篱架式葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机研制

牛 丛，徐丽明，段壮壮，刘星星，马 帅，袁全春，王烁烁，袁训腾，曾 鉴，陈 晨

篱架式葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机研制

牛 丛，徐丽明※，段壮壮，刘星星，马 帅，袁全春，王烁烁，袁训腾，曾 鉴，陈 晨

（中国农业大学工学院，北京 100083）

针对中国新疆地区篱架式葡萄春季清土作业中存在的机械清土不彻底、防寒布回收困难以及效率低等问题，该文设计了一种葡萄埋土清除与防寒布回收机，由机架、清土部件、卷布部件和液压系统等组成。在EDEM软件中建立土垄和清土部件的仿真模型，以清土距离作为清土效果的评价指标，以刮土板工作面曲率半径、清土叶轮叶片数及其转速为试验因素，在行进速度为2 km/h的条件下设计并实施三因素五水平仿真正交试验，得到最优参数组合：曲率半径680 mm、叶片数4片、转速500 r/min，此时清土距离为294.27 mm。加工样机并对最优参数组合进行田间验证试验，得到清土距离为271 mm，与仿真试验结果的相对误差为8%，埋土基本清理干净，且对葡萄藤和防寒布的损伤小，作业效率高，为人工清土效率的10倍以上。研究结果可为新疆地区篱架式葡萄埋土清除作业提出新的思路，为后续葡萄清土机械的研制提供参考。

机械化；仿真；葡萄藤；埋土清除；防寒布回收；EDEM

0 引 言

中国作为世界上主要葡萄生产国之一，以生产鲜食葡萄和制干葡萄为主，葡萄种植面积和总产量均居世界前列[1]。中国葡萄产业主要分布在7个集中栽培区[2-6]，葡萄品种多为欧亚种。其中，北方寒地葡萄栽培区[7]（全年最低气温−17～−16 ℃等温线以北的葡萄栽培区）葡萄种植面积占全国葡萄种植面积的四分之三[8]，冬季需要进行埋土防寒作业，使葡萄藤安全越冬。单一的埋土防寒模式为后续的清土作业带来很大的困难，葡萄藤在土垄中分布错综复杂，无论机械化清土还是智能化清土都很难将覆土清理干净，清土机构复杂，作业成本高，且容易造成葡萄藤损伤，影响葡萄生产的产量和质量，因此纯机械的清土方式不具备良好的发展前景。新疆作为中国葡萄第一大生产地，近年来，当地葡萄园改变单纯依靠机械完成清土作业的思路，改变防寒模式以便更好地进行清土作业，采用PP或PE材质的多色条带状编织篷布（简称“防寒布”）覆盖在下架捆绑好的葡萄藤上，再以10～30 cm厚度的土壤覆盖压实[7,9]。铺设防寒布防寒比单纯埋土防寒能够起到更好的保温保墒作用，可以使葡萄藤安全越冬，改善葡萄品质，增加产量[8,10-16]，因此，防寒布辅助埋土模式将成为中国北方寒地葡萄冬季防寒的发展趋势。防寒布具有较强的耐低温、耐腐蚀和抗拉性能，1条防寒布可循环使用3～5次。目前，葡萄春季清土和防寒布回收作业大多依靠人工完成，劳动强度大，作业效率低，人工成本高[8]，亟需实现葡萄清土和防寒布回收作业的机械化。

以法国、意大利、西班牙为代表的国外葡萄主产区大多属于温带海洋性气候和地中海气候，全年气候温和，适宜葡萄生长，因此葡萄产业发展较早，已经形成了统一、规范的生产标准，机械化、智能化生产设备较为成熟[17-18]，由于其冬季没有葡萄埋藤防寒的作业环节，故未见葡萄清土和防寒布回收机械的相关研究。国内不同葡萄栽培区种植模式不同，春季清土作业的农艺要求也有所差异。许多学者相继研发了适应不同葡萄产区、不同葡萄栽培模式的清土机械，主要分为3类，第1类为葡萄藤清土机[19-23]，用于清除葡萄藤上方和侧方覆土，清土部件主要有刮板、搅龙、叶轮、盘刷等，清土部件多为刚性结构，作业时易损伤葡萄藤或防寒布，且难以将覆土清理干净；第2类为葡萄防寒布回收机[24-26]，卷收防寒布时直接将防寒布上方覆土拉扯到行间，不需要另外的清土机构清除防寒布上方覆土，作业简单，但作业阻力大，对防寒布抗拉伸性能要求高；第3类为葡萄藤清土与防寒布回收一体机[27-29]，用于清除葡萄藤上方覆土并回收防寒布，清土部件只清理部分覆土，剩余覆土在卷收防寒布时全部被拉扯到行间，可实现完全清土且不会损伤葡萄藤，但该技术仍不成熟。

针对新疆地区篱架式葡萄种植农艺要求以及清土作业存在的问题，本文结合防寒布辅助埋土模式下葡萄清土的作业要求，设计一种葡萄冬季埋土清除与防寒布回收机，根据清土及防寒布回收的工作原理，确定关键部件的结构及参数；通过仿真试验优化清土部件的结构参数和工作参数，确定最优参数组合并进行田间验证试验，以期实现切实有效的葡萄机械化清土作业，为后续葡萄清土机械的研究提供参考。

