楊啟志，赫明勝，施 雷，施愛平，趙曉琪

釀酒葡萄清土起藤機刮板與防寒土相互作用研究

楊啟志，赫明勝，施 雷，施愛平，趙曉琪

（江蘇大學農(nóng)業(yè)工程學院，鎮(zhèn)江 212013）

中國西北釀酒葡萄主產(chǎn)區(qū)春季的清土起藤作業(yè)機械化剛剛開始，針對目前單刮板清土部件作業(yè)整機功耗高，清土效率低以及缺乏與防寒土動態(tài)作用的理論研究等問題，該研究提出了刮板式清土機的設(shè)計理論及方法，并設(shè)計了一種雙刮板式清土起藤機。首先，根據(jù)中國西北葡萄種植地區(qū)清土農(nóng)藝要求，確定刮板的數(shù)量及外形尺寸，然后通過理論分析大刮板的受力，確定影響其工作阻力的主要因素，并通過EDEM離散元仿真，對設(shè)計的具有不同曲面形式、切削角及傾斜角的刮板進行土壤離散顆粒群與機械刮板相互作用仿真，分析刮板壅土情況和土壤顆粒群的流動規(guī)律，然后設(shè)計三因素三水平的正交試驗，以壅土量為評價指標獲得刮板的最佳工作參數(shù)，并進行了臺架試驗驗證。結(jié)果表明當刮板曲面為拋物線、切削角為55°、傾斜角為60°時，刮板壅土量最少為43.2 kg，清土效果較佳，與仿真結(jié)果一致；加工一臺雙刮板式物理樣機并進行了田間試驗，與傳統(tǒng)單刮板式清土起藤機進行對比試驗，結(jié)果表明雙刮板式清土起藤機的清土率為75.03%，比傳統(tǒng)單刮板清土起藤機提高了27.2個百分點，新研制的刮板相對傳統(tǒng)刮板壅土量降低了38.74%。研究結(jié)果可為后續(xù)研制葡萄藤清土起藤機提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。

農(nóng)業(yè)機械；試驗；刮板；雙刮板清土起藤機；EDEM；壅土量

0 引 言

中國葡萄的栽植面積躍居于世界第二位，并成為了世界第一葡萄產(chǎn)量大國，位于中國寧夏地區(qū)的賀蘭山東麓就處于世界葡萄種植的“黃金地帶”。然而由于這些地區(qū)地理環(huán)境特殊，冬季氣候寒冷干燥，為了防止葡萄藤凍傷和風干，目前主要采取了冬季埋藤和春季起藤的保護措施[1]。這使得中國西北地區(qū)的釀酒葡萄產(chǎn)區(qū)種植環(huán)節(jié)較為復雜，尤其是春季清土起藤環(huán)節(jié)，造成了釀酒葡萄種植產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)成本直線上升。目前冬季覆土埋藤已基本實現(xiàn)機械化，然而春季清土起藤仍以人工為主，機械化程度較低[2-3]，葡萄園內(nèi)常見的機械清土方式為單刮板式清土，土壤壅土現(xiàn)象嚴重，增加了后續(xù)人工起藤的難度，起藤作業(yè)質(zhì)量的好壞將會直接影響葡萄藤的發(fā)芽率和產(chǎn)果率。

