矮化蘋果樹防風(fēng)固定裝置的設(shè)計

李春燕，丁 航，劉浩浩，張文兵，史穎剛，劉 利，趙西寧（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

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矮化蘋果樹防風(fēng)固定裝置的設(shè)計

李春燕，丁 航，劉浩浩，張文兵，史穎剛，劉 利，趙西寧
（西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

摘 要：基于矮化蘋果樹的物理特征及生長條件，在傳統(tǒng)用鐵絲直接固定樹干方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種矮化蘋果樹防風(fēng)防倒伏的調(diào)節(jié)裝置。該裝置能夠有效地對樹干進(jìn)行固定，可防止矮化蘋果樹在刮風(fēng)下雨等惡劣環(huán)境下發(fā)生大幅度搖擺，同時避免了傳統(tǒng)方法中鐵絲對果樹的損傷以及倒伏對矮化蘋果樹根系造成的損傷。

關(guān)鍵詞：矮化蘋果樹；防倒伏；固定方法；卡緊裝置

矮化蘋果樹的植株較矮，根系弱于喬化蘋果，樹干細(xì)，開始掛果以后，受風(fēng)面積增大，在風(fēng)力過大的情況下，果樹容易傾倒或折斷，使產(chǎn)量降低。隨著種植面積的推廣，矮化蘋果樹根系淺、易倒伏的弊端越來越明顯。因此，防風(fēng)、防倒伏是矮化蘋果樹種植過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。

矮化蘋果樹傳統(tǒng)的固定方法是將果樹綁在一根鋼管上，而鋼管采用貫穿整個果園的鐵絲固定。在果樹生長過程中，這樣的固定方式會使樹干產(chǎn)生勒痕，影響樹木的正常生長；且需要人工來調(diào)整、松綁鐵絲，勞動強(qiáng)度大；同時該方法的使用周期短，操作不方便，生產(chǎn)成本較高。因此，研究一種簡單有效、節(jié)省材料、易于調(diào)節(jié)的果樹固定裝置與方法十分必要。

1 矮化蘋果樹防風(fēng)固定方法

矮化蘋果樹的樹高2.5～3.0 m，樹干高度0.5～0.6 m，樹干直徑0.04～0.12 m；種植株間距1.3～1.5 m，行間距2.0～2.5 m［2］，種植密度170～228株/667m2［3］；種植2～3 a開始掛果，成長期內(nèi)，樹干直徑每年生長1 cm左右［4］。

研究設(shè)計的矮化蘋果樹固定方法如圖1所示。該固定方法，包括水泥柱、鐵絲、固定卡緊裝置和帆布帶。在矮化蘋果樹果齡4年時開始使用［5］，尤其是在掛果期。鐵絲型號為5，直徑為5.385 mm，表面鍍鋅，鐵絲安裝高度距地面1.2 m。用水泥柱固定，為防止塑性變形，各個水泥柱之間的行間距為10 m，帆布帶的安數(shù)大于12.5，帶寬30 mm，考慮到樹直徑，帆布帶有3種長度：10、15和20 cm，使用壽命12個月［1］。

圖1 矮化蘋果樹固定方法示意圖

帆布帶、固定卡緊裝置、鐵絲與樹干的連接關(guān)系如圖2所示。為防止對樹皮造成損傷，采用透氣、耐老化的帆布帶固定。帆布帶一側(cè)通過螺釘與內(nèi)殼伸出桿連接，另一端用防松螺母與雙頭螺柱配合，穿過帆布帶，與外殼連接，通過調(diào)節(jié)扣調(diào)節(jié)帆布帶的長度。固定卡緊裝置采用螺栓與后壓板配合安裝在鐵絲上。

