朱新月，王麗紅，徐 亭，彭慧杰，黨永強(qiáng)，高明勇

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；2. 新疆瑪納斯縣農(nóng)機(jī)局，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆是我國(guó)最早種植葡萄的地區(qū)[1-2]，其獨(dú)特的地理環(huán)境非常適合葡萄的生長(zhǎng)[3]。葡萄制品營(yíng)養(yǎng)豐富[4]，葡萄酒中含有的白藜蘆醇更是有延緩衰老、抑癌抗瘤的功效，深受人們的喜愛(ài)[5]。近年來(lái)，隨著新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，釀酒葡萄的種植面積不斷擴(kuò)大[6]。據(jù)報(bào)道，截止2017年，新疆釀酒葡萄的種植面積已超過(guò)40 000hm2[7]。埋藤是釀酒葡萄種植過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，目前釀酒葡萄埋藤作業(yè)主要以人工為主，人工埋藤具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、工作環(huán)境差等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展，釀酒葡萄的機(jī)械化埋藤已成為必然趨勢(shì)[8]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)釀酒葡萄埋藤機(jī)具進(jìn)行了研究。遼寧省農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站[9]研制出了3MT-5式釀酒葡萄埋藤機(jī)，該機(jī)主要通過(guò)旋耕機(jī)旋耕輸送土壤，將土壤拋送到葡萄藤上，完成冬季埋藤作業(yè)；于2013年研制出了3MT-5.0式釀酒葡萄埋藤機(jī)[10]，該機(jī)利用埋土器將起土犁提升的土壤粉碎并拋送出去，在葡萄藤上覆蓋一定厚度的土層，完成作業(yè)。新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師149團(tuán)研制出了1MP-500式釀酒葡萄埋藤機(jī)[11]，該機(jī)工作時(shí)，由旋耕機(jī)旋耕粉碎土壤，鏟土板把土拋送到輸送帶上，再下落到與前進(jìn)方向一致的水平輸送帶上，由土覆蓋葡萄藤，完成埋藤作業(yè)。

防寒土覆蓋具有取土方便的優(yōu)勢(shì)，但葡萄秋埋春扒兩次翻耕傷害葡萄枝蔓、費(fèi)工費(fèi)時(shí)，造成冬季揚(yáng)沙起塵污染環(huán)境[12]。因此，為解決我國(guó)新疆地區(qū)葡萄越冬防寒問(wèn)題，提出了免埋土越冬[13]的埋藤方式。免埋土越冬是指用彩條布覆蓋葡萄藤使其安全越冬。研究表明：采取雙層膜覆蓋不僅可以使葡萄藤安全越冬，還可以改善葡萄品質(zhì)、增加產(chǎn)量、降低葡萄生產(chǎn)成本[14-15]。因此，筆者針對(duì)免埋土越冬技術(shù)設(shè)計(jì)了一種覆膜埋藤機(jī)，對(duì)覆膜埋藤機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，以期為釀酒葡萄機(jī)械化埋藤提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

對(duì)新疆石河子及其周邊地區(qū)的釀酒葡萄種植模式和秋季葡萄園壓倒葡萄藤后的情況進(jìn)行了調(diào)研，如表1所示。

表1 釀酒葡萄秋季葡萄園參數(shù)

在表1基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了釀酒葡萄覆膜埋藤機(jī)，如圖1所示。該機(jī)主要由壓藤輪、展膜輥(彩條布)、展膜輥(透明薄膜)、鋪膜輥(彩條布)、鋪膜輥(透明薄膜)、覆土箱、攪龍、后壓膜輪、機(jī)架、覆土圓盤(pán)、刮板輸送帶，以及旋耕刀等部件組成，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 釀酒葡萄覆膜埋藤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

