沙 恒

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

起苗機工作時是單側(cè)起苗，當(dāng)土質(zhì)較硬、苗木根系較深較大時，起苗機的工作部分扎入土地較深，產(chǎn)生的偏牽引現(xiàn)象會造成牽引拖拉機無法拉動，如果強行拉拽作業(yè)，或更換較大馬力機器拉拽，會造成起苗機架體結(jié)構(gòu)變形或是傳動機構(gòu)和牽引桿的損壞，造成較大的損失。如果想要連續(xù)不間斷作業(yè)，苗農(nóng)的使用經(jīng)驗是：在起苗機作業(yè)時，有一人站在架體的非工作部分（工作部分對面）不停上下晃動，這樣既起到了機器工作時機身的平衡作用，又可以使斷根刃不會扎土太深，減少斷根時的工作阻力，但是這種情況又大大增加了使用者的勞動強度。按照人機工程學(xué)的設(shè)計理念，釋放勞動力，減少操作者的勞動強度，提高設(shè)備作業(yè)效率，是進行本次研究的目的和意義。

1 國內(nèi)外起苗機裝置研究與發(fā)展趨勢

1.1 國內(nèi)發(fā)展趨勢

我國起苗機的機械化發(fā)展起步較晚，20世紀50年代初期，我國曾用無壁鏵犁起苗，依靠牲畜牽引，手工扶犁進行田間作業(yè)。1956年，我國研制了林業(yè)專用的起苗犁，60年代生產(chǎn)并使用了拖拉機懸掛式床作和壟作起苗機。20世紀70年代，研制出的懸掛式起苗機在進行了生產(chǎn)性試驗后得出結(jié)論，該機具具備了整體結(jié)構(gòu)較為簡單、生產(chǎn)制造容易、性能優(yōu)越、轉(zhuǎn)彎半徑較小、轉(zhuǎn)向靈活、一人可完成作業(yè)等特點，無論是苗木出圃的質(zhì)量還是在工作效率和操作性能上，都有了較大的進步[1]。

20世紀80年代以后，林業(yè)機械在眾多科研院所的努力下，有了長足進步。從起苗機的起苗刀結(jié)構(gòu)形狀、起苗刀的尺寸設(shè)計與優(yōu)化、碎土裝置和機架的平穩(wěn)性等方面進行了研發(fā)，研制出了不同性能、工作效果均有不同進步的起苗機械，但是絕大部分起苗機的研究還是主要注重完成單一的工序[2]。

原林業(yè)部林業(yè)機械化研究所在80年代針對大型苗木的特點，從起苗鏟參數(shù)、碎土輪旋轉(zhuǎn)速度和整體穩(wěn)定性等方面的研發(fā)著手，研制了QM-40S型大苗起苗機[3]。陜西省林業(yè)機械研究所研發(fā)的平作苗圃大苗聯(lián)合起苗機，能同時完成起苗、抖土、苗木收集、集中放置等[4]。1985年牡丹江林管局制造的振動式起苗機經(jīng)試驗后實現(xiàn)批量生產(chǎn)，該起苗機不但結(jié)構(gòu)較為合理且在作業(yè)時掘苗質(zhì)量穩(wěn)定、工作效率高[5]。1988年6月，由湖南省林業(yè)工業(yè)研究所研究設(shè)計的功率為12馬力的小型帶土起苗機，通過性能試驗證明，與生產(chǎn)實際匹配度高，土球能達到林藝要求的規(guī)格需要，起苗率高[6]。原遼寧省林業(yè)廳國有林場管理局與北鎮(zhèn)市苗圃，針對當(dāng)時大型機械數(shù)量不足且難以在實際中發(fā)揮作用的問題，共同研制了一種螺旋弧形起苗機，針對樹齡在兩年以下的針葉樹苗和闊葉樹苗的起苗，把L型的起苗刀改為了刀體斷面為圓柱形、刀刃為螺旋線形，在起苗深度增加的情況下而牽引阻力有較為明顯的下降[7]。

