果樹苗木栽植機覆土鎮壓輪系單體功能結構設計

宋帥帥，殷夢杰，楊　欣，李建平

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定　071000)

0　引言

果樹矮砧密植高效栽培模式，是世界水果生產先進國家普遍采用的栽培技術，也是我國現代水果產業發展的方向[1-2]。近幾年，國家大力支持蘋果、梨、核桃及花椒等果樹矮砧密植建園,需要大量的優質果樹苗木。當前，國內果樹苗木移栽的方式主要是挖坑機輔助或手動挖坑方式定點栽植，也有少量果園采用開溝模式，即在開溝基礎上進行的人工覆土和鎮壓土等工序，效率低，勞動強度大，成本高[3-4]。國外的果樹苗栽植機在當地適應性較好，但對我國的果樹苗木適應性較差，具有明顯的技術推廣地域局限性[4]。

為此，本文對果樹苗木移栽機覆土鎮壓輪系單體功能結構進行了理論研究和參數設計。國內學者針對覆土鎮壓輪系也進行了研究，許多研究者設計了覆土、鎮壓作用于一體的覆土鎮壓輪裝置。本文在此基礎上，根據實地調研和農戶要求，設計了采用覆土輪、鎮壓輪分別進行覆土、鎮壓作用的輪系組合。

1　覆土鎮壓輪系單體功能結構與組合原理

1.1　功能結構

覆土鎮壓輪系單體結構主要由錐形覆土輪、圓形鎮壓輪與扶苗器及攪龍裝置組合而成，如圖1所示。

1.2　組合原理

根據園藝要求，采用錐形覆土輪、圓形鎮壓輪獨立單元分別進行覆土鎮壓作用的組合設計，并增設了攪龍裝置，充分保證開溝裝置開溝產生的土壤回流。根據不同果樹苗木根系結構的差異，對壓實度也有不同的要求，設計了錐形覆土輪調節裝置、圓形鎮壓輪調節裝置，通過調節裝置，可有多種栽植覆土度和壓實度的組合滿足不同園藝要求。錐形覆土輪在不用改變錐形角度的情況，通過調節裝置在縱向位置上的位移變化實現不同覆土程度；圓形鎮壓輪利用調節桿的控制活動機架上下移動實現不同的壓實度的作用；攪龍裝置將未回流的土壤進行輸送。

1.機架　2.錐形覆土輪　3.圓形鎮壓輪4.鎮壓輪調節機構　5.覆土輪調節機

2　覆土輪參數設計

2.1　錐形角

覆土輪錐形角度設計與開出溝的形狀有關。開溝裝置進行開溝作業時，分向兩側的土壤堆積與水平方向形成近似三角形形狀的土堆，形成休止三角形；錐形覆土輪通過錐形部分對土堆施加側向力，將土壤擠壓到溝中，實現覆土功能。錐形角度的大小根據土壤回流前形成的土堆三角參數確定。土壤休止角與土壤的粘性、顆粒大小等物理特性有關，鎮壓輪錐形角度設計要小于土壤的休止角。當錐形角大于或等于土壤休止角時，錐形輪與回流土壤沒有接觸部分，覆土輪對土壤不產生擠壓作用，因此錐形角的設計要小于回流土壤的休止角。覆土輪擠壓土壤如圖2所示。

圖2　覆土輪擠壓土壤

對覆土輪擠壓土壤進行靜力學分析，選取覆土輪錐形邊上任意點為研究對象，忽略覆土輪在轉動時產生的摩擦。覆土輪擠壓土壤受力分析如圖3所示。

圖3　受力分析

列出在x方向的平衡方程為

∑Fx=F-FNsinθ=0

(1)

隨著錐形角θ的增大，回流土壤水平方向深的F增加；但是隨著錐形角θ的增加，覆土輪與土壤的接觸面積變小。由圖3可知：錐形角θ和覆土輪與土壤接觸面積的函數關系式為

(2)

式(2)與式(1)聯合平衡方程得：θ=52°。

2.2　覆土輪寬度

覆土輪寬度根據開溝裝置開出溝形成的休止三角形大小確定。在同樣輪重的情況下，覆土輪與土壤的接觸面積越大，產生的壓強越小，難以到達覆土的理想效果。理論分析表明：覆土輪與土壤的接觸面積越小，在同樣的正壓力下，摩擦力變小，覆土輪的轉動勢必受到影響，起不到擠壓土壤的作用。在實際工作中，土壤的“粘結”程度不同，因此本文從理論上對避免傷苗、覆土輪與回流土壤受力等因素進行分析，結合實踐經驗和后期的試驗，確定覆土輪寬度為110mm[5]。