釀酒葡萄覆膜埋藤機(jī)主要由拖拉機(jī)通過(guò)后置三點(diǎn)懸掛牽引前進(jìn)。工作時(shí)，覆膜埋藤機(jī)向前行走，壓藤輪將已放倒在葡萄行上的葡萄藤壓倒離地面距離約為200mm；鋪膜機(jī)構(gòu)將雙層膜鋪在葡萄藤上(第1層是彩條布，第2層是塑料薄膜)，跟在其后的壓膜輪將雙層膜壓在地上；遠(yuǎn)離水泥柱一側(cè)的塑料薄膜由覆土圓盤(pán)將土覆蓋到雙層膜邊，另一側(cè)通過(guò)旋耕刀將葡萄壟旁的土壤打碎并拋到刮板輸送帶上，由刮板輸送帶將土壤輸送到覆土箱內(nèi)；覆土箱內(nèi)的單向攪龍將土壤輸送到覆土口處，掉落在膜的側(cè)邊，壓膜輪將覆蓋在膜兩邊的土壓實(shí)，完成釀酒葡萄的鋪膜覆土作業(yè)。

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 鋪膜裝置的設(shè)計(jì)

鋪膜裝置是覆膜埋藤機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)形式的好壞直接影響后面的覆土工作。由于新疆冬季寒冷，釀酒葡萄藤安全過(guò)冬需要鋪設(shè)雙層膜：第1層為彩條布，第2層為透明薄膜，兩層膜要求先后鋪設(shè)，同時(shí)覆土。為確保裝置整體結(jié)構(gòu)的緊湊性和作業(yè)穩(wěn)定性，雙層膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用兩組鋪膜機(jī)構(gòu)并聯(lián)連接的方式。鋪膜裝置主要由鋪膜輥1、鋪膜輥2、機(jī)架、卷膜棍1及卷膜棍2組成，如圖2所示。

1.鋪膜輥1 2.鋪膜輥2 3.部分機(jī)架 4.卷膜棍2 5.卷膜棍1

葡萄藤壓倒后其橫截面近似于一個(gè)等腰梯形，底角為45°[16]，如圖3所示。

圖3 葡萄藤截面圖

由田間調(diào)研可知：葡萄藤底部寬為600～800mm，葡萄藤壓倒后的平均高度約為250mm，由此可計(jì)算出等腰梯形的三邊周長(zhǎng)(除去底邊)約為1 000mm，鋪膜時(shí)兩邊要各預(yù)留出1 200mm寬度來(lái)覆土。綜上所述，確定鋪膜輥和卷膜棍的長(zhǎng)度為1 300mm。

2.2 旋耕輸送覆土裝置的設(shè)計(jì)

2.2.1 旋耕刀的設(shè)計(jì)

新疆葡萄園秋季土壤存在板結(jié)嚴(yán)重、堅(jiān)實(shí)度大的問(wèn)題。與其他耕作機(jī)具相比，旋耕機(jī)具有碎土充分、耕后地表平整等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文的碎土機(jī)構(gòu)選用旋耕機(jī)。旋耕機(jī)的關(guān)鍵部件為旋耕刀片，不僅要有良好的碎土性能，還要求具有定向拋土功能。本文對(duì)旋耕機(jī)的兩種旋耕刀片進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其共同完成旋耕碎土、拋土作業(yè)。

由于彎刀具有較好的滑切性能，不易纏草，因此本文的碎土和取土作業(yè)刀具都選用彎刀。碎土彎刀主要將葡萄園板結(jié)的土壤打碎并進(jìn)行雜草切斷作業(yè)，為使碎土彎刀具有銳利的正切刃和側(cè)切刃，碎土彎刀采用等進(jìn)螺線[17](阿基米德螺線)進(jìn)行設(shè)計(jì)。等進(jìn)螺線方程為

ρ=ρ0+αθ

(1)

其中，ρ0為螺線起點(diǎn)的極徑(mm)；α為螺線極角每增加1rad極徑的增量(mm)；θ為螺旋線上任意點(diǎn)的極角(rad)。

為確定螺線起點(diǎn)的極徑ρ0，避免無(wú)刃部分切土，ρ0可由下式計(jì)算，即

(2)

其中，S為設(shè)計(jì)切土節(jié)距(mm)；a為設(shè)計(jì)耕深(mm)；R為彎刀回轉(zhuǎn)半徑(mm),當(dāng)耕深為140～160mm時(shí)，常采用240～260mm。

