牛 叢，徐麗明，段壯壯，劉星星，馬 帥，袁全春，王爍爍，袁訓騰，曾 鑒，陳 晨

籬架式葡萄藤冬季埋土清除與防寒布回收機研制

牛 叢，徐麗明※，段壯壯，劉星星，馬 帥，袁全春，王爍爍，袁訓騰，曾 鑒，陳 晨

（中國農業(yè)大學工學院，北京 100083）

針對中國新疆地區(qū)籬架式葡萄春季清土作業(yè)中存在的機械清土不徹底、防寒布回收困難以及效率低等問題，該文設計了一種葡萄埋土清除與防寒布回收機，由機架、清土部件、卷布部件和液壓系統等組成。在EDEM軟件中建立土壟和清土部件的仿真模型，以清土距離作為清土效果的評價指標，以刮土板工作面曲率半徑、清土葉輪葉片數及其轉速為試驗因素，在行進速度為2 km/h的條件下設計并實施三因素五水平仿真正交試驗，得到最優(yōu)參數組合：曲率半徑680 mm、葉片數4片、轉速500 r/min，此時清土距離為294.27 mm。加工樣機并對最優(yōu)參數組合進行田間驗證試驗，得到清土距離為271 mm，與仿真試驗結果的相對誤差為8%，埋土基本清理干凈，且對葡萄藤和防寒布的損傷小，作業(yè)效率高，為人工清土效率的10倍以上。研究結果可為新疆地區(qū)籬架式葡萄埋土清除作業(yè)提出新的思路，為后續(xù)葡萄清土機械的研制提供參考。

機械化；仿真；葡萄藤；埋土清除；防寒布回收；EDEM

0 引 言

中國作為世界上主要葡萄生產國之一，以生產鮮食葡萄和制干葡萄為主，葡萄種植面積和總產量均居世界前列[1]。中國葡萄產業(yè)主要分布在7個集中栽培區(qū)[2-6]，葡萄品種多為歐亞種。其中，北方寒地葡萄栽培區(qū)[7]（全年最低氣溫?17～?16 ℃等溫線以北的葡萄栽培區(qū)）葡萄種植面積占全國葡萄種植面積的四分之三[8]，冬季需要進行埋土防寒作業(yè)，使葡萄藤安全越冬。單一的埋土防寒模式為后續(xù)的清土作業(yè)帶來很大的困難，葡萄藤在土壟中分布錯綜復雜，無論機械化清土還是智能化清土都很難將覆土清理干凈，清土機構復雜，作業(yè)成本高，且容易造成葡萄藤損傷，影響葡萄生產的產量和質量，因此純機械的清土方式不具備良好的發(fā)展前景。新疆作為中國葡萄第一大生產地，近年來，當地葡萄園改變單純依靠機械完成清土作業(yè)的思路，改變防寒模式以便更好地進行清土作業(yè)，采用PP或PE材質的多色條帶狀編織篷布（簡稱“防寒布”）覆蓋在下架捆綁好的葡萄藤上，再以10～30 cm厚度的土壤覆蓋壓實[7,9]。鋪設防寒布防寒比單純埋土防寒能夠起到更好的保溫保墑作用，可以使葡萄藤安全越冬，改善葡萄品質，增加產量[8,10-16]，因此，防寒布輔助埋土模式將成為中國北方寒地葡萄冬季防寒的發(fā)展趨勢。防寒布具有較強的耐低溫、耐腐蝕和抗拉性能，1條防寒布可循環(huán)使用3～5次。目前，葡萄春季清土和防寒布回收作業(yè)大多依靠人工完成，勞動強度大，作業(yè)效率低，人工成本高[8]，亟需實現葡萄清土和防寒布回收作業(yè)的機械化。

