雙行蘋果矮化苗木涂藥除萌裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動分析

殷夢杰，楊　欣，宋帥帥

(河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北　保定　071001)

0　引言

蘋果矮砧密植栽培是目前國際上先進的蘋果栽培模式，近年來在我國得到示范推廣。其中，在矮化中間砧蘋果苗木培育和蘋果矮砧栽培農(nóng)藝要求方面，有關(guān)苗木嫁接后的管理技術(shù)要點中強調(diào)：剪砧后從砧木基部容易發(fā)出大量萌蘗，需要多次及時除去，避免和接芽爭奪養(yǎng)分[1-5]。為保證品種純正、質(zhì)量合格，對嫁接苗還需要及時追肥灌水、防病除蟲、生長季節(jié)除雜去劣。為保證苗木的健康成長，除萌是嫁接管理技術(shù)中必不不可少的步驟[4]。目前，多數(shù)蘋果苗木嫁接過程中仍采用人工除萌方式，耗時費力，增加成本，且由于人工作業(yè)技術(shù)熟練程度的不同，不能達到良好的除萌效果。為了降低勞動成本，提高勞動效率，苗木除萌機械化技術(shù)越來越受到重視。本文針對矮化中間砧蘋果苗木剪砧除萌的技術(shù)需求，設(shè)計了大面積蘋果樹苗木涂藥除萌的專用裝置，采用機械裝置代替人工除萌，可以降低勞動強度和成本，并提高除萌效率和質(zhì)量。

1　總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　除萌農(nóng)藝要求

蘋果矮化苗木是指在蘋果實生砧木上嫁接具有一定矮化特性且具有一定長度的中間砧，然后在中間砧上嫁接優(yōu)良蘋果品種接穗進行繁育的苗木。蘋果矮化苗木培育一般需要經(jīng)過3年：第1年播種海棠籽等進行實生苗培育；第2年嫁接中間砧實現(xiàn)果樹致矮作用；第3年嫁接蘋果品種進而培育成品苗。圖1所示為蘋果矮化中間砧部分，長大約為400～450mm。在嫁接中間砧后的培育過程中，中間砧木上不能萌芽生枝。因此，需要在中間砧木段上涂抹除萌液體，除萌液體可有效抑制中間砧木段上萌芽，從而促進蘋果品種芽的生長發(fā)育。

圖1　蘋果苗木矮化中間砧

1.2　作業(yè)要求

蘋果矮化苗木除萌裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要滿足矮化中間砧蘋果苗木培育技術(shù)的要求[6]，機具必須與苗木除萌技術(shù)要求相適應(yīng)，農(nóng)機與農(nóng)藝要求相結(jié)合。該蘋果矮化苗木除萌裝置需保證涂藥部分在果樹距離地面150～400mm左右。中間砧損傷率不能超過6%，涂抹后要做到不空缺，涂抹覆蓋率要達到95%，同時保證藥液涂抹后，中間段砧木上,藥液向下流的棵樹百分比小于7%。田間預設(shè)行距為650mm左右，株距15～20mm左右。作業(yè)田間情況如圖2所示，所測數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2　田間情況圖

Table 1　Field data mm

1.3　主要參數(shù)

主要作業(yè)參數(shù)如表2所示。由于沒有存在相關(guān)文獻對除萌效果進行定義參數(shù)，根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求，定義主要設(shè)計參數(shù)，并定義其達到除萌的效果參數(shù)數(shù)值。主要設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表2　單體作業(yè)主要參數(shù)

表3　主要設(shè)計參數(shù)

1.4　除萌機械總體結(jié)構(gòu)

除萌裝置結(jié)構(gòu)主要由機架和除萌單體組成。除萌單體主要包括端板、清洗對輥、前端涂刷對輥、后端涂刷對輥、砧木導向部等5個部分，如圖3所示。砧木清洗部之前設(shè)置了砧木導向部，以便保證成行種植的苗木能夠準確地進入到砧木清洗部中，導向部成喇叭口狀，同時設(shè)置有向下彎折的下部折邊。折邊的設(shè)置使得導向板與砧木的接觸位置均為平滑面，從而有效避免了砧木被導向板劃傷的情況出現(xiàn)。頂座端板呈梯形，以方便與其他部件的連接。

