霍鵬，李建平，楊欣，許述財(cái)，范曉文

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定071000；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

隨著水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國已成為世界第一果 品生產(chǎn)大國。果苗苗木培育正向標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)?；较虬l(fā)展[1]，果園機(jī)械化也成為果品生產(chǎn)的必然趨勢，而果苗出圃機(jī)械化作為果品生產(chǎn)的重要一步，引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。劉俊峰[2]為培育標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化的矮化中間砧成品蘋果苗，根據(jù)苗木出圃的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了“L”型起苗鏟的蘋果成品苗起苗機(jī)，在起苗深度317.5 mm、工作幅寬650 mm、作業(yè)速度1.11 m/s 的條件下進(jìn)行田間試驗(yàn)，所起苗木根系完整，苗木皮層無損傷，且降低了人工起苗的勞動強(qiáng)度，省工省時；陳桂宏等[3]研發(fā)了一種以農(nóng)林業(yè)機(jī)械制造技術(shù)設(shè)計(jì)小型苗木挖取機(jī)的新型技術(shù)方案，提高了苗木移植的機(jī)械化程度，仿真優(yōu)化的鏟片減小了挖掘阻力，降低了動力消耗；于慧春等[4]對甘草起苗機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并通過田間試驗(yàn)對其工作性能進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的三角形主鏟與翼型延長鏟形成的組合起苗鏟，可有效地切斷甘草主根，并且有利于漏土，減少機(jī)具質(zhì)量和作業(yè)時與土壤的摩擦阻力，而圓犁刀可有效切斷纏繞在一起的須根，避免立柱前的壅土和纏草；曾劍鋒[5]對影響苗木聯(lián)合起苗機(jī)工作性能的苗木類型、苗木生長狀況、土壤環(huán)境和氣候條件等因素以及起苗刀的性能參數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，并建立了根土分離的力學(xué)模型，通過三維軟件Pro/E 完成了起苗機(jī)的建模；路志坤等[6]設(shè)計(jì)了采用側(cè)置鏟偏牽引的方式進(jìn)行挖掘起苗的蘋果樹專用起苗機(jī)，田間試驗(yàn)和挖掘作業(yè)結(jié)果表明，所起苗木根部規(guī)格統(tǒng)一，作業(yè)質(zhì)量符合園藝要求。還有一些學(xué)者對現(xiàn)有起苗機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了改進(jìn)，如：李建平等[7]針對應(yīng)用QM-500型果樹苗木起苗機(jī)對蘋果矮化苗木出圃時需要人工將斷根后的苗木拔出等問題，設(shè)計(jì)了由振動機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)等構(gòu)成的根系土壤分離裝置，試制并裝配在QM-500型果樹苗木起苗機(jī)上，田間試驗(yàn)表明，當(dāng)曲柄偏心距e為52 mm，擺角φ為13.72°，行程速度變化系數(shù)K為1.02，極限夾角θ為2.03°時，起 苗 作 業(yè) 效 率 達(dá)1.6 株/s，節(jié) 省 人 工50.85%，實(shí)現(xiàn)了蘋果苗木起苗機(jī)械輕簡化作業(yè)；楊欣等[8]通過有限元分析獲得了內(nèi)支撐三維應(yīng)力、變形和安全系數(shù)，并根據(jù)分析結(jié)果改進(jìn)起苗鏟結(jié)構(gòu)，試制樣機(jī)起苗試驗(yàn)表明，改進(jìn)的起苗鏟工作阻力小，起苗作業(yè)可靠，達(dá)到了預(yù)期作業(yè)性能指標(biāo)要求；王雙成等[9]根據(jù)不同土壤特性及根系狀況要求，設(shè)計(jì)了可改變振幅的振動機(jī)構(gòu)，通過ANSYS Workbench 模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)的固有頻率從106.07 Hz 逐漸變大到307.79 Hz，而頻率對機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性及工作性能有很大的影響。

本研究針對現(xiàn)有蘋果苗木出圃時遇到的起苗與清土作業(yè)不規(guī)范及人工參與作業(yè)多的問題，設(shè)計(jì)了蘋果苗木出圃的振擺式起苗清土一體機(jī)，通過對關(guān)鍵部件的有限元分析及田間試驗(yàn)論證設(shè)計(jì)的可靠性，以期為后續(xù)開展起苗清土裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。

