气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机研制*

牛丛，曾鉴，徐丽明，马帅，闫成功，赵诗建

(中国农业大学工学院，北京市，100083)

0 引言

截至2018年底，中国鲜食葡萄种植面积和产量均居世界首位[1-2]，但葡萄生产机械化仍处于较低水平[3-4]。葡萄作为喜温作物，在世界范围内主要分布于温带及亚热带[5]，意大利、西班牙等葡萄生产大国属于温带海洋性气候和地中海气候，全年气候条件适宜葡萄生长。然而中国的葡萄种植区一半以上位于北方[6]，冬季寒冷干燥且多风，需要对葡萄藤进行防寒保护[7-8]，以埋土防寒模式应用最广泛，即对下架的葡萄藤以覆土成垄的方式使其安全越冬[9]；等到第二年春季，将葡萄藤上方覆土清除便于葡萄藤上架。因此，中国北方葡萄种植较国外增加了两道独特的作业环节[10-11]：冬季下架埋藤防寒和春季清土起藤。目前，葡萄冬季埋藤作业已基本实现机械化，而葡萄春季清土起藤作业仍然依靠人工完成，存在人工成本高、效率低、劳动强度大等问题[12]。春季清土起藤作业具有很强的时效性[13]，过早过晚都不利于葡萄生长，因此亟需实现葡萄春季清土起藤作业的机械化。

近年来，针对葡萄藤埋土防寒模式，许多学者相继研究了不同类型的葡萄防寒土清除机[14-18]，马帅等[14]研制了叶轮旋转式单边清土机，采用旋转叶轮与刮板组合清除土垄侧边土；谢东[15]、刘松[17]根据葡萄埋藤特点采用螺旋搅龙与防寒布组合的形式实现防寒土的清除。葡萄清土机所采用的清土部件主要包括刮板、搅龙、叶轮等，大多属于刚性部件，由于葡萄藤在土垄中分布不规律，作业人员难以根据葡萄藤在土垄中的位置实时调整清土部件的位置，导致刚性清土部件与葡萄藤产生误接触，损伤葡萄藤，影响来年葡萄生长的质量和产量；而避开葡萄藤作业将导致清土效率低下，清土效果变差。

针对上述问题，本文结合前期研究拟设计一种采用旋转刷子与高压气流组合清土的气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机，阐述其工作原理，确定关键部件的结构和参数；分析影响机器清土效果的因素，加工样机并设计试验，对各个影响因素进行分析优化，以期解决现有葡萄春季清土作业存在的难题，为后续葡萄清土机械的优化与发展提供新思路。

1 整机结构与工作原理

本文设计的气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机为单边清土机，作业时仅清除土垄一侧的防寒土，适用于中国北方偏沙性土质的葡萄种植区，如新疆、宁夏、甘肃等地。由实地调研可知，冬季葡萄藤下架沿水泥柱铺放、捆绑并覆土成垄[19]，埋土形成土垄的截面形状呈梯形，尺寸如图1所示。葡萄种植行距e平均为3 m，土垄截面近似等腰梯形[14]，上底宽度a平均为350 mm，下底宽度d平均为1 000 mm，土垄高度h平均为300 mm。为了便于分析，将土垄划分为外、中、内3部分。其中外部土壤通过刚性清土部件如刮土板清除，本文设计的机器主要清除土垄单侧贴近葡萄藤的中、内部土壤。

