果樹苗木移栽機(jī)單體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

宋帥帥，楊 欣，殷夢杰，李建平

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

0 引言

隨著新型矮砧密植果樹建園的大力推廣，果樹苗木需求問題顯得捉襟見肘[1]。通過查閱文獻(xiàn)和實(shí)地調(diào)研總結(jié)：果樹苗木培育模式基本屬于人工栽植，利用開溝機(jī)開好溝，人工將樹苗根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按規(guī)定的株距擺放于溝壑中，隨后利用鐵楸覆土，作業(yè)人員緊隨其后進(jìn)行鎮(zhèn)壓完成栽植[2]，如圖1所示。隨著我國人口老齡化時(shí)代的到來，加之當(dāng)下很多青年勞動(dòng)力不愿從事果農(nóng)行業(yè)，急需解決這種以人工移栽為主，占用大量勞動(dòng)力的方式。針對此問題，對果樹苗木的培育環(huán)節(jié)進(jìn)行了技術(shù)調(diào)研，根據(jù)果園農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種基于連續(xù)開溝模式的果樹苗木移栽機(jī)。

圖1 人工栽植模式Fig.1 Artificial planting pattern

1 整機(jī)方案設(shè)計(jì)

連續(xù)開溝果樹苗木移栽機(jī)主要由限深輪、攪龍、開溝裝置、機(jī)架、錐形覆土輪、圓形鎮(zhèn)壓輪、苗木箱及工作臺(tái)等機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。在整機(jī)結(jié)構(gòu)布局上，基于機(jī)具作業(yè)條件和機(jī)具性能的穩(wěn)定性，要求結(jié)構(gòu)緊湊、適用性、通過性良好[3]。整機(jī)與以焊接機(jī)架為基礎(chǔ)合理布置運(yùn)動(dòng)副零部件，通過調(diào)節(jié)限深輪可實(shí)現(xiàn)200～400mm范圍內(nèi)的開溝深度。

1.限深輪 2.攪龍 3.開溝裝置 4.機(jī)架 5.錐形覆土輪 6.圓形鎮(zhèn)壓輪 7.苗木箱 8.工作臺(tái) 圖2 果樹苗木移栽機(jī)Fig.2 Fruit seedling transplanter

1.1 工作過程及特點(diǎn)

栽植機(jī)采用后三點(diǎn)懸掛方式作業(yè)，機(jī)手控制好作業(yè)速度即可 。作業(yè)前，確認(rèn)周圍環(huán)境和安裝部件連接安全，苗木箱中的苗應(yīng)該擺放整齊有序，便于工作人員拿取。隨著拖拉機(jī)前進(jìn)，作業(yè)人員將苗木放入開溝裝置中，當(dāng)苗木到達(dá)扶苗器最前段時(shí)，松開苗木，進(jìn)行下一顆苗木充植；苗木在扶苗器中，由錐形覆土輪完成覆土工序，圓形鎮(zhèn)壓輪完成鎮(zhèn)壓壓實(shí)工序。機(jī)組可一次性實(shí)現(xiàn)地表開溝、充苗、扶苗、覆土及壓實(shí)等一系列作業(yè)工序，完成苗木田間定植[4]。該機(jī)操作簡單，適應(yīng)性良好。

1.2 主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

栽植方式：連續(xù)開溝方式栽植

作業(yè)行數(shù)：3

掛接方式：后三點(diǎn)懸掛

開溝深度/cm：25～35

開溝寬度/cm：25

行距/cm：60～65

株距/cm：15～25

作業(yè)速度/m·h-1：230

移栽苗木種類：海棠、蘋果苗等

作業(yè)機(jī)手(含機(jī)手)/人：5～6

2 主要單體功能結(jié)構(gòu)

2.1 開溝單體功能結(jié)構(gòu)