確定螺旋線終點(diǎn)處的極徑ρn，使螺線能與正切刃圓滑過(guò)渡，ρn值一般比彎刀回轉(zhuǎn)半徑小10～20mm。

螺線終點(diǎn)的極角θn為

(3)

其中，θn為螺線終點(diǎn)的極角(rad)；ρn為螺旋終點(diǎn)處的極徑(mm)；τn為螺旋終點(diǎn)處的滑切角(°)，常取50°～60°。

確定參數(shù)時(shí)，考慮到刀具的靜態(tài)滑切角也不易過(guò)大，具有較大靜態(tài)滑切角的彎刀，其刀刃的長(zhǎng)度也較大，會(huì)增加切土?xí)r與土壤間的摩擦面，有增大耕耘阻力的趨向。綜合上述分析，并結(jié)合工作參數(shù)，取土彎刀耕深150mm，刀具作業(yè)回轉(zhuǎn)半徑取245mm，切土節(jié)距為30～50mm，將其代入式(1)～式(3)中，可得碎土刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)為ρ0=200mm，ρn=245 mm，τn=60°，θn=0.318rad。碎土彎刀的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 碎土彎刀簡(jiǎn)圖

為了將碎土彎刀打碎的土壤進(jìn)行二次粉碎并拋擲到后面的刮板輸送帶上，完成土壤的定向拋灑，且避免刀具作業(yè)時(shí)因纏草增加機(jī)具功率損耗，拋土彎刀的設(shè)計(jì)采用正弦指數(shù)曲線，其方程為

ρ=ρ0sinτ0/sinτ0-Kθ1/K

(4)

式中ρ0—曲線起點(diǎn)的極徑(mm)；

τ0—曲線起點(diǎn)的靜態(tài)滑切角(°)；

K—曲線上靜態(tài)滑切角遞減比。

參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[18]中旋耕刀的相關(guān)設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合秋季葡萄園中土壤板結(jié)嚴(yán)重、雜草多的實(shí)際情況，確定拋土彎刀的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)ρ0=175mm，τ0=55°。拋土彎刀的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 拋土彎刀簡(jiǎn)圖

2.2.2 輸送裝置的設(shè)計(jì)

覆膜埋藤機(jī)的輸送裝置不僅要具備良好的輸送適應(yīng)性，能夠輸送不同種類(lèi)、含水率的土壤，還要把土壤運(yùn)送到一定的高度，并能有效防止土壤掉落，提高輸送效率。由于是傾斜輸送，土壤與輸送面間的摩擦小容易打滑，將直接影響覆土的效果；而刮板可以避免傾斜輸送土壤向下滑動(dòng)的問(wèn)題，具有輸送效率高的特點(diǎn)。綜合考慮以上因素，輸送機(jī)構(gòu)選用刮板輸送式。輸送裝置主要由側(cè)邊擋板、刮板、輸送帶、傳動(dòng)軸和主動(dòng)輪組成，如圖6所示。

1.主動(dòng)輪 2.傳動(dòng)軸 3.輸送帶 4.刮板 5.側(cè)邊擋板

2.2.3 覆土裝置的設(shè)計(jì)

覆土裝置的結(jié)構(gòu)如圖7所示。箱體截面設(shè)計(jì)成U型，底部向下凸起，主要由箱體、攪龍、出土口和進(jìn)土口等組成。

1.進(jìn)土口 2.攪龍 3.箱體 4.出土口

箱體用來(lái)放置由刮板輸送帶輸送上來(lái)的土壤，輸送的土壤堆放在刮板一側(cè)，利用箱體內(nèi)的單向攪龍將土壤進(jìn)一步打碎并輸送到箱體的另一側(cè)，通過(guò)漏土口將土壤覆蓋在薄膜上。依據(jù)刮板輸送土壤的進(jìn)土量和覆膜所需的出土量對(duì)箱體的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最終確定箱體的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 250mm，寬度為300mm，與之配合工作的攪龍螺旋葉片直徑為280mm。

