劉芳建，劉忠軍，王錦江，米　義，劉晗琨，劉曉秋

(1.中國農業(yè)機械化科學研究院，北京　100083；2.現代農裝科技股份有限公司，北京　100083)

0　引言

葡萄是我國重要的水果之一，也是葡萄酒釀造的主要原材料。我國葡萄栽培面積居世界第4位，產量位居世界第一[1]。據中國統(tǒng)計年鑒顯示，我國葡萄種植面積與產量有逐年上升的趨勢，2014年產量達1 254.6萬t，同年釀酒葡萄種植面積超過法國，位居世界第二[2]。

與其他主要葡萄種植區(qū)分布在不凍線以上的情況不同，我國優(yōu)質葡萄種植區(qū)氣候季節(jié)差異較大。由于要經歷嚴寒的冬季，葡萄需要做埋藤防寒處理，春季需要出土藤條上架這兩步特殊工序[3]。埋藤、出土工作量大，人工作業(yè)勞動強度高，效率低下，直接導致成本居高不下；同時，人工作業(yè)質量參差不齊，難以符合農藝要求，進而造成葡萄減產[4]。因此，我國主要葡萄產區(qū)急需能夠完成埋藤覆土作業(yè)和扒土作業(yè)的農機具。其中，扒土機作業(yè)時，扒土作業(yè)部件需要避開葡萄藤支柱，增加了作業(yè)難度，使得機具復雜程度增加。

國外葡萄主產區(qū)由于不需要這兩步特殊工序，未見相關機具的研究報道。國內埋藤機已有多種實用機型，而扒土機還在試制和試驗階段?，F有扒土機不能實現自動避開葡萄藤支柱，只能在壟的兩側取土送土，不僅嚴重影響了機具的出土作業(yè)質量，還對機手駕駛能力有較高的要求[5]。

本文試制了一種帶自動避障功能的葡萄藤出土機，作業(yè)面覆蓋了全部土壟，作業(yè)部件能夠自動避開支柱，進而能優(yōu)質、高效地完成出土作業(yè)，為后續(xù)扒藤上架工作做好準備。

1　整機設計及工作原理

整個機組懸掛在拖拉機上，由扒土部件、避障系統(tǒng)及輔助調節(jié)機構等主要部件組成，如圖1所示。

1.避障部件　2.避障觸桿　3.控制液壓閥 4.避障油缸　5.輔助油缸　6.牽引機架

葡萄埋藤位置基本與葡萄架支柱排列成一條直線或在其附近，若只從土壟兩側出土，勢必造成出土不充分，增加扒藤上架難度和工作量。針對這個情況設計的避障出土作業(yè)部件，出土作業(yè)覆蓋整個土壟，遇到支柱時在避障系統(tǒng)的控制下迅速、準確地完成避障和歸位動作。在這個過程中,扒土部件要盡量降低對葡萄藤的傷害，增大有效出土量。

隨著拖拉機前進，依靠牽引力，刮土板起土并推土前進，絞龍輔助輸送土壤。當遇到障礙物(主要為葡萄藤支架)時，避障機構能夠通過換向閥收縮避障油缸，使扒土部件回轉至行間，避開障礙物；當機組越過障礙物時，避障機構又通過換向閥使避障油缸伸出，使扒土部件擺至株間繼續(xù)作業(yè)。輔助調節(jié)機構能夠調節(jié)扒土部件的作業(yè)位置(高度和外擺距離)，以適應不同形式的覆土壟。

2　主要部件設計

2.1扒土部件的設計

扒土部件為右側擺式，采用推土鏟與絞龍組合的方式，推土鏟依靠自身弧度與傾斜度，隨拖拉機前進時完成起土、側向推土的作用，絞龍由液壓馬達提供動力，起到輔助輸送土壤作用。這種方式的扒土部件對不同寬度、截面形狀的土壟適應性好，出土量大，穩(wěn)定均勻，不會出現拋散現象。其結構如圖2所示。

