果樹苗木移栽機開溝裝置模型建立與參數設計

宋帥帥，楊 欣，殷夢杰，李建平

(河北農業大學 機電工程學院，保定 071000)

0 引言

隨著新型矮砧密植果樹建園的大力推廣，需要大量的果樹苗木提供支持[1]。查閱文獻和實地調研表明：果樹苗木培育環節中的開溝作業基本以人工挖坑作業為主[2-3]。果農行業隨著我國人口老齡化時代的到來，勞動力嚴重缺乏。為了解決這種勞動強度大、占用大量勞動力的方式，在調研的基礎上，根據園藝要求，設計研發了一種果樹苗木栽植機。在果樹苗木培育環節，開溝質量的好壞直接影響果樹苗木的移栽成活率和質量。開溝裝置是整機的核心工作部件，要求開溝作業中容易入土、開溝深度穩定，為了保證苗木栽植成直立狀態要求溝形整齊且具有足夠的放苗時間，直至回土鎮壓壓實，確保果樹苗木垂直定植。本文對果樹苗木栽植機的開溝裝置進行了模型建立及參數化設計。

1 模型建立

結合農藝要求，針對果樹苗木培育環節，開溝裝置應具有良好的開溝性能，保證苗木移栽質量。利用AIP實體三維建模軟件設計出開溝裝置的基本模型，利用AIP實體三維設計軟件按1∶1比例建立開溝裝置部件的裝配體模型，零件之間通過添加正確的裝配關系確定達到三維模型全約束，所有零部件均采用參數化建模，以保證后續更新零部件寬度、厚度、角度等結構參數時裝配體的拓撲關系不會發生改變；利用參數化功能建立尺寸驅動關聯關系，旨在后續有限元分析中便于快速更新模型[4-7]。開溝裝置與機架采用U型螺栓和連接件固定于機架中。整體機架為焊接結構，與拖拉機形成后三點懸掛作業方式，通過調節限深輪可實現開溝裝置在15～35cm范圍內開溝深度的變化。開溝裝置的基本機構如圖1所示。

該機開溝裝置由開溝刀、開溝板、擋土板、保持板、扶苗器和連接件等結構焊合組成。開溝刀應具有較強的破土能力和穩定的開溝能力，因此材料的選用必須保證具有足夠的強度和硬度要求。開溝板作用是將所開出的土分向兩側，為形成溝壑做準備，提供土壤的走向。保持板的作用是避免回流土岱過早落入溝中，保證溝形寬度能夠維持一定時間。擋土板的作用是防止保持板兩側由于推土堆積的土垈進入溝中而影響溝深。扶苗器的作用是從放苗區開始直到完成覆土鎮壓工序保證樹苗成直立狀態。在扶苗區內扶苗器將苗木收攏到苗帶中間，保證回土壓實整個過程中樹苗定植成一條直線。

開溝裝置與機架采用U型螺栓和連接件固定于機架中，通過調節U型螺栓和連接件的位移關系實現不同開溝作業深度，滿足不同果樹苗木根系結構特性的園藝要求。

2 開溝裝置參數設計

為了確定開溝裝置工作參數、結構參數，確保果樹苗木移栽開溝要求，本文在研究開溝裝置機理時建立開溝裝置開溝深度與寬度、開溝板工作隙角、充苗器長度相關參數及移栽后果樹苗木角度的數學模型。在研究過程中視土壤顆粒為剛體結構，其不變形、不粘結。

2.1 開溝寬度及深度

開溝裝置開出的溝要求足夠寬、足夠深，以適應苗木根系結構特性。果樹苗木的根系要求完整無劈裂，有側根和須根，側根樹3條以上，側根長度20cm以上，而且須根要多。專家給出健壯大苗標準:苗木高度1.2 m以上，苗木基部品種接口上10cm處干徑在1.2cm以上；整形帶內具有效分枝6 ～9個，分布較均勻；苗木根系健壯，側根5條以上，側根長度20cm以上，毛細根密集；矮化中間砧苗木的矮化砧與矮化自根砧苗木根砧長度為20cm左右[9]。出圃蘋果苗木根系結構及模型建立如圖2所示。