1 总体结构与工作原理

本文设计的葡萄藤埋土清除与防寒布回收机适用于中国新疆地区篱架式葡萄园，以新疆地区单壁篱架式葡萄种植模式为例，在入冬前将修剪后的葡萄藤下架，顺着行向压倒在水泥柱一侧地表并捆绑，在其上方铺设防寒布并覆土，埋土形成土垄的形状及尺寸如图1所示。篱架式葡萄种植行距2.5 m≤≤3.5 m，土垄截面形状近似长方形，土垄宽度1 200 mm≤≤1500 mm，土垄总高度300 mm≤≤400 mm，葡萄藤上方覆土厚度100 mm≤≤200 mm，防寒布铺设宽度800 mm≤≤1 200 mm。本文取葡萄种植行距为3 m，防寒布宽度为1 000 mm，土垄宽度为1 200 mm，土垄总高度为400 mm，葡萄藤上方覆土厚度为150 mm。

1.土垄 2.防寒布 3.葡萄藤 4.水泥柱

1.Soil ridge 2.Cold-proof cloth 3.Grape vine 4.Concrete pillar

注：为土垄宽度，mm；为土垄总高度，mm；为葡萄藤上方覆土厚度，mm；为防寒布宽度，mm；为葡萄种植行距，m。

Note:is soil ridge width, mm;is total height of soil ridge, mm;is the thickness of covering soil above the grape vine, mm;is the width of cold-proof cloth, mm;is planting row spacing of grape, m.

图1 土垄形状与尺寸

Fig.1 Shape and size of soil ridge

1.1 防寒布拉伸性能试验

葡萄藤防寒常采用聚乙烯防寒布，防寒布在回收时承受较大的拉力，为防止其在作业时产生断裂，需研究防寒布拉伸性能，为葡萄藤埋土清除与防寒布回收机设计提供依据。

1.1.1 试验材料与方法

本文选用新、旧2种防寒布作为试验样本，旧防寒布为葡萄埋土防寒作业中使用1 a的防寒布，在土壤中埋藏时间约为180 d。按照编织方向防寒布分为经向和纬向2种，按表1尺寸与图2形状[30]分别制备经向新、旧防寒布试样与纬向新、旧防寒布试样用于拉伸性能试验。

表1 防寒布拉伸试样尺寸

图2 防寒布拉伸试样形状

采用Reger微机控制电子万能试验机进行防寒布拉伸试验，如图3所示，试验环境为室温（25±1）℃，相对湿度 40%，试样两端通过夹具固定，试验速度为300 mm/min，拉伸结束标志为试样断裂。若试样在夹具内出现滑移或在距任一夹具夹持边缘10 mm内断裂，则视为无效数据[31]。每种防寒布试样试验3次，结果取平均值。

图3 防寒布拉伸试验

1.1.2 试验结果与分析

膜材拉伸试验结果如表2所示。由表2可知，新防寒布经向抗拉强度和断裂伸长率较纬向分别高约163.6%、15.9%，旧防寒布经向抗拉强度和断裂伸长率较纬向分别高约42.9%、29.9%，无论新、旧防寒布经向抗拉强度和断裂伸长率均高于纬向，说明防寒布经向抗拉性能优于纬向，故防寒作业中应将防寒布经向作为其长度方向，将防寒布经向拉伸性能作为防寒布卷收机构的设计依据；旧防寒布经向抗拉强度和断裂伸长率较新防寒布分别低约5.1%、37.4%，旧防寒布纬向抗拉强度较新防寒布大，但仍低于经向抗拉强度，旧防寒布纬向断裂伸长率较新防寒布低约44.1%，旧防寒布断裂伸长率较新防寒布低，说明旧防寒布承受拉力较大时其脆性增大，断裂伸长量减小；旧防寒布抗拉强度在性能较优的经向较新防寒布低，但降低程度较小，不影响其重复使用。

经前期试验测定，依靠纯拉力将1 m宽旧防寒布从20 cm厚的土垄中拉拽出来，拉力约为800 N，防寒布承受拉伸强度远低于其自身的抗拉强度，说明旧防寒布满足重复使用的强度要求。

表2 拉伸试验结果

1.2 整机结构

葡萄冬季埋土清除与防寒布回收机的整机结构如图4所示，由主机架、副机架、清土部件、卷布部件、液压系统和限深轮等组成。主机架是整机零部件的安装载体，其前端为三点悬挂装置，与拖拉机挂接。

1.输入轴 2.风冷器 3.主机架 4.液压油缸 5.副机架 6.刮土板 7.清土马达 8.清土叶轮 9.限深轮 10.换向支架 11.清土毛刷辊 12.立式带座轴承 13.卷布辊 14.液压油箱 15.卷收马达 16.链传动组件 17.液压泵

