自动避障葡萄藤扒土机的设计与试验研究

刘芳建，刘忠军，王锦江，米　义，刘晗琨，刘晓秋

(1.中国农业机械化科学研究院，北京　100083；2.现代农装科技股份有限公司，北京　100083)

0　引言

葡萄是我国重要的水果之一，也是葡萄酒酿造的主要原材料。我国葡萄栽培面积居世界第4位，产量位居世界第一[1]。据中国统计年鉴显示，我国葡萄种植面积与产量有逐年上升的趋势，2014年产量达1 254.6万t，同年酿酒葡萄种植面积超过法国，位居世界第二[2]。

与其他主要葡萄种植区分布在不冻线以上的情况不同，我国优质葡萄种植区气候季节差异较大。由于要经历严寒的冬季，葡萄需要做埋藤防寒处理，春季需要出土藤条上架这两步特殊工序[3]。埋藤、出土工作量大，人工作业劳动强度高，效率低下，直接导致成本居高不下；同时，人工作业质量参差不齐，难以符合农艺要求，进而造成葡萄减产[4]。因此，我国主要葡萄产区急需能够完成埋藤覆土作业和扒土作业的农机具。其中，扒土机作业时，扒土作业部件需要避开葡萄藤支柱，增加了作业难度，使得机具复杂程度增加。

国外葡萄主产区由于不需要这两步特殊工序，未见相关机具的研究报道。国内埋藤机已有多种实用机型，而扒土机还在试制和试验阶段。现有扒土机不能实现自动避开葡萄藤支柱，只能在垄的两侧取土送土，不仅严重影响了机具的出土作业质量，还对机手驾驶能力有较高的要求[5]。

本文试制了一种带自动避障功能的葡萄藤出土机，作业面覆盖了全部土垄，作业部件能够自动避开支柱，进而能优质、高效地完成出土作业，为后续扒藤上架工作做好准备。

1　整机设计及工作原理

整个机组悬挂在拖拉机上，由扒土部件、避障系统及辅助调节机构等主要部件组成，如图1所示。

1.避障部件　2.避障触杆　3.控制液压阀 4.避障油缸　5.辅助油缸　6.牵引机架

葡萄埋藤位置基本与葡萄架支柱排列成一条直线或在其附近，若只从土垄两侧出土，势必造成出土不充分，增加扒藤上架难度和工作量。针对这个情况设计的避障出土作业部件，出土作业覆盖整个土垄，遇到支柱时在避障系统的控制下迅速、准确地完成避障和归位动作。在这个过程中,扒土部件要尽量降低对葡萄藤的伤害，增大有效出土量。

随着拖拉机前进，依靠牵引力，刮土板起土并推土前进，绞龙辅助输送土壤。当遇到障碍物(主要为葡萄藤支架)时，避障机构能够通过换向阀收缩避障油缸，使扒土部件回转至行间，避开障碍物；当机组越过障碍物时，避障机构又通过换向阀使避障油缸伸出，使扒土部件摆至株间继续作业。辅助调节机构能够调节扒土部件的作业位置(高度和外摆距离)，以适应不同形式的覆土垄。

2　主要部件设计

2.1扒土部件的设计

扒土部件为右侧摆式，采用推土铲与绞龙组合的方式，推土铲依靠自身弧度与倾斜度，随拖拉机前进时完成起土、侧向推土的作用，绞龙由液压马达提供动力，起到辅助输送土壤作用。这种方式的扒土部件对不同宽度、截面形状的土垄适应性好，出土量大，稳定均匀，不会出现抛散现象。其结构如图2所示。

1.推土铲　2.绞龙　3.转向臂　4.出土口　5.液压马达

推土铲宽度至少应能覆盖作物覆土垡宽度，适当加宽可防止土壤由外侧溢出，但较大的宽度需要避障机构有较大的回转角和回转速度；其高度应使土屑不从推土铲上沿翻落推土铲曲面决定了部件的土壤黏附和阻力大小；其对土壤切削角越小，前进阻力越小，但角度受铲刀强度影响，一般取45°～60°[6]。

