郭 輝，孫濱洪，畢志波，夏廣寶

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052)

0 引言

葡萄是大樹種之一，在我國(guó)已有數(shù)千年之久的種植歷史。由于受到不同地理環(huán)境和氣候條件的影響，優(yōu)質(zhì)葡萄主要分布在西北及北部地區(qū)，并在各地區(qū)形成了特有的葡萄種植模式：春季扒藤，秋季收獲，秋末埋藤[1]。其中，秋末埋藤是葡萄種植生產(chǎn)過程中一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量要求高和時(shí)間性強(qiáng)的作業(yè)。在以往，葡萄埋藤作業(yè)都是以人工埋藤為主，存在效率低、土塊大和埋土不勻等缺點(diǎn)，容易導(dǎo)致葡萄藤死亡，嚴(yán)重制約了葡萄產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[2]。隨著我國(guó)葡萄埋藤機(jī)械的不斷改進(jìn)和研發(fā)，埋藤機(jī)性能逐步完善，但仍然存在工作效率低、功率消耗大和工作成本高等弊端。為此，本文研制出一種基于刀輥取土裝置和葉輪拋土裝置的懸掛式葡萄埋藤機(jī)，不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化埋藤作業(yè)，而且作業(yè)質(zhì)量較人工埋藤也有顯著提高[3-4]。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)成

懸掛式葡萄埋藤機(jī)包含齒輪傳動(dòng)箱、左側(cè)萬(wàn)向聯(lián)軸器、鏈傳動(dòng)組件、刀輥取土裝置、集土罩、導(dǎo)向罩、葉輪拋土裝置、帶傳動(dòng)組件、后側(cè)萬(wàn)向聯(lián)軸器和機(jī)架，如圖1所示。其中，刀輥取土裝置包括扭轉(zhuǎn)直刀片、刀片固定座和動(dòng)力軸，如圖2所示；葉輪拋土裝置包括徑向葉片、圓盤和減速器，4個(gè)徑向葉片垂直成90°連接在圓盤上。

1．齒輪傳動(dòng)箱 2.左側(cè)萬(wàn)向聯(lián)軸器 3.鏈傳動(dòng)組件 4.刀輥取土裝置 5.集土罩 6.導(dǎo)向罩 7.葉輪拋土裝置 8.帶傳動(dòng)組件 9.后側(cè)萬(wàn)向聯(lián)軸器 10.機(jī)架

懸掛式葡萄埋藤機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為：

作業(yè)方式:懸掛作業(yè)

連接方式:后置三點(diǎn)懸掛連接

配套動(dòng)力/kW：≥20.6

適應(yīng)行距/mm：≥2 500

作業(yè)速度/km·h-1：1.2～1.8

工作幅寬/mm:1 100±50

旋耕深度/mm：15～20

1．扭轉(zhuǎn)直刀片 2.刀片固定座 3.動(dòng)力軸

1.2 工作原理

懸掛式葡萄埋藤機(jī)通過后置三點(diǎn)全懸掛方式連接在拖拉機(jī)上，拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸與埋藤機(jī)的齒輪傳動(dòng)箱聯(lián)接，齒輪傳動(dòng)箱為一輸入兩輸出型，左側(cè)動(dòng)力輸出通過鏈傳動(dòng)組件將動(dòng)力傳動(dòng)到動(dòng)力軸，動(dòng)力軸帶動(dòng)刀片固定座和刀片高速轉(zhuǎn)動(dòng)，使土壤向中間輸送；后側(cè)動(dòng)力輸出通過帶傳動(dòng)組件將動(dòng)力傳遞給葉輪拋土裝置，土壤經(jīng)集土罩的集土擋板和集土鏟匯集到圓筒中，然后被徑向葉片從開口處拋出，在導(dǎo)向罩的引導(dǎo)下，覆蓋到預(yù)期位置，完成埋藤作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)

2.1 刀輥取土裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 刀片形狀設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)直刀片外形如圖3所示，刀片切土狀態(tài)如圖4所示。

圖3 刀片形狀示意圖Fig.3 Design blade shape

圖4 刀片切土狀態(tài)Fig.4 The blade cut the earth motion

扭轉(zhuǎn)直刀片的入土部分與旋轉(zhuǎn)平面呈一定角度，提高了軸向輸送能力，達(dá)到了碎土、取土要求[5]。

2.1.2 運(yùn)動(dòng)軌跡分析

扭轉(zhuǎn)直刀片向后側(cè)面拋土，其拋土運(yùn)動(dòng)模型圖如圖5所示。

圖5 拋土運(yùn)動(dòng)模型圖Fig.5 Cast soil motion model diagram

設(shè)r0為刃尖的回轉(zhuǎn)半徑，轉(zhuǎn)角為ωt，則向前傾面上p點(diǎn)移動(dòng)，前進(jìn)方向?yàn)閤軸，縱坐標(biāo)為y軸，p點(diǎn)坐標(biāo)為(px,py)，扭轉(zhuǎn)直刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡為

