酿酒葡萄覆膜埋藤机的设计与分析

朱新月，王丽红，徐 亭，彭慧杰，党永强，高明勇

(1.石河子大学 机械电气工程学院/农业部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000；2. 新疆玛纳斯县农机局，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆是我国最早种植葡萄的地区[1-2]，其独特的地理环境非常适合葡萄的生长[3]。葡萄制品营养丰富[4]，葡萄酒中含有的白藜芦醇更是有延缓衰老、抑癌抗瘤的功效，深受人们的喜爱[5]。近年来，随着新疆农业产业结构的调整，酿酒葡萄的种植面积不断扩大[6]。据报道，截止2017年，新疆酿酒葡萄的种植面积已超过40 000hm2[7]。埋藤是酿酒葡萄种植过程中的一个关键环节，目前酿酒葡萄埋藤作业主要以人工为主，人工埋藤具有劳动强度大、作业效率低、工作环境差等问题，严重制约了酿酒葡萄产业发展，酿酒葡萄的机械化埋藤已成为必然趋势[8]。

近年来，国内学者对酿酒葡萄埋藤机具进行了研究。辽宁省农业机械化技术推广站[9]研制出了3MT-5式酿酒葡萄埋藤机，该机主要通过旋耕机旋耕输送土壤，将土壤抛送到葡萄藤上，完成冬季埋藤作业；于2013年研制出了3MT-5.0式酿酒葡萄埋藤机[10]，该机利用埋土器将起土犁提升的土壤粉碎并抛送出去，在葡萄藤上覆盖一定厚度的土层，完成作业。新疆生产建设兵团农八师149团研制出了1MP-500式酿酒葡萄埋藤机[11]，该机工作时，由旋耕机旋耕粉碎土壤，铲土板把土抛送到输送带上，再下落到与前进方向一致的水平输送带上，由土覆盖葡萄藤，完成埋藤作业。

防寒土覆盖具有取土方便的优势，但葡萄秋埋春扒两次翻耕伤害葡萄枝蔓、费工费时，造成冬季扬沙起尘污染环境[12]。因此，为解决我国新疆地区葡萄越冬防寒问题，提出了免埋土越冬[13]的埋藤方式。免埋土越冬是指用彩条布覆盖葡萄藤使其安全越冬。研究表明：采取双层膜覆盖不仅可以使葡萄藤安全越冬，还可以改善葡萄品质、增加产量、降低葡萄生产成本[14-15]。因此，笔者针对免埋土越冬技术设计了一种覆膜埋藤机，对覆膜埋藤机的关键部件进行了设计和分析，以期为酿酒葡萄机械化埋藤提供参考。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

对新疆石河子及其周边地区的酿酒葡萄种植模式和秋季葡萄园压倒葡萄藤后的情况进行了调研，如表1所示。

表1 酿酒葡萄秋季葡萄园参数

在表1基础上设计了酿酒葡萄覆膜埋藤机，如图1所示。该机主要由压藤轮、展膜辊(彩条布)、展膜辊(透明薄膜)、铺膜辊(彩条布)、铺膜辊(透明薄膜)、覆土箱、搅龙、后压膜轮、机架、覆土圆盘、刮板输送带，以及旋耕刀等部件组成，主要技术参数如表2所示。

表2 酿酒葡萄覆膜埋藤机主要技术参数

1.2 工作原理

酿酒葡萄覆膜埋藤机主要由拖拉机通过后置三点悬挂牵引前进。工作时，覆膜埋藤机向前行走，压藤轮将已放倒在葡萄行上的葡萄藤压倒离地面距离约为200mm；铺膜机构将双层膜铺在葡萄藤上(第1层是彩条布，第2层是塑料薄膜)，跟在其后的压膜轮将双层膜压在地上；远离水泥柱一侧的塑料薄膜由覆土圆盘将土覆盖到双层膜边，另一侧通过旋耕刀将葡萄垄旁的土壤打碎并抛到刮板输送带上，由刮板输送带将土壤输送到覆土箱内；覆土箱内的单向搅龙将土壤输送到覆土口处，掉落在膜的侧边，压膜轮将覆盖在膜两边的土压实，完成酿酒葡萄的铺膜覆土作业。

