喬木幼苗自動植樹機機械結構設計

馮 博，張學嬌，任呈祥

（1.唐山鋼鐵集團有限責任公司熱軋事業部，河北 唐山 063000；2.廊坊展翔精密機械有限公司，河北 廊坊 065001；3.華升富士達電梯有限公司，河北 廊坊 065001）

0 引言

隨著全球變暖越來越嚴重，沙漠化已經成為不可忽視的全球性挑戰。沙漠化涉及100 多個大國、10億多人口，幾乎覆蓋了全球三分之一的土地，其中亞洲、非洲等一些發達經濟體的土地更加嚴重，這一點也更加凸顯了沙漠化的嚴重性[1-4]。由于強烈的大風，土地風蝕荒漠化更加嚴重，同時也加劇了中國土地的荒漠化程度[5-7]。

三北防護林體系工程在中華人民共和國改革開放政策下，自1978 年啟動至今，已完成前五期工程建設任務，獲得了令全球關注的巨大成果。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）工程均實現了預期效果，而第六期工程也在積極推動中[8-13]。隨著三北地區的植被恢復，森林覆蓋率不斷提高，該地區的環境質量得到極大的改善，同時也帶來了巨大的生態、經濟、社會價值，為當地的農業可持續發展及居民的福祉帶來積極的影響。因此，推廣機械化、自動化發展生態防護林具有重大的社會意義。基于此，本文提出了一種喬木幼苗自動植樹機構，并主要對抓放苗裝置、捧土覆土裝置和植苗機驅動方式進行了設計。

1 整體設計

在全自動植樹機控制系統設計的過程中，需要從實際需求出發，認真規劃設計思路，并對全自動植樹機控制系統進行貼合實際的、系統的分析，從而提出正確的控制系統的具體設計方案。

1.1 抓放苗機構設計

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構有兩種設計方案，具體如下。

方案一：采用機械手送苗，如圖1 所示。整個設計由齒輪箱、機械手、限位開關等組成。采用電機作為動力源，由齒輪箱傳導，控制一副機械手運動實現抓取，可以通過兩個限位開關來精確控制機械手的兩個極限位置。但是由于機械手的結構復雜，成本也相對較高，因此實際應用比較少。

圖1 抓放苗機構1

方案二：采用曲柄搖桿式撥苗機構，如圖2 所示。整個設計由轉軸、齒輪-連桿、機架、苗箱等組成，且機架與苗箱相連，其特征在于采用了一種簡易的曲柄搖桿機構，可以通過控制搖桿對苗箱中的樹苗進行投放。這個設計旨在提高植物投放速度、擴大覆蓋范圍。

圖2 抓放苗機構2

方案二的曲柄搖桿機構雖然結構簡單，操縱起來也更加容易，但是其投放精準度難以控制，容易在投放過程中對植物幼苗產生損壞，對植物幼苗生長存活產生負面影響，導致其生產效率不夠理想。綜合考慮，方案一可以實現精準控制，因此本文采用方案一的抓放苗機構設計。

1.2 捧土覆土裝置設計

捧土覆土裝置是一種用來確保苗木生長良好的設備，它能夠將土壤壓實，從而提高苗木的存活率。它的使用質量直接關系到苗木的存活率。

本文設計的捧土覆土裝置包括機架、液壓缸、連桿和模擬人體的模型。它的工作原理通常是通過液壓缸來調節操縱方向，而模擬人體的模型可以更有效地將泥沙捏合在一起。此外，這種設備的施加力量呈斜向，能夠更有效地使泥沙按照需求進行分布，有助于植物的健康生長。如圖3 所示，可以看到一個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

在這個設計中，采用了一種特殊的橡膠覆蓋的鎮壓輪，如圖4 所示。這種材料既能提高覆土鎮壓的效率，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。同時，為了滿足各種工作條件的需求，在連桿的一端設計安裝了一個壓力彈簧，它能夠控制鎮壓輪的位置，使其能夠穩定地貼合地面，并且能夠根據需要隨時調節其壓力，從而防止由于預緊力太強而導致土壤板結。

圖4 覆土鎮壓輪

1.3 植苗機驅動方式設計

為使植苗機構達到最佳運行狀態，需要優化液壓馬達系統的設計，植苗機液壓系統原理圖如圖5所示。本植樹機的設計主要面對喬木幼苗胸徑為5 cm~6 cm，高度為1 m~1.5 m 的植樹過程，在路的兩側或大面積苗圃中進行工作，植樹機一次裝載后需要種植的數量在100 棵左右。根據植物生長需求，將植物的株距p調整為1 m~3 m，將操作車輛的行駛速率調整到2 km/h~6 km/h，并將植物的播種速率調整到5 s/棵，最終栽植6 棵植物的株距是120 mm，以此計算植苗機構達到最佳運行狀態的參數，選擇最優型號的傳動液壓馬達，以保證植苗機構的最佳性能。

圖5 植苗機液壓系統原理圖

投苗速度計算公式如下：

帶輪轉速計算公式如下：

拖拉機行走速度計算公式如下：

經過計算發現，當帶輪轉速達到57.6 r/min 時，宜采用400 mL/r 的傳動液壓馬達，這樣喬木幼苗自動植樹機構就能夠實現0.864 km/h~2.25 km/h的最佳性能。通過對喬木幼苗自動植樹機抓放苗裝置、捧土覆土裝置和植苗機驅動方式進行設計，使得喬木幼苗自動植樹機滿足了種植要求。

2 結論

傳統的人工植樹方式效率低下，人工作業辛苦，且樹苗成活率低。基于此，本文提出了一種喬木幼苗自動植樹機構，主要對抓放苗裝置、捧土覆土裝置和植苗機驅動方式進行了設計。本文設計的抓放苗裝置成本較低，且具有投放精度高、幼苗存活率高的優點，同時配合捧土覆土裝置能保證較高的種植速度與效率。長期以來，我國一直十分關注生態綠化領域的建設與發展，并在這方面取得了不少成果，研究設計了諸多高效、先進、多樣化的植樹機械。隨著社會經濟的發展以及人們生態意識的增強，需要在生態綠化領域付出更多的努力，以應對更多挑戰。同時，積極推廣生態防護林的機械化、自動化種植技術，有助于實現更高的生態、經濟、社會價值。