(a)土垄截面

1.1 整机结构

气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机的整机结构如图2(a)所示，由机架、清土刷总成、高压风机总成、传动机构和限深轮等组成。机架为整机零部件的安装载体，其前端为三点悬挂，用于与拖拉机挂接。清土刷总成安装于机架前端右侧，包括刷片、橡胶板、清土刷传动轴等；刷片与橡胶板均为柔软、有弹性材料，二者共同构成清土刷，分别位于清土刷传动轴中、下部并均匀分布于清土刷传动轴四周。高压风机总成安装于机架后部，包括风机、风管、出风口、出风口方位调节装置等；风机固定在机架后部，风管连接出风口和风机，出风口方位调节装置固定并调节出风口的角度和高度，以确定高压气流喷射方向。机械传动系统组成如图2(b)所示，传动机构将拖拉机输入的动力分两路为清土刷总成和高压风机总成传递动力，包括变速箱、链传动组件、带传动组件I和带传动组件Ⅱ等；变速箱的后输出轴通过联轴器与中间传动轴Ⅰ相连，经链传动组件和带传动组件Ⅰ与风机相连，从而将拖拉机输出的动力传递至风机以驱动风机转动产生稳定的高压气流；变速箱的上输出轴经带传动组件Ⅱ与清土刷传动轴相连，从而将动力传递至清土刷以驱动清土刷转动。2个限深轮分别安装在机架左、右两侧，支撑整机并调整机具作业高度。

(a)三维模型

1.2 工作原理

作业前，首先通过刮板式清土机刮除土垄侧边200 mm宽度的防寒土，然后土垄单侧剩余300 mm宽度的防寒土由气吹梳刷组合式清土机清除。该机器通过三点悬挂挂接在拖拉机后方，调整机组在行间的位置和限深轮的高度，使清土刷处于合适的作业位置；调整并固定出风口方位，使高压气流沿较优的清土方向喷射。拖拉机牵引机具前进，拖拉机动力输出轴(PTO)输出的动力经万向节传递至变速箱并分两路输出，一路动力从变速箱后输出轴经链传动和带传动传递至高压风机总成以驱动风机转动输出稳定高压气流，另一路动力从变速箱上输出轴经带传动传递至清土刷总成以驱动清土刷转动。作业时，清土刷以540 r/min 的转速逆时针旋转(俯视)梳刷土壤，将土垄中部100 mm宽度的土壤扫除至行间，柔软有弹性的清土刷接触到葡萄藤时基本不会对葡萄藤产生损伤；风机转动持续输出稳定的高压、高速气流，气流流经风管从出风口沿固定的方向喷射，出风口风压和风速分别为9 279 Pa、124.34 m/s，可将内部紧贴葡萄藤的土壤吹离土垄使葡萄藤露出土表，便于后期人工起藤上架，气吹清土过程中不接触葡萄藤，不会对葡萄藤产生损伤；刷梳与气吹两种清土方式相结合，能够有效降低机械化清土作业中葡萄藤的损伤率，改善清土作业质量。

1.3 主要技术参数

结合中国北方葡萄种植农艺要求和冬季埋土作业状况，确定气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机的主要技术参数，如表1所示。

表1 主要技术参数

2 关键部件设计与选型

2.1 清土刷总成

清土刷总成由刷片、橡胶板、花键轴轴套、清土刷安装座、橡胶板安装座等组成，结构如图3所示。清土作业时清土机仅清除土垄单侧覆土，即一次作业清土宽度仅为土垄下底宽的一半。由实地调研可知，下架捆绑的葡萄藤束宽度b约为300 mm，刮土板刮除土壤宽度为200 mm，气吹清土宽度远小于刮土板，约为50 mm，则清土刷理论清土宽度f如式(1)所示。清土刷逆时针旋转(俯视)扫除土垄中部土壤，可防止土壤回填，由图1可知，土垄侧边倾斜，而清土刷总成外形呈圆柱状，直径为550 mm，高度为400 mm，作业时保持竖直，故其上部清除土壤少于下部；同时，土垄底部土壤紧实度大于中上部，故清土刷总成受力从上往下依次增大。由前期试验可知，全部由刷片组成的清土刷总成作业时底部刷丝较中上部脱落、磨损、变形严重，影响底部清土质量，长期作业需频繁更换底部损坏的刷片。

(1)

