白芹壅土机的设计与试验

袁 浩，缪福福，靳 伟，易卫明，李 政

(1.江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江 212013；2.溧阳易佳甸园生态农业发展公司，江苏 常州 213331)

0 引言

白芹是溧阳最具有代表性的农产品之一，品相洁白如玉，口味舒爽脆嫩，具有丰富的药用价值[1]。《本草纲目》[2]中记载“旱芹，其性滑利”，认为白芹具有清理血液、调理脾胃的功效；《本草推陈》[3]和现代医学杂志《卫生通讯》[4]指出白芹能够降压降脂。

白芹栽培工艺复杂，包括整地、施肥、排种、壅土、收割和清洗等环节，而壅土工艺是其中劳动强度最大的一个环节。南京农业机械化研究所设计的白芹培土机[5]，是目前已开发的唯一能够进行田间壅土的机械设备，它选用了小型履带式挖掘机为工作底盘，并基于挖掘机的后动臂和液压系统开发出前悬挂壅土机具；但是该机需要人工安装培土隔离板，没有真正的实现机械化。白芹壅土机的开发将突破溧阳白芹种植千百年来人工种植的瓶颈，提高白芹种植效率，节省大量劳动力，降低生产成本，因而对白芹壅土机的研究具有重要意义。

1 整机结构和工作原理

所设计的白芹壅土机壅土高度需达到白芹自身高度，高度可调，壅土土墙之间宽度可调；拢苗时，白芹的损伤率小于5%，土壤坚实度大于80kPa[6]。白芹壅土机主要由机体、壅土成型装置、传动系统、湿度调节装置和液压升降装置等组成，如图1所示。

1.壅土罩壳 2.传动轴 3.第2大带轮 4.第2小带轮 5.万向节联轴器 6.水箱 7.水泵大带轮 8.第1大带轮 9.第1小带轮 10.水泵 11.油箱 12.第2柴油机 13.变速箱总成 14.第1柴油机 15.动臂架 16.底盘 17.液压缸 18.水泵小带轮 19.螺旋铰刀

工作时，白芹壅土机的第2柴油机发出的动力经过减速器减速后通过链传动至壅土成型装置，带动其上的螺旋铰刀转动；土壤被切削进入罩壳，在旋转的螺旋铰刀带动下不断被运输，当土壤到达螺旋铰刀的顶端后，土壤被不断运输和积累，使得螺旋槽内空隙逐渐变小，罩壳逐渐充满，并被挤出成型，最终完成壅土。开始工作时，螺旋铰刀先做回转运动，操作人员操作液压升降机构使动臂架下倾在一定高度，使其达到所需壅土深度；接着，启动第1柴油机，将它的动力通过输出带轮传到底盘的变速箱输入轴，经过变速箱减速后传递到输出轴，输出轴通过带传动带动拖拉机行走，边前进边壅土，一次作业可实现两行壅土。其中，当土壤干燥时，用同步带带动水泵，调节土壤的湿度。白芹壅土机根据不同种植需求，可左右调节两个壅土成形模具之间的间距，并通过调节孔将调节座和调节横梁固连，以调节白芹壅土宽度。同时，上下调节两个壅土成型模具之间的高度，通过高度调节孔将调节架与机架连接。

2 主要结构设计

2.1 主要技术参数

壅土动力采用56kW的潍坊R4105ZD型柴油机，标定转速为1 500r/min；前进动力采用26kW的常柴3G25型柴油机，标定转速为2 400r/min；作业速度≥360m/h；壅土高度为320mm(可调)；两侧壅土间距为50mm(可调)。

2.2 机体

机体包括行走底盘、安装架和第1柴油机。考虑白芹壅土机需要在含水率较高的田间作业，而且经常要跨垄，行走底盘应具有较强的配套动力、良好的爬坡性能且着地压强小，因此采用了自走式履带底盘。底盘高500mm，长1 500mm，宽900mm。

2.3 壅土装置的设计

白芹壅土成型装置包括两个螺旋铰刀、两个固定架、两个罩壳、高度调节机构、宽度调节机构，如图2所示。

1. 螺旋铰刀 2.拢苗架 3.取土罩壳 4.宽度调节架 5.高度调节架 6. 固定架 7.壅土成型罩壳

其中，罩壳分为取土罩壳和壅土成形罩壳。在壅土成型罩壳前端增加了拢苗架，慢慢向外扩张，这样在壅土过程中就可以将白芹聚拢成一簇，正好在两土墙之间。在取土罩壳的前端，设置有高压喷水孔配合湿度调节机构调节土壤含水率，以利于壅土成型。将壅土成形装置的螺旋铰刀设置成与地面成20°角，有利于提高取土的深度与提升取土量。壅土高度调节机构包括两个高度调节架、两个调节螺杆和两个调节螺母；壅土宽度调节机构包括两个调节架和两根调节横梁，可以根据每块田里白芹的长势而调节壅土成型模具高度与宽度，分别对称固定在固定架上。