圖2 栽植苗木根系結構與長度模型Fig.2 Root structure and length model of planting seedlings

根據苗木的根系結構確定開溝裝置的作業深度及寬度參數。早些年，羅錫文等人利用傳統研究法與現代研究法對果樹苗木根系進行了較全面的研究與概述。現代研究法主要包括：根鉆法、剖面法及挖掘法等，傳統的研究方法耗時耗力，工作成本高，但操作簡單。現代研究方法主要是指：利用國際當中一些先進的專業儀器設備快速準確觀測根系結構及生長，結合計算機、電子顯微鏡、力學等先進的技術手段，將根系研究帶入一個新的局面[8-9]。

2.1.1 開溝裝置寬度參數確定依據

根系的空間分布特征決定了根系占據土壤空間的大小，根系在給定的土壤空間中，其伸展程度決定根系吸水和土壤中的養分等能力，開溝裝置開出溝的寬度要保證根系均勻自然的分布。根據專家給出健壯大苗的標準，以全部側根中，側根末端兩兩位置距離最遠的尺寸確定開溝裝置的開溝寬度，保證根系均勻自然地分布在溝壑中。測量果樹苗木根系一般最寬尺寸為L≤20cm。為了保證根系充分自然分布，假設開溝裝置寬度設開溝作業寬度為25cm，結合園藝要求，驗證是否滿足果樹苗木栽植行距在60～65cm范圍內：以開溝裝置的左右方向中間位置為基準，行距至少為60cm方可滿足設計要求，所以假設行距60cm。經計算，兩個開溝裝置之間有35cm的設計空間，對于安裝覆土鎮壓輪系有足夠空間，滿足設計要求[10]。開溝裝置寬度參數為25cm。

2.1.2 開溝裝置深度參數確定依據

蘋果、梨、核桃等根系分布較深，桃、李、杏等根系分布較淺。苗木栽植時特別注意矮化砧的入土深度，栽植過深，會影響樹體生長。砧木接穗部分要求在地面之上，否則容易生根，樹勢變旺，失去矮化作用，變成喬化樹(一般要求：砧木與接穗的接口在地表5～10cm處)。由果樹苗木根系高度模型圖3可知：園藝要求果樹苗木根系栽植深度為30cm左右，針對不同果樹苗木，設計開溝作業深度H=25～35cm的可調范圍。具體到某種果樹苗木時，開溝裝置的作業設計高度要高出這種果樹苗木根系的所需栽植深度5cm，用來抵銷因開溝回流土壤過程中損失的開溝高度。土壤在回流過程中，并不能完全將所開溝的土壤全部回流到溝壑中，還有一些在土壤阻力等作用下損失的回流土壤用5cm開溝高度來彌補填充。

圖3 苗木根系高度模型Fig.3 Seedling root height model

2.2 開溝板工作隙角

根據開溝裝置作業要求，其開溝板應具有穩定的工作隙角α，以保持作業狀態及開溝裝置的結構穩定。開溝板的作用是開溝破土，將開出的土分向兩側，合適的工作隙角配合足夠的動力輸出完成滿足移栽作業要求的溝壑。開溝裝置工作隙角如圖4所示。

圖4 開溝板工作隙角Fig.4 Ditching work clearance angle plate

開溝裝置的工作隙角在已確定開溝作業深度情況下進行作業參數設計，作業過程中開溝板受到土壤自身重力及由重力產生的摩擦力等，將土壤視為矩形剛體結構。針對土壤在開溝板的受力情況進行分析，以開過作業深度為已知限定條件，建立工作隙角α與開溝作業深度的函數方程[11]。開溝板受力分析如圖5所示。

其中，OA為開溝作業深度(mm)；OB為開溝板底部長度(mm)；AB為開溝板斜邊長度(mm)；f為摩擦力(N)；FN為土壤斜邊表面支撐力(N)；mg為土壤的重力(N)；按圖上坐標所示，列出有關α的平衡方程，即