以法國、意大利、西班牙為代表的國外葡萄主產區(qū)大多屬于溫帶海洋性氣候和地中海氣候，全年氣候溫和，適宜葡萄生長，因此葡萄產業(yè)發(fā)展較早，已經形成了統一、規(guī)范的生產標準，機械化、智能化生產設備較為成熟[17-18]，由于其冬季沒有葡萄埋藤防寒的作業(yè)環(huán)節(jié)，故未見葡萄清土和防寒布回收機械的相關研究。國內不同葡萄栽培區(qū)種植模式不同，春季清土作業(yè)的農藝要求也有所差異。許多學者相繼研發(fā)了適應不同葡萄產區(qū)、不同葡萄栽培模式的清土機械，主要分為3類，第1類為葡萄藤清土機[19-23]，用于清除葡萄藤上方和側方覆土，清土部件主要有刮板、攪龍、葉輪、盤刷等，清土部件多為剛性結構，作業(yè)時易損傷葡萄藤或防寒布，且難以將覆土清理干凈；第2類為葡萄防寒布回收機[24-26]，卷收防寒布時直接將防寒布上方覆土拉扯到行間，不需要另外的清土機構清除防寒布上方覆土，作業(yè)簡單，但作業(yè)阻力大，對防寒布抗拉伸性能要求高；第3類為葡萄藤清土與防寒布回收一體機[27-29]，用于清除葡萄藤上方覆土并回收防寒布，清土部件只清理部分覆土，剩余覆土在卷收防寒布時全部被拉扯到行間，可實現完全清土且不會損傷葡萄藤，但該技術仍不成熟。

針對新疆地區(qū)籬架式葡萄種植農藝要求以及清土作業(yè)存在的問題，本文結合防寒布輔助埋土模式下葡萄清土的作業(yè)要求，設計一種葡萄冬季埋土清除與防寒布回收機，根據清土及防寒布回收的工作原理，確定關鍵部件的結構及參數；通過仿真試驗優(yōu)化清土部件的結構參數和工作參數，確定最優(yōu)參數組合并進行田間驗證試驗，以期實現切實有效的葡萄機械化清土作業(yè)，為后續(xù)葡萄清土機械的研究提供參考。

1 總體結構與工作原理

本文設計的葡萄藤埋土清除與防寒布回收機適用于中國新疆地區(qū)籬架式葡萄園，以新疆地區(qū)單壁籬架式葡萄種植模式為例，在入冬前將修剪后的葡萄藤下架，順著行向壓倒在水泥柱一側地表并捆綁，在其上方鋪設防寒布并覆土，埋土形成土壟的形狀及尺寸如圖1所示?；h架式葡萄種植行距2.5 m≤≤3.5 m，土壟截面形狀近似長方形，土壟寬度1 200 mm≤≤1500 mm，土壟總高度300 mm≤≤400 mm，葡萄藤上方覆土厚度100 mm≤≤200 mm，防寒布鋪設寬度800 mm≤≤1 200 mm。本文取葡萄種植行距為3 m，防寒布寬度為1 000 mm，土壟寬度為1 200 mm，土壟總高度為400 mm，葡萄藤上方覆土厚度為150 mm。

1.土壟 2.防寒布 3.葡萄藤 4.水泥柱

1.Soil ridge 2.Cold-proof cloth 3.Grape vine 4.Concrete pillar

注：為土壟寬度，mm；為土壟總高度，mm；為葡萄藤上方覆土厚度，mm；為防寒布寬度，mm；為葡萄種植行距，m。

Note:is soil ridge width, mm;is total height of soil ridge, mm;is the thickness of covering soil above the grape vine, mm;is the width of cold-proof cloth, mm;is planting row spacing of grape, m.

圖1 土壟形狀與尺寸

Fig.1 Shape and size of soil ridge

1.1 防寒布拉伸性能試驗

葡萄藤防寒常采用聚乙烯防寒布，防寒布在回收時承受較大的拉力，為防止其在作業(yè)時產生斷裂，需研究防寒布拉伸性能，為葡萄藤埋土清除與防寒布回收機設計提供依據。

1.1.1 試驗材料與方法

本文選用新、舊2種防寒布作為試驗樣本，舊防寒布為葡萄埋土防寒作業(yè)中使用1 a的防寒布，在土壤中埋藏時間約為180 d。按照編織方向防寒布分為經向和緯向2種，按表1尺寸與圖2形狀[30]分別制備經向新、舊防寒布試樣與緯向新、舊防寒布試樣用于拉伸性能試驗。

表1 防寒布拉伸試樣尺寸

圖2 防寒布拉伸試樣形狀

采用Reger微機控制電子萬能試驗機進行防寒布拉伸試驗，如圖3所示，試驗環(huán)境為室溫（25±1）℃，相對濕度 40%，試樣兩端通過夾具固定，試驗速度為300 mm/min，拉伸結束標志為試樣斷裂。若試樣在夾具內出現滑移或在距任一夾具夾持邊緣10 mm內斷裂，則視為無效數據[31]。每種防寒布試樣試驗3次，結果取平均值。

