馮 博，張學(xué)嬌，任呈祥

（1.唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司熱軋事業(yè)部，河北 唐山 063000；2.廊坊展翔精密機(jī)械有限公司，河北 廊坊 065001；3.華升富士達(dá)電梯有限公司，河北 廊坊 065001）

0 引言

隨著全球變暖越來(lái)越嚴(yán)重，沙漠化已經(jīng)成為不可忽視的全球性挑戰(zhàn)。沙漠化涉及100 多個(gè)大國(guó)、10億多人口，幾乎覆蓋了全球三分之一的土地，其中亞洲、非洲等一些發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體的土地更加嚴(yán)重，這一點(diǎn)也更加凸顯了沙漠化的嚴(yán)重性[1-4]。由于強(qiáng)烈的大風(fēng)，土地風(fēng)蝕荒漠化更加嚴(yán)重，同時(shí)也加劇了中國(guó)土地的荒漠化程度[5-7]。

三北防護(hù)林體系工程在中華人民共和國(guó)改革開放政策下，自1978 年啟動(dòng)至今，已完成前五期工程建設(shè)任務(wù)，獲得了令全球關(guān)注的巨大成果。一期（1978—1985 年）、二期（1986—1995 年）、三期（1996—2000 年）、四期（2001—2010 年）、五期（2011—2020 年）工程均實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，而第六期工程也在積極推動(dòng)中[8-13]。隨著三北地區(qū)的植被恢復(fù)，森林覆蓋率不斷提高，該地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量得到極大的改善，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)價(jià)值，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及居民的福祉帶來(lái)積極的影響。因此，推廣機(jī)械化、自動(dòng)化發(fā)展生態(tài)防護(hù)林具有重大的社會(huì)意義?；诖?，本文提出了一種喬木幼苗自動(dòng)植樹機(jī)構(gòu)，并主要對(duì)抓放苗裝置、捧土覆土裝置和植苗機(jī)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1 整體設(shè)計(jì)

在全自動(dòng)植樹機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，需要從實(shí)際需求出發(fā)，認(rèn)真規(guī)劃設(shè)計(jì)思路，并對(duì)全自動(dòng)植樹機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行貼合實(shí)際的、系統(tǒng)的分析，從而提出正確的控制系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案。

1.1 抓放苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

撥苗裝置是一種重要的工具，它可以幫助人們按照一定的順序從苗箱中取出樹苗，并將它們放在指定的位置。它的作用是保證每棵樹苗都能被正確地取出，避免樹苗損壞。目前樹苗的抓放苗機(jī)構(gòu)有兩種設(shè)計(jì)方案，具體如下。

方案一：采用機(jī)械手送苗，如圖1 所示。整個(gè)設(shè)計(jì)由齒輪箱、機(jī)械手、限位開關(guān)等組成。采用電機(jī)作為動(dòng)力源，由齒輪箱傳導(dǎo)，控制一副機(jī)械手運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓取，可以通過(guò)兩個(gè)限位開關(guān)來(lái)精確控制機(jī)械手的兩個(gè)極限位置。但是由于機(jī)械手的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也相對(duì)較高，因此實(shí)際應(yīng)用比較少。

圖1 抓放苗機(jī)構(gòu)1

方案二：采用曲柄搖桿式撥苗機(jī)構(gòu)，如圖2 所示。整個(gè)設(shè)計(jì)由轉(zhuǎn)軸、齒輪-連桿、機(jī)架、苗箱等組成，且機(jī)架與苗箱相連，其特征在于采用了一種簡(jiǎn)易的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)控制搖桿對(duì)苗箱中的樹苗進(jìn)行投放。這個(gè)設(shè)計(jì)旨在提高植物投放速度、擴(kuò)大覆蓋范圍。

圖2 抓放苗機(jī)構(gòu)2

方案二的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操縱起來(lái)也更加容易，但是其投放精準(zhǔn)度難以控制，容易在投放過(guò)程中對(duì)植物幼苗產(chǎn)生損壞，對(duì)植物幼苗生長(zhǎng)存活產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致其生產(chǎn)效率不夠理想。綜合考慮，方案一可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，因此本文采用方案一的抓放苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 捧土覆土裝置設(shè)計(jì)