为解决清土刷上下受力不均导致的材料损坏问题，将清土刷总成(图3)设计为分层结构[20]，上层为刷片，下层为橡胶板，以适应土垄不同深度紧实度的变化。刷片由密布的刷丝组成，有效长度为150 mm，高度为300 mm；橡胶板有效长度为150 mm，高度为100 mm。下层橡胶板为柔软、有弹性材料，但硬度较刷片高，受力变形程度小于刷片，耐磨损，故用于清除土垄底部土壤。分层结构适应土壤紧实度变化，能有效减少材料的磨损变形，改善清土效果。

图3 清土刷总成结构

2.2 风机与出风口

高压风机作为气吹清土的关键部件，选型需要考虑作业对象的特殊性。由前文可知，气吹清土需要尽可能达到200 mm的清土宽度要求，其中葡萄藤宽度占据绝大部分，剩余土垄宽度小于50 mm；虽然清土宽度较小，但土壤的紧实度和密度大，因此需要具有较高风压、风速的气流才能达到作业要求。通过对比目前市面常见的高压风机类型，选定稳赫8-09型高压风机，风机性能参数如表2所示。拖拉机动力输出轴输出转速为540 r/min，依次通过3倍链传动增速和2倍带传动增速，以总计6倍增速传动设计驱动风机达到额定工作状态，从而保持长时间稳定工作。为了减少高压气流在风管变径处的压降与速度损失，同时保证气流的清土效果，选择内径为120 mm的风管，与风机出风口外径保持相同。出风口结构形状考虑出风口方向可调节的要求，选择圆柱形万向球铰结构。

表2 风机性能参数

2.3 出风口方位调节装置

出风口方位调节装置用于调节高压气流的喷射方向以适应不同的埋土状况，从而保证气吹清土达到较好作业效果，由外套管、内套管、转轴、限位板等组成，结构如图4所示。出风口方位调节装置需要实现出风口在三维空间内角度和高度的调节，可分解为x、y、z三个方向的位置调节。出风口为万向球铰结构，可在一定范围内调节一个初始角度并固定，便于出风口与风管连接。出风口通过内套管前端的限位孔实现其在竖直方向(z)400 mm范围内的高度调节，可适应不同葡萄园内土垄高度的变化。外套管通过转轴与机架铰接，转动实现其在水平面90°范围内的角度(x，y)调节，并通过限位板固定该角度，从而确定出风口在水平面内的角度。调节内套管相对外套管的伸缩长度可达500 mm，使出风口与土垄保持合适的间距(y)。出风口方位调节装置在x、y、z三个分方向的位置调节，共同实现了出风口三维空间内的方位调节，进而满足作业要求。

图4 出风口方位调节装置结构

3 田间试验

影响气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机作业性能的参数包括清土刷转速、高压气流流速与喷射方向、出风口形状尺寸、机具前进速度等，为了使机器实现较好地清土效果，需要对上述参数进行优化。葡萄春季清土作业速度通常在3 km/h以下，为保证清土作业质量并防止过高作业速度导致葡萄藤损伤率增大，将机具前进速度保持在高速状态(3 km/h)，优化后的作业参数同样适用于中、低速状态；参考本团队前期研究，清土刷转速设计为540 r/min[20]，高速作业时仍能保持较好地清土效果；在传动比固定的机械传动系统中，稳定工作时高压风机的输入转速是固定的，输出气流的流速、风压等也是固定的，不能针对不同作业状况实时调节。结合前期研究，本文仅针对高压气流的喷射方向即出风口方位进行优化以改善气吹清土作业效果，从而保证机器的最终清土效果满足作业要求。

3.1 试验准备

本文根据有关国家标准和农业机械试验方法于宁夏农林科学院葡萄园开展田间试验，试验地土质与实际埋土作业土质相同。由于试验时没有下架埋藤的土垄，故在试验地模拟葡萄冬季埋土作业。选择某一方向作为行向，沿行向间隔2.5 m竖直摆放钢管作为水泥柱，以水泥柱为中心沿行向构建上底350 mm、下底1 000 mm、高300 mm、长10 m的土垄，并选择若干直径为30～60 mm的葡萄藤置于离地200 mm的土垄中央，构建好的土垄的平均含水率为8%，土壤紧实度在69～135 kPa范围内变化。试验仪器及设备包括雷沃欧豹FT70型轮式拖拉机、风压风速测试仪、电子量角器、秒表、卷尺等。