副机架与主机架通过矩形管套接，以液压油缸相连。清土部件安装于副机架上，包括刮土板和清土叶轮，分别位于副机架前端和中部下方，上下位置可调。卷布部件位于主机架的后方，包括换向支架、清土毛刷辊和卷布辊，换向支架铰接安装在主机架后部左端和副机架后部右端；2个清土毛刷辊竖直固定在主机架后部，清土毛刷辊之间间隙恰好使防寒布通过；卷布辊安装于清土毛刷辊后部上方、主机架外延的安装架上，两端为销连接的榫卯结构，便于拆卸和更换。液压系统由液压泵、清土马达、卷收马达、液压油缸等组成，液压泵将输入轴的机械能转化为液压能，为系统执行元件动作提供动力；清土马达位于清土叶轮正上方，驱动清土叶轮转动；卷收马达位于主机架的左侧，通过链传动驱动卷布辊转动；液压油缸两端分别连接主机架和副机架，调节副机架位置。2个限深轮分别位于主机架后部两侧，支撑整机并调节机组的作业高度。

1.3 工作原理

拖拉机牵引机组前进，动力由拖拉机动力输出轴（PTO）经万向节传递至输入轴，通过链传动增速后传递给液压泵，从而将机械能转化为液体压力能，驱动清土马达和卷收马达转动，并驱动液压油缸伸缩。作业前，根据机组与土垄相对位置调节液压油缸以调整副机架的位置，使安装于副机架上的刮土板和清土叶轮处于土垄的正上方；调节限深轮的高度，使整机处于合适高度并保持水平；调节刮土板和清土叶轮的相对高度，便于二者配合清除葡萄藤上方覆土；人工从土垄一端揭起防寒布，防寒布从右换向杆下方穿过，绕过左换向杆上方，换向到机器前进方向，然后从清土毛刷辊间隙穿过，向上平整缠绕在卷布辊上。作业时，拖拉机牵引机组前进，刮土板首先将土垄上部土壤推移至左侧行间，清土马达带动清土叶轮转动，清土叶轮的叶片高速旋转将土垄上方剩余土壤旋抛清理到行间；卷收马达通过链传动驱动卷布辊转动以卷收防寒布，张紧的防寒布翻转换向将剩余覆土倾倒在行间，清土毛刷辊清理防寒布上粘黏的土壤，保持防寒布的清洁，随后防寒布被卷收在卷布辊上，从而完成埋土清除和防寒布回收作业。

1.4 主要技术参数

结合篱架式栽培葡萄种植农艺要求和埋土作业状况，确定葡萄藤埋土清除与防寒布回收机的主要技术参数，如表3所示。

表3 葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机主要技术参数

注：外形尺寸中宽度为副机架全部伸出后的最大宽度。

Note: The width of the external dimension is the maximum width of the vice frame after all the extension.

2 关键部件设计

2.1 清土部件

2.1.1 刮土板

采用水平直元线法[32]设计刮土板曲面，刮土板采用10 mm厚的65Mn钢板折弯而成，曲面为圆柱形，其展开平面为四边形，四边形尺寸为长700 mm、高300 mm，折弯后曲面曲率半径为680 mm。葡萄藤在土垄中的分布不规律，为防止刮土板下缘在作业中损伤葡萄藤，采用硬质橡胶包覆刮土板下缘。

刮土板工作面与机组前进方向夹角（即刮土板安装角）决定刮土板向行间输送土壤的能力，刮土板对土壤的作用力如图5所示。随刮土板前进，土壤在机组前进方向和葡萄行宽度方向不断被挤压破碎，同时沿葡萄行宽度方向被输送，分力2决定刮土板向行间输送土壤的能力，安装角越大，分力2越小，作业幅宽越大，刮土板阻力越大，为平衡刮土板阻力和作业幅宽，安装角取45°。

1.土壤颗粒 2.刮土板

1.Soil particles 2.Scraper

注：为刮土板安装角，(°)；为刮土板对土壤颗粒的作用力，N；1为作用力在机组前进方向的分力，N；F为作用力在葡萄行宽度方向的分力，N；为机组前进速度，km×h–1。

Note:is the angle of the scraper installation, (°);is the force on soil particles by scraper, N;1is the component force ofin the forward direction of the unit, N;2is the component force ofin the width direction of the grape row, N;is the unit forward speed, km×h–1.

图5刮土板对土壤的作用力示意图

Fig.5 Schematic diagram of force on soil by scraper

2.1.2 清土叶轮

清土叶轮由环形支撑、清土叶片、硬质橡胶板等组成，结构如图6所示。环状支撑上部为直径300 mm的圆形板，下部为直径200 mm的圆管，二者同轴焊接。清土叶片内凹面为曲率半径155 mm的曲面，竖直截面为半径155 mm的四分之一圆环，宽度为200 mm。从上往下看，清土叶片外曲面切线与环状支撑架顶面直径重合，且当叶片转动至外曲面切线与机组前进方向相同时，土壤恰好沿葡萄行宽度方向被抛出。为保证清土效率并防止土壤拥堵在叶片之间，叶片数为4片。

1.环形支撑 2.清土叶片 3.螺栓螺母 4.硬质橡胶板

2.2 换向支架

换向支架的作用是将防寒布从葡萄藤上方平行换向到主机架后方，主要由左换向杆、右换向杆和万向支撑轮组成，左换向杆和右换向杆后端共同铰接在万向支撑轮上，左换向杆前端铰接安装在主机架后方竖梁上，右换向杆前端铰接安装在移动安装座上，移动安装座套接在副机架后端右侧的竖梁上，上下位置可调，因此换向支架整体可随副机架伸出而向右偏移，最大偏移量为液压油缸的行程；同时可调节右换向杆前端相对于后端的高度，寻找最合适的防寒布换向和倾倒剩余防寒土的位置点。

