宋帥帥，楊 欣，殷夢杰，李建平

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，保定 071000)

0 引言

隨著新型矮砧密植果樹建園的大力推廣，需要大量的果樹苗木提供支持[1]。查閱文獻(xiàn)和實地調(diào)研表明：果樹苗木培育環(huán)節(jié)中的開溝作業(yè)基本以人工挖坑作業(yè)為主[2-3]。果農(nóng)行業(yè)隨著我國人口老齡化時代的到來，勞動力嚴(yán)重缺乏。為了解決這種勞動強(qiáng)度大、占用大量勞動力的方式，在調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)園藝要求，設(shè)計研發(fā)了一種果樹苗木栽植機(jī)。在果樹苗木培育環(huán)節(jié)，開溝質(zhì)量的好壞直接影響果樹苗木的移栽成活率和質(zhì)量。開溝裝置是整機(jī)的核心工作部件，要求開溝作業(yè)中容易入土、開溝深度穩(wěn)定，為了保證苗木栽植成直立狀態(tài)要求溝形整齊且具有足夠的放苗時間，直至回土鎮(zhèn)壓壓實，確保果樹苗木垂直定植。本文對果樹苗木栽植機(jī)的開溝裝置進(jìn)行了模型建立及參數(shù)化設(shè)計。

1 模型建立

結(jié)合農(nóng)藝要求，針對果樹苗木培育環(huán)節(jié)，開溝裝置應(yīng)具有良好的開溝性能，保證苗木移栽質(zhì)量。利用AIP實體三維建模軟件設(shè)計出開溝裝置的基本模型，利用AIP實體三維設(shè)計軟件按1∶1比例建立開溝裝置部件的裝配體模型，零件之間通過添加正確的裝配關(guān)系確定達(dá)到三維模型全約束，所有零部件均采用參數(shù)化建模，以保證后續(xù)更新零部件寬度、厚度、角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)時裝配體的拓?fù)潢P(guān)系不會發(fā)生改變；利用參數(shù)化功能建立尺寸驅(qū)動關(guān)聯(lián)關(guān)系，旨在后續(xù)有限元分析中便于快速更新模型[4-7]。開溝裝置與機(jī)架采用U型螺栓和連接件固定于機(jī)架中。整體機(jī)架為焊接結(jié)構(gòu)，與拖拉機(jī)形成后三點懸掛作業(yè)方式，通過調(diào)節(jié)限深輪可實現(xiàn)開溝裝置在15～35cm范圍內(nèi)開溝深度的變化。開溝裝置的基本機(jī)構(gòu)如圖1所示。

該機(jī)開溝裝置由開溝刀、開溝板、擋土板、保持板、扶苗器和連接件等結(jié)構(gòu)焊合組成。開溝刀應(yīng)具有較強(qiáng)的破土能力和穩(wěn)定的開溝能力，因此材料的選用必須保證具有足夠的強(qiáng)度和硬度要求。開溝板作用是將所開出的土分向兩側(cè)，為形成溝壑做準(zhǔn)備，提供土壤的走向。保持板的作用是避免回流土岱過早落入溝中，保證溝形寬度能夠維持一定時間。擋土板的作用是防止保持板兩側(cè)由于推土堆積的土垈進(jìn)入溝中而影響溝深。扶苗器的作用是從放苗區(qū)開始直到完成覆土鎮(zhèn)壓工序保證樹苗成直立狀態(tài)。在扶苗區(qū)內(nèi)扶苗器將苗木收攏到苗帶中間，保證回土壓實整個過程中樹苗定植成一條直線。

開溝裝置與機(jī)架采用U型螺栓和連接件固定于機(jī)架中，通過調(diào)節(jié)U型螺栓和連接件的位移關(guān)系實現(xiàn)不同開溝作業(yè)深度，滿足不同果樹苗木根系結(jié)構(gòu)特性的園藝要求。

2 開溝裝置參數(shù)設(shè)計

為了確定開溝裝置工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)，確保果樹苗木移栽開溝要求，本文在研究開溝裝置機(jī)理時建立開溝裝置開溝深度與寬度、開溝板工作隙角、充苗器長度相關(guān)參數(shù)及移栽后果樹苗木角度的數(shù)學(xué)模型。在研究過程中視土壤顆粒為剛體結(jié)構(gòu)，其不變形、不粘結(jié)。

2.1 開溝寬度及深度

開溝裝置開出的溝要求足夠?qū)挕⒆銐蛏?，以適應(yīng)苗木根系結(jié)構(gòu)特性。果樹苗木的根系要求完整無劈裂，有側(cè)根和須根，側(cè)根樹3條以上，側(cè)根長度20cm以上，而且須根要多。專家給出健壯大苗標(biāo)準(zhǔn):苗木高度1.2 m以上，苗木基部品種接口上10cm處干徑在1.2cm以上；整形帶內(nèi)具有效分枝6 ～9個，分布較均勻；苗木根系健壯，側(cè)根5條以上，側(cè)根長度20cm以上，毛細(xì)根密集；矮化中間砧苗木的矮化砧與矮化自根砧苗木根砧長度為20cm左右[9]。出圃蘋果苗木根系結(jié)構(gòu)及模型建立如圖2所示。