開溝裝置是果樹苗木移栽機(jī)中主要工作部件。入土開溝作業(yè)要求容易入土、開出的溝溝形整齊、深度穩(wěn)定，能夠保證有充足的放苗時(shí)間，有效地協(xié)助扶持苗木，直到覆土、回土壓實(shí)，確保苗木成直立狀態(tài)定植[5]。開溝單體功能結(jié)構(gòu)主要由開溝板、開溝刀、保持板、擋土板、扶苗器和U型螺栓連接件等結(jié)構(gòu)焊合而成，如圖3所示。

1.U型螺栓 2.機(jī)架 3.刀開溝板 4.開溝 5.連接板 6.保持板 7.擋土板 8.扶苗器 圖3 開溝單體功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Ditching monomer structure

由于65Mn具有良好的耐磨損性和剛性優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常被選作犁燁等入土工作部件，因此開溝單體功能機(jī)構(gòu)開溝刀材料選用65Mn[6-7]。65Mn屈服強(qiáng)度為430MPa，極限拉伸強(qiáng)度為735MPa。其它零部件均選用屈服強(qiáng)度為235MPa，極限拉伸強(qiáng)度為500MPa的Q235A。

在栽植作業(yè)過程中，開溝刀切入土壤，破碎的土壤被開溝板分開，并推向兩側(cè)；開溝裝置的寬度和深度參數(shù)設(shè)計(jì)要確保開出的溝形滿足移栽要求，防止土壤過早回填。保持板和擋土板的作用是進(jìn)一步壓實(shí)土壤，在開溝器進(jìn)行開溝作業(yè)的同時(shí)人工充苗，苗木在通過保持板的自動(dòng)回填部分土壤和人工扶持及扶苗器作用下收攏到苗帶中間，經(jīng)錐形覆土輪和圓形鎮(zhèn)壓輪完成鎮(zhèn)壓和覆土工序，將苗木定植成一條直線。

2.2 覆土鎮(zhèn)壓單體功能結(jié)構(gòu)

覆土鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)對充植苗木進(jìn)行覆土和壓實(shí)，架構(gòu)如圖4所示。其主要由攪龍、錐形覆土輪、圓形鎮(zhèn)壓輪與開溝裝置上的扶苗器密切配合關(guān)系組成，要求工作人員人工充苗時(shí)，將苗木與機(jī)組前進(jìn)反向成一定角度放置。由于土壤和扶苗器對苗木的阻力和摩擦?xí)姑缒居幸欢ㄏ蚯斑\(yùn)動(dòng)的趨勢，成一定角度放置，可更好地保證苗木成垂直狀態(tài)栽植。

1.機(jī)架 2.錐形覆土輪 3.圓形鎮(zhèn)壓輪 4.鎮(zhèn)壓輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 5.覆土輪調(diào)節(jié)機(jī) 圖4 覆土鎮(zhèn)壓單體功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Soil compaction monomer structure

攪龍的轉(zhuǎn)速不宜過快或過慢，開溝速度等于拖拉機(jī)機(jī)組前進(jìn)速度，當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速高于開溝速度時(shí)，相當(dāng)于開溝裝置還未開溝而攪龍已經(jīng)開始工作，致使沒有土壤輸送，造成空負(fù)荷運(yùn)動(dòng)，浪費(fèi)動(dòng)力；轉(zhuǎn)速過慢相當(dāng)于攪龍沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，并未及時(shí)有效的輸出土壤，也就失去了攪龍裝置的意義。所以，應(yīng)根據(jù)拖拉機(jī)前進(jìn)速度確定攪龍轉(zhuǎn)速，經(jīng)計(jì)算和試驗(yàn)：攪龍的轉(zhuǎn)速應(yīng)為拖拉機(jī)前進(jìn)速度的1.3倍。

錐形覆土輪與機(jī)架的平行方向約成15°，圓形鎮(zhèn)壓輪與機(jī)架的垂直方向約成10°。輪系與地面的配合關(guān)系結(jié)合攪龍的轉(zhuǎn)速，最終由人按農(nóng)藝要求和標(biāo)準(zhǔn)完成栽植。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