绞龙起辅助出土作用，其出土量计算公式为[7]

Q=47D2φsnγC(t/h)

其中，D为螺旋直径(m)；φ为充满系数；s为螺距(m)；n为螺旋转速(r/min)；γ为物料容量(t/m3)；C为倾斜输送修正系数。

其所需功率按如下公式近似计算，即

其中，N0为绞龙轴功率(kW)；Nf为功率储备系数；η为驱动装置总效率；Q为输送量；W0为物料阻力系数。

2.2避障系统的设计

避障功能由跟出土部件连接的液压油缸的伸缩来实现。当作业部件前进至靠近支柱时，作业部件前部的避障触杆先接触支柱；随着机具前进，触杆由于受到支柱挤压发生转动，将这一转动量传递给液压换向阀，控制油缸收缩，作业部件回旋避开支柱。随着机具前进至超过支柱，触杆转动量慢慢达到最大，当触杆末端越过支柱时，由支柱产生的挤压消失，触杆在拉簧的作用下瞬时复位，进而运动传递给液压换向阀，油缸伸出，出土部件迅速回复至原位置，至此完成一个支柱避障的工作过程。

2.2.1液压系统设计

液压系统由避障杆、换向阀、复位弹簧、油缸及限位机构等组成，如图3所示。

图3　液压系统组成原理图

优先分流阀的功能是确保马达始终处于工作状态，及时出土，并且能够调节油缸油路的供油量，以调节油缸伸缩速度。当油缸外伸至顶端时，为防止油路憋死，此处应选用两位四通换向阀H型，让压力油卸荷回油箱，相应地在回油路上设有一节流阀，在回油路上产生背压。

2.2.2避障杆的设计

避障杆的作用是与障碍物接并触通过控制二位四通换向阀产生产生避障信号，并保持避障状态至其越过障碍物，然后依靠弹簧自动回位，避障信号消失，机组恢复工作状态。

避障杆产生的避障信号应保持至扒土部件越过障碍物，这个过程中避障杆会有一个较大的转向角，而换向阀杆行程很小，若避障杆另一端与阀杆刚性连接，则会使阀杆折断。因此，设计了行程保护机构，如图4所示。

接触杆与摆杆一端通过两个曲面转块接触，两转块通过弹簧压紧，属于高副连接。弹簧除了起到压紧曲面转块的作用外，当越过障碍物时，还能靠对曲面转块施压从而使接触杆复位。摆杆另一端与换向阀手柄通过一套筒-插杆连接，套筒与摆杆焊合，插杆两端分别与套筒和换向阀手柄套合，插杆可在套筒内自由转动。随着摆杆转动，插杆的运动由两部分组成，即随套筒一起摆动和在套筒内转动，由此套筒-插杆机构可将摆动传递给换向阀手柄，而不产生卡死现象。

当接触杆开始碰到障碍物时，障碍物对其产生扭矩，由于此时扭矩较小，两转块在压簧的作用下不会产生相对转动，这时接触杆、压簧、曲面转动块、摆杆可近似为一刚体，整体绕摆杆转轴转动，带动换向阀手柄摆动，从而使工作部件无延迟产生避障反应，换向阀手柄很快达到最大行程处。随着机具前进，障碍物对接触杆持续产生扭矩，当此扭矩大于转块自身摩擦力产生的扭矩时，滑块产生转动，接触杆与摆杆不能视为同一整体，摆杆绕压簧轴线转动，这个过程中换向阀手柄始终处于换向位置，油缸回缩至最小位置并保持至机具通过障碍物。当接触杆越过障碍物，其转矩消失，在压簧作用下，两转块、接触杆与换向阀手柄都恢复至原来位置，油缸外伸，工作部件运动至株间位置，至此完成一个避障循环。