换向支架工作原理如图7所示，保证作业时防寒布从图中右侧平行换向到左侧的条件是：左换向杆和右换向杆在铰接点处夹角∠为90°，即以左右换向杆构成的三角形△为以线段为直径的圆的内接直角三角形。

注：AO和BO分别为换向支架的左换向杆和右换向杆，点A和点B分别为左、右换向杆与主机架和副机架的铰接点，线段KJ和MN分别为防寒布在左右换向杆上的投影。

当∠发生变化时，防寒布卷收方向也将发生变化。如图8所示，当∠小于90°时，防寒布经过换向支架会产生“内敛”现象，此时防寒布在左换向杆上的受力集中在线段的端，致使防寒布整体沿换向杆向后端滑移，造成防寒布在换向杆后端铰接点处堆积；当∠大于90°时，防寒布经过换向支架会产生“外展”现象，此时防寒布在左换向杆上的受力集中在线段的端，致使防寒布整体沿换向杆向前端滑移，造成防寒布在换向杆前端铰接点和处堆积。因此，换向支架各连接点处均采用铰接方式，换向支架2个换向杆夹角可随副机架的伸缩而调整，当液压油缸推动副机架外伸1/2行程时，∠恰好为90°。

图8 防寒布卷收过程中的“内敛”与“外展”现象

2.3 液压传动系统

液压传动系统由卷收马达控制回路和液压油缸与清土马达控制回路组成，每个回路具有不同的压力要求，选择限压式变量双联叶片泵为2个油路提供油压，泵的最大排量为30 L/min，输入转速为800～1 800 r/min，调压范围为7～10.5 MPa。

液压油缸用于调节副机架的位置，便于机器适应不同种植行距的葡萄园，方便完成地头转弯以及路上行驶。作业时，伸缩油缸动作次数少，时间短，在液压缸回油路上串联1个可调节流阀，通过改变节流阀通流面积控制液压缸排量，实现油缸速度调节。选择安装间距为530 mm、行程300 mm、缸径40 mm的双耳式工程液压缸，额定工作压力为16 MPa，油缸全部伸出时，机架最大宽度达到2.6 m，可适应多数葡萄园种植模式。

清土马达驱动清土叶轮转动，其转速根据清土量调节，在清土马达进油路上串联1个调速阀即可。选择CM5-12齿轮马达，转速范围为550～3 600 r/min，额定扭矩为42 N·m，工作压力可达21 MPa，排量为12.6 mL/min，满足使用要求。

卷收马达驱动卷布辊转动卷收防寒布，机组前进速度为2 km/h，卷布辊外径设计为50 mm，卷布辊转速在52.8～212.4 r/min之间线性变化，采用限压式变量泵和调速阀组成调速回路完成对马达转速的调节[33]。卷布辊有低转速要求，选择1QJM001-0.063型定量钢球马达，满足卷布辊的低转速要求，调速范围为8～800 r/min，额定工作压力为10 MPa，能够稳定输出至少95 N∙m的扭矩，满足使用要求。

3 离散元仿真试验

经调研，葡萄春季清土作业时，机组行进速度过快会导致刚性清土部件误伤葡萄藤，为保证清土质量，机组行进速度在1～2 km/h之间为宜，且作业时速度波动不能太大。考虑作业效率，将行进速度确定为较高水平2 km/h。此时，对清土效果产生影响的因素为刮土板工作面的曲率半径、清土叶轮的叶片数和转速，利用离散元软件EDEM进行清土作业仿真试验，以观察具体的影响效果。为了便于模拟仿真，暂不考虑土垄中葡萄藤和防寒布的影响，将清土部件三维模型导入EDEM软件，对影响清土效果的关键因素（曲率半径、叶片数、转速）进行仿真试验，获得各参数的最优组合。

3.1 建立仿真模型

仿真模型包括土壤模型和清土部件模型2部分。新疆地区葡萄防寒土的土质多为壤土或沙壤土，土壤散粒度高，颗粒结构形状差异不大，为类球形，因此，在建立土壤模型时，使用EDEM软件中自带的单球体颗粒作为土壤颗粒结构，并选择Hertz-Mindlin（no slip）颗粒接触模型作为颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型。通过试验测定和查阅文献得到离散元仿真模型参数[20]，如表4所示。

模拟实际作业环境，在EDEM中建立土垄模型，土壤颗粒的粒径分布范围为5～9 mm，呈正态分布。虚拟颗粒工厂的颗粒生成速度为20 000个/s，耗时5.5 s，共生成110 000个土壤颗粒，土垄模型高度为150 mm，宽度为1 000 mm，长度为2 000 mm。

表4 离散元仿真模型参数

将清土部件的几何模型从SolidWorks软件导入到EDEM软件中，建立清土部件的仿真模型。设定清土部件以2 km/h的恒定速度前进，整个仿真过程持续时间为11 s，前5.5 s为生成土壤颗粒建立土垄模型时间，后5.5 s为模拟清土作业时间。设置仿真时间步长为自动时间步长，数据保存间隔为0.05 s，网格单元尺寸为2倍最小土壤颗粒半径[20]。