圖2 栽植苗木根系結(jié)構(gòu)與長度模型Fig.2 Root structure and length model of planting seedlings

根據(jù)苗木的根系結(jié)構(gòu)確定開溝裝置的作業(yè)深度及寬度參數(shù)。早些年，羅錫文等人利用傳統(tǒng)研究法與現(xiàn)代研究法對果樹苗木根系進(jìn)行了較全面的研究與概述?，F(xiàn)代研究法主要包括：根鉆法、剖面法及挖掘法等，傳統(tǒng)的研究方法耗時耗力，工作成本高，但操作簡單?，F(xiàn)代研究方法主要是指：利用國際當(dāng)中一些先進(jìn)的專業(yè)儀器設(shè)備快速準(zhǔn)確觀測根系結(jié)構(gòu)及生長，結(jié)合計算機(jī)、電子顯微鏡、力學(xué)等先進(jìn)的技術(shù)手段，將根系研究帶入一個新的局面[8-9]。

2.1.1 開溝裝置寬度參數(shù)確定依據(jù)

根系的空間分布特征決定了根系占據(jù)土壤空間的大小，根系在給定的土壤空間中，其伸展程度決定根系吸水和土壤中的養(yǎng)分等能力，開溝裝置開出溝的寬度要保證根系均勻自然的分布。根據(jù)專家給出健壯大苗的標(biāo)準(zhǔn)，以全部側(cè)根中，側(cè)根末端兩兩位置距離最遠(yuǎn)的尺寸確定開溝裝置的開溝寬度，保證根系均勻自然地分布在溝壑中。測量果樹苗木根系一般最寬尺寸為L≤20cm。為了保證根系充分自然分布，假設(shè)開溝裝置寬度設(shè)開溝作業(yè)寬度為25cm，結(jié)合園藝要求，驗證是否滿足果樹苗木栽植行距在60～65cm范圍內(nèi)：以開溝裝置的左右方向中間位置為基準(zhǔn)，行距至少為60cm方可滿足設(shè)計要求，所以假設(shè)行距60cm。經(jīng)計算，兩個開溝裝置之間有35cm的設(shè)計空間，對于安裝覆土鎮(zhèn)壓輪系有足夠空間，滿足設(shè)計要求[10]。開溝裝置寬度參數(shù)為25cm。

2.1.2 開溝裝置深度參數(shù)確定依據(jù)

蘋果、梨、核桃等根系分布較深，桃、李、杏等根系分布較淺。苗木栽植時特別注意矮化砧的入土深度，栽植過深，會影響樹體生長。砧木接穗部分要求在地面之上，否則容易生根，樹勢變旺，失去矮化作用，變成喬化樹(一般要求：砧木與接穗的接口在地表5～10cm處)。由果樹苗木根系高度模型圖3可知：園藝要求果樹苗木根系栽植深度為30cm左右，針對不同果樹苗木，設(shè)計開溝作業(yè)深度H=25～35cm的可調(diào)范圍。具體到某種果樹苗木時，開溝裝置的作業(yè)設(shè)計高度要高出這種果樹苗木根系的所需栽植深度5cm，用來抵銷因開溝回流土壤過程中損失的開溝高度。土壤在回流過程中，并不能完全將所開溝的土壤全部回流到溝壑中，還有一些在土壤阻力等作用下?lián)p失的回流土壤用5cm開溝高度來彌補(bǔ)填充。

圖3 苗木根系高度模型Fig.3 Seedling root height model

2.2 開溝板工作隙角

根據(jù)開溝裝置作業(yè)要求，其開溝板應(yīng)具有穩(wěn)定的工作隙角α，以保持作業(yè)狀態(tài)及開溝裝置的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。開溝板的作用是開溝破土，將開出的土分向兩側(cè)，合適的工作隙角配合足夠的動力輸出完成滿足移栽作業(yè)要求的溝壑。開溝裝置工作隙角如圖4所示。

圖4 開溝板工作隙角Fig.4 Ditching work clearance angle plate

開溝裝置的工作隙角在已確定開溝作業(yè)深度情況下進(jìn)行作業(yè)參數(shù)設(shè)計，作業(yè)過程中開溝板受到土壤自身重力及由重力產(chǎn)生的摩擦力等，將土壤視為矩形剛體結(jié)構(gòu)。針對土壤在開溝板的受力情況進(jìn)行分析，以開過作業(yè)深度為已知限定條件，建立工作隙角α與開溝作業(yè)深度的函數(shù)方程[11]。開溝板受力分析如圖5所示。