3.2 出风口方位优化试验

试验开始前，启动拖拉机动力输出轴以驱动清土刷和风机转动，待转速稳定后测得出风口风压和风速分别为9 279 Pa、124.34 m/s。采用刮板式清土机将土垄外部200 mm宽度的土壤刮除，然后切断风机动力输入，采用独立的清土刷扫除土垄中部100 mm宽度的土壤，剩余土垄作为气吹清土试验环境。

3.2.1 试验因素

出风口方位在三维空间内由高度和角度决定，如图5所示，出风口中轴线AC沿z轴的投影与x轴的夹角α、出风口中轴线AC沿x轴的投影与z轴的夹角β决定出风口三维空间角度，出风口前端A在土垄侧边的对应点H决定出风口高度。为减小气流在管道弯曲部分的压降和速度损失[21]，管道弯曲不应超过30°[22]，即仅在±30°范围内调节，因此控制α在x-y平面内变化范围不超过60°；β受万向球铰结构限制，其在y-z平面内变化范围不超过30°。葡萄清土作业要求使尽可能多的葡萄藤露出土壤表面，当高压气流作用于土垄上部和中部时，土壤被清理至行间或受扰动滑落至土垄底部，不影响葡萄藤露出土表；高压气流作用于土垄底部，上方防寒土容易滑落重新掩埋葡萄藤；同时考虑各地葡萄园种植模式存在差异，土垄高度不一，难以采用统一的量化参数，故H取土垄中、上部，即A、B点对应的位置。为寻求较优出风口方位，对以上3个参数(α、β、H)采用拟水平法[23-24]试验寻优，选用正交表L9(34)进行试验设计与分析[25]，按照各参数的取值范围安排因素水平，如表3所示。

图5 出风口方位示意图

表3 试验因素与水平

3.2.2 评价指标

目前清土作业质量尚无明确的量化评价指标[14, 26-27]，评价方法多因机器不同而异，本文结合气吹梳刷组合式清土的特点，考虑后期便于人工发现葡萄藤的位置并将其从土垄中取出上架，以葡萄藤露出土壤表面作为清土合格的评价标准。测量每行土垄总长度和清土作业后满足清土合格标准的土垄长度，计算清土合格长度与土垄总长度的比值，将其定义为清土合格率，清土合格率越高，则清土作业质量越好，机器作业性能越好。

3.2.3 试验方案与结果分析

每组试验重复3次，结果取平均值，试验方案与结果如表4所示。在拟水平法试验中，因素H与因素α和β的水平数不同，采用极差分析法来比较因素的主次是不恰当的，但采用方差分析法仍能得到可靠的结果。为了获得较优出风口方位，对试验结果进行了方差分析[28]，结果如表5所示。

表4 试验方案与结果

表5 方差分析结果

从表5可以看出，3个因素对清土合格率的影响由大到小依次为α、β、H。α对清土合格率的影响最大，清土合格率随α增大而减小；随α增大，高压气流对土壤的正向作用力逐渐增大，而切向作用力逐渐减小；清土刷梳刷土壤时会对未清除的内部土壤有压实作用，导致内部土壤紧实度增大；高压气流对土壤的切向作用趋近于逐层清除防寒土，作业阻力相对较小，正向作用更趋近于防寒土垄的整体清除，作业阻力相对较大，故α较小时清土合格率较高，清土效果好。β对清土合格率的影响仅次于α，清土合格率随β增大而减小；β对气吹清土效果的影响规律与α相同，随β增大，高压气流对土壤的正向作用力增强，而切向作用力减弱。α较β对清土作业的影响更大，这是由于α决定了高压气流切向作用沿机具前进方向，高压气流与土壤首次发生作用后强度虽然减弱，但会持续作用于前部土壤，使前部土壤松动并清除部分土壤，从而有助于提高高压气流沿该方向的清土效果；β决定了高压气流切向作用沿竖直向下的方向，而土垄高度较小，高压气流与土壤首次发生作用后沿地面扩散，并未对后续清土作业产生助力，故α较β对清土作业的影响更大。H对清土合格率的影响最小，清土合格率随H增大而减小，这是由于无论刮土板还是清土刷均沿土垄侧边由外到内的方向清土，葡萄藤上方土壤厚度是基本不变的，仅少量土壤因受到扰动而滑落土垄，H增大即高压气流作用高度增大(顶点)，清土阻力相对高压气流作用于较低位置(中点)时的清土阻力大，清土效果较土垄中部位置差。由于清土合格率越高气吹清土效果越好，故出风口方位的较优参数组合为α1β1H1,即α为30°，β为60°，H为中点，此时清土合格率为89.3%，葡萄藤无损伤，气吹清土效果较好。