1.推土鏟　2.絞龍　3.轉向臂　4.出土口　5.液壓馬達

推土鏟寬度至少應能覆蓋作物覆土垡寬度，適當加寬可防止土壤由外側溢出，但較大的寬度需要避障機構有較大的回轉角和回轉速度；其高度應使土屑不從推土鏟上沿翻落推土鏟曲面決定了部件的土壤黏附和阻力大小；其對土壤切削角越小，前進阻力越小，但角度受鏟刀強度影響，一般取45°～60°[6]。

絞龍起輔助出土作用，其出土量計算公式為[7]

Q=47D2φsnγC(t/h)

其中，D為螺旋直徑(m)；φ為充滿系數；s為螺距(m)；n為螺旋轉速(r/min)；γ為物料容量(t/m3)；C為傾斜輸送修正系數。

其所需功率按如下公式近似計算，即

其中，N0為絞龍軸功率(kW)；Nf為功率儲備系數；η為驅動裝置總效率；Q為輸送量；W0為物料阻力系數。

2.2避障系統(tǒng)的設計

避障功能由跟出土部件連接的液壓油缸的伸縮來實現。當作業(yè)部件前進至靠近支柱時，作業(yè)部件前部的避障觸桿先接觸支柱；隨著機具前進，觸桿由于受到支柱擠壓發(fā)生轉動，將這一轉動量傳遞給液壓換向閥，控制油缸收縮，作業(yè)部件回旋避開支柱。隨著機具前進至超過支柱，觸桿轉動量慢慢達到最大，當觸桿末端越過支柱時，由支柱產生的擠壓消失，觸桿在拉簧的作用下瞬時復位，進而運動傳遞給液壓換向閥，油缸伸出，出土部件迅速回復至原位置，至此完成一個支柱避障的工作過程。

2.2.1液壓系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)由避障桿、換向閥、復位彈簧、油缸及限位機構等組成，如圖3所示。

圖3　液壓系統(tǒng)組成原理圖

優(yōu)先分流閥的功能是確保馬達始終處于工作狀態(tài)，及時出土，并且能夠調節(jié)油缸油路的供油量，以調節(jié)油缸伸縮速度。當油缸外伸至頂端時，為防止油路憋死，此處應選用兩位四通換向閥H型，讓壓力油卸荷回油箱，相應地在回油路上設有一節(jié)流閥，在回油路上產生背壓。

2.2.2避障桿的設計

避障桿的作用是與障礙物接并觸通過控制二位四通換向閥產生產生避障信號，并保持避障狀態(tài)至其越過障礙物，然后依靠彈簧自動回位，避障信號消失，機組恢復工作狀態(tài)。

避障桿產生的避障信號應保持至扒土部件越過障礙物，這個過程中避障桿會有一個較大的轉向角，而換向閥桿行程很小，若避障桿另一端與閥桿剛性連接，則會使閥桿折斷。因此，設計了行程保護機構，如圖4所示。

接觸桿與擺桿一端通過兩個曲面轉塊接觸，兩轉塊通過彈簧壓緊，屬于高副連接。彈簧除了起到壓緊曲面轉塊的作用外，當越過障礙物時，還能靠對曲面轉塊施壓從而使接觸桿復位。擺桿另一端與換向閥手柄通過一套筒-插桿連接，套筒與擺桿焊合，插桿兩端分別與套筒和換向閥手柄套合，插桿可在套筒內自由轉動。隨著擺桿轉動，插桿的運動由兩部分組成，即隨套筒一起擺動和在套筒內轉動，由此套筒-插桿機構可將擺動傳遞給換向閥手柄，而不產生卡死現象。

