生产管理机械化岗位
徐丽明 马帅 刘星星 袁全春 牛丛 王烁烁 闫成功 赵诗建
0 引言
新疆是我国葡萄第一大生产地，近年来，当地葡萄园改变单纯依靠机械完成清土作业的思路，改变防寒模式以便更好地进行清土作业，采用 PP 或 PE 材质的多色条带状编织篷布（简称“防寒布”）覆盖在下架捆绑好的葡萄藤上，再以10～30cm 厚度的土壤覆盖压实；春季清土时，只需将防寒布上的土，清除到行间，就可以完成清土作业。且防寒布具有较强的耐低温、耐腐蚀和抗拉性能，1 条防寒布可循环使用 3～5 次，这种模式，节省人工，防寒布的材料成本较低，是未来的发展趋势。
针对新疆地区篱架式葡萄种植农艺要求以及清土作业存在的问题，本文结合防寒布辅助埋土模式下葡萄清土的作业要求，设计一种葡萄冬季埋土清除与防寒布回收机，根据清土及防寒布回收的工作原理，确定关键部件的结构及参数；通过仿真试验优化清土部件的结构参数和工作参数，确定最优参数组合并进行田间验证试验，以期实现切实有效的葡萄机械化清土作业，为后续葡萄清土机械的研究提供参考。
1 总体结构与工作原理
本文设计的葡萄埋土清除与防寒布回收机适用于中国北方篱架式葡萄园，以新疆地区单壁篱架式葡萄种植模式为例，本文取葡萄种植行距为3 m，防寒布宽度为1000mm，土垄宽度为1200 mm，土垄总高度为400 mm，葡萄藤上方覆土厚度为150 mm。
葡萄冬季埋土清除与防寒布回收机的整机结构如图1所示，由主机架、副机架、清土总成、卷布总成、液压系统和限深轮等组成。主机架是整机零部件的安装载体，通过三点悬挂装置与拖拉机挂接。副机架与主机架通过矩形管套接，以液压油缸相连。清土总成安装于副机架上，包括刮土板和清土叶轮，分别位于副机架前端和中部下方，上下位置可调。卷布总成位于主机架的后方，包括换向支架、清土毛刷辊和卷布辊，换向支架铰接安装在主机架后部左端和副机架后部右端；两个清土毛刷辊竖直固定在主机架后部，清土毛刷辊之间间隙恰好使防寒布通过；卷布辊安装于清土毛刷辊后部上方、主机架外延的安装架上，两端为销连接的榫卯结构，便于拆卸和更换。液压系统由液压泵、清土马达、卷收马达、液压油缸等组成，液压泵将PTO输入轴的机械能转化为液压能，为系统执行元件动作提供动力；清土马达位于清土叶轮正上方，驱动清土叶轮转动；卷收马达位于主机架的左侧，通过链传动驱动卷布辊转动；液压油缸两端分别连接主机架和副机架，调节副机架位置。2个限深轮分别位于主机架后部两侧，支撑整机并调节机组的作业高度。
拖拉机牵引机组前进，动力由拖拉机动力输出轴（PTO）经万向节传递至PTO输入轴，通过链传动增速后传递给液压泵，从而将机械能转化为液体压力能，驱动清土马达和卷收马达转动，并驱动液压油缸伸缩。作业前，根据机组与土垄相对位置调节液压油缸以调整副机架的位置，使安装于副机架上的刮土板和清土叶轮处于土垄的正上方；调节限深轮的高度，使整机处于合适高度并保持水平；调节刮土板和清土叶轮的相对高度，便于二者配合清除葡萄藤上方覆土；人工从土垄一端揭起防寒布，防寒布从右换向杆下方穿过，绕过左换向杆上方，换向到机器前进方向，然后从清土毛刷辊间隙穿过，向上平整缠绕在卷布辊上。作业时，拖拉机牵引机组前进，刮土板首先将土垄上部土壤推移至左侧行间，清土马达带动清土叶轮转动，清土叶轮的叶片高速旋转将土垄上方剩余土壤旋抛清理到行间；卷收马达通过链传动驱动卷布辊转动以卷收防寒布，张紧的防寒布翻转换向将剩余覆土倾倒在行间，清土毛刷辊清理防寒布上粘黏的土壤，保持防寒布的清洁，随后防寒布被卷收在卷布辊上，从而完成埋土清除和防寒布回收作业。
2 防寒布拉伸性能试验
采用Reger微机控制电子万能试验机进行防寒布拉伸试验，如图2所示。结果表明，无论新、旧防寒布经向抗拉强度和断裂伸长率均高于纬向，说明防寒布经向抗拉性能优于纬向，故防寒作业中应将防寒布经向作为其长度方向，将防寒布经向拉伸性能作为防寒布卷收机构的设计依据；旧防寒布经向抗拉强度和断裂伸长率低于新防寒布，旧防寒布纬向抗拉强度较新防寒布大，但仍低于经向抗拉强度，旧防寒布纬向断裂伸长率低于新防寒布；旧防寒布抗拉强度在性能较优的经向较新防寒布低，但降低程度较小，不影响其重复使用。
经前期试验测定，依靠纯拉力将1 m宽旧防寒布从20 cm厚的土垄中拉拽出来，拉力约为800 N，防寒布承受拉伸强度远低于其自身的抗拉强度，说明旧防寒布满足重复使用的强度要求。
3 离散元仿真试验
暂不考虑土垄中葡萄藤和防寒布的影响，将清土部件三维模型导入EDEM软件进行清土作业仿真试验，对影响清土效果的关键因素（曲率半径ρ、叶片数m、转速n ）进行仿真试验，获得各参数的最优组合。
3.1 建立仿真模型