Px=vt+r0cosωt

Py=r0+r0sinωt

設(shè)土壤離開扭轉(zhuǎn)直刀片的初始速度為v，其水平速度和垂直速度分別為Vx、Vy，則

Vx=v-r0ωsinωt

Vy=r0ωcosωt

扭轉(zhuǎn)直刀片拋出土壤的運(yùn)動(dòng)軌跡為

x=px+vx(t-tmax)sinφ

根據(jù)葡萄埋藤需土量確定作業(yè)深度后，為了確保刀輥取土裝置在工作過程中具有向后的拋土速度，必需要滿足下面的公式，即

式中R—刀片端部的旋轉(zhuǎn)半徑；

H—耕深；

Vm—旋刀機(jī)前進(jìn)速度；

n1—刀軸轉(zhuǎn)速。

代入相關(guān)參數(shù)，得出已耕土壤的高度H。當(dāng)H=0.3m、r0=0.37m時(shí)，滿足H

2.1.3 扭轉(zhuǎn)直刀片的轉(zhuǎn)速

路陽(yáng)紅-404拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)速為540r/min或720r/min，本設(shè)計(jì)的埋藤機(jī)配套動(dòng)力轉(zhuǎn)速選定為n=540r/min。由農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知：旋耕機(jī)在含水率為20%～30%的輕質(zhì)土壤環(huán)境中，切土節(jié)距可以達(dá)到s=100mm以上；在中粘度土壤環(huán)境中，切土節(jié)距為s=60～90mm；在粘重土壤環(huán)境或者多草田地中，切土節(jié)距s=40～60mm。該機(jī)的行進(jìn)速度需要根據(jù)不同的土壤環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，埋藤機(jī)行進(jìn)速度過快時(shí)應(yīng)避免產(chǎn)生土壤堆積在集土罩前[6]。一般埋藤機(jī)行進(jìn)速度為1.2～1.8km/h之間，額定行進(jìn)速度是1.8km/h。根據(jù)公式變換，可得轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為

式中n1—?jiǎng)恿S轉(zhuǎn)速；

vm—埋藤機(jī)前進(jìn)速度。

取vm=1.8km/h=500mm/s、s=40～60mm、z=2，可得n1=250～375r/min。

2.1.4 扭轉(zhuǎn)直刀片回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)

影響刀輥取土裝置的碎土質(zhì)量有多種原因，埋藤機(jī)行進(jìn)速度是最重要的影響因素，決定著垡塊的拋送速度和垡塊的大小。垡塊的大小與切土節(jié)距有直接聯(lián)系，扭轉(zhuǎn)直刀片端部的旋轉(zhuǎn)半徑與切土節(jié)距的關(guān)系式為

式中λ—旋刀機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)；

R—刀片最大旋轉(zhuǎn)半徑；

Z—單組扭轉(zhuǎn)直刀片數(shù)量。

當(dāng)單組扭轉(zhuǎn)直刀片數(shù)量Z確定之后，再確定滿足設(shè)計(jì)要求的最小運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)λ。運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與刀片數(shù)量的配合關(guān)系如表1所示。

表1 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與刀片數(shù)量的配合關(guān)系Table 1 The relationship between kinematic parameters and the number of blades

2.2 葉輪拋土裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 葉輪片數(shù)量

葉輪片為直葉片，具有形狀簡(jiǎn)單、制造方便和強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，能夠滿足機(jī)具埋藤的工作要求。查閱相關(guān)資料得出，該葉輪拋土裝置葉輪片個(gè)數(shù)為4。

2.2.2 葉輪片旋轉(zhuǎn)速度

葉輪拋土裝置的旋轉(zhuǎn)速度與刀輥取土裝置的給土量成正比。旋轉(zhuǎn)速度選取原則為：在滿足拋土距離要求的前提下，選取葉輪片轉(zhuǎn)速最低，且保證兩裝置間不產(chǎn)生土壤堵塞現(xiàn)象。新疆葡萄藤種植的行距為3～3.5m，該機(jī)作業(yè)幅寬設(shè)計(jì)為1.06m，使機(jī)具換行掉頭更加方便。葉輪拋土裝置位于埋藤機(jī)中間，距離埋藤機(jī)側(cè)端為0.53m，埋藤作業(yè)要求刀片取土裝置距離葡萄藤根部的安全距離為0.4～0.5m，所以實(shí)際需要的拋土距離為0.93m以上。查閱相關(guān)資料可知：在葉輪拋土裝置上，當(dāng)葉輪片最大回轉(zhuǎn)直徑處線速度范圍在7～14m/s時(shí)，拋土距離的范圍可達(dá)1～2m?？紤]到整體外觀尺寸和結(jié)構(gòu)的緊湊性，設(shè)計(jì)葉輪片的回轉(zhuǎn)直徑為0.4m。葉輪片末端線速度計(jì)算公式為