當接觸桿開始碰到障礙物時，障礙物對其產生扭矩，由于此時扭矩較小，兩轉塊在壓簧的作用下不會產生相對轉動，這時接觸桿、壓簧、曲面轉動塊、擺桿可近似為一剛體，整體繞擺桿轉軸轉動，帶動換向閥手柄擺動，從而使工作部件無延遲產生避障反應，換向閥手柄很快達到最大行程處。隨著機具前進，障礙物對接觸桿持續(xù)產生扭矩，當此扭矩大于轉塊自身摩擦力產生的扭矩時，滑塊產生轉動，接觸桿與擺桿不能視為同一整體，擺桿繞壓簧軸線轉動，這個過程中換向閥手柄始終處于換向位置，油缸回縮至最小位置并保持至機具通過障礙物。當接觸桿越過障礙物，其轉矩消失，在壓簧作用下，兩轉塊、接觸桿與換向閥手柄都恢復至原來位置，油缸外伸，工作部件運動至株間位置，至此完成一個避障循環(huán)。

1.接觸桿　2.壓簧　3.曲面轉動塊 4.擺桿　5.套筒-插桿　6.換向閥手柄

2.3輔助機構的設計

設計的機具作業(yè)部件應在側向和垂直方向具有調節(jié)功能，使作業(yè)部件能更好地覆蓋、適應不同的覆土壟。側向調節(jié)機構由套插的兩矩形鋼管組成，母管為機具懸掛架，公管上連接作業(yè)部件，其伸縮依靠液壓油缸實現。垂直方向的調節(jié)基于杠桿原理，通過一擺臂實現。擺臂中部轉軸固定在機架上，一端與同樣固定于機架上的油缸連接，擺臂另一端與作業(yè)部件總成連接。輔助機構如圖5所示。

3　試驗

由于還沒有葡萄扒藤機相關的試驗檢測標準，本文將出土量作為試驗指標對樣機進行考核。試驗辦法為：在一定長度的葡萄壟上，先鋪一層地膜；然后，在地膜上覆蓋均勻厚度的埋藤土壤。覆蓋前對土壤稱重G1，機具作業(yè)后，稱取仍留在地膜上的土壤重量G2，考核長度10m，出土率C計算公式為

試驗地為中國長城葡萄酒桑干酒莊優(yōu)質原料種植基地，時間為2016年4月8日-9日，釀酒葡萄采用標準化種植模式，行距3m，株距1m，樹齡7年，水泥樁斷面10cm×10cm,高度1.8～2m,間距6m， 水泥樁之間架設鐵絲4道，最下面一條離地高度30～40cm，入冬前葡萄藤剪干枝后留約100cm長主藤埋土，以防止葡萄藤風干壞死。埋藤機埋土前，一人先將葡萄藤沿行中心壓倒，另一人用鐵鍬鏟土壓藤，然后用埋藤機埋土；埋土后，斷面形狀基本呈三角形，底部寬約100cm，高約30cm，頂部呈半圓形。桑干基地的土質屬于沙壤土，埋土層土質松軟，不結塊。

在不同地段做6組試驗，按上述公式求取出土率平均值為76.8%，符合作業(yè)要求，試驗過程中未出現傷藤現象。

1.擺臂　2.擺臂油　3.機架調節(jié)公管 4.橫向調節(jié)油缸　5.機架母管圖5　輔助機構

4　結論

1)設計的自動避障扒土機扒土性能良好，避障功能快速、準確，且結構簡單可靠，能夠勝任扒土作業(yè)。

2) 葡萄埋藤的質量影響到扒藤時出土率和葡萄藤的破損率，因此埋藤作業(yè)尤為重要。要做到葡萄藤下架時埋土高度盡量一致，埋土量盡量均勻，最好使用專用機具作業(yè)。

3) 本試驗樣機液壓動力來自拖拉機自帶液壓輸出口，由于沒有專門的散熱系統(tǒng)，長時間工作后會產生液壓油升溫較高的問題，在后續(xù)的改進機型應增設副油箱，用來增加循環(huán)工作油量，并提高其散熱功能；或者直接在機組上增設液壓泵站，由拖拉機動力輸出軸提供動力，這樣工作部件動力更為強勁，同時解決了油溫過高的問題。

參考文獻：

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