因地理位置原因，國外并沒有相關(guān)清土機的研究。目前，國內(nèi)已有農(nóng)機企業(yè)公司研制清土起藤機，如寧夏智源與寧夏大學研制了葡萄起藤自動除土機，其通過上、側(cè)刮板配合清土[4]，但是存在壅土現(xiàn)象嚴重等問題，現(xiàn)在葡萄園內(nèi)大規(guī)模投入使用的單刮板式清土起藤機[5]，其只依據(jù)農(nóng)場主經(jīng)驗改進的，沒有真正的理論設(shè)計過程，缺乏土壤顆粒群與刮板機械結(jié)構(gòu)相互作用機理的研究，會導致在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)壅土、清土率效率低、后續(xù)人工清土量大等問題。中國農(nóng)業(yè)大學王文斌[6]設(shè)計了一種采用螺旋旋耕式的清土機，作業(yè)時機器將土壤打碎并運到壟間，并通過液壓系統(tǒng)進行避障，但是由于整機外形尺寸過大，不易操作；中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院劉芳建等[7]設(shè)計了一種可自動回縮的清土機，作業(yè)時通過刮土板對土壤清除，并配合攪龍將土壤輸送到行間，但該機器存在整機結(jié)構(gòu)設(shè)計復雜，制作成本高等問題。因此，為了加快清土起藤裝備的發(fā)展，減少工作阻力和提高清土效率，有必要對刮板式清土機與防寒土的相互作用進行分析，探索刮板阻力的變化規(guī)律以及土壤的動態(tài)流動過程，形成清土起藤機械的設(shè)計理論，為系列化研究刮板式清土起藤機械打下基礎(chǔ)。

眾所周知，西北地區(qū)土壤干燥，沙性大，是典型農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的離散顆粒群，其動力學問題以及與機械結(jié)構(gòu)件的動態(tài)相互作用問題一直是研究的難點。近年來，隨著計算技術(shù)的發(fā)展，離散元分析法及其仿真軟件EDEM已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械和采礦機械等領(lǐng)域。如中國農(nóng)業(yè)大學馬帥等[8]基于EDEM仿真研究了葡萄藤埋土的葉輪旋轉(zhuǎn)式單邊清土機；鄭侃等[9]運用EDEM仿真與正交試驗結(jié)合的方式研究反旋深松聯(lián)合作業(yè)耕整機作業(yè)質(zhì)量的影響因素。

因此本文根據(jù)西北寧夏地區(qū)釀酒葡萄生產(chǎn)作業(yè)模式，基于EDEM的土壤顆粒與刮板相互作用的研究，提出了刮板的設(shè)計理論及方法，并試制了一臺雙刮板式清土起藤機，擬解決傳統(tǒng)刮板壅土嚴重、清土效率低等問題，為刮板式清土起藤機的設(shè)計及田間作業(yè)提供參考依據(jù)。

1 雙刮板式清土起藤機設(shè)計

1.1 清土起藤機農(nóng)藝要求

通過實地測量寧夏地區(qū)釀酒葡萄埋藤土壟的形狀，發(fā)現(xiàn)土壟的橫截面呈梯形，如圖1a所示。土壟上寬為70～80 cm，底寬為140～150 cm，高度為60～70 cm，葡萄藤上部覆土高度為10～20 cm。寧夏地區(qū)葡萄種植的規(guī)格兩行間距2為3.5～4 m，立柱間距1為7.8～8 m，葡萄藤區(qū)域?qū)?為40 cm，刮板單側(cè)入土的最大深度1為50～55 cm，刮板的傾斜角為刮板與機架在前進方向形成的安裝角度，如圖1b所示。工作時，大量側(cè)邊覆土被大刮板刮除，并向行間輸送。

1.2 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

作業(yè)時，根據(jù)葡萄園內(nèi)清土起藤的農(nóng)藝要求，單刮板清土后，有部分土壟塌落，用多層刮板清土，清土效果更好，但工作阻力增大，功耗變大，結(jié)構(gòu)更復雜。綜合考慮葡萄園間節(jié)能、清土效率及結(jié)構(gòu)要求，本文選擇一個大刮板，一個小刮板的雙刮板來相互配合清土。大刮板為清土主部件，首先對土壟刮動，部分覆土會塌落，形成殘留覆土，小刮板會對這部分剩余覆土進行清除。雙刮板式清土起藤機主要由機架、雙刮板部件、三點懸掛架等組成，整機結(jié)構(gòu)如圖2所示。雙刮板式清土起藤機通過拖拉機牽引，并通過三點懸掛架進行整體的抬升與下降。大刮板橫向伸縮裝置固定在機架下方，可以調(diào)節(jié)大刮板橫向清土寬度。大刮板安裝在伸縮裝置的一端，清除大部分覆土。小刮板伸縮裝置安裝在機架側(cè)后方，可以調(diào)節(jié)橫向清土寬度，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 雙刮板式清土機主要技術(shù)參數(shù)