3.2 评价指标

国内葡萄种植尚未形成统一、规范的种植模式[8]，对于清土作业质量没有统一、明确的要求。有些学者提出的评价指标局限于其所研究的机器和作业葡萄园的种植模式[20,24]，大多数清土机性能评价以基本完成清土作业为准，尚无统一、明确的量化指标。清土作业完成后，防寒布上方土壤被清理到行间形成新的土垄，为了便于被清理的防寒土平铺在行间且不影响后续的人工起藤作业，本文将新垄与原垄的中心距定义为清土距离，将其作为清土部件作业性能的评价指标，在作业行内清土距离越大，清土部件的清土能力越强；防寒布回收评价以实现卷收功能为准，尽量减少破损并卷收整齐。

3.3 正交仿真试验与参数优化

3.3.1 正交试验

为寻求最优参数组合，对所选3个参数进行三因素五水平正交仿真试验，选用L25(56)正交表进行试验设计，按照各参数的取值范围设置因素水平，如表5所示，试验结果如表6所示。

表5 仿真试验因素与水平

表6 试验方案与结果

3.3.2 试验结果分析与参数优化

为了获得最优参数组合，对试验结果进行极差分析，结果如表6所示。3个因素对清土距离的影响由大到小依次为、、，刮土板工作面曲率半径对清土距离的影响最大，其次为清土叶轮的叶片数，清土叶轮的转速对清土距离的影响最小，由此确定的较优参数组合为433，即刮土板工作面曲率半径为700 mm、清土叶轮的叶片数为4片、清土叶轮转速为500 r/min。

对试验结果进行方差分析，结果如表7所示，结果表明，对于清土距离，刮土板工作面的曲率半径为显著影响因素，而清土叶轮的叶片数和转速为非显著影响因素，因此根据极差分析结果，确定清土叶轮最优叶片数和转速分别为4片和500 r/min。为了确定显著因素曲率半径的最优值，在清土叶轮叶片数为4片、转速为500 r/min基础上，以清土距离为试验指标对曲率半径进行试验。在曲率半径600～800 mm取值范围内安排4个水平，分别为640、680、720和760 mm。试验结果表明，当曲率半径为680 mm时，清土距离最大为294.27 mm，故刮土板工作面最优曲率半径为680 mm。

表7 方差分析结果

注：*表示影响显著（＜0.05）。

Note: * indicates significant impact(＜0.05).

4 田间试验

为检验该葡萄埋土清除与防寒布回收机的田间作业效果，并对离散元仿真试验确定的最优参数组合进行验证，委托宁夏智源农业装备有限公司加工样机并进行田间试验。

4.1 试验准备

本文根据有关国家标准和农业机械试验方法于2019年7月开展田间试验，在样机加工地宁夏回族自治区的吴忠市附近挑选长度为50 m的试验田，试验田土质与实际埋土作业土质相同。试验时葡萄园未有下架埋土的防寒作业，故在试验地模拟葡萄园冬季埋土作业。首先在地表摆放干枯葡萄藤，然后在其上铺设防寒布，防寒布厚度为0.2 mm，宽度为1 m，将其长度裁剪为52 m，其中50 m作为构建防寒土垄，剩余2 m作为机器作业开始前人工揭起的防寒布，省略人工实际清土揭防寒布过程。配套动力使用雷沃欧豹M454-E型轮式拖拉机，动力输出轴转速分为540 r/min和760 r/min两档。采用旋耕式埋藤机构建土垄，土垄截面形状近似长方形，土垄宽度约为1 000 mm，土垄高度约为150 mm，试验地及埋土土垄情况如图9所示。

图9 试验地及埋土土垄示意图

4.2 试验方法

试验时，葡萄冬季埋土清除与防寒布回收机挂接在拖拉机上，试验开始前，启动拖拉机，操作液压阀组控制液压油缸伸出，直至清土部件位于土垄正上方，并调节刮土板和清土叶轮至合适的作业高度，将预留的2 m防寒布绕过换向支架，穿过清土毛刷辊间隙，卷绕在卷布辊上，打开卷收马达使防寒布张紧，然后关闭卷收马达等待试验开始。试验开始后，将机器各参数按照仿真试验优化结果调试至最佳状态，拖拉机以2 km/h的速度沿构建的土垄开始埋土清除和防寒布回收作业。在相同试验条件下重复3次，试验完成后观察机器清土效果并测量、记录数据，埋土清除和防寒布回收作业过程与效果如图10所示。

图10 埋土清除和防寒布回收作业过程与效果

4.3 试验结果

每行土垄间隔8 m选取5个点分别标记新土垄与原土垄中心线，测量清土距离，总计记录15个数据点，结果如表8所示，对测量数据取均值，最终得到的平均清土距离为271 mm，田间试验结果与仿真试验结果的相对误差为8%。实际作业中清土部件并不能完全清理防寒布上方覆土，剩余少量土壤被防寒布倾倒在行间，这会改变新土垄中心线位置，从而使田间试验结果与仿真试验结果产生误差。防寒布在回收过程中产生极少量破损，未出现断裂情况，能够实现卷收，但卷收平整度较差。人工作业速度为80 m/h左右[20-22]，机组作业速度为2 km/h，作业效率至少为人工作业效率的10倍以上，作业效率高。

