分层交错式葡萄防寒土弧形清土叶轮的设计与试验

马 帅，徐丽明，牛 丛，闫成功，赵诗建，王 坤，谭好超

·农业装备工程与机械化·

分层交错式葡萄防寒土弧形清土叶轮的设计与试验

马 帅，徐丽明※，牛 丛，闫成功，赵诗建，王 坤，谭好超

（中国农业大学工学院，北京 100083）

针对目前中国北方葡萄防寒土清土部件作业功耗高和相关理论研究较少的问题，设计了一种葡萄防寒土弧形清土叶轮，主要由花键连接轴套、叶轮轴、弧形叶轮片和叶轮片连接板等组成，采用分层交错式结构，以十字交叉形式排布。首先，依据中国北方葡萄防寒土清除农艺要求，确定弧形清土叶轮的外形尺寸和叶轮片数量。通过理论分析弧形清土叶轮的运动和受力，确定影响其作业功耗的主要因素。并基于EDEM软件，以弧形清土叶轮前进速度、转速和叶轮片弯曲角为试验因素，以叶轮扭矩和水平前进阻力为试验指标，进行三因素二次回归正交旋转中心组合模拟试验，以扭矩和水平前进阻力最小为优化目标，获得最优参数组合；进一步基于土槽试验，验证弧形清土叶轮仿真优化结果的准确性，并与直板式清土叶轮作业进行对比分析。仿真优化结果表明，当弧形清土叶轮前进速度为0.38 m/s，转速为450 r/min，叶轮片弯曲角为18°时，其扭矩和水平前进阻力最小，分别为9.99 N·m和27.09 N；土槽试验结果表明，弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别为11.56 N·m和31.82 N，与仿真优化结果的相对误差分别为13.58%和14.86%，同时，与直板式清土叶轮作业对比，弧形清土叶轮扭矩和水平前进阻力分别降低了9.40%和15.37%。研究结果可为后续葡萄藤防寒土清土机的整体设计提供理论依据和技术支撑。

农业机械；弧形叶轮；分层交错式；葡萄防寒土；清土；设计；EDEM

0 引 言

目前，葡萄在中国种植区域分布广泛[1-2]，由于北方冬季寒冷干燥，故在入冬前，需要对葡萄产区进行埋土防寒作业，待第二年春季天气回暖时，再进行清土作业[3-4]，其中春季清土作业是葡萄整个生产管理环节中劳动量最大、劳动强度最高的一个环节，随着国内劳动力短缺和人工成本的日益增加，实现北方葡萄春季清土的机械化作业对中国葡萄产业化发展和提高葡萄种植户收入具有重要意义[5]。

近年来，国内相关领域学者和部分农机企业对葡萄清土机械进行了研究与试制，并取得了一些研究成果，如李法键[6]设计了一种液压驱动型葡萄防寒土清土机，双边清土作业，可进行作业行距调节，由于该机采用橡胶片作为清土部件，故仅适应于沙土和沙壤土地区的葡萄园；马帅等[7]设计了一种自动避障式葡萄防寒土清土机，单边清土作业，作业时清土部件可自动避开水泥柱，由于该机采用柔性刷子和橡胶组合的清土部件，故也仅适用于沙土和沙壤土地区的葡萄园；刘芳建等[8]设计了一种自动摆动葡萄藤扒土机，作业时通过搅龙的转动，将葡萄上埋土清除输送到行间，但搅龙结构设计复杂，制造成本高；王文斌[9]设计了一种葡萄防寒土清除开沟机，该机以螺旋旋耕的方式进行破土和侧向输送土壤，具有避障功能，但整机质量大，采用四连杆机构导致作业惯性大，不易操作。农机企业以宁夏智源农业装备有限公司为代表，主要研制了刮板式葡萄清土机，包括单边清土和双边清土2种机型，刮板式葡萄清土机由于结构简单、操作方便、制造成本低，被大多数农户接受，但刮板作业属于被动式作业，功耗较大，且清土效果有限。总体看，国内葡萄清土机械的研究主要还处于研究试验阶段，此外，现有研究大都是设计整机，对其整体进行粗略研究，以实现机器功能和完成葡萄防寒土的有效清除为基本目标，很少考虑机器作业功耗大小，鲜有研究进行单个清土部件的优化设计，也没有对其作业进行减阻降耗的深入分析研究。国外葡萄产区由于冬季气候温和湿润，不需要进行冬季埋土防寒和春季清土作业，故未见有关葡萄清土机械方面的研究[3,10]。