隨著林果產(chǎn)業(yè)市場的不斷擴大，帶動了林業(yè)機械的迅速發(fā)展，而進城務(wù)工人員的增加造成了農(nóng)村勞動力逐年減少，技術(shù)先進的起苗機械在國內(nèi)應(yīng)用前景將更加廣闊，更多的研究、制造單位投入到了林業(yè)機械的研發(fā)中，如北京亞美非科技發(fā)展有限公司、國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所等。但是由于國內(nèi)起苗機的機械化進程受到了農(nóng)村土地整合進程的限制，以及先進起苗機械研究起步較晚、科技研發(fā)投入力度不足的限制，機械與人力混合的作業(yè)形式還較多的存在于實際生產(chǎn)中，起苗機在完成起苗作業(yè)后，仍需要手工進行苗木撿拾及后續(xù)的分級、分類工作，所以從發(fā)展現(xiàn)狀來看，國內(nèi)起苗作業(yè)的機械化發(fā)展還有很長的一段路要走，隨著林果種植面積、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴大，行業(yè)市場發(fā)展空間很大。

1.2 國外發(fā)展趨勢

前蘇聯(lián)于1931年研究成功林業(yè)專用起苗犁并應(yīng)用于實際作業(yè)，20世紀40年代，林業(yè)較為發(fā)達的歐美國家研制了類型不同、效果不一、各具特色的起苗機械，于60年代基本實現(xiàn)機械化起苗作業(yè)[8]。近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，更多的新技術(shù)、新工藝、新材料被科技工作者應(yīng)用到了農(nóng)林業(yè)的各個方面，尤其是集多種先進技術(shù)于一身、具有多功能的聯(lián)合起苗機研制成功并廣泛使用，由此向智能化、高集成化、無人化作業(yè)邁出了堅實的一步[9]。聯(lián)合起苗機能在一次作業(yè)過程中做到起苗、抖土、集中、計數(shù)、分級、捆扎和打包等，生產(chǎn)效率高，符合當(dāng)前的發(fā)展方向。

國外的科研機構(gòu)比我國提前數(shù)十年就開始了對起苗機械的研發(fā)，在經(jīng)濟效益和微電子技術(shù)迅猛發(fā)展的前提下，聯(lián)合起苗機以無人化、遙控化為研究目標，朝著自動化、智能化及多功能方向發(fā)展，隨著信息技術(shù)、衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)等先進技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將會使起苗機械的科技含量越來越高。

2 新型簡單振動起苗機概述

根據(jù)起苗機作業(yè)實施對象及機構(gòu)組成的不同，起苗機可以分為簡單振動式起苗機、大苗起苗機和聯(lián)合起苗機。本文研究的是簡單振動式起苗機，主要作業(yè)對象為小型苗木。

簡單振動起苗機通過牽引桿安裝在拖拉機上，其連接方式為牽引式，由工作部分、深度控制部分、傳動部分、抖土部分和機架體等部分構(gòu)成，如圖1所示。簡單振動起苗機工作時，在拖拉機的拖拽下，工作部分的起苗刀切割土層和樹苗根部，隨后苗木混合泥土到抖土部分上，抖土部分由曲柄、連桿、篦子組成，傳動部分中的傳動軸將動力傳遞到曲柄上，帶動篦子做上下的擺動，土壤松散后與苗根分離，然后由人工完成對脫土后的苗木收集、計數(shù)、分級和打捆包裝，起苗深淺的控制主要由限深輪手動調(diào)整來完成。

圖1 簡單振動起苗機

從簡單振動起苗機在實際工作時的效果來看，起苗刀的工作狀態(tài)和苗根與土壤的分離是起苗時的重要環(huán)節(jié)。在設(shè)計簡單振動起苗機時，對起苗刀和抖土部分進行初步設(shè)計，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化，才能使起苗機的作業(yè)做到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)能增效。研究減小起苗刀作業(yè)時的牽拉阻力以縮小動能損失；在苗根符合種植要求的基礎(chǔ)上，達到苗根與土塊盡量分離充分以提高起苗質(zhì)量及減小后期的工作量等問題。應(yīng)從苗木生殖特點、樹苗根莖的物理力學(xué)特性、土質(zhì)特點、根土分離機理及工作狀況等出發(fā)，確定出計算模型，通過對數(shù)學(xué)模型和物理力學(xué)模型進行數(shù)據(jù)計算、分析和處理，并利用相關(guān)軟件對簡單振動起苗機做出研究和分析，發(fā)現(xiàn)簡單振動起苗機在大部分情況下都可以很好地完成起苗作業(yè)情況，當(dāng)遇到土質(zhì)較硬、苗木根系較深較大等情況時，就會出現(xiàn)卡頓、架體偏置等現(xiàn)象，很容易對機器本身產(chǎn)生損壞。同時，我們也發(fā)現(xiàn)，在起苗機上加一個平衡裝置后，當(dāng)起苗機遇到上述情況時，就可以輕松地使起苗機擺脫困境，提高作業(yè)效率。所以，平衡裝置可作為起苗機改良的一個方向。