3.3 整机作业性能测试试验

试验开始前，首先采用刮板式清土机将土垄外部土壤刮除，然后将气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机挂接在拖拉机后端，将机组置于合适的作业位置，调整出风口方位，使出风口中轴线沿z轴的投影与x轴的夹角α为30°，出风口中轴线沿x轴的投影与z轴的夹角β为60°，出风口前端在土垄侧边的对应点H为中点。试验时，拖拉机以3 km/h的速度牵引机具前进，沿构建的土垄开始清土作业，旋转的清土刷梳刷扫除土垄中部土壤，高压气流将紧贴葡萄藤的土壤吹离土垄，使葡萄藤从土垄中暴露出来。在相同试验条件下重复3次构建土垄，并进行3次清土作业，试验完成后观察机器清土效果并测量、记录数据，作业过程及效果如图6所示。

(a)物理样机

3次试验的清土合格率分别为89.7%、92.4%和91.8%，平均清土合格率为91.3%，试验过程中葡萄藤基本无损伤，表明气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机作业性能较好。综合考虑作业环境的复杂性，机具前进速度以1.5 km/h为准，人工作业速度以30 m/h为准[14, 16, 18, 27, 29]，则机器作业效率为人工作业效率的50倍，作业效率高。综上，气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机清土效果好，作业过程中基本不损伤葡萄藤，作业效率高，满足葡萄清土作业要求。

4 结论

1)设计了一种由机架、清土刷总成、高压风机总成、传动机构等组成的气吹梳刷组合式葡萄藤防寒土清除机，可清除贴近葡萄藤的土垄中、内部土壤，使葡萄藤露出土表，基本不损伤葡萄藤。

2)分析确定了清土刷总成为分层结构，适应不同清土高度下土壤紧实度的变化；选择稳赫8-09型高压风机，在额定工作条件下可持续输出满足作业要求的高压气流；确定风管内径与风机出风口保持相同，出风口结构形式选用圆柱形万向球铰结构，出风口输出稳定气流风压与流速为9 279 Pa、124.34 m/s；设计了出风口方位调节装置，实现了出风口在三维空间内的角度和高度调节。

3)分析确定了影响高压气流喷射方向即出风口方位的3个参数，其中出风口中轴线沿z轴的投影与x轴的夹角α以及出风口中轴线沿x轴的投影与z轴的夹角β决定出风口在三维空间的角度，出风口前端在土垄侧边的对应点H决定出风口高度。

4)加工样机，以清土合格率为评价指标，采用拟水平法设计试验以对出风口方位进行优化。对试验结果进行方差分析可知决定出风口方位的3个参数对清土合格率的影响由大到小依次为α、β、H，较优参数组合为：α为30°，β为60°，H为中点，此时清土合格率为89.3%，作业过程不损伤葡萄藤，说明气吹清土效果较好。根据优化结果调整出风口方位，进行整机作业性能测试试验，得到平均清土合格率为91.3%，作业过程中基本不损伤葡萄藤，作业效率为人工作业效率的50倍，清土效果较好，满足作业要求。