针对上述问题，本文参照撒肥装置[11-13]中常用的叶轮片，优化设计一种结构轻便、作业功耗低的分层交错式葡萄防寒土弧形清土叶轮部件，对其清土作业受力进行理论分析，基于离散元法（DEM）对弧形清土叶轮清除土壤过程进行仿真模拟，探究其结构参数和运动参数对作业功耗的影响，并进行土槽验证试验，以期为葡萄防寒土清土机具减阻降耗的研究提供理论参考。

1 结构设计

葡萄防寒土弧形清土叶轮部件主要由花键连接轴套、叶轮轴、叶轮片连接板和弧形叶轮片等组成，如图1所示，采用分层交错式结构，即分为上下两层，以十字交叉形式排布，每层沿叶轮轴圆周方向焊接叶轮片连接板，并在叶轮片连接板上通过螺栓固定连接弧形叶轮片，

两层弧形叶轮片和叶轮片连接板的结构和参数相同。

1.花键连接轴套 2.叶轮轴 3.叶轮片连接板 4.弧形叶轮片

1.Spline connection sleeve 2.Impeller shaft 3.Connecting plate of impeller blades 4.Arc impeller blade

注：为弧形清土叶轮的回转直径，mm；为叶轮轴直径，mm；为弧形清土叶轮总高度，mm；为单层叶轮片高度，mm；1为单个弧形叶轮片水平长度，mm；2为弧形叶轮片上直线段部分长度，mm；为弧形叶轮片的半径，mm；为弧形叶轮片厚度，mm；为弧形叶轮片弯曲角，(°)。

Note:is the turning diameter of arc soil cleaning impeller, mm;is the diameter of impeller shaft, mm;is the total height of arc soil cleaning impeller, mm;is the height of single-layer impeller blade, mm;1is the horizontal length of arc impeller blade, mm;2is the length of straight section on arc impeller blade, mm;is the radius of arc impeller blade, mm;is the thickness of arc impeller blade, mm;is the bending angle of arc impeller blade, (°).

图1 分层交错式葡萄防寒土弧形清土叶轮结构示意图

Fig.1 Structure diagram of arc soil cleaning impeller with layered-staggered structure to clean cold-proof soil on grapes

1.1 结构参数设计

弧形清土叶轮结构参数包括整体外形参数和单个弧形叶轮片参数，其中整体外形参数依据葡萄防寒土清除农艺要求确定。由调研可知，中国北方葡萄在冬季埋土后形成横截面类似于等腰梯形的土垄，各地区埋土情况不同，故而土垄的尺寸有所差异[14]。本文选择常规的埋土尺寸，如图2所示，即土垄的上底宽350 mm，下底宽900 mm，高350 mm，水泥柱截面尺寸为100 mm´100 mm，葡萄被土壤埋在水泥柱行中间，土壤中葡萄宽度一般不超过300 mm，高度不超过200 mm。清土作业时，一般采用具有自动避障功能的刮土板与清土叶轮配合作业，刮土板清除土垄上方厚度约为120 mm的埋土，叶轮清除侧边的埋土，实际上叶轮清除的土壤不仅包括葡萄藤防寒土土垄侧边的埋土，还包括被与之配合作业的刮土板向两侧清除流动的土壤，在此，本文仅研究叶轮的清土作业部分。为防止叶轮在作业时碰伤葡萄藤，土垄两侧各预留50 mm的安全距离，因此，叶轮单边清除土壤的宽度为250 mm、高度为230 mm。