固定卡緊裝置如圖3所示，主要有由內(nèi)、外殼和相關(guān)零件組成。外殼兩側(cè)有銷孔，橡膠蓋安裝于外殼凸臺上進(jìn)行防水。整個內(nèi)殼從右側(cè)裝進(jìn)，用擋板進(jìn)行密封。在內(nèi)殼桿上組合安裝兩個用于復(fù)位的大、小彈簧，復(fù)位大彈簧用于定位銷的復(fù)位，復(fù)位小彈簧使內(nèi)殼回到初始位置，并提供一定的彈力，使帆布帶對樹干產(chǎn)生較小的預(yù)緊力。銷的頂部傾斜角度為60°。銷上的長方形銷肩可防止定位銷從內(nèi)殼中彈出時斜面位置變化無法復(fù)位。定位銷與銷間彈簧的結(jié)構(gòu)示意，如圖4所示［6］。

圖2 固定卡緊裝置的連接示意圖

圖3 固定卡緊裝置

圖4 定位銷與壓縮彈簧的配合示意

2 固定卡緊裝置工作原理

在無風(fēng)或風(fēng)力較小時，復(fù)位小彈簧作用使內(nèi)殼處于初始位置，壓縮彈簧為壓縮狀態(tài)，定位銷壓縮在內(nèi)殼內(nèi)腔中。果樹自然生長時，樹干周長增加，拉動內(nèi)殼緩慢伸出，復(fù)位小彈簧被壓縮，因采用軟質(zhì)彈簧，復(fù)位小彈簧的彈力很小，帆布帶不會對樹干產(chǎn)生勒痕，所以此裝置不會影響果樹生長。定位銷從初始位置到外殼銷孔的距離，為果樹的生長提供余量，當(dāng)果樹樹干周長達(dá)到此距離，需要人工調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)扣放松，使內(nèi)殼回到初始位置。

當(dāng)風(fēng)力較大時，樹受風(fēng)力擺動，帶動帆布帶和內(nèi)殼克服復(fù)位小彈簧的力，使內(nèi)殼發(fā)生橫向位移，超過復(fù)位大彈簧的彈力時，銷受壓縮彈簧提供的彈力彈出，卡在銷孔的位置，承受剪切力且卡緊，限制樹的進(jìn)一步擺動，實現(xiàn)固定的目的。當(dāng)風(fēng)停止時，內(nèi)殼桿不受拉力，桿上處于壓縮狀態(tài)的復(fù)位大彈簧、復(fù)位小彈簧復(fù)位，給內(nèi)殼作用力，以復(fù)位大彈簧的作用力為主，使得定位銷從外殼的銷孔壓回，內(nèi)殼回到初始位置，保證對樹木生長不造成阻礙［7］。

3 固定卡緊裝置的使用與安裝

固定卡緊裝置的內(nèi)殼，有一個上面沒有端蓋的內(nèi)腔，先將定位銷與銷彈簧組裝好，安置在內(nèi)腔中；然后將復(fù)位小彈簧3（圖3）裝在內(nèi)殼桿上，復(fù)位大彈簧2（圖3）沿軸線方向裝入外殼內(nèi)腔；最后將內(nèi)殼從裝置的后側(cè)組裝上去。安裝時，按住定位銷，使其頂部與內(nèi)殼外壁相平（最多不能超過外殼內(nèi)壁，否則難以安裝），使內(nèi)殼伸出桿從前端的孔伸出，復(fù)位彈簧使內(nèi)殼處于正常位置，然后通過外殼導(dǎo)向槽安裝后板，在銷孔上安裝橡膠蓋，完成安裝。

參照圖2，固定卡緊裝置安裝時，帆布帶通過螺釘和雙頭螺柱，與裝置的內(nèi)殼和外殼相連，后板、橡膠皮與外殼通過螺栓相連，固定在樹干一側(cè)的鐵絲上。帆布帶的一側(cè)通過3個螺釘與內(nèi)殼桿連接，環(huán)繞樹干后，另一側(cè)通過雙頭螺柱與外殼的孔連接。裝置安裝在樹和鐵絲之間，帆布帶保持水平位置。

使用過程中，可以通過調(diào)節(jié)扣調(diào)節(jié)帆布帶的長度，滿足裝置與樹之間的距離要求。要求果農(nóng)一年一小檢，原因如下：裝置本身會為樹一年的生長提供周長變化余量，不會使帆布帶緊勒在樹上，小檢查看一下裝置的安全性，有沒有帆布帶和裝置外殼開裂等意外情況，或者裝置在鐵絲上的位置發(fā)生較大偏移；同時對意外損壞的裝置、帆布帶、螺釘、螺栓和螺母進(jìn)行更換。

