林地含籽壤土切收機的設計與試驗

袁永偉　姜海勇　弋景剛　等

摘要：為了滿足宮脅法造林技術改進過程中采集林地表含樹籽土壤工序的需要，設計一種林地表含樹籽壤土自動剝離設備。該機的特點是使用了鏈板刀組，既能分層切下含籽壤土，又能將含籽壤土通過鏈板刀推送到收集袋中。設計過程中，通過建立鏈板刀切土阻力數學模型，對行進工作阻力進行分析，得到總水平阻力與工作寬度的關系，進而合理設計工作部件寬度。試驗證明該機操作方便、取土效率高、爬坡能力和通過能力強，適于山區(qū)林地使用。

關鍵詞：宮脅造林法；壤土切收機；優(yōu)化設計；數學建模

中圖分類號： S776.22文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）01-0383-03

收稿日期：2014-03-22

基金項目：河北省科技支撐計劃（ 編號：12227108D）。

作者簡介：袁永偉（1987—），男，河北任丘人，碩士，主要從事機電一體化研究。E-mail：yyw0314@126.com。一直以來我國過分注重人工造林，相對忽視退化生態(tài)系統自然恢復或修復技術研究，因此我國引進宮脅法造林技術，強調和提倡用鄉(xiāng)土樹種建造鄉(xiāng)土森林，即取林地地表含籽壤土用于育苗。目前我國人工林達6 168萬hm2，居世界第1位[1]。林地中大量樹籽成熟后落在地表，隨著雨水沖刷慢慢掩埋在地表的淺土層中，通常距離地面10 cm以內的土層中富含落葉松等樹種。由于樹冠的遮擋，地表受光照射不足，種籽難以發(fā)芽，大多數最終腐爛。將這一層富含種籽的土層取出，鋪在日光照射充足的區(qū)域，并給以適當的水分，種籽將很容易發(fā)芽。為了推動植樹造林的進程，加快育苗速度，迫切需要一種能夠將林地中含籽土進行切離并收集的設備。

1總體設計

1.1主要組成部分

林地含籽壤土切收機主要包括發(fā)動機、擺線減速箱、行走變速箱、工作部件變速箱、鏈板刀組、轉向調深裝置等，其整機機構簡圖如圖1所示。

1.2工作原理

整機以186風冷柴油發(fā)動機為動力源，行走變速箱通過十字結聯軸器與發(fā)動機連接，換檔機構驅動行走輪，推動整機行進，鏈板刀組在主動鏈輪的驅動下連續(xù)轉動，土層在行進過程中不斷被鏈板刀切離，在鏈板刀的作用下連續(xù)輸送至收集袋中，完成含籽壤土切離收集過程。行走過程中，通過液壓調節(jié)裝置來調節(jié)取土深度。

2關鍵部件設計

2.1切土輸送裝置

切土輸送裝置作為整機的關鍵部件，既要完成切土任務，又要將碎土提高到約1.1 m的高度以便于裝袋收集。因此設計鏈板刀組，其結構原理圖如圖2所示。

整個鏈板刀組主要有A、B、C等3根軸，A軸為動力輸入軸，改變A軸上的2個鏈輪的直徑，就可以在相同轉速下改變切削線速度；B軸為切削軸，在A軸的驅動下，鏈板刀組的每片刀運行至B軸處進行切土，這樣就形成了多刀分層切削的作用；B軸與C軸所確定的平面決定了含籽土的提升角度，使得B軸與C軸間的鏈板形成輸送器，而B軸與A軸的支撐結構使得A軸與B軸之間的鏈板能夠將跌落在B軸后面的

碎土再次被收集起來，另外A軸與B軸之間的鏈板能夠在崎嶇路面行走時轉變?yōu)槁膸В籆軸為卸料軸，其所支撐的2個鏈輪直徑很小，主要目的在于鏈板刀帶土上行過程中經過小齒輪時獲得更大離心加速度，使土較容易脫離鏈板刀。

2.2轉向調深裝置

為了完成轉向和準確控制取土深度，設計了轉向調深裝置，其機構簡圖如圖3所示。整個裝置由液壓手柄、液壓千斤頂組件、轉向調深輪和支撐梁組成。取土深度由液壓缸調節(jié)限深輪的高度進行限定，限深輪同時又是轉向輪，通過左右扭動液壓手柄帶動液壓千斤頂組件進而帶動轉向調深輪繞液壓桿的軸線旋轉，即可改變整機的前進方向。為了防止突然出現的坑洼造成切收過程中出現突然加大切深的現象，設置了前置3點仿形結構，由限深輪和切收機最前面的2個輔助限深輪組成。該結構有效克服了忽深忽淺工作不穩(wěn)定的問題，并使袋子能夠穩(wěn)定在出土口下面。