1.3 刮板分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3.1 刮板設(shè)計

根據(jù)農(nóng)藝要求，在作業(yè)過程中刮板不能存在壅土嚴重的現(xiàn)象。刮板設(shè)計主要集中在刮板與土壤相互作用的研究，目前常見的刮板曲面準線有直線、圓弧線、拋物線、漸開線等幾種形式[10-11]。當刮板曲面是直線時，準線曲率恒為零，土壤流動性很差，壅土嚴重。后續(xù)將通過試驗和仿真結(jié)合的方法驗證圓弧線，拋物線以及漸開線等不同曲面形式的刮板對于壅土量的影響。

根據(jù)葡萄藤土壟的尺寸及田間作業(yè)要求，設(shè)計大刮板高度=600 mm，小刮板高度為300 mm，在這一高度下清理的覆土理論上不會翻過刮板上方。為了將覆土運送到行間，設(shè)計大刮板長度為1 400 mm，小刮板不需將土壤輸送到行間，設(shè)計長度為600 mm。曲面厚度和曲面的圓弧半徑一般由實際工作的經(jīng)驗獲得。切削角是指刮板鏟尖與水平面的夾角，對刮板鏟土性能的影響較大，依據(jù)參考文獻[12-14]，通常取50°～60°。前翻角指土壤在刮板表面不斷堆積并向前翻起的角度，一般取65°～75°。在刮土板的剖面內(nèi)，以鏟尖為坐標原點，鏟尖與上頂點豎直方向上的連線為軸，刮板底部為軸，垂直于、軸的方向為軸。大刮板與小刮板設(shè)計方式相同，只是高度與長度等尺寸有所不同，故本文以大刮板為例進行分析，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

1.3.2 刮土板觸土曲面參數(shù)方程建立

根據(jù)上述分析，選取刮板曲面準線為圓弧線、拋物線以及漸開線3種參數(shù)方程建立數(shù)學模型，其曲面的參數(shù)方程如表2所示。

如圖4a為圓弧形刮土板在不同切削角下的準線示意圖，結(jié)果表明不同切削角刮土板準線形式相差較大，曲線弧度有較大的差距，圓弧半徑不同。在切削角相同時，不同形式的準線相差較大，以50°切削角為例，作3種類型曲線圖的圖像，如圖4b所示，后續(xù)需要對不同刮板的曲面進行分析。

1.3.3 觸土曲面的準線曲率

不同曲率的刮板將會對土壤的流動性起著至關(guān)重要的作用，因此通過曲率反映曲線的不同變化，曲率的表達式為

根據(jù)式（1）計算，得到9種刮土板的曲率變化規(guī)律。當曲線的準線形式相同時，隨著切削角的增大，曲線的曲率值逐漸減小，切削角為50°時曲率最大，切削角為60°時最小。

表2 刮板曲面的參數(shù)方程

注：為函數(shù)自變量。

Note:is the function argument.

1.3.4 刮板工作阻力分析

以機器的前進方向為軸，本文以大刮板為例，大刮板的受力示意圖所圖5所示，因西北寧夏地區(qū)土質(zhì)以沙壤土為主，并無大石塊，殘根等雜物，故在實際工作過程中，切削刃處阻力較小[17-18]，在后續(xù)分析過程中忽略其阻力帶來的影響。

由刮板的受力圖5可知

由于寧夏地區(qū)冬季寒冷干燥，防寒土含水率極低，故忽略土壤在刮土板上產(chǎn)生的粘結(jié)力，因此刮板工作時所受的阻力為

根據(jù)上述分析可知，刮板所受的工作阻力主要來自于土壤的法向壓力，當土壤流動性差時，刮板壅土嚴重，法向壓力會隨之增大，土壤在刮板表面的流動性與刮板的曲面形式、曲率以及刮板的傾斜角有關(guān)，因此本文基于EDEM模擬刮板的清土試驗，比較刮板在不同曲面形式、切削角以及刮板傾角下的清土效果，在保證清土效果的前提下找到較優(yōu)的參數(shù)組合，降低整機的功耗。