3組對輥為蘋果矮化苗木除萌機械單體的主要工作部件，包括設(shè)置在支架上的砧木清洗部和設(shè)置在砧木清洗部之后的除萌液涂刷部。前端涂刷對輥和后端涂刷對輥分別從相反的兩個方向?qū)φ枘颈砻孢M行除萌液的涂刷，最大程度地保證了除萌液在砧木上涂抹到位，有效避免了除萌液漏刷的現(xiàn)象出現(xiàn)。砧木清洗部及涂藥部均有6對齒輪之間的不同嚙合進行驅(qū)動作業(yè)。砧木清洗部的設(shè)置保證了除萌液在砧木上涂抹的更為均勻。該單體的輥輪外部均采用纖維棉結(jié)構(gòu)纏繞，該種纖維棉結(jié)構(gòu)的設(shè)計做到了在保證均勻涂抹的情況下不損傷樹木，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.端板　2.清洗對輥　3.前端涂刷對輥4.后端涂刷對輥　5.砧木導向部

圖4　纖維棉結(jié)構(gòu)

1.5　工作原理

進行除萌作業(yè)時，除萌機械由兩組單體組成，輥輪的轉(zhuǎn)速及方向由電機驅(qū)動，蘋果矮化苗木中間砧通過動力裝置帶動支架向前移動。此時，位于支架前方的砧木將先經(jīng)過導向部的導向作用進入第1道間隙，也就是進入砧木清洗部，間隙距離為10～30mm；在清洗對輥上毛刷的刷洗作用下，表面的灰塵被清洗干凈，以方便除萌液的涂抹；隨著支架的移動，砧木進入第2道間隙即除萌液涂刷部，在涂刷對輥上涂液毛刷的作用下，除萌液被涂抹到砧木相應(yīng)位置上。通過夾持機構(gòu)對在一定浮動范圍內(nèi)調(diào)整的苗木進行涂藥除萌，輥輪在與苗木接觸進行涂藥作業(yè)時要做到不損傷苗木，并且所涂抹的0～15cm藥液要保證均勻涂抹，做到既能保證作業(yè)效果，又不造成藥液浪費的基本要求。

2　模型建立與運動分析

2.1　三維模型建立

2.1.1三維模型的建立

單體由清洗對輥、前端涂刷對輥、后端涂刷對輥、端板、砧木導向部等結(jié)構(gòu)組成。單體經(jīng)連接件和U型螺栓固定在帶有懸掛裝置的安裝框架上，安裝框架上設(shè)有2組直流五缸隔膜泵，并設(shè)有多組直流電機調(diào)速器，用來控制滾輪的速度與轉(zhuǎn)向。

在AIP軟件中按1:1建立主要部件初始設(shè)計的三維裝配體模型，所有零件均采用參數(shù)化建模，零件之間添加正確的裝配關(guān)系達到模型全約束，確保后續(xù)更新零件結(jié)構(gòu)參數(shù)(寬度、厚度、角度等)時裝配體的拓撲關(guān)系不會發(fā)生改變[7-8]。

2.1.2設(shè)置零件材料屬性

雙行除萌裝置的整體框架材料采用Q235A。為了在后續(xù)工作中便于快降低阻力、節(jié)省材料，端板、清洗對輥、前端涂刷對輥、后端涂刷對輥、砧木導向部等均選Q235A，其屈服強度為235MPa，極限拉伸強度為500MPa。在AIP中設(shè)置了材料屬性，而滾輪外部結(jié)構(gòu)是蘸取藥液部分設(shè)計初期采用纖維棉材料，由于在AIP中無法設(shè)置線狀材料，工作中對線狀材料進行效果試驗。為了快速更新模型，利用參數(shù)化功能建立了尺寸驅(qū)動關(guān)聯(lián)關(guān)系[7]。材料的選用原則是：在保證除萌效果良好、不損傷蘋果矮化苗木中間砧的前提下，保證材料選用的經(jīng)濟性。