3工作阻力數學模型

3.1刀板切土阻力模型

切土過程中，作用在刀板上的主要阻力包括：土壤變形力、速率不連續(xù)所發(fā)生的力、土壤慣性力和外摩擦力。對刀板面進行受力分析，受力圖見圖4。

3.2刀板面上的壓縮力

土垡OO′B″A在刀板面上的壓縮應變?yōu)椋▓D4）：

ε=1-sinβsin（α+β）。（1）

刀板面上的壓縮應力P0=f（ε），其中f（ε）可由土樣的壓縮試驗得出。

根據Jaky定律[5]，側向應力Pg與正向應力P0的關系為Pg=P0（1-sinφ），這樣，作用在刀板表面OA上的法向壓縮力為：

PG1=bL2f（ε）（1-sinφ）=bL2f（1-sinβ）sin（α+β）（1-sinφ）。（2）

設在刀板上AC這段的土垡所受法向壓力的分布為自A點起按直線關系下降至0，因而在AC這段，刀板面上的法向壓力為：

PG2=0.5b（H-L2）（1-sinφ）f1-sinβsin（α+β）。（3）

作用在刀板面上的總法向土垡壓縮力為：

PG=PG1+PG2=0.5b（H+L2）（1-sinφ）f1-sinβsin（α+β）。（4）

3.3側刃剪切力

在圖4可知，作用在剪失效面AB上A點的法向壓力為σA=P0（1-sinφ）而在AB線上任意一點P′（AP′=y）處的正壓力為σy=P0（1-sinφ）（L-y）L，將此式σY作為σn代入剪強動力方程lnτ=C1+C2lnr+C3（1+C4σn），得：

lnτy=C1+C2lnγ+C31+C4P1（1-sinφ）（L-y）L，（5）

即側刃剪切力為：

Psh=∫L0τydy=eC1L2γC2[1+C4P0（1-sinφ]C3+1-1C4P0（1+C3）（1-sinφ）。（6）endprint

3.4Ω3區(qū)的土壤加速慣性力

土壤加速慣性力主要發(fā)生在Ω3區(qū)，任取一行平行于刀板板面的平面N，交Ω2的邊界和Ω4的邊界線于j（圖5），i處土壤速度為0，j處土壤速度為Uf；設速度從i到j為線性均勻加速，且方向不變，則慣性力為：

Pa=bHDwU2sinαgsin2（α+β）。（7）

式中：Dw為土壤容重[6]。

3.5土垡沿刀板的摩擦阻力

刀板法向力為Pn=（Psh+Pa）cos（90-α-β）+PG，式中：PG為刀板面上的總法向土垡壓縮力。應用動摩擦阻力方程式Pf=C′+AlnV+σntgφn，并將土壤沿刀板面運動速度Ue和刀板法向力Pn代入，得：

Pf=nHC′+AlnVsinβsin（α+β）+Pntgφn。（8）

3.6刀板總水平阻力

從上可得出：

Px=P0sinα+（Psh+Pa）cosβ+Pfcosα+P0。（9）

3.7模型計算結果

根據土樣試驗所得P0=f（ε）曲線和動力剪強方程的參數C1、C2、C3、C4值及動力黏附摩擦方程的參數C′at、A、φa值，代入式（9），計算結果如圖6所示。

經分析計算結果發(fā)現，在切削速度、切削深度和切削角度一定的情況下，切削總水平阻力與切削寬度成線性關系。目前，我國人造林地有清晰準確的行列規(guī)則，一般行距為5 m，株距為3 m，有比較寬廣的作業(yè)空間。在優(yōu)化設計中切削寬度要求在90～100 cm。從計算結果（圖6）來看，切削寬度在 90～100 cm 范圍內水平總切削阻力在1.5～1.8 kN。綜合考慮切收土壤效率和總水平阻力，切削寬度可以選擇100 cm。當切削寬度在100 cm時，通過圖6可知切削過程中切削總水平阻力在1.8 kN左右，功率5.7 kW的186風冷柴油發(fā)動機能夠提供足夠的動力。

4結果與分析

2013年8月9日在承德桃山林場進行實地試驗。工作時，行走速度為6 m/min，工作寬度為100 cm，額定轉速為 180 r/min，切削線速度為1.43 m/s。將2條收集袋的口沿分別掛在4個收集袋掛接釘上，收集袋的底部被左右2個收集袋支撐架支撐。通過按液壓手柄調整液壓千斤頂組件的液壓桿的伸出長度，相應改變切削深度，鏈板刀將土沿拖土板向上推送，直接掉落在收集袋中。試驗結果表明，鏈板刀組式林地表含籽壤土切收機能夠滿足含籽壤土收集工作的要求，實現一次作業(yè)完成土層剝離與收集，含籽壤土直接落入收集袋中，操作方便，通過能力強，能夠滿足山地林場的需要。所采集的含籽壤土能夠直接用于鋪播育苗綠化。

5結論

本研究根據實際需要設計出了一臺林地含籽壤土切收機。該設備具有以下特點：（1）采用鏈板刀組既能分層切下含籽壤土，又能將含籽壤土通過鏈板刀推送到收集袋中；（2）采用前置3點仿形結構，實現定深切收，有效避免了突然下陷；（3）采用液力調整技術，實現了土層定深取土與裝袋同步完成。在承德桃山林場進行實地試驗，試驗結果表明機操作方便、取土效率高、爬坡能力和通過能力強，能夠滿足山地林場的需要。

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