2 刮板清土過程離散元模型及結(jié)果

為了獲得正常工況下刮板的受力情況，本文采用EDEM軟件[19-20]對刮板式起藤機的清土過程進行模擬，找到影響刮板壅土量的最優(yōu)參數(shù)組合。

2.1 土壟離散元模型

本研究主要針對寧夏地區(qū)葡萄園種植基地的土壤，該種植地區(qū)土壤質(zhì)地為沙土，呈松散狀，土壤粘性小，經(jīng)過整個冬天的沉積以及春季土壟底部的返潮，葡萄藤外表不同深度土層的防寒土有著不同的本征參數(shù)，只有通過土壤試驗，才能測得不同層深土壤的本征參數(shù)，其工作量較大。為了獲取西北地區(qū)不同土層的防寒土以及與接觸部件（Q235鋼）的離散元仿真參數(shù)，構(gòu)建相對準確的EDEM仿真模型，減少試驗測量的工作量，將防寒土簡化分為3層，選用Hertz-Mindlin（no slip）作為接觸模型，采用堆積角試驗和直剪試驗，并結(jié)合Plackett-Burman方法確定顯著因素、最陡爬坡試驗縮小范圍、Box-Behnken響應(yīng)面分析法確定回歸方程，逐步確定不同層土壤顆粒間的彈性恢復系數(shù)、滾動摩擦因數(shù)和靜摩擦因數(shù)；通過土壤滑落試驗和二因素通用旋轉(zhuǎn)中心組合仿真試驗獲得不同土層土壤顆粒與刮板之間的彈性恢復系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動摩擦因數(shù)的值，具體數(shù)值如表3所示。

在EDEM仿真過程中，如果建立的土壤模型非常大，將會導致龐大的顆粒數(shù)量，加大了仿真計算難度[21-23]。因此將土壟模型和刮板模型等比例縮小一倍，重點觀察不同類型的刮板壅土情況。通過對不同深度土壟的粒徑進行測量，確定不同層土壤的粒徑形狀，經(jīng)過冬天刮板式埋藤，底層土壤含水率相對于上層土壤高，土壤間會有粘結(jié)現(xiàn)象，所以底層土壤采用塊狀三球體形狀，中間層土壤采用雙球體形狀，頂層土壤則是由砂粒土和部分土塊組成，通過測量其比例，采用單球體和三球體混合，其中單球體數(shù)量占頂層土壤70%，三球體數(shù)量占30%，土壤粒徑為5 mm，Hertz-Mindlin（no slip）為接觸模型。最終生成的總顆粒數(shù)為400 000個，生成的梯形土壟模型的尺寸為2 000 mm×600 mm×300 mm×300 mm（長×下底寬×上頂寬×高）。

2.2 仿真試驗方案設(shè)計

根據(jù)上文分析，通過Solidworks軟件對3種不同曲面類別，不同切削角的刮板建模，然后轉(zhuǎn)換成STEP格式導入到EDEM中。仿真試驗以刮板曲面形式（）、切削角（）以及傾斜角（）為影響因素，并添加了一列空白列作為誤差列，以壅土量（）為評價指標。刮板在工作時，土壤在刮板前方不斷流動，一部分土壤會從刮板一側(cè)流出，另一部分土壤會堆積在刮板前方，當達到最大值時，刮板前方的土壤將不會發(fā)生變化，其數(shù)值稱之為壅土量。結(jié)合上述對于刮板的分析，將刮板曲面形式分為圓弧、拋物線及漸開線，切削角在50°～60°之間取值，如表4所示。刮板的作用為推土以及使土壤更好的流動。傾斜角過大，刮板的推土量將會大幅度降低，傾斜角過小土壤的流動性較差，壅土現(xiàn)象嚴重，根據(jù)在葡萄園內(nèi)對不同清土起藤機調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其傾斜角均在30°～60°。因此選取本文的傾斜角為30°～60°。通過三因素三水平的正交試驗[24-27]，以最小壅土量為試驗?zāi)繕?，確定刮板的最優(yōu)參數(shù)組合。