2 主要工作部件的设计

2.1 铺膜装置的设计

铺膜装置是覆膜埋藤机的核心部件，其结构形式的好坏直接影响后面的覆土工作。由于新疆冬季寒冷，酿酒葡萄藤安全过冬需要铺设双层膜：第1层为彩条布，第2层为透明薄膜，两层膜要求先后铺设，同时覆土。为确保装置整体结构的紧凑性和作业稳定性，双层膜机构的设计采用两组铺膜机构并联连接的方式。铺膜装置主要由铺膜辊1、铺膜辊2、机架、卷膜棍1及卷膜棍2组成，如图2所示。

1.铺膜辊1 2.铺膜辊2 3.部分机架 4.卷膜棍2 5.卷膜棍1

葡萄藤压倒后其横截面近似于一个等腰梯形，底角为45°[16]，如图3所示。

图3 葡萄藤截面图

由田间调研可知：葡萄藤底部宽为600～800mm，葡萄藤压倒后的平均高度约为250mm，由此可计算出等腰梯形的三边周长(除去底边)约为1 000mm，铺膜时两边要各预留出1 200mm宽度来覆土。综上所述，确定铺膜辊和卷膜棍的长度为1 300mm。

2.2 旋耕输送覆土装置的设计

2.2.1 旋耕刀的设计

新疆葡萄园秋季土壤存在板结严重、坚实度大的问题。与其他耕作机具相比，旋耕机具有碎土充分、耕后地表平整等优点。因此，本文的碎土机构选用旋耕机。旋耕机的关键部件为旋耕刀片，不仅要有良好的碎土性能，还要求具有定向抛土功能。本文对旋耕机的两种旋耕刀片进行设计，使其共同完成旋耕碎土、抛土作业。

由于弯刀具有较好的滑切性能，不易缠草，因此本文的碎土和取土作业刀具都选用弯刀。碎土弯刀主要将葡萄园板结的土壤打碎并进行杂草切断作业，为使碎土弯刀具有锐利的正切刃和侧切刃，碎土弯刀采用等进螺线[17](阿基米德螺线)进行设计。等进螺线方程为

ρ=ρ0+αθ

(1)

其中，ρ0为螺线起点的极径(mm)；α为螺线极角每增加1rad极径的增量(mm)；θ为螺旋线上任意点的极角(rad)。

为确定螺线起点的极径ρ0，避免无刃部分切土，ρ0可由下式计算，即

(2)

其中，S为设计切土节距(mm)；a为设计耕深(mm)；R为弯刀回转半径(mm),当耕深为140～160mm时，常采用240～260mm。

确定螺旋线终点处的极径ρn，使螺线能与正切刃圆滑过渡，ρn值一般比弯刀回转半径小10～20mm。

螺线终点的极角θn为

(3)

其中，θn为螺线终点的极角(rad)；ρn为螺旋终点处的极径(mm)；τn为螺旋终点处的滑切角(°)，常取50°～60°。

确定参数时，考虑到刀具的静态滑切角也不易过大，具有较大静态滑切角的弯刀，其刀刃的长度也较大，会增加切土时与土壤间的摩擦面，有增大耕耘阻力的趋向。综合上述分析，并结合工作参数，取土弯刀耕深150mm，刀具作业回转半径取245mm，切土节距为30～50mm，将其代入式(1)～式(3)中，可得碎土刀具结构参数为ρ0=200mm，ρn=245 mm，τn=60°，θn=0.318rad。碎土弯刀的结构如图4所示。

图4 碎土弯刀简图

为了将碎土弯刀打碎的土壤进行二次粉碎并抛掷到后面的刮板输送带上，完成土壤的定向抛洒，且避免刀具作业时因缠草增加机具功率损耗，抛土弯刀的设计采用正弦指数曲线，其方程为