∑FX=0，m·g·sinα-f=0

(1)

∑FY=0，FN-m·g·cosα=0

(2)

f=μ·FN

(3)

其中，∑FX和∑FY分為為x、y軸方向上的合力(N)；μ為土壤顆粒與開溝板之間的動摩擦因數；m為土壤顆粒的質量(g)；g為重力加速度；FN為土壤顆粒對開溝板的正壓力(N)。解得tanα=μ。

開溝板所選材料為Q235，土壤與Q235之間摩擦因數在1.0左右，考慮實際作業過程中，摩擦因數偏大，取值1.2，可得開溝板工作隙角α=arctan-10.6=50.0°。

圖5 開溝板受力分析Fig.5 Analysis of the force of the grooved plate

2.3 扶苗器長度

扶苗器用來保證苗木在栽植過程中不發生偏移，位于開溝裝置擋土板外側，采取焊接方式與擋土板焊為一體。當工作人員將苗木放入開溝裝置中時，工作人員的手先不要松開苗木，一直到苗木運動到扶苗器的拐點時再松開。當苗木運動到拐點處，回流的土壤開始從擋土版的兩側落下進入開溝裝置開出的溝中，隨著機具前進，土壤自身的回流配合覆土鎮壓輪系完成果樹苗木的覆土壓實工序。在此過程中，苗木受到向前的一個慣性力及由土壤回流產生向前的一個推力，苗木處于一種容易偏移狀態；在土壤完全回流溝中完成覆土鎮壓工序前，扶苗器要保證苗木呈“直立狀態”，直立狀態是指園藝專家提出的栽植苗木要求苗木的傾斜角度不超過15°。扶苗器的拐點如圖6所示。

圖6 扶苗器拐點Fig.6 The inflection point for supporting seedling

圖7 扶苗器總長Fig.7 The length of seedling supporting

3 試驗與結果

3.1 樣機試制

根據設計定型的結構參數，于2016年在河北高碑店進行了開溝裝置及樣機試制。

3.2 試驗與結果

2016年11月，在河北蠡縣試驗田進行樣機試驗，檢驗果樹苗木移栽機的性能和作業質量。樣機試制與田間試驗如圖8所示。數據記錄4個行程如表1所示。

圖8 樣機試制與田間試驗Fig.8 Prototype trial and field test表1 數據記錄Table 1 Data record

行程序號開溝深度/cm開溝寬度/cm距離/cm時間/s速度/m·h-1測定總株數/株栽植深度合格/株第1行程1302530047230229253004723032824300482264302530048227150149第2行程1292630047230230253004922033025300482254302530049219150148

續表1

利用公式進行計算，單個行程的平均開溝深度為

4 個行程的平均開溝深度為

每個行程的開溝深度變異系數為

4 個行程的開溝深度變異系數為

每個行程開溝深度穩定性系數為

U=1-ν

4 個行程開溝深度穩定性系數為

Um=1-νm

每個行程的開溝深度標準差為

4 個行程的開溝深度標準差為

式中αi—各測點的測定開溝深度;

n—每行程的測定點數;

nm—4個行程的測定點數;

ν、νm—開溝深度變異系數;

U、Um—開溝深度穩定性系數。

計算結果：開溝深度穩定性系數Um= 95.9%，栽植深度合格率=98.8%。

試驗數據和作業情況表明：開溝裝置結構及開溝深度穩定，栽植深度合格率高，滿足果園農藝設計要求。

4 結論

1)應用AIP三維軟件完成了開溝裝置的建模和裝配，并對其主要結構參數進行了計算分析，設計了一種開溝質量較高的開溝裝置。

2)田間試驗表明：開溝裝置結構穩定，開溝寬度及深度滿足作業要求，栽植果樹苗木合格率高，栽植質量滿足園藝設計要求，可為果樹苗木培育提供技術支持。

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AbstractID:1003-188X(2018)05-0036-EA