2.4 湿度调节机构

湿度调节机构位于第2柴油机一侧，包括水箱、水泵和水管。水箱固定在动臂架的后端中下侧，水泵固定在第2柴油机一侧，通过水管从水箱取水，加压后通过水管输入到壅土装置的罩壳前端。

2.5 传动系统的设计

传动系统包括第2柴油机、万向联轴器、两对小皮带轮和两对大皮带轮。第2柴油机固定在动臂架的前中部，第1对小皮带轮分别与第2柴油机输出轴固连。另外，第1对大皮带轮分别固定在万向节联轴器输入轴一端端头上，剩余一对小皮带轮作为第2次皮带轮传动的动力输出，其输入轴与万向节联轴器的输出轴固连，剩余一对大皮带轮分别固定在壅土装置的传动轴上。传动系统示意图如图3所示。

1.小皮带轮1 2.大皮带轮1 3.万向节联轴器 4.小皮带轮2 5.大皮带轮2 6.壅土装置

2.6 液压升降机构

液压升降机构包括动臂架、油箱、液压缸和其他液压辅助元件。动臂架一端与机架底盘中部铰接，油箱固定在动臂架一端上侧，液压缸设置在动臂架中部下侧，液压缸缸体与机架底盘一端铰接，液压缸活塞杆与动臂架中部铰接。调整好高度后，采用单向阀与三位四通手动换向阀组成锁紧回路，保证升降高度的位置不变。液压升降工作原理如图4所示，并确定动臂架的升降调速范围为0.05～0.8m/min。

1.滤油器 2.变量泵 3.三位四通手动换向阀 4.单向阀 5.液压缸 6.调速阀 7.溢流阀

3 螺旋铰刀工作参数确定

3.1 螺旋叶片直径

螺旋叶片的直径变化直接影响到单位时间内螺旋铰刀的取土量和螺旋铰刀其他结构参数的设定，可按公式(1)[7]计算，即

(1)

Q=3600WHV前

(2)

则

(3)

式中D—螺旋叶片直径(m)；

Q—土壤的输送量(t/h)；

φ—土壤在壅土装置中的填充系数，取φ=0.7；

K—土壤综合特性的经验系数，查表得K=0.049 0；

C—土壤倾斜输送的校正系数，取C=0.65；

W—成型壅土的宽度，取W=0.2m；

H—成型壅土的高度，取H=0.32m；

V前—白芹壅土机向前行驶速度，取V前=0.1m/s。

带入各值，计算得螺旋直径D=235mm。根据设计规范要求[8]，选取D=250mm。此外，螺旋叶片一般是由厚度为2～10mm的不锈钢冷轧处理而成，其厚度的选取可参考表1。本设计的螺旋叶片厚度Φ初步选取为6mm。一般螺旋叶片与取料罩壳内壁的最佳配合间隙应保持在0.1～0.8mm 范围内[9]，本设计采用配合间隙δ=0.5mm。

表1 螺旋叶片厚度

3.2 螺旋升角及螺旋轴尺寸

螺旋升角β的计算公式为

(4)

螺旋叶片的螺距的计算公式为

S=k1D

(5)

则

(6)

其中，S为螺距；k1为螺旋叶片的螺距和和螺旋直径之间的比值，取k1=1。

由此得到螺旋升角β为17.66°，即螺距S=250mm。

螺旋轴直径的计算公式为

d=(0.35～0.7)D

(7)