2.3　覆土輪直徑D

覆土輪的主要作用是覆土，覆土輪直徑的大小直接影響覆土效果。覆土輪內圓直徑決定了覆土輪的結構大小。內圓直徑過大，不能滿足農藝的安裝要求；內圓直徑過小，作業過程中的滑移率上升，導致覆土輪與回流土壤接觸面積小，不發揮擠壓作用。根據設計要求和經驗，確定覆土輪內圓的直徑為400mm。覆土輪外圓直徑由錐形角和覆土輪寬度確定，由已知的錐形角θ和覆土輪寬度L求得外圓距離水平方向的最小高度，解得外圓直徑為270mm。

3　鎮壓輪參數設計

3.1　鎮壓輪寬度

鎮壓輪寬度根據開溝裝置開出溝的寬度確定，以栽植苗木為特等苗、一等苗計算，最大直徑一般不超過20mm，兩側鎮壓輪之間要求至少留出20mm的距離，開溝裝置開出溝寬為250mm。在同樣輪重的情況下，土壤壓實面積隨著鎮壓輪與土壤接觸面積的變化而變，鎮壓輪寬度越小，鎮壓輪與土壤的接觸面積越小，土壤的壓實面積越小，但壓實度隨著壓實面積的減小而增大。綜合考慮農藝要求，確定鎮壓輪寬度是85mm。

3.2　鎮壓輪直徑D

在同樣輪重的情況下，輪徑越小，拉力和壓實度越小，壓實效果不佳，作業過程中容易出現滑移；輪徑越大，更容易傳動，壓實度越大，同時較少作業過程中的滑移現象，壓實效果良好[5-6]。鎮壓輪接地情況如圖4所示。

接地面積計算公式為[7]

(3)

式中D-鎮壓輪直徑(mm)；

B-鎮壓輪寬度(mm)；

Z0-鎮壓輪下陷量(mm)。

鎮壓輪直徑應用公式[8]為

(4)

式中D-鎮壓輪直徑(mm)；

F-鎮壓輪自身重力及附加載荷(N)；

f-鎮壓輪與土壤的摩擦因數；

Wr-軸套中的摩擦力矩(N·M)。

結合果樹苗木栽植機的性能要求，確定鎮壓輪的直徑為380mm。

圖4　鎮壓輪接地情況

4　攪龍裝置參數設計

4.1　攪龍裝置與覆土盤分析選用

土壤并不能完全回流到溝中，在覆土輪、鎮壓輪接觸不到的地方會產生部分余留。針對這部分未回流土壤，考慮在覆土輪靠前位置安裝攪龍裝置和在鎮壓輪靠后位置安裝覆土盤裝置進行強化回落土壤。兩種設計情況分析比較如下：

1)攪龍裝置通過葉片與土壤摩擦作用可實現輸送功能。在覆土輪前方、開溝裝置內側安裝攪龍裝置，在開溝過程中攪龍裝置運轉，將部分土壤先輸送到溝中。攪龍裝置的輸送作用效果與攪龍裝置的自身轉速與具體的安裝位置有關。攪龍裝置的安裝位置如圖5所示。

圖5　攪龍安裝位置

攪龍裝置安裝于開溝裝置內側，且攪龍葉片與開溝裝置擋土板保持在大致同一水平面上。當開溝裝置入土時，地面與攪龍葉片接觸，攪龍轉動開始輸送土壤。兩端通過固定裝置分別固定與第1級懸掛機架和第2級底盤機架上。根據攪龍裝置的安裝位置確定攪龍葉片的長度，要求保證葉片長度可充分將土壤回流溝中，則至少葉片尾端部分超過開溝裝置的尾端部分10～15cm。

攪龍的轉速不宜過快或過慢，開溝速度等于拖拉機機組前進速度。當攪龍轉速高于開溝速度時，相當于開溝裝置還未開溝而攪龍已經開始工作，致使沒有土壤輸送，造成空負荷運動，浪費動力；轉速過慢相當于攪龍沒有轉動，并未及時有效地輸出土壤，也就失去了攪龍裝置的意義。當輸送對象物理速度一定時，攪龍自身轉速越高，則輸送對象受到的軸向力越大，軸向速度隨之增加，輸送效率也越高。當攪龍自身轉速一定時，軸向輸送速度隨著輸送對象的生成速度增加而減少，輸送效果下降。開溝裝置開出的土壤在本身重力的作用下產生向下方向的一定速度，攪龍裝置輸送對象包括開溝裝置已開出形成休止角的土壤及剛開出緊接著接觸攪龍葉片被輸送回流。從保證土壤輸送效果角度出發，攪龍的轉速與拖拉機前進速度比定為1.5～2，攪龍轉速由液壓馬達控制。