其中，OA為開溝作業(yè)深度(mm)；OB為開溝板底部長度(mm)；AB為開溝板斜邊長度(mm)；f為摩擦力(N)；FN為土壤斜邊表面支撐力(N)；mg為土壤的重力(N)；按圖上坐標(biāo)所示，列出有關(guān)α的平衡方程，即

∑FX=0，m·g·sinα-f=0

(1)

∑FY=0，F(xiàn)N-m·g·cosα=0

(2)

f=μ·FN

(3)

其中，∑FX和∑FY分為為x、y軸方向上的合力(N)；μ為土壤顆粒與開溝板之間的動摩擦因數(shù)；m為土壤顆粒的質(zhì)量(g)；g為重力加速度；FN為土壤顆粒對開溝板的正壓力(N)。解得tanα=μ。

開溝板所選材料為Q235，土壤與Q235之間摩擦因數(shù)在1.0左右，考慮實際作業(yè)過程中，摩擦因數(shù)偏大，取值1.2，可得開溝板工作隙角α=arctan-10.6=50.0°。

圖5 開溝板受力分析Fig.5 Analysis of the force of the grooved plate

2.3 扶苗器長度

扶苗器用來保證苗木在栽植過程中不發(fā)生偏移，位于開溝裝置擋土板外側(cè)，采取焊接方式與擋土板焊為一體。當(dāng)工作人員將苗木放入開溝裝置中時，工作人員的手先不要松開苗木，一直到苗木運(yùn)動到扶苗器的拐點時再松開。當(dāng)苗木運(yùn)動到拐點處，回流的土壤開始從擋土版的兩側(cè)落下進(jìn)入開溝裝置開出的溝中，隨著機(jī)具前進(jìn)，土壤自身的回流配合覆土鎮(zhèn)壓輪系完成果樹苗木的覆土壓實工序。在此過程中，苗木受到向前的一個慣性力及由土壤回流產(chǎn)生向前的一個推力，苗木處于一種容易偏移狀態(tài)；在土壤完全回流溝中完成覆土鎮(zhèn)壓工序前，扶苗器要保證苗木呈“直立狀態(tài)”，直立狀態(tài)是指園藝專家提出的栽植苗木要求苗木的傾斜角度不超過15°。扶苗器的拐點如圖6所示。

圖6 扶苗器拐點Fig.6 The inflection point for supporting seedling

圖7 扶苗器總長Fig.7 The length of seedling supporting

3 試驗與結(jié)果

3.1 樣機(jī)試制

根據(jù)設(shè)計定型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，于2016年在河北高碑店進(jìn)行了開溝裝置及樣機(jī)試制。

3.2 試驗與結(jié)果

2016年11月，在河北蠡縣試驗田進(jìn)行樣機(jī)試驗，檢驗果樹苗木移栽機(jī)的性能和作業(yè)質(zhì)量。樣機(jī)試制與田間試驗如圖8所示。數(shù)據(jù)記錄4個行程如表1所示。

圖8 樣機(jī)試制與田間試驗Fig.8 Prototype trial and field test表1 數(shù)據(jù)記錄Table 1 Data record

行程序號開溝深度/cm開溝寬度/cm距離/cm時間/s速度/m·h-1測定總株數(shù)/株栽植深度合格/株第1行程1302530047230229253004723032824300482264302530048227150149第2行程1292630047230230253004922033025300482254302530049219150148

續(xù)表1

利用公式進(jìn)行計算，單個行程的平均開溝深度為

4 個行程的平均開溝深度為

每個行程的開溝深度變異系數(shù)為

4 個行程的開溝深度變異系數(shù)為

每個行程開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為

U=1-ν

4 個行程開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為

Um=1-νm

每個行程的開溝深度標(biāo)準(zhǔn)差為

4 個行程的開溝深度標(biāo)準(zhǔn)差為

式中αi—各測點的測定開溝深度;

n—每行程的測定點數(shù);

nm—4個行程的測定點數(shù);

ν、νm—開溝深度變異系數(shù);

U、Um—開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)。

計算結(jié)果：開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Um= 95.9%，栽植深度合格率=98.8%。

試驗數(shù)據(jù)和作業(yè)情況表明：開溝裝置結(jié)構(gòu)及開溝深度穩(wěn)定，栽植深度合格率高，滿足果園農(nóng)藝設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1)應(yīng)用AIP三維軟件完成了開溝裝置的建模和裝配，并對其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了計算分析，設(shè)計了一種開溝質(zhì)量較高的開溝裝置。

2)田間試驗表明：開溝裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，開溝寬度及深度滿足作業(yè)要求，栽植果樹苗木合格率高，栽植質(zhì)量滿足園藝設(shè)計要求，可為果樹苗木培育提供技術(shù)支持。

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AbstractID:1003-188X(2018)05-0036-EA