V=2πrn2

式中n2—葉輪軸轉(zhuǎn)速；

V—葉輪片末端線速度。

經(jīng)計(jì)算得n2的范圍為334.4～668.8r/min。

刀輥取土裝置單位時(shí)間內(nèi)給土量為

Q=VmBH

式中Q—單位時(shí)間取土量；

Vm—行進(jìn)速度；

B—?jiǎng)恿S作業(yè)幅寬；

H—刀輥?zhàn)鳂I(yè)深度。

葉輪拋土裝置單位時(shí)間內(nèi)拋土量為

式中S—單位時(shí)間拋土量；

A1—無(wú)效拋土刀片長(zhǎng)度；

n2—?jiǎng)恿S轉(zhuǎn)速；

A—葉輪片長(zhǎng)度；

B1—葉輪片寬度。

當(dāng)單位時(shí)間拋土量小于單位時(shí)間取土量時(shí)，刀輥取土裝置前面會(huì)發(fā)生土壤壅堵現(xiàn)象，因此拋土速率要高于取土速率，即S>Q，則

代入數(shù)據(jù)：Vm=50mm/s，B=106mm，H=13mm，B1=16mm,A=20mm。由葉輪片的有效拋土率可知：A1代入值為0.1m，得出n2≥4.57rad/s=274.2rad/min。綜上所述，葉輪拋土裝置的最小轉(zhuǎn)速為334.4rad/min[9-10]。

3 樣機(jī)試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)設(shè)備和條件

1)試驗(yàn)準(zhǔn)備：懸掛式葡萄埋藤機(jī)1臺(tái)；路陽(yáng)紅-404拖拉機(jī)1臺(tái)；鋼尺1把，精度為0.1mm；卷尺1把，量程為2m。

2)試驗(yàn)時(shí)間：2016年6-7月。

3)試驗(yàn)地點(diǎn)：烏魯木齊市新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校園試驗(yàn)田。土質(zhì)為黏砂土，每次試驗(yàn)前對(duì)土壤取樣，測(cè)得土壤含水率分別為26%、28%、25%、26%。

4)試驗(yàn)水平選取如表2所示。

表2 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 2 Prototype test data table

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)中，通過更換皮帶輪和鏈輪設(shè)置不同的動(dòng)力傳動(dòng)比，調(diào)整動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速和葉輪片轉(zhuǎn)速，埋土寬度為73cm,埋土厚度為23.3cm，測(cè)得主要作業(yè)性能指標(biāo)如表2所示，均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11-12]。

3.3 總結(jié)

1)動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速為250r/min～375r/min之間時(shí)，刀輥取土裝置的取土量滿足要求。同時(shí)，考慮到整機(jī)功耗問題：①在相同作業(yè)深度和土壤條件下，當(dāng)埋藤機(jī)的行進(jìn)速度不變時(shí)，刀輥取土裝置的功耗與動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系；②在相同作業(yè)深度和土壤條件下，當(dāng)動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速不變時(shí),刀輥取土裝置的功耗與埋藤機(jī)的行進(jìn)速度呈線性關(guān)系。因此，埋藤機(jī)動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速選為250r/min。

2)在試驗(yàn)過程中：當(dāng)葉輪片轉(zhuǎn)速為335r/min時(shí)，埋藤機(jī)刀輥取土裝置前面會(huì)發(fā)生積土現(xiàn)象；當(dāng)葉輪片轉(zhuǎn)速為523r/min時(shí)，埋土厚度和埋土寬度的效果更好。因此，葉輪片轉(zhuǎn)速選為523r/min。

4 結(jié)論

懸掛式葡萄埋藤機(jī)依據(jù)新疆葡萄埋藤的農(nóng)藝要求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)刀輥取土裝置和葉輪拋土裝置，使土壤準(zhǔn)確覆蓋到預(yù)期位置，完成埋藤作業(yè)。作業(yè)效果滿足埋藤要求，作業(yè)效率是人工埋藤的50～60倍，生產(chǎn)率顯著提高，降低了作業(yè)成本，有效地解決了葡萄安全越冬的問題。