3 工作部件關(guān)鍵因素分析

3.1 覆土圓盤(pán)力學(xué)分析

覆土圓盤(pán)作為單側(cè)覆土裝置的主要部件，在工作過(guò)程中受土壤阻力作用會(huì)產(chǎn)生變形和磨損，要有較強(qiáng)的抗變形能力，因此需對(duì)覆土圓盤(pán)進(jìn)行力學(xué)分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。覆土圓盤(pán)平面結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 覆土圓盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

覆土圓盤(pán)在工作過(guò)程中，可以視為近似的平面圓盤(pán)，以速度v向前推進(jìn)，在圓盤(pán)前端積土體積大，末端積土體積小，土壤從圓盤(pán)末端滑落，被覆蓋在雙層膜邊上，將膜覆蓋。覆土圓盤(pán)積土情況如圖9(a)所示。在此過(guò)程中，覆土圓盤(pán)必將受到土壤的壓力和摩擦力。為了合理的分析和求解覆土圓盤(pán)的受力情況，建立如圖9所示的直角坐標(biāo)系。設(shè)圓盤(pán)運(yùn)動(dòng)方向的反向延長(zhǎng)線與x軸夾角(即圓盤(pán)傾角)為δ。

(a)

(b)

基于薄板彎曲理論有如下假設(shè)：

1)板在彎曲變形中，中面法線保持為直線，且仍為撓曲面的法線。

2)板的厚度方向擠壓變形可以忽略不計(jì)，即z向應(yīng)變?chǔ)舲=0。

3)板的中面只發(fā)生彎曲變形，沒(méi)有面內(nèi)伸縮。

4)本結(jié)構(gòu)方程中忽略次要應(yīng)力σz、τzx、τzy對(duì)變形的影響。

根據(jù)假設(shè)1)，薄板彎曲后，板法線與撓曲面在x方向和y方向的切線相互垂直，即沒(méi)有切應(yīng)變，所以γzx=γzy=0。

w=w(x,y)

由假設(shè)4)可知：薄板應(yīng)力σx、σy和τxy是主要應(yīng)力，對(duì)覆土圓盤(pán)應(yīng)力的求解實(shí)際上是求解主要應(yīng)力。

由薄板理論，有

則薄板應(yīng)力為

對(duì)于圓形薄板，采用極坐標(biāo)形式比較方便，由極坐標(biāo)系中的Laplace算子，有

則撓曲線微分方程化為

(4)

把x軸和y軸分別轉(zhuǎn)到微元的r方向和θ方向，使微元的θ坐標(biāo)為0，則彎矩Mx、My和扭矩Mxy，正應(yīng)力σx、σy和τxy相應(yīng)化為

(5)

(6)

覆土圓盤(pán)工作狀態(tài)下中心為a的區(qū)域固定，邊緣自由，則其邊界條件為

土對(duì)覆土圓盤(pán)的載荷是復(fù)雜的，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，假設(shè)土對(duì)圓盤(pán)的載荷是均布的，則w只是r的函數(shù)，式(4)可化為

其解為：w=C1Inr+C2r2Inr+C3r2+C4+w*。其中，C1、C2、C3、C4為常數(shù)；w*為特解。

考慮覆土圓盤(pán)中心沒(méi)有孔，中心處撓度或載荷不能無(wú)窮大，則C1=C2=0。特解w*可由積分得到

將上式帶入式(5)和式(6)，即可得到應(yīng)力解。覆土圓盤(pán)的牽引力可由其輸出功率P確定，即

P=Fv

其中，P為覆土圓盤(pán)輸出功率(kW)；F為圓盤(pán)牽引力(N)；v為圓盤(pán)推進(jìn)速度(m/s)。

土壤施加于覆土圓盤(pán)的正壓力N可由力的平衡方程確定,即

N=Fsinδ

則均布載荷q=N/S，S為覆土圓盤(pán)面積。

已知覆土圓盤(pán)直徑d=450mm，板中央固定區(qū)半徑a=25mm，板厚h=4mm，取覆土圓盤(pán)偏角δ=20°，輸出功率P=25kW，運(yùn)行速度v=2km/h，泊松比v=0.3。帶入以上各式，求得最大應(yīng)力在r=a處，σmax=232.38MPa，其值小于65Mn鋼的許用正應(yīng)力[σ]=570MPa，本設(shè)計(jì)合理。

