孟繁偉 陳一舟 程順鑫 盧子儒 劉言豪

（東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150006）

1 概述

在我國西北部地區(qū)，存在土地荒漠化、水土流失嚴(yán)重等問題，荒漠化面積占中國荒漠化面積的80%左右[1]。而植樹造林無疑是解決這些問題最直觀、有效的方法。樹木對(duì)環(huán)境和人類而言都是不可或缺的存在[2]。大量研究表明：森林除了為人類提供木材和林副產(chǎn)品外，更重要的還在于它有涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙、調(diào)節(jié)氣候、消除噪聲及保護(hù)生物多樣性等方面的巨大作用[3]。那么在這樣惡劣的環(huán)境下種植哪種樹木更好呢？哪種樹更適宜種植呢？根據(jù)這樣的目標(biāo)及環(huán)境，我們選擇了沙棘這種作物。沙棘有很多優(yōu)點(diǎn)：耐旱、耐貧瘠、生命力強(qiáng)、適應(yīng)性極強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)，有很好的水土保持作用[4]。根據(jù)數(shù)據(jù)6 年生的沙棘可以減少土壤流失量68%，7-9 年生沙棘更能夠減少土壤沖刷量78%-99%，除此之外，沙棘還有很大的營養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，沙棘的果實(shí)富含190 多種活性成分，富含維生素，對(duì)冠心病，預(yù)防組織衰老等有很好的功效，沙棘作為燃料也具有產(chǎn)量高，熱值大等特點(diǎn)[5]。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中針對(duì)植樹作業(yè)機(jī)械化相關(guān)裝備越來越多，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)開展了大量的研究，研究的主要植樹作業(yè)裝備類型有挖坑機(jī)、挖穴機(jī)、深栽造林鉆孔機(jī)等機(jī)械裝備[6]。主要為單棵樹苗類的移植與種植，一般為中等大小樹木的移植，對(duì)于以大面積植樹為方向的植樹機(jī)的發(fā)展還比較薄弱，不論從我國國情、還是從國家的有關(guān)政策而言，自動(dòng)植樹機(jī)都具有很大的市場(chǎng)潛力[7]。沙棘至今仍然是人工手動(dòng)種植，為此設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化程度較高的扦插種植沙棘的植樹機(jī)，為治理土地荒漠化、水土流失等問題做出一定貢獻(xiàn)。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)主要結(jié)構(gòu)及其組成

沙棘扦插植樹機(jī)主要以履帶底盤為車體，于其上布置的機(jī)構(gòu)有鉆機(jī)構(gòu)、壓土機(jī)構(gòu)、分苗機(jī)構(gòu)、投苗機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)。根據(jù)這些機(jī)構(gòu)的功能及植樹的要求對(duì)這些機(jī)構(gòu)進(jìn)行了合理的布置形成了植樹機(jī)，如圖1、表1 所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)表

圖1 扦插植樹機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 植樹機(jī)工作流程

扦插植樹機(jī)的工作流程如圖2 所示。工作人員將苗箱內(nèi)填滿沙棘苗后，操作植樹機(jī)到達(dá)指定種苗起始位置即可開始植樹工作。

圖2 植樹機(jī)工作流程圖

首先由絲杠螺母結(jié)構(gòu)和支撐板控制鉆頭向下鉆坑直至鉆坑的深度為400mm，抬起鉆結(jié)構(gòu)。采用地鉆豎直下挖，地鉆螺旋式的鉆頭可以保證挖坑的深度及其直立性。

挖坑結(jié)束后，植樹機(jī)整體向前移動(dòng)一定距離，通過投苗機(jī)構(gòu)控制1 棵沙棘苗掉入挖好的坑中，然后壓土機(jī)構(gòu)工作一次將樹苗周圍的土進(jìn)行壓實(shí)，樹苗的種植工作即完成。重復(fù)前述工作流程即可繼續(xù)進(jìn)行樹苗的種植。

2.3 各組成部分主要功能及其結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

2.3.1 車體。車體首先需要滿足一定的尺寸大小要求與強(qiáng)度要求，結(jié)合植樹機(jī)的工作環(huán)境主要為荒漠邊緣地帶，地質(zhì)松軟，地形復(fù)雜，選擇了履帶底盤為車體，相對(duì)于車輪式底盤行駛更加穩(wěn)定。

2.3.2 投苗機(jī)構(gòu)組成及其工作原理。投苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3、4 所示。儲(chǔ)苗箱采用分層式的儲(chǔ)苗設(shè)計(jì)，每層的寬度略大于樹苗的平均直徑，使沿豎直方向只能容納一列樹苗。這種結(jié)構(gòu)避免了大量樹苗堆在一起發(fā)生嚴(yán)重干涉而無法使單個(gè)樹苗通過自身重力及苗箱內(nèi)部的斜面到達(dá)苗箱出苗口，更利于自動(dòng)化植樹。

圖3 投苗機(jī)構(gòu)示意圖

初始狀態(tài)下，板件、齒條組成的檔板結(jié)構(gòu)全部插入到苗箱中，工作時(shí)通過電機(jī)5的轉(zhuǎn)動(dòng)及齒輪齒條的嚙合作用，使檔板結(jié)構(gòu)通過滑軌沿斜向背離苗箱的方向運(yùn)動(dòng)一定距離后，苗箱第一層的樹苗通過重力向下掉落至苗箱內(nèi)部的斜面，進(jìn)一步到達(dá)出苗口。