2016年11月，在河北蠡縣試驗(yàn)田進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)，檢驗(yàn)果樹苗木移栽機(jī)的性能和作業(yè)質(zhì)量。初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：移栽植機(jī)中間行覆土效果不佳，不滿足栽植要求。經(jīng)現(xiàn)場分析和調(diào)試，將中間行覆土鎮(zhèn)壓單體功能結(jié)構(gòu)的錐形覆土輪和圓形鎮(zhèn)壓輪調(diào)至機(jī)架末端位置，與左右行成對稱方式排列組合，如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)過程Fig.5 Testing process

3.1 試驗(yàn)地條件

苗木移栽土質(zhì)條件為已旋耕松土，地表相對平整，無明顯雜草障礙和大土塊、石塊，試驗(yàn)用地為3hm2。

3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算

針對移栽機(jī)開溝深度和栽植合格率、苗木破損率等性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。隨機(jī)選取4個(gè)行程進(jìn)行開溝深度的數(shù)據(jù)記錄和分析，如表1所示。

表1 機(jī)具性能統(tǒng)計(jì)Table 1 Implement performance statistics

隨機(jī)選取每次每行連續(xù)150株測定，對所栽苗木的倒伏率、機(jī)械傷苗率、栽植合格率記錄和分析，如表2所示。

表2 作業(yè)質(zhì)量Table 2 Operation quality 株

帶入下列公式進(jìn)行計(jì)算，具體如下:

單個(gè)行程的平均開溝深度為

4 個(gè)行程的平均開溝深度為

每個(gè)行程的開溝深度變異系數(shù)為

4 個(gè)行程的開溝深度變異系數(shù)為

每個(gè)行程開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為

U=1-v

4 個(gè)行程開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為

Um=1-vm

每個(gè)行程的開溝深度標(biāo)準(zhǔn)差為

4 個(gè)行程的開溝深度標(biāo)準(zhǔn)差為

式中αi—各測點(diǎn)的測定開溝深度;

n—每行程的測定點(diǎn)數(shù);

nm—4個(gè)行程的測定點(diǎn)數(shù);

v、vm—開溝深度變異系數(shù);

U、Um—開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)。

計(jì)算結(jié)果: 開溝深度穩(wěn)定性系數(shù)Um= 95.9% 。數(shù)據(jù)處理：倒伏率T=0.067%；傷苗率W=0.44%；栽植深度合格率=98.88%；栽植合格率=98.22%。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)和作業(yè)情況(見表2)表明：移栽機(jī)0.5個(gè)工作日內(nèi)可完成14個(gè)工作人員在1個(gè)工作日內(nèi)對0.4hm2的栽植作業(yè)，栽植效率高，開溝深度比較穩(wěn)定；栽植合格率高；倒伏率和傷苗率低，滿足果園農(nóng)藝設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1)根據(jù)新型矮砧密植建園果樹苗木大量培育需求，設(shè)計(jì)了基于開溝模式的果樹苗木移栽機(jī)的主要單體功能結(jié)構(gòu)。并應(yīng)用AIP三維軟件完成了整機(jī)的建模和裝配。

2)通過田間試驗(yàn)表明：果樹苗木移栽機(jī)工作效率高，栽植質(zhì)量滿足園藝設(shè)計(jì)要求，為果樹苗木培育提供技術(shù)支持。

[1] 賈永華,曲亦剛,王永忠,等.蘋果矮砧密植栽培模式與技術(shù)要點(diǎn)[J].寧夏農(nóng)林科技,2014(9):6-8.

[2] 許春霞.綠化果樹苗木的培育與栽植管理技術(shù)[J]. 科技展望,2016(7):86.

[3] 路志坤，劉俊峰，李建平，等.蘋果樹起苗機(jī)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(2):55-61.

[4] 何建華，楊欣，李建平，等.林果樹苗栽植開溝裝置有限元分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(1): 147-157.

[5] 王鵬飛,何建華,劉俊峰,等.蘋果苗木栽植機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2017,39(1):122-126.

[6] 姬長英，尹文慶.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[7] 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院．農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(上冊)[K]．北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007．