1.接触杆　2.压簧　3.曲面转动块 4.摆杆　5.套筒-插杆　6.换向阀手柄

2.3辅助机构的设计

设计的机具作业部件应在侧向和垂直方向具有调节功能，使作业部件能更好地覆盖、适应不同的覆土垄。侧向调节机构由套插的两矩形钢管组成，母管为机具悬挂架，公管上连接作业部件，其伸缩依靠液压油缸实现。垂直方向的调节基于杠杆原理，通过一摆臂实现。摆臂中部转轴固定在机架上，一端与同样固定于机架上的油缸连接，摆臂另一端与作业部件总成连接。辅助机构如图5所示。

3　试验

由于还没有葡萄扒藤机相关的试验检测标准，本文将出土量作为试验指标对样机进行考核。试验办法为：在一定长度的葡萄垄上，先铺一层地膜；然后，在地膜上覆盖均匀厚度的埋藤土壤。覆盖前对土壤称重G1，机具作业后，称取仍留在地膜上的土壤重量G2，考核长度10m，出土率C计算公式为

试验地为中国长城葡萄酒桑干酒庄优质原料种植基地，时间为2016年4月8日-9日，酿酒葡萄采用标准化种植模式，行距3m，株距1m，树龄7年，水泥桩断面10cm×10cm,高度1.8～2m,间距6m， 水泥桩之间架设铁丝4道，最下面一条离地高度30～40cm，入冬前葡萄藤剪干枝后留约100cm长主藤埋土，以防止葡萄藤风干坏死。埋藤机埋土前，一人先将葡萄藤沿行中心压倒，另一人用铁锹铲土压藤，然后用埋藤机埋土；埋土后，断面形状基本呈三角形，底部宽约100cm，高约30cm，顶部呈半圆形。桑干基地的土质属于沙壤土，埋土层土质松软，不结块。

在不同地段做6组试验，按上述公式求取出土率平均值为76.8%，符合作业要求，试验过程中未出现伤藤现象。

1.摆臂　2.摆臂油　3.机架调节公管 4.横向调节油缸　5.机架母管图5　辅助机构

4　结论

1)设计的自动避障扒土机扒土性能良好，避障功能快速、准确，且结构简单可靠，能够胜任扒土作业。

2) 葡萄埋藤的质量影响到扒藤时出土率和葡萄藤的破损率，因此埋藤作业尤为重要。要做到葡萄藤下架时埋土高度尽量一致，埋土量尽量均匀，最好使用专用机具作业。

3) 本试验样机液压动力来自拖拉机自带液压输出口，由于没有专门的散热系统，长时间工作后会产生液压油升温较高的问题，在后续的改进机型应增设副油箱，用来增加循环工作油量，并提高其散热功能；或者直接在机组上增设液压泵站，由拖拉机动力输出轴提供动力，这样工作部件动力更为强劲，同时解决了油温过高的问题。

参考文献：

[1]赵中华.新疆葡萄农业机械应用现状及发展方向[J].农业开发与装备,2008(3):47-48.

[2]李涛,康璟,吴建民,等.我国葡萄埋藤机的现状及相关机械化技术发展[J].农机化研究,2013,35(10):218-221.

[3]许永香.机械化在葡萄生产上的应用及技术探讨[J].山东农机化,2008(1):11.

[4]曾保宁,田志道,赵润良,等.葡萄起藤机的设计与研制[J].中国农机化,2013,34(6):230-232,219.

[5]王志强,郝志强,刘凤之,等.葡萄越冬防寒管理机械的研制及发展趋势[J].农业技术与装备,2014(12):4-6.

[6]韩志武,杨永海,任露泉,等.推土铲仿生分析与可视化设计[J].农业机械学报,2001,32(4):4-6.

[7]中国农业机械科技研究所.实用机械设计手册(下)[K].北京:中国农业机械出版社,1985:524-532.

[8]赵立新,丁筱玲.螺旋输送机的选型设计[J].农机化研究,2006(9):103-105,109.