1 起苗清土系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)總成

振擺式起苗機(jī)主要包括減速機(jī)、主傳動鏈、支傳動鏈、起苗裝置、機(jī)架、振擺式清土裝置、起苗鏟。利用三維建模軟件AIP 進(jìn)行建模，起苗機(jī)清土裝置如圖1 所示。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：匹配動力為65 kW，起苗方式為起苗清土聯(lián)合作業(yè)，掛接方式為后三點(diǎn)懸掛，起苗深度為200～350 mm（可調(diào)），起苗寬度為650 mm，株距為350～400 mm，作業(yè)速度為3.6 km/h，作業(yè)苗木種類為蘋果苗，作業(yè)機(jī)械操作人員為2人。

1.2 工作原理

圖1 起苗清土系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of seedling lifting and soil cleaning system

使用New Holland T4.85F 型拖拉機(jī)，通過動力輸出軸帶動起苗裝置、清土裝置等工作部件運(yùn)作。起苗機(jī)采用后三點(diǎn)懸掛方式作業(yè)，并控制好作業(yè)速度與方向。如圖1所示：動力由拖拉機(jī)動力輸出軸輸出后傳遞到減速機(jī)，一部分通過主傳動鏈傳遞到清土裝置以完成清土過程，另一部分通過支傳動鏈傳遞到起苗裝置以完成起苗過程；整個起苗清土系統(tǒng)由機(jī)架支撐；當(dāng)起苗系統(tǒng)運(yùn)行時，起苗裝置與起苗鏟將苗木由土中提起，并向車輛前進(jìn)后方運(yùn)輸，同時，清土裝置進(jìn)行擺動清土，完成起苗清土機(jī)械化過程。機(jī)組可一次性實(shí)現(xiàn)起苗、運(yùn)苗、清土等一系列作業(yè)工序，完成起苗作業(yè)。該機(jī)操作簡單，適應(yīng)性良好。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 起苗裝置

起苗裝置由起苗鏟、運(yùn)苗皮帶及動力傳輸部件組成。運(yùn)苗皮帶及動力傳輸裝置如圖2所示。左右皮帶各長4.5 m，均由2個帶輪支撐，中間分布8個導(dǎo)輪；皮帶之間的距離為2 cm，由導(dǎo)輪和彈簧控制。運(yùn)苗時彈簧被拉伸，苗木傳輸?shù)侥┒?，彈簧收縮，皮帶回到初始位置。

起苗裝置運(yùn)行時，動力經(jīng)鏈條傳遞到錐齒輪變速箱，然后傳送到伸縮萬向節(jié)傳動軸，再到運(yùn)苗皮帶；起苗鏟將帶土苗木由土壤起出，經(jīng)運(yùn)苗皮帶運(yùn)送時，由彈簧拉伸控制帶輪支架偏移，使苗木受到足夠的壓力而不會掉落。

圖2 運(yùn)苗皮帶及動力傳輸裝置Fig.2 Transportation belt and power transmission device

2.2 清土裝置

如圖3所示：振擺式清土裝置運(yùn)行時，擺環(huán)將軸的單方向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為擺動桿的往復(fù)擺動；清土桿由銷連接在機(jī)架上而進(jìn)行擺動清土；擺動桿和連桿由軸承座連接到機(jī)架上。

圖3 振擺式清土裝置Fig.3 Shaking type soil cleaning device

由清土桿、球頭連桿、連桿及機(jī)架構(gòu)成空間四桿機(jī)構(gòu)（rotating pair, spherical pair, spherical pair and rotating pair,RSSR），該機(jī)構(gòu)構(gòu)建簡圖如圖4所示。

圖4 空間四桿機(jī)構(gòu)簡圖Fig.4 Diagram of spatial four-bar mechanism

使用方向余弦矩陣法[10]，建立如下4 個右手直角坐標(biāo)系：以桿OA始端O為坐標(biāo)1的原點(diǎn)O和轉(zhuǎn)軸為z1軸建立坐標(biāo)系Ox1y1z1；以輸入桿a轉(zhuǎn)折處A點(diǎn)為坐標(biāo)2的原點(diǎn)，與桿OA的重合線為y2軸建立坐標(biāo)系A(chǔ)x2y2z2；以桿轉(zhuǎn)折處A點(diǎn)為坐標(biāo)3的原點(diǎn)，與桿AB的重合線為x3軸建立坐標(biāo)系A(chǔ)x3y3z3；以輸出桿c轉(zhuǎn)折處D點(diǎn)為坐標(biāo)4的原點(diǎn)，與桿CD的重合線為y4軸建立坐標(biāo)系Dx4y4z4。