表8 测量结果

综上，葡萄藤上方覆土基本清理到行间，并实现防寒布的机械回收，对葡萄藤和防寒布损伤可忽略不计，作业效果较好，满足葡萄清土作业要求。

5 结 论

本文结合新疆地区葡萄藤防寒布辅助埋土防寒作业要求，设计研发了一种葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机，确立关键部件的结构及参数；通过仿真试验对清土部件的结构参数和工作参数进行优化，并生产样机进行了田间验证试验，得到如下主要结论：

1）本文所设计的篱架式葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机主要由机架、清土部件、卷布部件、液压系统等组成，可基本清除葡萄藤上方埋土，基本不损伤葡萄藤和防寒布，并可实现防寒布的机械回收。

2）采用Reger微机控制电子万能试验机进行防寒布拉伸试验，结果表明新、旧防寒布经向抗拉强度明显高于纬向，使用1 a的旧防寒布经向抗拉强度较新防寒布降低约5.1%，不影响防寒布的循环使用，为防寒布使用方式和防寒布回收装置的设计提供依据。

3）在EDEM软件中建立土垄和清土部件模型，对影响清土距离的刮土板曲率半径、清土叶轮的叶片数及其转速，设计并实施三因素五水平正交仿真试验，对试验结果进行了极差分析，得到3个参数对清土距离的影响由大到小依次为曲率半径、叶片数、转速；对试验结果进行了方差分析，确定曲率半径为显著影响因素，叶片数和转速为非显著影响因素，确定清土叶轮最优叶片数为4片，最优清土叶轮转速为500 r/min；对显著影响因素曲率半径进行试验，确定最优曲率半径为680 mm，最优参数组合下清土距离为294.27 mm。

4）加工样机，按照实际作业状况建造土垄，对仿真试验确定的最优组合参数进行田间验证试验，得到平均清土距离为271 mm，与仿真试验结果的相对误差为8%；防寒布产生极少量破损，未断裂，能够实现基本卷收；机组作业效率为人工作业效率的10倍以上。

本文研发的葡萄冬季埋土清除与防寒布回收机解决了传统机械清土不彻底的难题，基本实现完全清土和防寒布的机械回收，作业效果较好，具有较大的发展前景，该机器的研发为北方寒地葡萄埋土清除作业提供了新的思路，可为后续清土机械的发展提供参考。

[1] 田淑芬，苏宏，聂松青. 2018年中国鲜食葡萄生产及市场形势分析[J]. 中外葡萄与葡萄酒，2019(2)：95－98.

Tian Shufen, Su Hong, Nie Songqing. Analysis on the production and market situation of Chinese table grape in 2018[J]. Sino-Overseas Grapevine & Wine, 2019(2): 95－98. (in Chinese with English abstract)

[2] 刘凤之. 中国葡萄栽培现状与发展趋势[J]. 落叶果树，2017，49(1)：1－4.

Liu Fengzhi. Current situation and development trend of viticulture in China[J]. Deciduous Fruits, 2017, 49(1): 1－4. (in Chinese with English abstract)

[3] 刘志良，李庆利，李凤鸣，等. 寒地葡萄栽培非埋土防寒越冬技术[J]. 农业工程，2018，8(11)：120－123. Liu Zhiliang, Li Qingli, Li Fengming, et al. Non-buried cold-proof overwintering technology of grape cultivation in cold regions[J]. Agricultural Engineering, 2018, 8(11): 120－123. (in Chinese with English abstract)

[4] 解冬梅. 浅析我国葡萄种植发展现状及发展趋势[J]. 农业与技术，2019，39(16)：106－107.

[5] 张德学，张军强，李青江，等. 我国葡萄全程机械化应用现状及发展展望[J]. 农业装备与车辆工程，2019，57(3)：17－22.

Zhang Dexue, Zhang Junqiang, Li Qingjiang. Current situation and development prospect of grape mechanization in China[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2019, 57(3): 17－22. (in Chinese with English abstract)

[6] 王海波，王宝亮，王孝娣，等. 我国葡萄产业现状与存在问题及发展对策[J]. 中国果树，2010(6)：69－71.

[7] 丛广贤. 寒地葡萄高效栽培[M]. 北京：金盾出版社，2008.

[8] 徐丽明，邢洁洁，李世军，等. 国外葡萄生产机械化发展和对我国现状的思考[J]. 河北林业科技，2014(5)：124－127.

Xu Liming, Xing Jiejie, Li Shijun, et al. Development of grape production mechanization abroad and reflection on the present situation in China[J]. The Journal of Hebei Forestry Science and Technology, 2014(5): 124－127. (in Chinese with English abstract)

[9] 尤军，郭辉，胡洁，等. 葡萄埋藤机研究综述[J]. 农业工程，2013，3(2)：8－10.

You Jun, Guo Hui, Hu Jie, et al. Review of grape vine burying machine[J]. Agricultural Engineering, 2013, 3(2): 8－10. (in Chinese with English abstract)

[10] 边凤霞，刘静，容新民. 不同防寒材料对紫香无核防寒效果的比较[J]. 黑龙江农业科学，2019(2)：73－75.