故d=(0.35～0.7)D=87.5～175mm。本设计取螺旋轴径d=90mm。

3.3 螺旋铰刀轴向运动分析与运动参数的确定

在对螺旋铰刀的运动与受力进行分析前，为了方便研究和简化计算，做出如下假设[10]：

1)不考虑土壤挤压的过渡状态(即土壤已经填充满螺旋空隙)，土壤一进入罩壳就开始输送与挤压过程；

2)土壤之间连续、规则且尽量紧密；

3)不考虑土壤之间的相互压缩及忽略螺旋铰刀与罩壳之间的间隙的影响；

4)认为螺旋叶片、罩壳与土壤及土壤之间的摩擦因数相同，取u=0.3；

5)忽略土壤之间的内聚力，土壤流动稳定。

3.3.1 轴向运动速度分析

选取一段螺旋叶片，假定螺旋叶片截面上有一半径为r的土壤质点A，当螺旋轴以角速度ω匀速旋转时，土壤质点与螺旋叶片间有沿着表面的相对滑动速度vp，两者速度合成为vb，沿垂直于螺旋叶片的方向前进。由于螺旋叶片与土壤之间存在摩擦力，使得vp变为vt，vb偏离一个θ角度变为va，沿轴向的速度vd变为vc。土壤质点的速度分析如图5所示。

图5 土壤质点的速度分析图

(8)

可得土壤沿着轴向的速度为

(9)

由式(9)可知：螺旋铰刀工作时，土壤沿轴向的运动速度与螺旋铰刀的半径、转速、摩擦角和螺旋升角有关。其中，后3个参数在设计时已经确定，意味着土壤在螺旋轴上各点的轴向运动速度仅随半径变化而变化，越靠近取土罩壳壁的土壤质点轴向速度越大，土壤间不可避免地存在分层现象。

为了研究方便，认为同一平面上的各土壤质点沿着轴向运动的速度相同，其大小取轴向速度的中值，即处于螺旋叶片内径与外径中间的土壤质点的速度。由此可得

(10)

3.3.2 螺旋铰刀转速的确定

白芹壅土机带动螺旋铰刀向前取土，此时白芹壅土机每秒的前进距离S1可认为是螺旋铰刀的取土距离S0，即

S1=S=0.1m

(11)

w=2πn0

(12)

带入可得

(13)

式中n0—螺旋铰刀的转速(r/s)。

θ—土壤与螺旋叶片的摩擦角，取θ=30°；

T—取T=1s。

n设计≥kn0

(14)

其中，k为系数，一般取k=1～2，但考虑到壅土土质湿度大，土壤之间、土壤与螺旋铰刀与罩壳之间粘结性强，容易阻碍土壤的轴向运动，因此取k=4。

将各参数值带入，即可得转速n设计≥3.2r/s=192r/min,取n设计=240r/min。

本设计以表2中螺旋铰刀的相关参数为参考，对白芹壅土机的相关机构进行计算和选型。

表2 螺旋铰刀的参数

4 田间试验

4.1 试验地概况

为了测试白芹壅土机械的工作情况，于2016年5月在溧阳市戴埠镇生态农业发展有限责任公司实验田内进行了田间试验。试验地面积0.60hm2，所处地势平坦，土壤类型为壤土；土壤含水率确定为30%～40%，此含水率下土壤可随意成型，土壤粘性大[10]，比较适合白芹壅土机的作业。白芹壅土机的试验样机如图6所示。

图6 白芹壅土机

4.2 试验数据

白芹壅土机田间性能试验测试结果如表3和表4所示，壅土效果如图7所示。

表3 白芹损伤长度L

表4 成型土壤参数平均值

图7 壅土效果

4.3 试验分析

通过以上计算发现：此含水率下的成型壅土得出的白芹损伤率为3.8%、土壤坚实 度均值为106.89kPa，均符合设计要求；而成型壅土的高度与宽度的均值为314.83mm和47.55mm,均小于设计值，最大偏差约为6mm，在可接受范围内。造成这种情况的原因在于土壤在壅土过程中被挤压缩，体积减小。另外，由于田间地势不平坦，白芹壅土机在行驶过程中车体存在倾斜抖动，导致两侧成型壅土的高度和宽度之间会存在较大差距，甚至导致部分成型壅土的高度与宽度能够超过设计值。有些土壤坚实度的值与平均值相差较大，可能与田间土壤的水分分布不均匀有关。

5 结论

1)基于白芹的种植模式，并结合传统壅土工艺和水田作业环境特点，设计了一种白芹壅土机并详细阐述了各部分的结构组成，能实现拢苗、取土和成型。

2)通过理论分析和计算，确定螺旋铰刀的结构和运动参数。

3)在完成整机装配后，选定了含水率 为30%～40%的稻板田进行田间试验，以白芹损伤率、成型壅土的坚实度成型壅土的高度和宽度作为评价指标。结果表明：含水率为30%～40%时，成型效果良好，白芹壅土机能够完成设计要求。