相對坐標(biāo)系Ox1y1z1，坐標(biāo)系A(chǔ)x2y2z2是繞x1軸順時針轉(zhuǎn)過角度α，再沿新坐標(biāo)系的y2軸平移長度LOA。相對坐標(biāo)系A(chǔ)x2y2z2，坐標(biāo)系A(chǔ)x3y3z3是繞y2軸順時針轉(zhuǎn)過角度β。相對坐標(biāo)系Ox1y1z1，坐標(biāo)系Dx4y4z4是沿x1軸平移長度LOD，然后繞z4軸逆時針旋轉(zhuǎn)角度γ。

由于清土裝置與其他機(jī)械部件的配合，通過空間四桿機(jī)構(gòu)簡圖分析，將各設(shè)計(jì)變量進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)?？紤]極限工況時，允許輸出桿c擺角γ的范圍約為±16°，輸入桿a擺角β的范圍為±25°，輸入桿a與平行機(jī)架的傾角α選擇－20°或－15°，即清土桿的擺角范圍為±16°，擺動桿的擺角范圍為±25°，擺動桿的傾角選擇－20°或－15°。

通過空間四桿機(jī)構(gòu)尺度綜合確定各桿長與擺動角度，并通過遺傳算法優(yōu)化得到機(jī)構(gòu)的尺度參數(shù)。通過與實(shí)際需要的運(yùn)動曲線擬合，發(fā)現(xiàn)第4 組和第7 組參數(shù)最能滿足清土裝置動作要求，優(yōu)化后所得清土裝置機(jī)構(gòu)實(shí)際尺寸如表1所示。

表1 優(yōu)化后所得機(jī)構(gòu)實(shí)際尺寸Table 1 Real size of the optimized mechanism

2.3 起苗鏟

在蘋果苗木培育和生產(chǎn)管理中，成品樹苗的挖掘是關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)之一，而起苗鏟的設(shè)計(jì)關(guān)系到苗木出土的質(zhì)量。本文參照文獻(xiàn)[8]將起苗鏟設(shè)計(jì)為“L”型，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

起苗鏟通過三維建模軟件AIP 進(jìn)行建模，如圖5所示。

表2 起苗鏟尺寸參數(shù)Table 2 Size parameters of seedling lifting shovel

圖5 起苗鏟設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design drawing of seedling lifting shovel

3 有限元分析

由于起苗鏟的結(jié)構(gòu)對起苗質(zhì)量和起苗機(jī)作業(yè)性能的影響最直接，要求起苗鏟在作業(yè)時變形小于5 mm，因此，在HyperMesh 中創(chuàng)建虛擬土壤（1 000 mm×650 mm×300 mm），對起苗鏟模型和土壤模型進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。定義起苗鏟材料Q235 對應(yīng)的材料屬性為MATL1（*MAT_ELASTIC），密度ρ=7.9×103kg/m3，楊氏模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3[11]。定義土壤對應(yīng)的材料屬性為MATL5（*MAT_SOIL_AND_FOAM），其基本參數(shù)設(shè)置如表3所示，采用自由劃分網(wǎng)格方式進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分。

圖6 仿生起苗鏟仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of bionic seedling lifting shovel

將土壤模型底端進(jìn)行約束，起苗鏟的移動速度定義為3.6 km/h，起苗鏟定義為指定主面（MSID），耕深選擇200 mm，土壤定義為指定從面（SSID）。起苗鏟與土壤之間的接觸選擇面面侵蝕接觸（*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFAC E），此接觸能夠保證土壤表面單元在切削失效的情況下程序自動定義新的接觸面[12]。

表3 土壤材料參數(shù)Table 3 Soil material parameters

將設(shè)置好的K文件導(dǎo)入到LS-DYNA中進(jìn)行求解。仿生起苗鏟的仿真結(jié)果如圖6 所示，其最大等效應(yīng)力為5.026 Mpa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.141。