Bian Fengxia, Liu Jing, Rong Xinmin. Comparison of cold protection effects of different cold-resistant materials on purple and fragrant seedless grape[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2019(2): 73－75. (in Chinese with English abstract)

[11] 修德仁，高扬. 初议葡萄覆膜防寒越冬[C].//中国农学会. 2007年第十三届全国葡萄学术研讨会论文集. 2007：389－393.

[12] 李功敏，孙林全，李树军. 浅谈彩条布在苗木防寒中的应用[J]. 林区教学，2008(11)：117.

Li Gongmin, Sun Linquan, Li Shujun. Discussion on the application of colored strip cloth in cold prevention of seedlings[J]. Teaching of Forestry Region, 2008(11): 117. (in Chinese with English abstract)

[13] 张建军，勾健，闫卫兵，等. 沙城产区葡萄彩条布机械埋土防寒及出土技术[J]. 中外葡萄与葡萄酒，2016(4)：32－34.

Zhang Jianjun, Gou Jian, Yan Weibing, et al. Cold prevention and excavation technology of grape colored strip cloth in shacheng production area[J]. Sino-Overseas Grapevine & Wine, 2016(4): 32－34. (in Chinese with English abstract)

[14] 王伟军，李克文，王秀荣，等. 张家口地区葡萄园春季管理技术[J]. 河北果树，2015(2)：34－35.

Wang Weijun, Li Kewen, Wang Xiurong, et al. Spring management technology of vineyards in zhangjiakou area[J]. Hebei Fruits, 2015(2): 34－35. (in Chinese with English abstract)

[15] 李银芳，潘伯荣，孙永强，等. 不同覆盖物对果树越冬的保温作用[J]. 北方园艺，2012(18)：19－22.

Li Yinfang, Pan Borong, Sun Yongqiang, et al. The heat preservation effects of different coverings for fruit trees’ overwintering[J]. Northern Horticulture, 2012(18): 19－22. (in Chinese with English abstract)

[16] 朱新月，王丽红，徐亭，等. 酿酒葡萄覆膜埋藤机的设计与分析[J]. 农机化研究，2019，41(3)：76－82.

Zhu Xinyue, Wang Lihong, Xu Ting, et al. Design and analysis of the film mulching and vine burying machine for wine grape[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2019, 41(3): 76－82. (in Chinese with English abstract)

[17] Yael Edan, Ron Berenstein, Ohad Ben Shahar, et al. Grape clusters and foliage detection algorithms for autonomous selective vineyard sprayer[J]. Intelligent Service Robotics, 2010, 3(4): 233－243.

[18] Carlo Bisaglia, Elio Romano. Utilization of vineyard prunings: A new mechanization system from residues harvest to CHIPS production[J]. Biomass and Bioenergy, 2018, 115.

[19] 周伟彬. 葡萄起藤机的设计[D]. 宁夏：宁夏大学，2017.

Zhou Weibin. Design of Grape Vine Digging Machine[D]. Ningxia: Ningxia University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[20] 马帅，徐丽明，邢洁洁，等. 叶轮旋转式葡萄藤埋土单边清除机研制[J]. 农业工程学报，2018，34(23)：1－10.

Ma Shuai, Xu Liming, Xing Jiejie, et al. Development of unilateral cleaning machine for grapevine buried by soil with rotary impeller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 1－10. (in Chinese with English abstract)

[21] 王志强，王海波，刘凤之，等. 前置式防寒土清除机的研制与试验[J]. 中国农机化学报，2015，36(6)：88－91，107.

Wang Zhiqiang, Wang Haibo, Liu Fengzhi, et al. Development and experiment of front located winter protection soil cleaning machine[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(6): 88－91, 107. (in Chinese with English abstract)

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

Zeng Baoning, Tian Zhidao, Zhao Runliang. Design and development of grape vine machine[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2013, 34(6): 230－232, 219. (in Chinese with English abstract)

[23] 刘芳建，刘忠军，王锦江，等. 自动避障葡萄藤扒土机的设计与试验研究[J]. 农机化研究，2018，40(4)：87－90.

Liu Fangjian, Liu Zhongjun, Wang Jinjiang, et al. Design and experimental study of automatic obstacle-avoid digging machine for grape vine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(4): 87－90. (in Chinese with English abstract)

[24] 王茂博，纳斯哈提·尼合买提吾拉. 葡萄彩条布起膜卷膜一体机：105010050A[P]. 2015-11-04.

[25] 张科全，张庆德，张军德. 葡萄卷膜机：205305581U[P]. 2016-06-15.

[26] 龚昌雨. 一种葡萄卷膜机：208249433U[P]. 2018-12-18.

[27] 谢冬，张锋伟，张涛，等. 一种适合河西地区的葡萄清土机的设计与试验[J]. 农业装备与车辆工程，2016，54(9)：56－58，65.

Xie Dong, Zhang Fengwei, Zhang Tao, et al. Design and testing of a kind of grape vine cleaning soil machine for hexi area[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2016, 54(9): 56－58, 65. (in Chinese with English abstract)

[28] 刘松. 圆锥螺旋式入春葡萄挖藤机设计与试验研究[D]. 乌鲁木齐：新疆农业大学，2014.

