤從土壟中暴露出來。在相同試驗條件下重復3次構(gòu)建土壟，并進行3次清土作業(yè)，試驗完成后觀察機器清土效果并測量、記錄數(shù)據(jù)，作業(yè)過程及效果如圖6所示。

(a)物理樣機

3次試驗的清土合格率分別為89.7%、92.4%和91.8%，平均清土合格率為91.3%，試驗過程中葡萄藤基本無損傷，表明氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機作業(yè)性能較好。綜合考慮作業(yè)環(huán)境的復雜性，機具前進速度以1.5 km/h為準，人工作業(yè)速度以30 m/h為準[14, 16, 18, 27, 29]，則機器作業(yè)效率為人工作業(yè)效率的50倍，作業(yè)效率高。綜上，氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機清土效果好，作業(yè)過程中基本不損傷葡萄藤，作業(yè)效率高，滿足葡萄清土作業(yè)要求。

4 結(jié)論

1)設(shè)計了一種由機架、清土刷總成、高壓風機總成、傳動機構(gòu)等組成的氣吹梳刷組合式葡萄藤防寒土清除機，可清除貼近葡萄藤的土壟中、內(nèi)部土壤，使葡萄藤露出土表，基本不損傷葡萄藤。

2)分析確定了清土刷總成為分層結(jié)構(gòu)，適應不同清土高度下土壤緊實度的變化；選擇穩(wěn)赫8-09型高壓風機，在額定工作條件下可持續(xù)輸出滿足作業(yè)要求的高壓氣流；確定風管內(nèi)徑與風機出風口保持相同，出風口結(jié)構(gòu)形式選用圓柱形萬向球鉸結(jié)構(gòu)，出風口輸出穩(wěn)定氣流風壓與流速為9 279 Pa、124.34 m/s；設(shè)計了出風口方位調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)了出風口在三維空間內(nèi)的角度和高度調(diào)節(jié)。

3)分析確定了影響高壓氣流噴射方向即出風口方位的3個參數(shù)，其中出風口中軸線沿z軸的投影與x軸的夾角α以及出風口中軸線沿x軸的投影與z軸的夾角β決定出風口在三維空間的角度，出風口前端在土壟側(cè)邊的對應點H決定出風口高度。

4)加工樣機，以清土合格率為評價指標，采用擬水平法設(shè)計試驗以對出風口方位進行優(yōu)化。對試驗結(jié)果進行方差分析可知決定出風口方位的3個參數(shù)對清土合格率的影響由大到小依次為α、β、H，較優(yōu)參數(shù)組合為：α為30°，β為60°，H為中點，此時清土合格率為89.3%，作業(yè)過程不損傷葡萄藤，說明氣吹清土效果較好。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整出風口方位，進行整機作業(yè)性能測試試驗，得到平均清土合格率為91.3%，作業(yè)過程中基本不損傷葡萄藤，作業(yè)效率為人工作業(yè)效率的50倍，清土效果較好，滿足作業(yè)要求。