圖3 防寒布拉伸試驗

1.1.2 試驗結果與分析

膜材拉伸試驗結果如表2所示。由表2可知，新防寒布經向抗拉強度和斷裂伸長率較緯向分別高約163.6%、15.9%，舊防寒布經向抗拉強度和斷裂伸長率較緯向分別高約42.9%、29.9%，無論新、舊防寒布經向抗拉強度和斷裂伸長率均高于緯向，說明防寒布經向抗拉性能優(yōu)于緯向，故防寒作業(yè)中應將防寒布經向作為其長度方向，將防寒布經向拉伸性能作為防寒布卷收機構的設計依據；舊防寒布經向抗拉強度和斷裂伸長率較新防寒布分別低約5.1%、37.4%，舊防寒布緯向抗拉強度較新防寒布大，但仍低于經向抗拉強度，舊防寒布緯向斷裂伸長率較新防寒布低約44.1%，舊防寒布斷裂伸長率較新防寒布低，說明舊防寒布承受拉力較大時其脆性增大，斷裂伸長量減小；舊防寒布抗拉強度在性能較優(yōu)的經向較新防寒布低，但降低程度較小，不影響其重復使用。

經前期試驗測定，依靠純拉力將1 m寬舊防寒布從20 cm厚的土壟中拉拽出來，拉力約為800 N，防寒布承受拉伸強度遠低于其自身的抗拉強度，說明舊防寒布滿足重復使用的強度要求。

表2 拉伸試驗結果

1.2 整機結構

葡萄冬季埋土清除與防寒布回收機的整機結構如圖4所示，由主機架、副機架、清土部件、卷布部件、液壓系統和限深輪等組成。主機架是整機零部件的安裝載體，其前端為三點懸掛裝置，與拖拉機掛接。

1.輸入軸 2.風冷器 3.主機架 4.液壓油缸 5.副機架 6.刮土板 7.清土馬達 8.清土葉輪 9.限深輪 10.換向支架 11.清土毛刷輥 12.立式帶座軸承 13.卷布輥 14.液壓油箱 15.卷收馬達 16.鏈傳動組件 17.液壓泵

副機架與主機架通過矩形管套接，以液壓油缸相連。清土部件安裝于副機架上，包括刮土板和清土葉輪，分別位于副機架前端和中部下方，上下位置可調。卷布部件位于主機架的后方，包括換向支架、清土毛刷輥和卷布輥，換向支架鉸接安裝在主機架后部左端和副機架后部右端；2個清土毛刷輥豎直固定在主機架后部，清土毛刷輥之間間隙恰好使防寒布通過；卷布輥安裝于清土毛刷輥后部上方、主機架外延的安裝架上，兩端為銷連接的榫卯結構，便于拆卸和更換。液壓系統由液壓泵、清土馬達、卷收馬達、液壓油缸等組成，液壓泵將輸入軸的機械能轉化為液壓能，為系統執(zhí)行元件動作提供動力；清土馬達位于清土葉輪正上方，驅動清土葉輪轉動；卷收馬達位于主機架的左側，通過鏈傳動驅動卷布輥轉動；液壓油缸兩端分別連接主機架和副機架，調節(jié)副機架位置。2個限深輪分別位于主機架后部兩側，支撐整機并調節(jié)機組的作業(yè)高度。

1.3 工作原理

拖拉機牽引機組前進，動力由拖拉機動力輸出軸（PTO）經萬向節(jié)傳遞至輸入軸，通過鏈傳動增速后傳遞給液壓泵，從而將機械能轉化為液體壓力能，驅動清土馬達和卷收馬達轉動，并驅動液壓油缸伸縮。作業(yè)前，根據機組與土壟相對位置調節(jié)液壓油缸以調整副機架的位置，使安裝于副機架上的刮土板和清土葉輪處于土壟的正上方；調節(jié)限深輪的高度，使整機處于合適高度并保持水平；調節(jié)刮土板和清土葉輪的相對高度，便于二者配合清除葡萄藤上方覆土；人工從土壟一端揭起防寒布，防寒布從右換向桿下方穿過，繞過左換向桿上方，換向到機器前進方向，然后從清土毛刷輥間隙穿過，向上平整纏繞在卷布輥上。作業(yè)時，拖拉機牽引機組前進，刮土板首先將土壟上部土壤推移至左側行間，清土馬達帶動清土葉輪轉動，清土葉輪的葉片高速旋轉將土壟上方剩余土壤旋拋清理到行間；卷收馬達通過鏈傳動驅動卷布輥轉動以卷收防寒布，張緊的防寒布翻轉換向將剩余覆土傾倒在行間，清土毛刷輥清理防寒布上粘黏的土壤，保持防寒布的清潔，隨后防寒布被卷收在卷布輥上，從而完成埋土清除和防寒布回收作業(yè)。