3.2 刮板輸送帶輸土特性分析

覆膜埋藤機(jī)工作時(shí)，刮板的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)由拖拉機(jī)的前進(jìn)速度v和刮板輸送帶的運(yùn)動(dòng)速度v′合成。當(dāng)刮板運(yùn)動(dòng)到最低端呈豎直狀態(tài)時(shí)，以刮板的最底端端點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖10所示。

1.旋耕刀 2.土壤 3.從動(dòng)輪 4.刮板 5.輸送帶

則刮板輸送帶繞從動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刮板頂點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為

(7)

其中，x為刮板端部水平位移；y為刮板端部豎直位移；r為從動(dòng)輪半徑；h為刮板高度；i為帶速與機(jī)組前進(jìn)速度比；φ為刮板轉(zhuǎn)過(guò)的角度；δ為升運(yùn)帶與水平面的夾角。

由式(7)可知：刮板的運(yùn)動(dòng)軌跡與刮板高度h、帶速v′與機(jī)組前進(jìn)速度比i、刮板轉(zhuǎn)過(guò)的角度φ及升運(yùn)帶與水平面的夾角δ有關(guān)。

在兩個(gè)刮板相繼取土的時(shí)間間隔Δt內(nèi)，埋藤機(jī)前進(jìn)的距離s=L/i，刮板前進(jìn)的距離為L(zhǎng)，近似認(rèn)為在時(shí)間Δt內(nèi)，旋耕機(jī)的起土量與拋送到刮板輸送帶上的土量相等，則旋耕機(jī)的起土量為

其中，q為旋耕機(jī)的起土量；b為輸送帶的寬度。

兩個(gè)刮板間的輸土量：

1)當(dāng)兩個(gè)刮板間的距離L沒(méi)有完全被土覆蓋，如圖11(a)所示。

(a) (b)

此時(shí)，刮板的輸土量為

其中，θ為輸送帶上的土壤上表面與水平面的夾角，即土壤內(nèi)摩擦角。

2)當(dāng)兩個(gè)刮板間的距離L完全被土覆蓋時(shí)，如圖11(b)所示。此時(shí)，刮板的輸土量為

由實(shí)際情況可知，旋耕機(jī)的起土量應(yīng)該大于刮板的輸送量，則

由此可以推出單位長(zhǎng)度內(nèi)，覆土箱的進(jìn)土量為

(8)

其中，η為取土、輸送效率，主要與刮板充滿系數(shù)、輸送帶滑動(dòng)率有關(guān)。

由式(8)可知：覆土箱的進(jìn)土量Q′是刮板高度h、帶速與機(jī)組前進(jìn)速度比i、升運(yùn)角與水平面的夾角δ、土壤內(nèi)摩擦角θ，以及刮板長(zhǎng)度L的多元函數(shù)。刮板的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，覆土箱的進(jìn)土量越少，輸送帶輸送土壤的效率越低；輸送帶的寬度越寬，土壤輸送量越大。

4 結(jié)論

針對(duì)免埋土越冬技術(shù)的埋藤方式設(shè)計(jì)了釀酒葡萄覆膜埋藤機(jī)，并對(duì)覆膜埋藤機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了釀酒葡萄覆膜埋藤機(jī)的整體結(jié)構(gòu)。

對(duì)覆土圓盤(pán)工作時(shí)的受力情況進(jìn)行了分析，確定了覆土圓盤(pán)的最大應(yīng)力位置，并對(duì)覆土圓盤(pán)的強(qiáng)度進(jìn)行了校核，滿足使用要求。對(duì)刮板輸送裝置的輸土性能進(jìn)行了分析，確定了取土量和輸土量的影響因素，為輸送裝置的參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。