表4 試驗因素水平

2.3 仿真過程

設(shè)置刮板前進速度為1 m/s，刮板橫向入土深度為300 mm，刮板材料為Q235鋼。仿真試驗時長為10 s，其中0～7 s為土壟模型建立時間，7～10 s為刮土作業(yè)時間，仿真過程如圖6所示。當刮板前進時，土壤不斷在刮板上流動，一部分土壤從刮板一側(cè)流出，另一部分土壤會堆積在刮板前方，形成壅土。

2.4 正交仿真試驗與結(jié)果分析

對不同曲面形式，傾斜角以及切削角的刮板進行單因素分析，以壅土量為評價指標。在EDEM后處理模塊中設(shè)置質(zhì)量檢測區(qū)域，尺寸為長700 mm×寬300 mm×高300 mm，該尺寸為等比例縮小后刮板的長度和高度，在7.82 s時，刮板前方的土壤質(zhì)量不在發(fā)生變化，測出穩(wěn)定階段壅土的質(zhì)量。

2.4.1 單因素分析

1）不同曲面形式以及不同切削角

拋物線型刮板壅土量明顯小于圓弧和漸開線刮板。當土壤在圓弧型刮板表面流動時，土壤所受的法向壓力指向圓心，土壤向中心聚集不易松散，導致壅土量大。而拋物線型刮板的曲率半徑不斷變化，土壤在其表面流動時所受法向壓力也不斷變化（大小和方向），因此土壤間容易產(chǎn)生滑移，使土壤流動性提高，壅土量減小。同一類型刮板曲面形式，在55°切削角作用下的壅土量最少，60°切削角壅土量最大。當刮板的切削角比較小時，刮板對土壤主要是切削運動，推力作用不明顯，土壤流動性差；而當刮板的切削角比較大時，刮板主要起推土作用，切削作用減弱，土壤不斷擠壓，導致壅土明顯。

保持傾斜角60°不變，研究不同曲面形式和切削角對壅土量的影響，不同參數(shù)下的刮板壅土量如圖7所示。由圖中數(shù)據(jù)表明，55°切削角和拋物線組合的刮板，壅土量最小，即在作業(yè)過程中受到的阻力最小，土壤刮板表面流動性好。

2）不同傾斜角

以圓弧型刮板、切削角為55°時為例，保證入土深度不變，確保每次試驗的刮土量相同，只改變刮板的傾斜角。選取穩(wěn)定階段進行對比，如圖8所示。隨著刮板傾斜角的增大，土壤在刮板表面流動性增強，刮板前部的壅土量減小，因此，初步確定傾斜角應(yīng)該為60°。

2.4.2 仿真結(jié)果及其顯著性分析

試驗結(jié)果見表5。根據(jù)極差分析，影響刮板壅土量的3個因素主次順序為：刮板曲面形式、切削角、傾斜角，其最優(yōu)搭配為：拋物線型刮板、切削角為55°、傾斜角為60°，此時壅土量為39.87 kg。

表5 刮板模型正交試驗分析結(jié)果

注：1表示“1”水平所對應(yīng)的試驗指標的數(shù)值之和；2表示“2”水平所對應(yīng)的試驗指標的數(shù)值之和；3表示“3”水平所對應(yīng)的試驗指標的數(shù)值之和；為極差。

Note:1represents the sum of the values of the test indicators corresponding to the “1” level;2represents the sum of the values of the test indicators corresponding to the “2” level;3represents the sum of the values of the test indicators corresponding to the “3” level;is the range.