ρ=ρ0sinτ0/sinτ0-Kθ1/K

(4)

式中ρ0—曲线起点的极径(mm)；

τ0—曲线起点的静态滑切角(°)；

K—曲线上静态滑切角递减比。

参考农业机械设计手册[18]中旋耕刀的相关设计要求，并结合秋季葡萄园中土壤板结严重、杂草多的实际情况，确定抛土弯刀的主要结构参数ρ0=175mm，τ0=55°。抛土弯刀的结构如图5所示。

图5 抛土弯刀简图

2.2.2 输送装置的设计

覆膜埋藤机的输送装置不仅要具备良好的输送适应性，能够输送不同种类、含水率的土壤，还要把土壤运送到一定的高度，并能有效防止土壤掉落，提高输送效率。由于是倾斜输送，土壤与输送面间的摩擦小容易打滑，将直接影响覆土的效果；而刮板可以避免倾斜输送土壤向下滑动的问题，具有输送效率高的特点。综合考虑以上因素，输送机构选用刮板输送式。输送装置主要由侧边挡板、刮板、输送带、传动轴和主动轮组成，如图6所示。

1.主动轮 2.传动轴 3.输送带 4.刮板 5.侧边挡板

2.2.3 覆土装置的设计

覆土装置的结构如图7所示。箱体截面设计成U型，底部向下凸起，主要由箱体、搅龙、出土口和进土口等组成。

1.进土口 2.搅龙 3.箱体 4.出土口

箱体用来放置由刮板输送带输送上来的土壤，输送的土壤堆放在刮板一侧，利用箱体内的单向搅龙将土壤进一步打碎并输送到箱体的另一侧，通过漏土口将土壤覆盖在薄膜上。依据刮板输送土壤的进土量和覆膜所需的出土量对箱体的整体结构进行了设计，最终确定箱体的长度设计为1 250mm，宽度为300mm，与之配合工作的搅龙螺旋叶片直径为280mm。

3 工作部件关键因素分析

3.1 覆土圆盘力学分析

覆土圆盘作为单侧覆土装置的主要部件，在工作过程中受土壤阻力作用会产生变形和磨损，要有较强的抗变形能力，因此需对覆土圆盘进行力学分析，验证其结构设计的合理性。覆土圆盘平面结构如图8所示。

图8 覆土圆盘结构简图

覆土圆盘在工作过程中，可以视为近似的平面圆盘，以速度v向前推进，在圆盘前端积土体积大，末端积土体积小，土壤从圆盘末端滑落，被覆盖在双层膜边上，将膜覆盖。覆土圆盘积土情况如图9(a)所示。在此过程中，覆土圆盘必将受到土壤的压力和摩擦力。为了合理的分析和求解覆土圆盘的受力情况，建立如图9所示的直角坐标系。设圆盘运动方向的反向延长线与x轴夹角(即圆盘倾角)为δ。

(a)

(b)

基于薄板弯曲理论有如下假设：

1)板在弯曲变形中，中面法线保持为直线，且仍为挠曲面的法线。

2)板的厚度方向挤压变形可以忽略不计，即z向应变εz=0。

3)板的中面只发生弯曲变形，没有面内伸缩。

4)本结构方程中忽略次要应力σz、τzx、τzy对变形的影响。

根据假设1)，薄板弯曲后，板法线与挠曲面在x方向和y方向的切线相互垂直，即没有切应变，所以γzx=γzy=0。

w=w(x,y)

由假设4)可知：薄板应力σx、σy和τxy是主要应力，对覆土圆盘应力的求解实际上是求解主要应力。

由薄板理论，有

则薄板应力为

对于圆形薄板，采用极坐标形式比较方便，由极坐标系中的Laplace算子，有

则挠曲线微分方程化为

(4)

把x轴和y轴分别转到微元的r方向和θ方向，使微元的θ坐标为0，则弯矩Mx、My和扭矩Mxy，正应力σx、σy和τxy相应化为

(5)

