生产管理机械化岗位

徐丽明 马帅 袁全春 刘星星 牛丛 曾鉴 陈晨 袁训腾

  针对沙土和沙壤土地区葡萄藤埋土春季清除人工作业效率低、工作量大和其他机器清土不彻底、易伤藤等问题，本文设计了一种刷子摆动式葡萄藤清土机（图1），该机器主要由机架、刷土部件、摆动机构、传动机构和限深轮等组成。作业时，由拖拉机牵引其前进，同时通过动力输出装置（power takeoff，PTO）将动力传给变速箱，由变速箱输出轴将动力经两级带传动传给刷子驱动轴，最后传到刷土部件，带动其旋转进行清土作业；由拖拉机后方自带的液压输出口为摆动机构中的液压缸提供液压油，并在靠近拖拉机手的右侧安装1个液压阀手柄，在前进过程中，拖拉机手通过观察刷土部件的作业位置来控制液压阀手柄，当遇到水泥柱时，通过扳动液压阀手柄使刷土部件向后摆动缩回，待避开水泥柱后，再次扳动液压阀手柄，使刷土部件伸回水泥柱间继续进行清土，本侧清土作业完成后，在另一侧以同样的方式进行作业，每一行葡萄藤埋土土垄经过两侧清土即可完成整个清土作业过程。

  摆动机构、刷土部件和传动系统为该机器的关键部件，其中摆动机构中的液压缸是控制刷土部件避开水泥柱的核心部件，其缸径和行程是设计时需要考虑的2个关键结构参数，通过对摆动机构的动力学分析，选取缸径为40 mm，活塞杆直径为25 mm，活塞杆仅受拉压作用，推力为20 100 N，拉力为12270 N，前端采用耳环连接，转动位置固定焊接在其外侧轴向上，并与机架上的支撑件连接的HSG 型工程液压缸；通过对摆动机构的运动学分析计算，保证在作业时，刷土部件能够顺利避开水泥柱，在水泥柱横截面尺寸为100×100 mm的前提下，确定液压缸行程为200 mm。

  由葡萄藤埋土后行成的土垄外形尺寸确定刷土部件中刷子的参数，即刷片直径为550 mm，刷子滚筒上叠压20片刷片，每片厚度为17.5mm，刷子总高度为350 mm，为了配合与刷子滚筒的安装，刷片内孔直径设计为165 mm，2个卡槽之间的距离为31 mm，同时确定了刷丝由耐磨损、高强度的塑料制成，刷丝直径为2 mm。为了使机器在作业过程中，对刷土部件和葡萄藤起到过载保护作用，其传动系统采用带传动，因为当遇到较大阻力时，皮带会出现打滑现象，带传动选用双槽皮带轮和A型V带。

  清土机作业时，将清除的土壤抛送到葡萄行正中间时所对应的工作参数为机器的最佳工作参数，为确定此最佳工作参数，采用离散元软件EDEM建立葡萄藤埋土土垄模型和刷土部件模型，并进行虚拟仿真试验，忽略刷土部件的摆动功能，以前进速度v和刷子转速n为试验因素，以清土中心距L（土垄上的土壤被清除后在行间分布区域的中心线与两行水泥柱之间中心线的距离）为试验指标，L越小，作业效果越好。经过预实验和配合实际情况，确定前进速度范围为0.5~1.2m/s，刷子转速范围为250~750 r/min，采用2因素4水平全因子组合试验方法共进行16组试验，得到了每组清土中心距L的值，通过对试验结果进行方差分析，确定前进速度是极显著影响因素，刷子转速是不显著影响因素，故根据试验结果先确定刷子的最佳转速为500 r/min，为确定最佳前进速度v，在刷子转速n为500 r/min的情况下进行单因素试验，由于当前进速度为1m/s左右时，清土中心距L较小，故选取前进速度v分别为0.9、0.95、1.0、 1.05 和1.1 m/s时，在EDEM中再次进行清土仿真试验，并测量出对应的清土中心距L，将此时清土中心距L和前进速度v进行数据拟合，得到相应的拟合曲线和拟合方程，最后优化确定当L取最小值时，对应的v为0.99 m/s，故最终以v=0.99 m/s，n=500 r/min作为刷土部件运动参数的最优值，此时清土中心距L为18.15 mm，由于仿真环境进行了0.5倍比例的缩小，故按1:1仿真实验时，清土中心距L约为36.30 mm。

  为验证机器的优化参数，加工物理样机，于2019年4月初在宁夏农林科学院枸杞研究所内的葡萄园进行田间试验，如图2所示。试验时，选择2垄葡萄藤埋土，机器按照仿真优化后的运动参数在每垄埋土两侧来回共进行4趟清土作业，在对每垄葡萄藤埋土试验之前，先标记行间中心线，作业完成后，葡萄藤埋土被刷土部件清除到行间，然后再标记每部分行间土壤分布中心线，对机器每趟清土作业随机选取5个测量点，共20个，用卷尺和钢尺测量这20处两条中心线之间的距离即为田间试验的清土中心距L，最后计算其平均值为45 mm，与仿真优化试验结果的相对误差为(45-36.3)/45×100%=19.33%,产生误差的原因主要由葡萄园内土壤条件差异、土壤中的杂物、地面的平整度和拖拉机手驾驶拖拉机前进并操作液压阀手柄存在人为误差因素等方面造成，此外，当刷土部件入土量较大且前进速度较快时，田间试验容易出现皮带打滑现象，而在仿真中是不存在的。总体上，田间试验结果与仿真优化试验结果基本一致。

  为评价机器的综合作业性能，对其清土率C和相应的葡萄藤损伤率B也进行了测量计算。清土率C的计算，依据土垄横截面尺寸的变化，计算公式为C=1-[(a'+b')*h'/(a+b)*h]×100%……（1）式中a、b、h分别为清土作业前土垄的上底宽、下底宽和高度，mm，mm，mm；a'、b'、h'分别为完成清土作业后土垄的上底宽、下底宽和高度，mm，mm，mm；葡萄藤损伤率B的计算，本文设定为清土机作业完成后，用卷尺和钢尺测量得到的两根圆管铁柱之间有明显破皮损伤的葡萄藤总长度与两根圆管铁柱之间距离的比值，本文中两根圆管铁柱之间的距离为6 m，则计算公式为B=(l/6)×100% ……（2）式中l为两根圆管铁柱之间有明显损伤的葡萄藤总长度，m。

  机器作业完成后，在每行葡萄藤埋土土垄上随机选取5个圆管铁柱空档，2行共选取10个，并在每个空档内随机选择一个测量点，通过卷尺和钢尺分别测量出这10个测量点在清土作业前和清土作业后的土垄横截面尺寸大小，同时测量出这10处圆管铁柱空档之间被清土部件在作业时损伤的葡萄藤长度，最后通过公式（1）、（2）计算得到机器清土率C和葡萄藤损伤率B分别为85.06%和4.17%。该研究可为葡萄藤机械化清土的推广和使用提供参考。