通過SPSS軟件進行方差分析，由表6方差分析可知，曲面形式與切削角對壅土量的影響顯著，決定系數(shù)2=0.988，調(diào)整決定系數(shù)2＝0.951，表明模型可信。其中曲面形式的作用最顯著，其次是切削角，方差分析結(jié)果與極差分析基本一致。

表6 方差分析

Tab.6 Variance analysis

注：*為顯著標志（<0.05）。

Note: * is a significant sign (<0.05).

3 樣機試制與試驗

3.1 臺架試驗

刮板清土臺架試驗是通過對比不同刮板的壅土量，分析不同因素對刮板壅土的影響，獲取各個因素的最優(yōu)值，同時檢驗仿真試驗結(jié)果是否正確。

3.1.1 試驗材料

臺架試驗在江蘇大學耒耜大樓農(nóng)機測試實驗室里完成，先在室內(nèi)堆起長4 m，下寬60 cm，上寬30 cm，高30 cm的土壟，其中底層土壤深度為10 cm，中間層土壤深度為10 cm，上層土壤深度10 cm。土壤類型為沙壤土，通過松土、晾曬、灑水以及壓實等操作，使不同土壤層的含水率、密度等主要參數(shù)與葡萄園內(nèi)防寒土條件一致，并通過設(shè)置尺寸線，保證每次試驗土壟的尺寸。將刮板安裝在臺架車上，臺架車由電動車牽引前進，通過控制電動車調(diào)速把手改變前進速度，采用視頻采集系統(tǒng)對土壤運動的動態(tài)過程進行數(shù)據(jù)收集，主要設(shè)備包括i-SPEED TR高速相機、BOLING攝像燈、計算機等，現(xiàn)場試驗布置情況如圖9a所示，在試驗中，對穩(wěn)定刮土前端的壅土進行稱量，如圖9b所示。

3.1.2 不同因素對壅土的影響

由仿真分析，依次對影響刮板的壅土量三個因素進行單因素分析，試驗結(jié)果如表7所示。

以圓弧型刮板為例，保持前進速度1 m/s、切削角55°及入土深度不變。隨著刮板傾斜角的增大，刮板前部的壅土量減小，刮板輸送到側(cè)邊的土壤量隨著傾斜角的增大而增加。因此，最佳傾斜角應(yīng)該設(shè)置為60°。

曲面形式的改變對刮板前部土壤的流動性有很大影響，因此以切削角55°、傾斜角60°和前進速度1 m/s為不變因素，研究不同曲面形式對壅土的影響。拋物線型刮板壅土量明顯小于圓弧和漸開線刮板。

切削角是影響土壤在刮板表面流動的重要因素。以圓弧型刮板為例，在不同切削角條件下，刮板前部壅土情況?？刂魄斑M速度1m/s和傾斜角45°不變，只改變切削角。當刮板的切削角比較小時，刮板主要是切削運動，推力作用不明顯，土壤流動性差；而當刮板的切削角較大時，刮板主要產(chǎn)生推土作用，切削作用減弱，導致壅土明顯。

表7 不同因素刮板前方的壅土量

根據(jù)上述臺架單因素試驗結(jié)果，選取曲線形式為拋物線型刮板、切削角為55°、傾斜角為60°的刮板進行試驗。土壤壅土量隨著刮板前進而不斷增加，當達到峰值時壅土量將不再變化，過量的土壤從刮板側(cè)面流出，此時壅土量為43.2 kg，離散元仿真結(jié)果（壅土量為39.87 kg）與臺架試驗結(jié)果的相對誤差為7.7%，與仿真結(jié)果基本一致。