1.4 主要技術參數

結合籬架式栽培葡萄種植農藝要求和埋土作業(yè)狀況，確定葡萄藤埋土清除與防寒布回收機的主要技術參數，如表3所示。

表3 葡萄藤冬季埋土清除與防寒布回收機主要技術參數

注：外形尺寸中寬度為副機架全部伸出后的最大寬度。

Note: The width of the external dimension is the maximum width of the vice frame after all the extension.

2 關鍵部件設計

2.1 清土部件

2.1.1 刮土板

采用水平直元線法[32]設計刮土板曲面，刮土板采用10 mm厚的65Mn鋼板折彎而成，曲面為圓柱形，其展開平面為四邊形，四邊形尺寸為長700 mm、高300 mm，折彎后曲面曲率半徑為680 mm。葡萄藤在土壟中的分布不規(guī)律，為防止刮土板下緣在作業(yè)中損傷葡萄藤，采用硬質橡膠包覆刮土板下緣。

刮土板工作面與機組前進方向夾角（即刮土板安裝角）決定刮土板向行間輸送土壤的能力，刮土板對土壤的作用力如圖5所示。隨刮土板前進，土壤在機組前進方向和葡萄行寬度方向不斷被擠壓破碎，同時沿葡萄行寬度方向被輸送，分力2決定刮土板向行間輸送土壤的能力，安裝角越大，分力2越小，作業(yè)幅寬越大，刮土板阻力越大，為平衡刮土板阻力和作業(yè)幅寬，安裝角取45°。

1.土壤顆粒 2.刮土板

1.Soil particles 2.Scraper

注：為刮土板安裝角，(°)；為刮土板對土壤顆粒的作用力，N；1為作用力在機組前進方向的分力，N；F為作用力在葡萄行寬度方向的分力，N；為機組前進速度，km×h–1。

Note:is the angle of the scraper installation, (°);is the force on soil particles by scraper, N;1is the component force ofin the forward direction of the unit, N;2is the component force ofin the width direction of the grape row, N;is the unit forward speed, km×h–1.

圖5刮土板對土壤的作用力示意圖

Fig.5 Schematic diagram of force on soil by scraper

2.1.2 清土葉輪

清土葉輪由環(huán)形支撐、清土葉片、硬質橡膠板等組成，結構如圖6所示。環(huán)狀支撐上部為直徑300 mm的圓形板，下部為直徑200 mm的圓管，二者同軸焊接。清土葉片內凹面為曲率半徑155 mm的曲面，豎直截面為半徑155 mm的四分之一圓環(huán)，寬度為200 mm。從上往下看，清土葉片外曲面切線與環(huán)狀支撐架頂面直徑重合，且當葉片轉動至外曲面切線與機組前進方向相同時，土壤恰好沿葡萄行寬度方向被拋出。為保證清土效率并防止土壤擁堵在葉片之間，葉片數為4片。

1.環(huán)形支撐 2.清土葉片 3.螺栓螺母 4.硬質橡膠板

2.2 換向支架

換向支架的作用是將防寒布從葡萄藤上方平行換向到主機架后方，主要由左換向桿、右換向桿和萬向支撐輪組成，左換向桿和右換向桿后端共同鉸接在萬向支撐輪上，左換向桿前端鉸接安裝在主機架后方豎梁上，右換向桿前端鉸接安裝在移動安裝座上，移動安裝座套接在副機架后端右側的豎梁上，上下位置可調，因此換向支架整體可隨副機架伸出而向右偏移，最大偏移量為液壓油缸的行程；同時可調節(jié)右換向桿前端相對于后端的高度，尋找最合適的防寒布換向和傾倒剩余防寒土的位置點。

換向支架工作原理如圖7所示，保證作業(yè)時防寒布從圖中右側平行換向到左側的條件是：左換向桿和右換向桿在鉸接點處夾角∠為90°，即以左右換向桿構成的三角形△為以線段為直徑的圓的內接直角三角形。