投苗機(jī)構(gòu)出苗口處的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，通過步進(jìn)電機(jī)控制，間歇投苗裝置每次回轉(zhuǎn)90 度，可以實(shí)現(xiàn)每次控制一顆樹苗從投苗機(jī)構(gòu)出去。

圖4 投苗機(jī)構(gòu)爆炸視圖

圖5 投苗結(jié)構(gòu)出苗口結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 分苗機(jī)構(gòu)。依據(jù)實(shí)際情況，為了方便運(yùn)輸，樹苗在運(yùn)輸時(shí)是將樹苗的頂部與樹苗根部顛倒放置在一起運(yùn)輸?shù)?，為此設(shè)計(jì)了分苗結(jié)構(gòu)，旨在不使用人工再區(qū)分樹苗的頂部或根部，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)來區(qū)分并使樹苗的根部被植入土中。

分苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。通過投苗機(jī)構(gòu)出苗口處的間歇投苗裝置控制一顆樹苗從投苗機(jī)構(gòu)出來，沿分苗機(jī)構(gòu)斜面滑落至被其末端擋住，由于樹苗根部重量大于頂部重量，樹苗自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，根部朝下掉入落苗機(jī)構(gòu)中。

圖6 分苗機(jī)構(gòu)

2.3.4 落苗機(jī)構(gòu)。落苗機(jī)構(gòu)如圖7 所示，樹苗經(jīng)由分苗機(jī)構(gòu)進(jìn)入落苗機(jī)構(gòu)，由于落苗機(jī)構(gòu)光滑的內(nèi)壁，樹苗可以順利通過落苗機(jī)構(gòu)的出苗口再經(jīng)壓土機(jī)構(gòu)的出苗口落入鉆好的坑中。

圖7 落苗機(jī)構(gòu)

2.3.5 壓土機(jī)構(gòu)。壓土機(jī)構(gòu)如圖8 所示，當(dāng)樹苗落入坑中后，通過電機(jī)3 的轉(zhuǎn)動(dòng)、齒輪與齒條的嚙合及直線軸承和光軸的配合，使壓土機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)將土壓實(shí)，模擬了實(shí)際植樹時(shí)工人將樹苗放入坑中后將土踩實(shí)的動(dòng)作。

圖8 壓土機(jī)構(gòu)

樹苗落入坑中后，由于其頂部仍有一部分位于壓土機(jī)構(gòu)的中空結(jié)構(gòu)中，起到了對(duì)樹苗的扶正作用。

3 壓土機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核

壓土機(jī)構(gòu)的工作性能直接影響了樹苗周圍土壤的緊實(shí)度及樹苗在種植后的抗倒伏能力，確定合理的參數(shù)尤為重要。樹苗的平均直徑為20mm，鉆坑的直徑為50mm，可以確定壓土機(jī)構(gòu)的落苗口的直徑尺寸為30mm，外徑尺寸為52mm，由于其需要與齒條相連接，需要銑出一個(gè)平面并配有螺紋孔。根據(jù)壓土機(jī)構(gòu)需要承受瞬間沖擊力的特點(diǎn)，需要對(duì)其進(jìn)行有限元分析，進(jìn)行強(qiáng)度校核。

壓土機(jī)構(gòu)的有限元分析：

壓土機(jī)構(gòu)由電機(jī)及齒輪齒條帶動(dòng)以勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)撞擊地面，瞬間的沖擊力非常大，若壓土機(jī)構(gòu)無法滿足強(qiáng)度要求，那么機(jī)構(gòu)就容易發(fā)生失效，保證壓土機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度是壓土機(jī)構(gòu)正常工作的前提。因此在此進(jìn)行壓土機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析。壓土機(jī)構(gòu)的材料為鋁合金，見表2。

表2

設(shè)F 為覆土壓實(shí)機(jī)構(gòu)與地面接觸瞬間產(chǎn)生的沖擊力

由動(dòng)量定理 Ft=mv

得 F=191.4N

壓土機(jī)構(gòu)的模型如圖9 所示，利Solidworks 中的simulation 模塊進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，根據(jù)壓土機(jī)構(gòu)的受力情況，對(duì)其進(jìn)行約束和加載，約束位置為壓土機(jī)構(gòu)與齒條螺紋孔處，受力位置為壓土機(jī)構(gòu)的底面。分析其瞬間受力后的情況，對(duì)整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖10 所示，得出靜應(yīng)力云圖如圖11 所示，可以看出壓土機(jī)構(gòu)所受最大應(yīng)力為3.874Mpa，小于鋁合金材料的屈服強(qiáng)度27.574Mpa，故所設(shè)計(jì)的壓土機(jī)構(gòu)滿足工作強(qiáng)度條件。

圖9 壓土機(jī)構(gòu)模型

圖10 壓土機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

圖11 壓土機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

基于Solidworks 設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度較高的扦插種植沙棘的植樹機(jī)，將各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了巧妙地布局，運(yùn)用合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)了鉆坑、投苗、壓土一系列自動(dòng)化運(yùn)行的過程，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化植樹，提高了工作效率，節(jié)省人工，為自動(dòng)化植樹的發(fā)展提供了新的思路，為沙漠化的治理作出一定的貢獻(xiàn)。