3.2 樣機田間試驗

田間試驗分別于2020年4月11日及2021年3月27日在寧夏吳忠市紅寺堡酒莊進行，試驗設(shè)備主要包括雷沃1104型拖拉機、釀酒葡萄雙刮板式清土起藤機、卷尺、鋼尺、彩旗等。試驗地土壤為沙壤土，單行長度120 m，兩行間距4 m，兩立柱間距8 m，葡萄藤土壟截面上寬為400～600 mm、下寬為1 000～1 200 mm、總高為500～600 mm，葡萄藤上方埋土厚度100～200 mm，葡萄藤位于土壟中心兩側(cè)各200 mm，試驗時，采用最優(yōu)參數(shù)值，保持前進速度恒定，刮板曲面為拋物線，切削角為55°，刮板傾斜角為60°，進行雙刮板式清土起藤機與單刮板清土起藤機的清土性能對比試驗。

3.2.1 試驗方法與評價標準

選取2行土壟分別作為雙刮板和單刮板清土起藤機的清土對象，每行隨機選取9個測量點，用彩旗記錄每個點的位置，測量每處土壟在清土前后的上寬、下寬及高度等尺寸，并計算土壟橫截面積。參照寧夏機械工程學會發(fā)布的《接觸式葡萄藤清土機團體標準》，以雙側(cè)清土率≥50%對清土起藤機性能進行分析評價。清土率即清土前后土壟橫截面積減小比例：

式中1表示清土前土壟橫截面積，m2；2表示清土后土壟橫截面積，m2。

3.2.2 試驗結(jié)果與分析

雙刮板式清土起藤機田間試驗如圖10a所示。田間情況如圖10b所示，試驗前，調(diào)整大刮板伸縮機構(gòu)使大刮板入土深度為20 cm。雙刮板式清土起藤機的清土效果如圖10c所示，清土前土壟橫截面為梯形，使用雙刮板式清土起藤機清土后，覆土塌落明顯，土壟橫截面呈三角形。單刮板清土起藤機清土效果如圖10d所示，土壟塌落較少，整體依舊呈梯形形狀，剩余覆土較多。

清土作業(yè)前后，用卷尺測量標記點的土壟尺寸，分別計算該點清土前后的橫截面積，結(jié)果如表8所示。由表可知，雙刮板式清土起藤機平均清土率為75.03%，比單刮板清土起藤機的47.83%提高了27.2個百分點，可以滿足評價指標。使用雙刮板清土起藤機處理過的土壟的尺寸更小，剩余覆土少，清土率更高，減輕了后續(xù)人工起藤的工作量。

在實際作業(yè)中，由于存在植物的根莖以及葡萄藤的枝芽，直接測量其前進阻力會有較大的困難，故通過測量刮板前方的壅土量判斷其所受阻力的大小。所以選取5壟進行試驗，并在最后測量大刮板前方的壅土量，并取平均值，大刮板前方的壅土量為91.42 kg。為了保證試驗的準確性，在選取的5條土壟的另一側(cè)通過葡萄園內(nèi)的傳統(tǒng)刮板試驗，并測量傳統(tǒng)刮板壅土量為149.33 kg，優(yōu)化的刮板壅土量降低了38.74%，土壤在刮板前方的流動性較好，壅土量大幅度減少，整機所受的前進阻力小。

表8 清土性能試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

1）基于當前葡萄園內(nèi)大規(guī)模使用的單刮板式清土起藤機缺乏刮土部件與土壤顆粒群相互動態(tài)作用的理論研究，存在土壤在刮板表面流動性差，壅土嚴重，清土效率低等問題，提出了一種雙刮板式清土起藤機總體設(shè)計要求，理論分析刮板在工作時的受力情況，得到影響刮板壅土量的主要因素分別為刮板曲面形式、切削角及傾斜角；

2）基于EDEM的離散元仿真，以刮板曲面形式、切削角及傾斜角為試驗因素，壅土量為評價指標，結(jié)果表明刮板曲面形式對壅土量的影響最為顯著，當刮板曲面為拋物線、切削角為55°、傾斜角為60°時壅土量最少，并通過臺架試驗進行單因素分析，壅土量為43.2 kg。離散元仿真結(jié)果（壅土量為39.87 kg）與臺架試驗結(jié)果的相對誤差為7.7%，與仿真結(jié)果基本一致。