注：AO和BO分別為換向支架的左換向桿和右換向桿，點A和點B分別為左、右換向桿與主機架和副機架的鉸接點，線段KJ和MN分別為防寒布在左右換向桿上的投影。

當∠發(fā)生變化時，防寒布卷收方向也將發(fā)生變化。如圖8所示，當∠小于90°時，防寒布經過換向支架會產生“內斂”現象，此時防寒布在左換向桿上的受力集中在線段的端，致使防寒布整體沿換向桿向后端滑移，造成防寒布在換向桿后端鉸接點處堆積；當∠大于90°時，防寒布經過換向支架會產生“外展”現象，此時防寒布在左換向桿上的受力集中在線段的端，致使防寒布整體沿換向桿向前端滑移，造成防寒布在換向桿前端鉸接點和處堆積。因此，換向支架各連接點處均采用鉸接方式，換向支架2個換向桿夾角可隨副機架的伸縮而調整，當液壓油缸推動副機架外伸1/2行程時，∠恰好為90°。

圖8 防寒布卷收過程中的“內斂”與“外展”現象

2.3 液壓傳動系統

液壓傳動系統由卷收馬達控制回路和液壓油缸與清土馬達控制回路組成，每個回路具有不同的壓力要求，選擇限壓式變量雙聯葉片泵為2個油路提供油壓，泵的最大排量為30 L/min，輸入轉速為800～1 800 r/min，調壓范圍為7～10.5 MPa。

液壓油缸用于調節(jié)副機架的位置，便于機器適應不同種植行距的葡萄園，方便完成地頭轉彎以及路上行駛。作業(yè)時，伸縮油缸動作次數少，時間短，在液壓缸回油路上串聯1個可調節(jié)流閥，通過改變節(jié)流閥通流面積控制液壓缸排量，實現油缸速度調節(jié)。選擇安裝間距為530 mm、行程300 mm、缸徑40 mm的雙耳式工程液壓缸，額定工作壓力為16 MPa，油缸全部伸出時，機架最大寬度達到2.6 m，可適應多數葡萄園種植模式。

清土馬達驅動清土葉輪轉動，其轉速根據清土量調節(jié)，在清土馬達進油路上串聯1個調速閥即可。選擇CM5-12齒輪馬達，轉速范圍為550～3 600 r/min，額定扭矩為42 N·m，工作壓力可達21 MPa，排量為12.6 mL/min，滿足使用要求。

卷收馬達驅動卷布輥轉動卷收防寒布，機組前進速度為2 km/h，卷布輥外徑設計為50 mm，卷布輥轉速在52.8～212.4 r/min之間線性變化，采用限壓式變量泵和調速閥組成調速回路完成對馬達轉速的調節(jié)[33]。卷布輥有低轉速要求，選擇1QJM001-0.063型定量鋼球馬達，滿足卷布輥的低轉速要求，調速范圍為8～800 r/min，額定工作壓力為10 MPa，能夠穩(wěn)定輸出至少95 N?m的扭矩，滿足使用要求。

3 離散元仿真試驗

經調研，葡萄春季清土作業(yè)時，機組行進速度過快會導致剛性清土部件誤傷葡萄藤，為保證清土質量，機組行進速度在1～2 km/h之間為宜，且作業(yè)時速度波動不能太大。考慮作業(yè)效率，將行進速度確定為較高水平2 km/h。此時，對清土效果產生影響的因素為刮土板工作面的曲率半徑、清土葉輪的葉片數和轉速，利用離散元軟件EDEM進行清土作業(yè)仿真試驗，以觀察具體的影響效果。為了便于模擬仿真，暫不考慮土壟中葡萄藤和防寒布的影響，將清土部件三維模型導入EDEM軟件，對影響清土效果的關鍵因素（曲率半徑、葉片數、轉速）進行仿真試驗，獲得各參數的最優(yōu)組合。

3.1 建立仿真模型

仿真模型包括土壤模型和清土部件模型2部分。新疆地區(qū)葡萄防寒土的土質多為壤土或沙壤土，土壤散粒度高，顆粒結構形狀差異不大，為類球形，因此，在建立土壤模型時，使用EDEM軟件中自帶的單球體顆粒作為土壤顆粒結構，并選擇Hertz-Mindlin（no slip）顆粒接觸模型作為顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型。通過試驗測定和查閱文獻得到離散元仿真模型參數[20]，如表4所示。

模擬實際作業(yè)環(huán)境，在EDEM中建立土壟模型，土壤顆粒的粒徑分布范圍為5～9 mm，呈正態(tài)分布。虛擬顆粒工廠的顆粒生成速度為20 000個/s，耗時5.5 s，共生成110 000個土壤顆粒，土壟模型高度為150 mm，寬度為1 000 mm，長度為2 000 mm。