根据叶轮清除土垄的尺寸，本文设计弧形清土叶轮的回转直径为600 mm，总高度为300 mm，单层弧形叶轮片的高度为150 mm，叶轮轴的直径为100 mm，如图1a所示。弧形叶轮片由直线段和圆弧段组成，如图 1b所示，直线段长度2为50 mm，用于打孔与叶轮片连接板固定连接，为了使弧形清土叶轮在一定转速下，清除的土壤颗粒更早地离开叶轮片，从而实现减少功耗的目的，设计弧形叶轮片圆弧段的弯曲方向与叶轮旋转方向相反，弧形叶轮片的弯曲角决定土壤颗粒离开叶轮片瞬间的角度和速度[15-16]，由后期仿真优化试验确定，弧形叶轮片的长度1为250 mm，厚度为6 mm。

1.2 叶轮片数量确定

作业时，叶轮的运动轨迹是其自身旋转与前进2种运动的合成，本文设计的弧形清土叶轮的回转直径根据葡萄防寒土清除农艺要求已经固定，故在其转速和前进速度一定的条件下，弧形叶轮片数量越多，重复清扫的区域就会越大，功耗也就越大，但同时对应的漏扫区域也会越小，考虑机械结构设计的对称性和受力均衡性，叶轮每层最低配置2个弧形叶轮片。由于叶轮一般配合避障刮土板进行作业[17]，故前进速度不能超过0.5 m/s，否则刮土板无法完成顺利避障；由预试验可知，当弧形清土叶轮的转速低于350 r/min时，土壤在其旋转作用下会产生回旋现象，即清除的土壤又被旋回土垄上，无法完成有效清土，故弧形清土叶轮在清除土壤时的转速不能低于350 r/min。在试验参数范围内，当叶轮转速最小、前进速度最大时，理论上对应的漏扫区域最大，但通过仿真分析发现，在叶轮每层配置2个弧形叶轮片的情况下，当其前进速度为0.5 m/s，转速为350 r/min时，即可形成有效清土绕扣轨迹线[6]，并且此时漏扫区域可忽略不计，故当弧形清土叶轮转速大于350 r/min，前进速度不超过0.5 m/s时，每层配置2个弧形叶轮片足以满足清土作业要求。

2 弧形清土叶轮受力分析

作业过程中，当弧形清土叶轮接触土壤时，在叶轮随机具前进产生向前的推力和自身旋转产生的离心力，以及土壤颗粒与弧形叶轮片间的摩擦力的作用下，土壤颗粒被叶轮片抛洒出去，而叶轮片在作业过程中则受到水平前进方向的阻力和旋转方向的扭矩，水平前进阻力大小主要表明叶轮对土壤的堆积程度，若前进速度过快，土壤还没有来得及被叶轮清除抛洒，就被向前堆积，则水平前进方向阻力就会变大，由于清除的土壤不断堆积增多，叶轮旋转扭矩也会增大，本文以弧形清土叶轮的水平前进阻力和旋转扭矩代表其作业功耗。

由于中国北方葡萄园内的埋土主要以沙壤土为主，春季清土时，土质较为松散，具有散粒体物料特性，从离散元法（DEM）角度分析，可将土壤看成是由无数颗粒组成，故参考撒肥机研究中对单个肥料颗粒的相关分析[18]，本文以一质量为的土壤颗粒为研究对象，在其即将离开弧形叶轮片的瞬间时刻进行分析，以图3中所在的位置为例，土壤颗粒在弧形叶轮片上将受到重力底部颗粒对其支持力F叶轮片旋转产生的离心力F、叶轮片对其摩擦力F和科式力F，该土壤颗粒对弧形清土叶轮的扭矩大小为

式中为叶轮所受扭矩，N∙m；为叶轮片弯曲角，(°)；为土壤颗粒质心距旋转轴中心的距离，mm。