國內(nèi)外科研院所、高校主要還是針對大中型聯(lián)合起苗機如何實現(xiàn)自動化、智能化開展研究，在中小型簡單起苗機工作時出現(xiàn)的機架失衡現(xiàn)象的研究較少。目前，由于種植規(guī)模、設(shè)備購買及使用成本等因素的影響，國內(nèi)很多散戶仍在使用小型的簡單振動式起苗機，但大部分簡單起苗機的平衡裝置是在非工作部分安裝一個小型偏犁，還有部分機器是安裝的配重塊，從多年的使用效果看，起苗機遇到大根深、硬土質(zhì)情況時，起苗效果并不好。

3 新型簡單振動起苗機裝置的結(jié)構(gòu)及特點

新型簡單振動起苗機是在原有基礎(chǔ)上安裝了一種平衡裝置，如圖2所示。該平衡裝置包括單軸雙作用振動器、萬向聯(lián)軸器、輸出齒輪軸；單軸雙作用振動器安裝在振動起苗機架體平臺上，包括偏振塊、殼體、傳動軸；齒輪軸與振動器由萬向聯(lián)軸器連接。

圖2 新型簡單振動起苗機結(jié)構(gòu)圖

新型簡單振動起苗機在拖拉機的作用下，U型斷根刃切割泥土和樹苗根部，U型斷根刃可以確保將苗木的主根及側(cè)須根都完全切斷，樹苗與泥土經(jīng)起苗刀的尾端到抖土裝置上，從而使苗根上的泥土從樹苗根上散落；齒輪箱將動力一端輸出到抖土裝置，另一端通過齒輪軸和萬向聯(lián)軸器，將動力輸出到平衡裝置上，帶動一對偏振塊振動。平衡裝置的安裝位置如圖2所示，其在簡單振動起苗機作業(yè)時的作用有兩個，當(dāng)U型斷根刃在切入泥土層切削作業(yè)時，受到了苗土底部沿刀刃表面滑移產(chǎn)生的阻力、刀刃切削樹苗根與土層時產(chǎn)生的阻力以及樹苗和泥土向下的重力，架體容易出現(xiàn)向U型斷根刃方向的偏牽引現(xiàn)象。改進前，當(dāng)出現(xiàn)此現(xiàn)象時，作業(yè)停止，苗農(nóng)站在架體另一端上下晃動，或使用撬棍等工具將深陷土壤中的斷根刃脫離土壤，這樣做不僅使起苗機作業(yè)效率低，使用者勞動強度大，而且危險性較高。改進后，我們有效地解決了這個問題。首先，平衡裝置作為一個配重塊，對整個簡單振動起苗機起到平衡的作用，可有效地減少或避免架體的偏置現(xiàn)象；其次，即使架體產(chǎn)生一定的偏牽引現(xiàn)象，平衡裝置中有一對偏振塊，會帶動架體產(chǎn)生一定上下振動的振幅，該振幅也可有效地避免起苗機產(chǎn)生嚴重的偏牽引現(xiàn)象。

與簡單起苗機相比，增加平衡裝置可以達到如下效果：當(dāng)起苗機遇到土質(zhì)較硬、苗木根系較深較大等情況時，振動器除了起到配重的平衡作用外，還可以用其產(chǎn)生的振幅避免斷根刃深入土壤，引起架體、牽引桿變形等情況的發(fā)生。

4 結(jié)束語

目前，簡單起苗機的平衡裝置改良已經(jīng)完成了初步的設(shè)計工作和樣機的制作，并且進行了樣機實驗，取得了一定的效果，達到了設(shè)計目的。本文主要研究的是簡單振動式起苗機在作業(yè)時，如何避免或減少機體的偏牽引現(xiàn)象，通過在架體上增加一個平衡裝置來解決這個問題。但是，平衡裝置在工作過程中可能也會存在弊端，后續(xù)作者也會持續(xù)研究和做好本裝置。同時，U型斷根刃是簡單振動式起苗機的關(guān)鍵部件之一，在確保刀體不變形及順利起苗的基礎(chǔ)上，本著減輕刀體分量、節(jié)約材料、降低作業(yè)阻力的目的，對刀體結(jié)構(gòu)進行改良，提高起苗效率，節(jié)省起苗機使用成本，也將是我們對簡單振動式起苗機進行改良的一個方向，相信在農(nóng)林業(yè)工程機械領(lǐng)域會有非常廣闊的應(yīng)用前景。