4 關(guān)鍵部位的設(shè)計校核

4.1 銷的校核設(shè)計

在陜西省，矮化蘋果樹生長期所受風(fēng)力，一般為4～6級，按6級計算，風(fēng)速10.8～13.8 m/s?？紤]矮化蘋果樹的樹形，受風(fēng)力面積一般為2.6～3.75 m2，果樹所受風(fēng)力通過帆布帶傳遞給固定卡緊裝的內(nèi)外殼，繼而傳遞給銷，銷承受剪切力F=PS，得：Fmax=803.42 N。

選擇鋁合金3A21作為銷的材料，則許用拉應(yīng)力［σP］=175 MP，由經(jīng)驗公式知：切應(yīng)力τ =（0.5～0.7）×σP，［τ］=FS/A［8］；銷的直徑d1和截面積A有關(guān)系式：A=πd/4，計算得：d1≥2.42 mm。綜合考慮各方因素［8］，取銷的直徑d1=5 mm。

4.2 內(nèi)外殼尺寸設(shè)計

根據(jù)矮化蘋果樹樹干直徑，設(shè)計固定卡緊裝置的外殼，考慮防銹、切削性和耐腐蝕性，選用奧氏體型不銹鋼Y1Cr18Ni9作為材料，［σP］=520 MPa，外殼承受剪切力Fmax=803.42 N，由經(jīng)驗公式［σbs］=F/Abs= （0.5～0.7）×σP，考慮到擠壓接觸面積Abs、銷的直徑d1、內(nèi)外殼的厚度△δ，有關(guān)系式：Abs=πd1△δ/2，求得△δ≥0.78 mm。綜合考慮后［9］，取△δ=3 mm。

4.3 壓縮彈簧的設(shè)計校核

對銷的斜面進(jìn)行受力分析，使定位銷從銷孔中彈出，需滿足公式：F×（sin60°-μ sin30°）＞mg×（μ sin60°+sin30°），求得：F＞0.026 N。

5 結(jié) 論

設(shè)計的矮化蘋果樹防風(fēng)固定裝置具備受力時自動卡緊，不受力時自動放松的功能，既固定了果樹，又不干擾果樹生長，使用方便，設(shè)計小巧，節(jié)省材料，生產(chǎn)成本低。該裝置具有一定的通用性，可應(yīng)用于所有類似需抗倒伏的樹木。

參考文獻(xiàn)：

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［8］ 劉鴻文. 材料力學(xué)［M］. 北京：高等教育出版社，2011. 241-266.

［9］ 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計師手冊［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［10］ 邱宣懷. 機(jī)械設(shè)計［M］. 北京：高等教育出版社，2011.

［11］ 秦大同，謝里陽. 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計手冊彈簧設(shè)計［M］. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

（責(zé)任編輯：成 平）

中圖分類號：S628

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-060X（2016）06-0058-03

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.06.019

收稿日期：2016-04-06

基金項目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃（2015KTZDNY02-05）

作者簡介：李春燕（1994-），女，山東濰坊市人，本科生，農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化專業(yè)。

通訊作者：史穎剛

A Design of Dwarf Apple Trees’ Wind Fixture

LI Chun-yan，DING Hang，LIU Hao-hao，ZHANG Wen-bing，SHI Ying-gang，LIU Li，ZHAO Xi-ning
（College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest A&F University， Yangling 712100， PRC）

Abstract:Based on the physical characteristics and growth condition of dwarf apple trees， on the basis of traditional methods of fxed trunk with wire directly， a regulating device of dwarf apple trees’ wind resistant and anti-lodging was designed， which could be effectively fxed to the trunk. With this device， dwarf apple trees are not signifcant swing in harsh environments of the wind and rain， avoid wire damage to peel by traditional method， and prevent root damage caused by the dwarf apple trees’ lodging.

Key words:dwarf apple trees； a nti-lodging； f ixation； clamping means