以新疆地区壤土或沙壤土为原型，选择单球体土壤颗粒结构和Hertz-Mindlin（no slip）接触模型建立土壤模型，仿真模型参数通过实验测定和查阅文献获得。土壤颗粒的粒径分布范围为5～9 mm，呈正态分布，生成110000个土壤颗粒，生成土垄模型高度为150mm，宽度为1000 mm，长度为2000mm。设定清土部件以2 km/h的恒定速度前进，整个仿真过程持续时间为11s。
3.2 评价指标
将防寒土被清理到行间形成的新垄与原垄的中心距定义为清土距离k ，作为清土部件作业性能的评价指标，在作业行内清土距离越大，清土部件的清土能力越强；防寒布回收评价以实现卷收功能为准，尽量减少破损并卷收整齐。
3.3 正交仿真试验与参数优化
选用正交表L25(56)对所选3个参数进行三因素五水平正交仿真试验，因素与水平表如表1所示，试验结果如表2所示。
对试验结果进行了极差分析，结果表明，3个因素对清土距离的影响由大到小依次为刮土板工作面曲率半径ρ、清土叶轮的叶片数m、清土叶轮的转速n ，由此确定的较优参数组合为A4B3C3 ,即刮土板工作面曲率半径ρ为700 mm、清土叶轮的叶片数m为4片、清土叶轮转速n为500 r/min。对试验结果进行了方差分析，如表3所示，结果表明，对于指标清土距离k，刮土板工作面的曲率半径ρ为显著影响因素，而清土叶轮的叶片数m和转速n 为非显著影响因素，因此根据极差分析结果，确定清土叶轮最优叶片数和转速分别为4片和500 r/min。为了确定显著因素曲率半径的最优值，在清土叶轮叶片数为4片、转速为500 r/min基础上，以清土距离为试验指标对曲率半径进行单因素试验。在曲率半径600～800 mm取值范围内安排4个水平，分别为640、680、720、760 mm。单因素试验结果表明，当曲率半径为680 mm时，清土距离最大为294.27 mm，故刮土板工作面最优曲率半径为680 mm。
4 田间试验
于2019年7月在宁夏回族自治区的吴忠市附近开展田间试验，选择50 m长试验地模拟葡萄园冬季埋土作业。试验时，将机器各参数按照仿真试验优化结果调试至最佳状态，拖拉机以2 km/h的速度牵引机具进行作业。在相同试验条件下重复3次作业，试验完成后观察机器清土效果并测量、记录数据，试验地及模拟埋土土垄情况、埋土清除和防寒布回收作业过程与效果如图3所示。
实验结果如表4所示，对所测量记录的数据作均值处理，最终得到平均清土距离为271 mm，田间试验结果与仿真试验结果的相对误差为8%。实际作业中清土总成并不能完全清理防寒布上方覆土，剩余少量土壤被防寒布倾倒在行间会改变新土垄中心线位置，从而与仿真试验结果产生误差。防寒布在回收过程中产生极少量破损，并未出现断裂情况，能够实现卷收，但卷收平整度较差。机组作业速度为2 km/h，作业效率为人工作业效率的10倍以上，作业效率高。
综上，葡萄藤上方覆土基本清理到行间，并实现防寒布的机械回收，对葡萄藤和防寒布损伤可忽略不计，作业效果较好，满足葡萄清土作业要求。
5 结论
本文结合北方寒地葡萄藤防寒布辅助埋土防寒作业要求，设计研发了一种葡萄冬季埋土清除与防寒布回收机，研究了关键部件的结构及参数；通过仿真试验对清土部件的结构参数和工作参数进行了优化，并利用样机进行了田间验证试验，得到如下结论：
（1）设计了一种篱架式葡萄冬季埋土清除与防寒布回收机，该机器主要由机架、清土总成、卷布总成、液压系统等组成，可完全清除葡萄藤上方埋土，基本不损伤葡萄藤和防寒布，并可实现防寒布的机械回收，具有较好的作业效果和推广前景。
（2）采用Reger微机控制电子万能试验机进行防寒布拉伸试验，结果表明新、旧防寒布经向抗拉强度明显高于纬向，使用1年的旧防寒布经向抗拉强度较新防寒布降低约5.1%，不影响防寒布的循环使用，为防寒布使用方式和防寒布回收装置的设计提供依据。
（3）在EDEM软件中建立土垄和清土部件模型，对影响清土距离k的刮土板曲率半径ρ 、清土叶轮的叶片数m 及其转速n 设计并实施三因素五水平正交仿真试验，对试验结果进行了极差分析，得到3个参数对清土距离的影响由大到小依次为曲率半径ρ 、叶片数m、转速n ；对试验结果进行了方差分析，确定曲率半径ρ为显著影响因素，叶片数m 和转速n 为非显著影响因素，确定清土叶轮最优叶片数为4片，最优清土叶轮转速为500r/min；对显著影响因素曲率半径进行单因素试验，确定最优曲率半径为680 mm，最优参数组合下清土距离为294.27 mm。
（4）加工样机，按照实际作业状况建造土垄，对仿真试验确定的最优参数组合进行田间验证试验，得到平均清土距离为271 mm，与仿真试验结果的相对误差为8%；防寒布产生极少量破损，并未断裂，能够实现基本卷收；机组作业效率为人工作业效率的10倍以上。
本文研发的葡萄冬季埋土清除与防寒布回收机解决了传统机械清土不彻底的难题，基本实现完全清土和防寒布的机械回收，作业效果较好，具有较大的发展前景，该机器的研发为北方寒地葡萄埋土清除作业提出新的思路，为后续清土机械的发展提供参考。