表4 離散元仿真模型參數

將清土部件的幾何模型從SolidWorks軟件導入到EDEM軟件中，建立清土部件的仿真模型。設定清土部件以2 km/h的恒定速度前進，整個仿真過程持續(xù)時間為11 s，前5.5 s為生成土壤顆粒建立土壟模型時間，后5.5 s為模擬清土作業(yè)時間。設置仿真時間步長為自動時間步長，數據保存間隔為0.05 s，網格單元尺寸為2倍最小土壤顆粒半徑[20]。

3.2 評價指標

國內葡萄種植尚未形成統一、規(guī)范的種植模式[8]，對于清土作業(yè)質量沒有統一、明確的要求。有些學者提出的評價指標局限于其所研究的機器和作業(yè)葡萄園的種植模式[20,24]，大多數清土機性能評價以基本完成清土作業(yè)為準，尚無統一、明確的量化指標。清土作業(yè)完成后，防寒布上方土壤被清理到行間形成新的土壟，為了便于被清理的防寒土平鋪在行間且不影響后續(xù)的人工起藤作業(yè)，本文將新壟與原壟的中心距定義為清土距離，將其作為清土部件作業(yè)性能的評價指標，在作業(yè)行內清土距離越大，清土部件的清土能力越強；防寒布回收評價以實現卷收功能為準，盡量減少破損并卷收整齊。

3.3 正交仿真試驗與參數優(yōu)化

3.3.1 正交試驗

為尋求最優(yōu)參數組合，對所選3個參數進行三因素五水平正交仿真試驗，選用L25(56)正交表進行試驗設計，按照各參數的取值范圍設置因素水平，如表5所示，試驗結果如表6所示。

表5 仿真試驗因素與水平

表6 試驗方案與結果

3.3.2 試驗結果分析與參數優(yōu)化

為了獲得最優(yōu)參數組合，對試驗結果進行極差分析，結果如表6所示。3個因素對清土距離的影響由大到小依次為、、，刮土板工作面曲率半徑對清土距離的影響最大，其次為清土葉輪的葉片數，清土葉輪的轉速對清土距離的影響最小，由此確定的較優(yōu)參數組合為433，即刮土板工作面曲率半徑為700 mm、清土葉輪的葉片數為4片、清土葉輪轉速為500 r/min。

對試驗結果進行方差分析，結果如表7所示，結果表明，對于清土距離，刮土板工作面的曲率半徑為顯著影響因素，而清土葉輪的葉片數和轉速為非顯著影響因素，因此根據極差分析結果，確定清土葉輪最優(yōu)葉片數和轉速分別為4片和500 r/min。為了確定顯著因素曲率半徑的最優(yōu)值，在清土葉輪葉片數為4片、轉速為500 r/min基礎上，以清土距離為試驗指標對曲率半徑進行試驗。在曲率半徑600～800 mm取值范圍內安排4個水平，分別為640、680、720和760 mm。試驗結果表明，當曲率半徑為680 mm時，清土距離最大為294.27 mm，故刮土板工作面最優(yōu)曲率半徑為680 mm。

表7 方差分析結果

注：*表示影響顯著（＜0.05）。

Note: * indicates significant impact(＜0.05).

4 田間試驗

為檢驗該葡萄埋土清除與防寒布回收機的田間作業(yè)效果，并對離散元仿真試驗確定的最優(yōu)參數組合進行驗證，委托寧夏智源農業(yè)裝備有限公司加工樣機并進行田間試驗。

4.1 試驗準備

本文根據有關國家標準和農業(yè)機械試驗方法于2019年7月開展田間試驗，在樣機加工地寧夏回族自治區(qū)的吳忠市附近挑選長度為50 m的試驗田，試驗田土質與實際埋土作業(yè)土質相同。試驗時葡萄園未有下架埋土的防寒作業(yè)，故在試驗地模擬葡萄園冬季埋土作業(yè)。首先在地表擺放干枯葡萄藤，然后在其上鋪設防寒布，防寒布厚度為0.2 mm，寬度為1 m，將其長度裁剪為52 m，其中50 m作為構建防寒土壟，剩余2 m作為機器作業(yè)開始前人工揭起的防寒布，省略人工實際清土揭防寒布過程。配套動力使用雷沃歐豹M454-E型輪式拖拉機，動力輸出軸轉速分為540 r/min和760 r/min兩檔。采用旋耕式埋藤機構建土壟，土壟截面形狀近似長方形，土壟寬度約為1 000 mm，土壟高度約為150 mm，試驗地及埋土土壟情況如圖9所示。