由于最大應(yīng)力發(fā)生在鏟尖處，考慮到“L”型起苗鏟的立刃接觸面積小，導(dǎo)致應(yīng)力集中，因此，對起苗鏟立刃結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。如圖7 所示，最大等效應(yīng)力為0.238 MPa，最大等效應(yīng)變?yōu)?.663，變形遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 田間試驗(yàn)

根據(jù)苗木分級指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)《主要造林樹種苗木》（GB 6000—1985）規(guī)定，合格苗分為Ⅰ和Ⅱ級，由地徑和苗高2項(xiàng)指標(biāo)確定；當(dāng)苗高、地徑不屬同一等級時，以地徑所屬級別為準(zhǔn)?？紤]到該設(shè)計(jì)主要用于蘋果苗木出圃且蘋果樹為闊葉樹，將苗高小于20 mm 設(shè)為Ⅰ級，高于上述高度以地徑為主確定等級。近年來，由于多推廣矮化中間砧木苗，苗木由基砧、中間砧和接穗品種3部分嫁接而成[13]，苗高大于200 mm，因此，本文以地徑為準(zhǔn)，即考察苗木根系，將闊葉樹根系長度在100～400 mm之間設(shè)為Ⅰ級。

圖7 仿生起苗鏟優(yōu)化結(jié)果Fig.7 Optimization results of bionic seedling lifting shovel

為驗(yàn)證起苗機(jī)上新型振擺式清土裝置的工作性能，2019年11月在河北省蠡縣小陳鄉(xiāng)苗圃基地進(jìn)行田間試驗(yàn)。將清土裝置第4組和第7組結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)用到起苗機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，并與搭載傳統(tǒng)平面連桿機(jī)構(gòu)起苗機(jī)[14]的起苗效果進(jìn)行對比。參照文獻(xiàn)[13,15]的方法，選在無風(fēng)的陰天對蘋果苗木進(jìn)行起苗，若土壤干燥需提前1 周灌水，否則會對根系尤其是根須造成嚴(yán)重?fù)p傷，最后起出的苗木根系主根長度保留在120～150 mm之間且根須茂密，苗株傷害率控制在3%水平以下。

本次田間試驗(yàn)配套55.2 kW的拖拉機(jī)，苗木選擇二年生“三優(yōu)”矮砧蘋果成品苗，主根深150～400 mm。搭載第4組、第7組優(yōu)化空間四桿機(jī)構(gòu)清土裝置和搭載平面四桿機(jī)構(gòu)清土裝置的3種起苗機(jī)分別在2.0和3.6 km/h 2種前進(jìn)速度下，耕深200 mm，對6行共60棵生長情況近似的苗木進(jìn)行作業(yè)。對起出的苗木主根進(jìn)行測量，結(jié)果見表4。由主根平均長度可知，新型起苗清土裝置較傳統(tǒng)裝置所起苗木主根較長，主根保留較完整，且長度均在120～150 mm 之間，2種機(jī)型所起苗木均符合起苗農(nóng)藝要求。

表4 田間試驗(yàn)作業(yè)結(jié)果Table 4 Field test results

5 結(jié)論

1）本文針對現(xiàn)有蘋果苗木出圃時遇到的起苗與清土作業(yè)不規(guī)范、人工作業(yè)參與多的問題，設(shè)計(jì)了蘋果苗木出圃的振擺式起苗清土一體機(jī)，降低了果園起苗的作業(yè)勞動強(qiáng)度，節(jié)省了果園成本，提高了果園經(jīng)濟(jì)效益。

2）關(guān)鍵部件起苗鏟的仿真優(yōu)化結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，其最大等效應(yīng)力由5.026 Mpa降為0.238 MPa，最大等效應(yīng)變由2.141 降為0.663，整體變形遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的5 mm。

3）田間試驗(yàn)結(jié)果表明，基于空間四桿機(jī)構(gòu)尺度綜合設(shè)計(jì)的起苗清土裝置相較于傳統(tǒng)平面四桿機(jī)構(gòu)起苗效果良好，所起苗木主根長度保留完整，對苗株傷害較低。說明新型裝置穩(wěn)定性較好，滿足設(shè)計(jì)要求。