Liu Song. Design and Experimental Study of Conical Spiral Vine Digger in Spring[D]. Urumchi: Xinjiang Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[29] 徐丽明，段壮壮，袁全春，等. 一种葡萄埋藤用的彩条布清土回收机：108243638A[P]. 2018-07-06.

[30] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会. 塑料拉伸性能的测定第3部分：薄膜和薄片的试验条件：GB/T 1040.3-2006[S]，2006.

[31] 李培芬，康赫男，宾远红. 夹具间距对PA/PE薄膜拉伸性能测试结果的影响[J]. 计量与测试技术，2013，40(9)：47－48.

Li Peifen, Kang Henan, Bin Yuanhong. The effect of tensile properties test results of PA/PE films at different fixture spaces[J]. Metrology & Measurement Technique, 2013, 40(9): 47－48. (in Chinese with English abstract)

[32] 宋建农. 农业机械与设备. 第1版[M]. 北京：中国农业出版社，2006.

[33] 左健民. 液压与气压传动. 第4版[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

Development of trellis-type grape winter buried soil clearing and cold-proof cloth recycling machine

Niu Cong, Xu Liming※, Duan Zhuangzhuang, Liu Xingxing, Ma Shuai, Yuan Quanchun, Wang Shuoshuo, Yuan Xunteng, Zeng Jian, Chen Chen

(,,100083,)

In Xinjiang region of China, the grape cultivation area needs to take soil buried cold-proof operation in winter to make the vines safely overwinter. However, the single soil buried cold-proof operation brings great difficulties to the subsequent soil clearing operations, such as incomplete soil mechanical clearing and low operation efficiency. The vineyards headed by Xinjiang change the cold-proof mode, and the cold-proof cloth is used to assist in soil buried cold-proof operation, which can play a better effect of heat preservation and moisture conservation and provide the possibility for complete soil clearing. But at the same time, there are some problems such as difficulty in recycling cold-proof cloth. In view of the problems in the above-mentioned soil clearing operation and the agricultural requirements of the trellis-type grape planting, combined with the operation requirements of the grape soil clearing under the cold-proof cloth assisted soil-buried mode, this paper designed the grape winter buried soil clearing and cold-proof cloth recycling machine, which is composed of a frame, a soil clearing component, a cloth recycling component and a hydraulic system, etc. This paper explained the structure and working principle of each part of the machine in detail, and analyzed the structure and parameters of key components. The tensile performance test of the cold-proof cloth used for one year was carried out to verify the feasibility of the cold-proof cloth recycling. The result showed that the tensile strength of the old cold-proof cloth was lower than that of the new cold-proof cloth, and the warp tensile strength was better than the across, but it was not enough to affect its recycling, based on this the correct direction of the cold-proof cloth using was determined, and the basis for the design of cloth recycling component was provided. Discrete element software EDEM was used to carry out simulation test of soil clearing operation. The simulation model consisted of soil ridge and soil clearing component modes in EDEM software. The soil clearing distance was used as the evaluation index of soil clearing effect, and the experimental factors were the curvature radius of the working face of the scraper, the blade numbers of the soil clearing impeller and its rotation rate. Under the condition of 2 km/h, the three-factor five-level simulation orthogonal test was carried out. The results showed that the order of influence of three factors on soil cleaning distance was that curvature radius, blade number and rotation rate. According to the variance analysis of test result, the curvature radius was the significant influencing factor, the blade number and rotation rate were the non-influencing factors, and the optimal parameter combination was that the curvature radius was 680 mm, the blade number was 4, the rotation rate was 500 r/min, and the clearing distance was 294.27 mm. The prototype was processed and the field verification test was carried out based on the optimal parameter combination. The test results showed that the soil clearing distance was 271 mm, and the relative error with the simulation test results was 8%. The buried soil was basically cleaned and the damage to the vines and the cold-proof cloth was small. The operation efficiency of the machine was more than 10 times of the manual soil clearing efficiency. This study can provide a new development idea for the operation of buried soil clearing in Xinjiang regions of China, and provide reference for the development of follow-up grape soil clearing machinery.

mechanization; simulation; grape vine; buried soil clearing; cold-proof cloth recycling; EDEM

牛 丛，徐丽明，段壮壮，刘星星，马 帅，袁全春，王烁烁，袁训腾，曾 鉴，陈 晨. 篱架式葡萄藤冬季埋土清除与防寒布回收机研制[J]. 农业工程学报，2020，36(2)：50－58.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.007 http://www.tcsae.org

Niu Cong, Xu Liming, Duan Zhuangzhuang, Liu Xingxing, Ma Shuai, Yuan Quanchun, Wang Shuoshuo, Yuan Xunteng, Zeng Jian, Chen Chen. Development of trellis-type grape winter buried soil clearing and cold-proof cloth recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 50－58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.007 http://www.tcsae.org

2019-08-26

2019-11-21

现代农业产业技术体系建设专项资金资助（CARS-29）

牛 丛，博士生，主要从事生物生产自动化研究。Email：niucong0322@163.com

徐丽明，教授，博士生导师，主要从事生物生产自动化技术与装备研究。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.02.007

S224.9

A

1002-6819(2020)-02-0050-09