圖9 試驗地及埋土土壟示意圖

4.2 試驗方法

試驗時，葡萄冬季埋土清除與防寒布回收機掛接在拖拉機上，試驗開始前，啟動拖拉機，操作液壓閥組控制液壓油缸伸出，直至清土部件位于土壟正上方，并調節(jié)刮土板和清土葉輪至合適的作業(yè)高度，將預留的2 m防寒布繞過換向支架，穿過清土毛刷輥間隙，卷繞在卷布輥上，打開卷收馬達使防寒布張緊，然后關閉卷收馬達等待試驗開始。試驗開始后，將機器各參數按照仿真試驗優(yōu)化結果調試至最佳狀態(tài)，拖拉機以2 km/h的速度沿構建的土壟開始埋土清除和防寒布回收作業(yè)。在相同試驗條件下重復3次，試驗完成后觀察機器清土效果并測量、記錄數據，埋土清除和防寒布回收作業(yè)過程與效果如圖10所示。

圖10 埋土清除和防寒布回收作業(yè)過程與效果

4.3 試驗結果

每行土壟間隔8 m選取5個點分別標記新土壟與原土壟中心線，測量清土距離，總計記錄15個數據點，結果如表8所示，對測量數據取均值，最終得到的平均清土距離為271 mm，田間試驗結果與仿真試驗結果的相對誤差為8%。實際作業(yè)中清土部件并不能完全清理防寒布上方覆土，剩余少量土壤被防寒布傾倒在行間，這會改變新土壟中心線位置，從而使田間試驗結果與仿真試驗結果產生誤差。防寒布在回收過程中產生極少量破損，未出現斷裂情況，能夠實現卷收，但卷收平整度較差。人工作業(yè)速度為80 m/h左右[20-22]，機組作業(yè)速度為2 km/h，作業(yè)效率至少為人工作業(yè)效率的10倍以上，作業(yè)效率高。

表8 測量結果

綜上，葡萄藤上方覆土基本清理到行間，并實現防寒布的機械回收，對葡萄藤和防寒布損傷可忽略不計，作業(yè)效果較好，滿足葡萄清土作業(yè)要求。

5 結 論

本文結合新疆地區(qū)葡萄藤防寒布輔助埋土防寒作業(yè)要求，設計研發(fā)了一種葡萄藤冬季埋土清除與防寒布回收機，確立關鍵部件的結構及參數；通過仿真試驗對清土部件的結構參數和工作參數進行優(yōu)化，并生產樣機進行了田間驗證試驗，得到如下主要結論：

1）本文所設計的籬架式葡萄藤冬季埋土清除與防寒布回收機主要由機架、清土部件、卷布部件、液壓系統等組成，可基本清除葡萄藤上方埋土，基本不損傷葡萄藤和防寒布，并可實現防寒布的機械回收。

2）采用Reger微機控制電子萬能試驗機進行防寒布拉伸試驗，結果表明新、舊防寒布經向抗拉強度明顯高于緯向，使用1 a的舊防寒布經向抗拉強度較新防寒布降低約5.1%，不影響防寒布的循環(huán)使用，為防寒布使用方式和防寒布回收裝置的設計提供依據。

3）在EDEM軟件中建立土壟和清土部件模型，對影響清土距離的刮土板曲率半徑、清土葉輪的葉片數及其轉速，設計并實施三因素五水平正交仿真試驗，對試驗結果進行了極差分析，得到3個參數對清土距離的影響由大到小依次為曲率半徑、葉片數、轉速；對試驗結果進行了方差分析，確定曲率半徑為顯著影響因素，葉片數和轉速為非顯著影響因素，確定清土葉輪最優(yōu)葉片數為4片，最優(yōu)清土葉輪轉速為500 r/min；對顯著影響因素曲率半徑進行試驗，確定最優(yōu)曲率半徑為680 mm，最優(yōu)參數組合下清土距離為294.27 mm。

4）加工樣機，按照實際作業(yè)狀況建造土壟，對仿真試驗確定的最優(yōu)組合參數進行田間驗證試驗，得到平均清土距離為271 mm，與仿真試驗結果的相對誤差為8%；防寒布產生極少量破損，未斷裂，能夠實現基本卷收；機組作業(yè)效率為人工作業(yè)效率的10倍以上。