捧土覆土裝置是一種用來(lái)確保苗木生長(zhǎng)良好的設(shè)備，它能夠?qū)⑼寥缐簩?shí)，從而提高苗木的存活率。它的使用質(zhì)量直接關(guān)系到苗木的存活率。

本文設(shè)計(jì)的捧土覆土裝置包括機(jī)架、液壓缸、連桿和模擬人體的模型。它的工作原理通常是通過(guò)液壓缸來(lái)調(diào)節(jié)操縱方向，而模擬人體的模型可以更有效地將泥沙捏合在一起。此外，這種設(shè)備的施加力量呈斜向，能夠更有效地使泥沙按照需求進(jìn)行分布，有助于植物的健康生長(zhǎng)。如圖3 所示，可以看到一個(gè)完整的捧土覆土裝置三維模型。

圖3 捧土覆土裝置三維模型

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，采用了一種特殊的橡膠覆蓋的鎮(zhèn)壓輪，如圖4 所示。這種材料既能提高覆土鎮(zhèn)壓的效率，又能縮小土壤的空間，從而起到防潮的作用，保證植株的健康生長(zhǎng)。同時(shí)，為了滿足各種工作條件的需求，在連桿的一端設(shè)計(jì)安裝了一個(gè)壓力彈簧，它能夠控制鎮(zhèn)壓輪的位置，使其能夠穩(wěn)定地貼合地面，并且能夠根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)節(jié)其壓力，從而防止由于預(yù)緊力太強(qiáng)而導(dǎo)致土壤板結(jié)。

圖4 覆土鎮(zhèn)壓輪

1.3 植苗機(jī)驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)

為使植苗機(jī)構(gòu)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)，需要優(yōu)化液壓馬達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，植苗機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖如圖5所示。本植樹機(jī)的設(shè)計(jì)主要面對(duì)喬木幼苗胸徑為5 cm~6 cm，高度為1 m~1.5 m 的植樹過(guò)程，在路的兩側(cè)或大面積苗圃中進(jìn)行工作，植樹機(jī)一次裝載后需要種植的數(shù)量在100 棵左右。根據(jù)植物生長(zhǎng)需求，將植物的株距p調(diào)整為1 m~3 m，將操作車輛的行駛速率調(diào)整到2 km/h~6 km/h，并將植物的播種速率調(diào)整到5 s/棵，最終栽植6 棵植物的株距是120 mm，以此計(jì)算植苗機(jī)構(gòu)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)，選擇最優(yōu)型號(hào)的傳動(dòng)液壓馬達(dá)，以保證植苗機(jī)構(gòu)的最佳性能。

圖5 植苗機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖

投苗速度計(jì)算公式如下：

帶輪轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如下：

拖拉機(jī)行走速度計(jì)算公式如下：

經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)帶輪轉(zhuǎn)速達(dá)到57.6 r/min 時(shí)，宜采用400 mL/r 的傳動(dòng)液壓馬達(dá)，這樣喬木幼苗自動(dòng)植樹機(jī)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)0.864 km/h~2.25 km/h的最佳性能。通過(guò)對(duì)喬木幼苗自動(dòng)植樹機(jī)抓放苗裝置、捧土覆土裝置和植苗機(jī)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得喬木幼苗自動(dòng)植樹機(jī)滿足了種植要求。

2 結(jié)論

傳統(tǒng)的人工植樹方式效率低下，人工作業(yè)辛苦，且樹苗成活率低?；诖?，本文提出了一種喬木幼苗自動(dòng)植樹機(jī)構(gòu)，主要對(duì)抓放苗裝置、捧土覆土裝置和植苗機(jī)驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的抓放苗裝置成本較低，且具有投放精度高、幼苗存活率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)配合捧土覆土裝置能保證較高的種植速度與效率。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)一直十分關(guān)注生態(tài)綠化領(lǐng)域的建設(shè)與發(fā)展，并在這方面取得了不少成果，研究設(shè)計(jì)了諸多高效、先進(jìn)、多樣化的植樹機(jī)械。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人們生態(tài)意識(shí)的增強(qiáng)，需要在生態(tài)綠化領(lǐng)域付出更多的努力，以應(yīng)對(duì)更多挑戰(zhàn)。同時(shí)，積極推廣生態(tài)防護(hù)林的機(jī)械化、自動(dòng)化種植技術(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)更高的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)價(jià)值。