(6)

覆土圆盘工作状态下中心为a的区域固定，边缘自由，则其边界条件为

土对覆土圆盘的载荷是复杂的，为简化计算过程，假设土对圆盘的载荷是均布的，则w只是r的函数，式(4)可化为

其解为：w=C1Inr+C2r2Inr+C3r2+C4+w*。其中，C1、C2、C3、C4为常数；w*为特解。

考虑覆土圆盘中心没有孔，中心处挠度或载荷不能无穷大，则C1=C2=0。特解w*可由积分得到

将上式带入式(5)和式(6)，即可得到应力解。覆土圆盘的牵引力可由其输出功率P确定，即

P=Fv

其中，P为覆土圆盘输出功率(kW)；F为圆盘牵引力(N)；v为圆盘推进速度(m/s)。

土壤施加于覆土圆盘的正压力N可由力的平衡方程确定,即

N=Fsinδ

则均布载荷q=N/S，S为覆土圆盘面积。

已知覆土圆盘直径d=450mm，板中央固定区半径a=25mm，板厚h=4mm，取覆土圆盘偏角δ=20°，输出功率P=25kW，运行速度v=2km/h，泊松比v=0.3。带入以上各式，求得最大应力在r=a处，σmax=232.38MPa，其值小于65Mn钢的许用正应力[σ]=570MPa，本设计合理。

3.2 刮板输送带输土特性分析

覆膜埋藤机工作时，刮板的绝对运动由拖拉机的前进速度v和刮板输送带的运动速度v′合成。当刮板运动到最低端呈竖直状态时，以刮板的最底端端点为原点建立坐标系，如图10所示。

1.旋耕刀 2.土壤 3.从动轮 4.刮板 5.输送带

则刮板输送带绕从动轮转动时，刮板顶点的运动方程为

(7)

其中，x为刮板端部水平位移；y为刮板端部竖直位移；r为从动轮半径；h为刮板高度；i为带速与机组前进速度比；φ为刮板转过的角度；δ为升运带与水平面的夹角。

由式(7)可知：刮板的运动轨迹与刮板高度h、带速v′与机组前进速度比i、刮板转过的角度φ及升运带与水平面的夹角δ有关。

在两个刮板相继取土的时间间隔Δt内，埋藤机前进的距离s=L/i，刮板前进的距离为L，近似认为在时间Δt内，旋耕机的起土量与抛送到刮板输送带上的土量相等，则旋耕机的起土量为

其中，q为旋耕机的起土量；b为输送带的宽度。

两个刮板间的输土量：

1)当两个刮板间的距离L没有完全被土覆盖，如图11(a)所示。

(a) (b)

此时，刮板的输土量为

其中，θ为输送带上的土壤上表面与水平面的夹角，即土壤内摩擦角。

2)当两个刮板间的距离L完全被土覆盖时，如图11(b)所示。此时，刮板的输土量为

由实际情况可知，旋耕机的起土量应该大于刮板的输送量，则

由此可以推出单位长度内，覆土箱的进土量为

(8)

其中，η为取土、输送效率，主要与刮板充满系数、输送带滑动率有关。

由式(8)可知：覆土箱的进土量Q′是刮板高度h、带速与机组前进速度比i、升运角与水平面的夹角δ、土壤内摩擦角θ，以及刮板长度L的多元函数。刮板的长度越长，覆土箱的进土量越少，输送带输送土壤的效率越低；输送带的宽度越宽，土壤输送量越大。

4 结论

针对免埋土越冬技术的埋藤方式设计了酿酒葡萄覆膜埋藤机，并对覆膜埋藤机的关键部件进行了设计，确定了酿酒葡萄覆膜埋藤机的整体结构。

对覆土圆盘工作时的受力情况进行了分析，确定了覆土圆盘的最大应力位置，并对覆土圆盘的强度进行了校核，满足使用要求。对刮板输送装置的输土性能进行了分析，确定了取土量和输土量的影响因素，为输送装置的参数优化提供了依据。