本文研發(fā)的葡萄冬季埋土清除與防寒布回收機解決了傳統機械清土不徹底的難題，基本實現完全清土和防寒布的機械回收，作業(yè)效果較好，具有較大的發(fā)展前景，該機器的研發(fā)為北方寒地葡萄埋土清除作業(yè)提供了新的思路，可為后續(xù)清土機械的發(fā)展提供參考。

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Development of trellis-type grape winter buried soil clearing and cold-proof cloth recycling machine

Niu Cong, Xu Liming※, Duan Zhuangzhuang, Liu Xingxing, Ma Shuai, Yuan Quanchun, Wang Shuoshuo, Yuan Xunteng, Zeng Jian, Chen Chen

(,,100083,)

In Xinjiang region of China, the grape cultivation area needs to take soil buried cold-proof operation in winter to make the vines safely overwinter. However, the single soil buried cold-proof operation brings great difficulties to the subsequent soil clearing operations, such as incomplete soil mechanical clearing and low operation efficiency. The vineyards headed by Xinjiang change the cold-proof mode, and the cold-proof cloth is used to assist in soil buried cold-proof operation, which can play a better effect of heat preservation and moisture conservation and provide the possibility for complete soil clearing. But at the same time, there are some problems such as difficulty in recycling cold-proof cloth. In view of the problems in the above-mentioned soil clearing operation and the agricultural requirements of the trellis-type grape planting, combined with the operation requirements of the grape soil clearing under the cold-proof cloth assisted soil-buried mode, this paper designed the grape winter buried soil clearing and cold-proof cloth recycling machine, which is composed of a frame, a soil clearing component, a cloth recycling component and a hydraulic system, etc. This paper explained the structure and working principle of each part of the machine in detail, and analyzed the structure and parameters of key components. The tensile performance test of the cold-proof cloth used for one year was carried out to verify the feasibility of the cold-proof cloth recycling. The result showed that the tensile strength of the old cold-proof cloth was lower than that of the new cold-proof cloth, and the warp tensile strength was better than the across, but it was not enough to affect its recycling, based on this the correct direction of the cold-proof cloth using was determined, and the basis for the design of cloth recycling component was provided. Discrete element software EDEM was used to carry out simulation test of soil clearing operation. The simulation model consisted of soil ridge and soil clearing component modes in EDEM software. The soil clearing distance was used as the evaluation index of soil clearing effect, and the experimental factors were the curvature radius of the working face of the scraper, the blade numbers of the soil clearing impeller and its rotation rate. Under the condition of 2 km/h, the three-factor five-level simulation orthogonal test was carried out. The results showed that the order of influence of three factors on soil cleaning distance was that curvature radius, blade number and rotation rate. According to the variance analysis of test result, the curvature radius was the significant influencing factor, the blade number and rotation rate were the non-influencing factors, and the optimal parameter combination was that the curvature radius was 680 mm, the blade number was 4, the rotation rate was 500 r/min, and the clearing distance was 294.27 mm. The prototype was processed and the field verification test was carried out based on the optimal parameter combination. The test results showed that the soil clearing distance was 271 mm, and the relative error with the simulation test results was 8%. The buried soil was basically cleaned and the damage to the vines and the cold-proof cloth was small. The operation efficiency of the machine was more than 10 times of the manual soil clearing efficiency. This study can provide a new development idea for the operation of buried soil clearing in Xinjiang regions of China, and provide reference for the development of follow-up grape soil clearing machinery.

mechanization; simulation; grape vine; buried soil clearing; cold-proof cloth recycling; EDEM

牛 叢，徐麗明，段壯壯，劉星星，馬 帥，袁全春，王爍爍，袁訓騰，曾 鑒，陳 晨. 籬架式葡萄藤冬季埋土清除與防寒布回收機研制[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(2)：50－58.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.007 http://www.tcsae.org

Niu Cong, Xu Liming, Duan Zhuangzhuang, Liu Xingxing, Ma Shuai, Yuan Quanchun, Wang Shuoshuo, Yuan Xunteng, Zeng Jian, Chen Chen. Development of trellis-type grape winter buried soil clearing and cold-proof cloth recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 50－58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.007 http://www.tcsae.org

2019-08-26

2019-11-21

現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金資助（CARS-29）

牛 叢，博士生，主要從事生物生產自動化研究。Email：niucong0322@163.com

徐麗明，教授，博士生導師，主要從事生物生產自動化技術與裝備研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.007

S224.9

A

1002-6819(2020)-02-0050-09