2)覆土盤安裝設計在鎮壓輪之后，通過覆土盤一定角度設定及轉動作用完成覆土功能。覆土盤離地間隙和與地面角度可通過覆土盤的控制裝置實現改變，覆土盤作用是經覆土輪、鎮壓輪的覆土鎮壓作用后將未回流土壤再次進行覆土。覆土盤與覆土輪在同一豎直線上，與覆土輪接觸的要回流土壤位置相同，當開出土壤到達覆土盤位置時，絕大部分土壤已被覆土輪、鎮壓輪覆土鎮壓、經過覆土鎮壓的土壤壓實度高，覆土盤不與開出土壤產生接觸、摩擦，造成空轉。其安裝位置如圖6所示。

將攪龍裝置與覆土盤裝置進行對比可知：攪龍裝置的作用時間點是在開溝裝置進行開溝作業的同時，工序連接滯后系數非常低；與回流土壤的有效接觸面積較大，充分地將土壤輸送回溝中；輸送土壤的物理特性比較松軟，與攪龍葉片的接觸面積大，摩擦作用較好。攪龍裝置設計配合覆土壓實輪系組合可較好地將回流土壤輸送到溝中，實現良好的土壤回流效果。

覆土盤的作用時間點是在覆土輪、鎮壓輪進行完覆土鎮壓作用后，當回流土壤到達覆土盤時，土壤已經被覆土輪、鎮壓輪覆土鎮壓，土壤壓實度較高，與回流土壤的有效接觸面積非常小，覆土效果不明顯。覆土盤裝置與覆土輪作用相同，理論上沒有存在的必要。

綜合分析比較，攪龍裝置較覆土盤有較好的輸送土壤作用，選擇攪龍裝置配合覆土鎮壓輪系組合為覆土鎮壓輪系功能結構單體。

圖6　覆土盤安裝位置

4.2　攪龍轉速參數仿真分析

選取攪龍作為回流土壤輸送裝置，針對攪龍的轉速參數應用AIP軟件中運動仿真模塊分析確定。導入攪龍裝置三維模型和土壤模擬塊，設置自動承接由裝配約束環境中轉化仿真環境中機構狀態約束，攪龍

裝置與土壤模擬塊受力類型采用3Dcontact約束；創建約束后，查看機構狀態，確保不出現冗余。機械裝置狀態和冗余如圖7所示。由運行仿真播放器，設置整個運動過程為5.0s，模擬過程中產生圖像個數設置為500，過濾值為1。攪龍裝置仿真過程如圖8所示。

圖7　機械裝置狀態和冗余

圖8　攪龍裝置仿真過程

運行仿真播放器，分別取值轉速為500、700、900、1 100、1 300、1 500(°)/s，調取土壤模塊軸向速度的顯示值，如圖9所示。

圖9　土壤模塊軸向速度顯示結果

由圖9可知：6種不同轉速參數下得出的土壤模塊軸向速度顯示曲線均呈現出到達一定速度時會下降，隨后趨于穩定；由圖9(c)、(e)、(f)可知:土壤在攪龍運動過程中因碰撞會發生翻滾現象。以各個穩定后軸向速度為準，觀察攪龍轉速與土壤軸向速度之間的關系，如圖10所示。

圖10　攪龍轉速與土壤軸向速度關系

由圖10可知：當土壤生成速度一定時，土壤模塊的軸向速度隨著攪龍轉速的增加而增加，適當地增加攪龍的轉速可提高土壤的回流效率。土壤輸送效率跟土壤本身物理特性和攪龍參數有關，計算公式為

式中Qm—土壤輸送效率(kg/s);

Nm—螺旋轉數(r/s);

γm—攪龍中土壤的容重(kg/m3);

ψm—攪龍中土壤的充填系數;

Dm—螺旋直徑(m);

Sm—螺旋螺距(m)；

dB—螺旋軸直徑(m)。

f—土壤與螺旋葉片之間的摩擦因數。

通過理論計算和軟件仿真對攪龍轉速參數進行分析，確定作業過程中攪龍轉速設置為1 300(°)/s。攪龍裝置的設計與覆土鎮壓輪系共同完成果樹苗木的覆土壓實工序，確保土壤回流率和土壤的壓實程度。

5　田間試驗

試驗于2016年11月初在河北蠡縣試驗田進行，試驗苗木為3年生的楊樹苗和1年生的蘋果樹苗，主要選取1年生蘋果樹苗進行試驗和數據采集處理。蘋果苗木的規格要求：苗木高度1.0m以上，地徑0.8cm以上，根系完整，無明顯機械損傷。圖11為田間試驗現場圖。

隨機選取50株作為一組試驗，取4組。數據記錄如表1所示。

圖11　田間試驗

試驗號測定株數倒伏株數合格株數150149250050350050450149

經計算，栽植倒伏率為1%，栽植合格率為99%。

6　結論

果樹苗木移栽機的性能滿足設計要求，土壤壓實度良好；覆土鎮壓輪系單體功能結構設計合理，栽植合格率高。