3）試制了一臺釀酒葡萄雙刮板式清土起藤機樣機，并將其與單刮板式清土起藤機進行清土率對比試驗，試驗結(jié)果表明針對寧夏地區(qū)清土作業(yè)要求，雙刮板清土機清土率為75.03%，比傳統(tǒng)單刮板清土機的47.83%提高了27.2個百分點，且大刮板相對于傳統(tǒng)刮板在田間的壅土量減少38.74%。

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Interaction between the scraper of the wine grape cleaning machine and the anti-cold soil

Yang Qizhi, He Mingsheng, Shi Lei, Shi Aiping, Zhao Xiaoqi

(212013)

Fully automatic soil cleaning and retaining operation in spring have been emerging in the wine grape-producing areas in northwest China. However, some challenges have still remained on the current single scraper soil cleaning components, such as the high power consumption of the whole machine during the operation, and the low soil cleaning efficiency. In this study, a novel double-scraper type soil cleaning machine was developed to explore the dynamic interaction with cold soil during operation in the grape-growing regions of Northwest China. The number and dimensions of the scrapers were also determined. Specifically, the overall dimensions of the machine were 2 000 mm×2 500 mm×1 600 mm (length×width×height), among which the height of the large scraper was 600 mm, the length was 1 400 mm, the height of the small scraper was 300 mm, the length was 600 mm, and the single-side soil cleaning depth of the whole machine was 300-500 mm. After that, a theoretical analysis was made to determine the force of the large scraper and its influencing factors of working resistance. An EDEM software was utilized to simulate the interaction between the discrete soil particle groups and the mechanical properties in the different scrapers with various curved surfaces, cutting angles, and inclination angles. As such, a relationship was obtained for the back soil condition of the scraper and the flow law of the soil particle groups. Then, a three-factor and three-level orthogonal test was designed to obtain the best working parameters of the scraper with the amount of back soil as the evaluation index. A single-factor analysis and a bench test were also conducted to verify the simulation. The results showed that the primary and secondary factors were the scraper surface profile, the cutting and inclination angle, in terms of the amount of back soil of the scraper. Furthermore, the best scraping performance was achieved, where the scraper curved surface was in the parabolic profile, the cutting angle was 55°, and the inclination angle was 60°, and the least amount backed soil was 43.2 kg, indicating a better consistence with the simulation. A double-scraper physical prototype was also fabricated. A comparison test was then performed on the traditional single-scraper soil cleaning and retaining machine. The test results showed that the soil removal rate of the double-scraper soil cleaning rattan lifter was 75.03 %, which was 27.2 percentage points higher than the traditional single-scraper cleaning machine (47.83 %). In response to the requirements of soil cleaning operations in Northwest China, the back soil volume of the newly developed scraper was 91.42 kg, which was 38.74 % lower than that of the traditional one in the field. The findings can provide a strong theoretical reference for the subsequent development of a scraper-type soil cleaning machine.

agricultural machinery; test; scraper; double-scraper cleaning machine; EDEM; retained soil volume

楊啟志，赫明勝，施雷，等. 釀酒葡萄清土起藤機刮板與防寒土相互作用研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(22)：21-30.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.003 http://www.tcsae.org

Yang Qizhi, He Mingsheng, Shi Lei, et al. Interaction between the scraper of the wine grape cleaning machine and the anti-cold soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(22): 21-30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.003 http://www.tcsae.org

2021-07-11

2021-10-28

國家科技重大專項子課題（2019YFD1002502、2019YFD1002505）；國家自然基金項目（51675239）；寧夏重點研發(fā)計劃重大項目（2018BBF02020）；江蘇省高校自然基金重點項目（19KJA430018）；鎮(zhèn)江市重點研發(fā)計劃（現(xiàn)代農(nóng)業(yè)）（NY2019015）

楊啟志，博士，教授，博士生導師。研究方向為農(nóng)業(yè)機器人、移栽種植、田間管理機械等。Email：yangqz@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.22.003

S220.1

A

1002-6819(2021)-22-0021-10