2.2　運動學分析

2.2.1運動理論分析

除萌機械工作時，滾輪一邊旋轉(zhuǎn)，一邊隨機架前進，因此滾輪的絕對運動是小軸旋轉(zhuǎn)和機架前進兩種運動的合成，其運動軌跡是擺線。以小軸旋轉(zhuǎn)中心為原點建立坐標系，x軸正向和除萌機械前進方向一致，y軸正向垂直向下，如圖5所示。設(shè)除萌機械前進速度為vm，小軸旋轉(zhuǎn)角速度為ω,在滾輪上取點A，開始時所取點位于前方水平位置與x軸正向重合，則所取點A運動方程為

x=Rcosωt+vmt

(1)

y=Rsinωt

式中R—所取點轉(zhuǎn)動半徑；

t—時間。

圖5　運動分析

式(1)表示了點A的絕對速度，其運動軌跡隨著R、ω和vm的不同而具有不同的形狀和特性。將式(1)對時間求導數(shù)，可以求得點A在x軸和y軸方向的分速度，即

vx=dx/dt=vm-Rωsinωt

vy=dy/dt=Rωcosωt

點A絕對速度v的大小為

(2)

其中，Rω=vp是點A的圓周線速度。

令λ=vp/vm=Rω/vm，λ稱為速度比，表示點A圓周速度與除萌機械前進速度的比值，其大小對除萌對輥運動軌跡及除萌機械工作狀況有重要影響。則

λ=Rω/vm

vx=vm-Rωsinωt=vm(1-λsinωt)

如果λ<1，即vp0。即點A的水平分速度始終與除萌機械前進方向相同，其運動軌跡是短擺線，這時會對苗木造成損傷，不能達到良好的除萌效果。

如果λ>1，則當輥輪上所取點A轉(zhuǎn)動到一定位置時，就會出現(xiàn)vx<0的情況。即點A的絕對運動的水平分速度與除萌機械前進方向相反，能夠做到不損傷苗木。只要vx<0，整個過程都可滿足這個條件。λ>1時，運動軌跡為余擺線，如圖6所示。余擺線由有1個繞扣，MN為繞扣的最大橫弦，在最大橫弦以下，均有vx<0，λ越大，繞扣越大，λ=1時，繞扣消失[9]。由于除萌機械工作時為保證作業(yè)效果均勻，輥輪上各點的運動軌跡都應(yīng)是余擺線，即其圓周速度應(yīng)大于除萌機械前進速度。當圓周速度等于除萌機械前進速度時，輥子在中間砧上輕輕滾過，也能保證除萌效果。

圖6　擺線圖

2.2.2模型建立

本文將對滾的自身轉(zhuǎn)動與相對地面前進的運動特征相結(jié)合，在仿真軟件中建立模型，如圖7所示。定義相應(yīng)運動副，添加滾輪相對地面的移動副，并添加滾輪相對小軸的旋轉(zhuǎn)副。

2.2.3參數(shù)定義

滾輪與小軸的結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼，初始選取拖拉機前進速度為1.7km/h，通過不斷改變滾輪的旋轉(zhuǎn)速度得到不同的余擺線，驗證了理論分析的正確性，驗證結(jié)果如圖8所示。

圖7　模型建立圖

圖8 　驗證結(jié)果

3　試制與試驗

經(jīng)過多次分析及優(yōu)化，雙行蘋果矮化苗木除萌涂藥裝置結(jié)構(gòu)得到最終確定，生產(chǎn)廠家對涂藥裝置結(jié)構(gòu)樣機進行了生產(chǎn)制造。2017年3月，在保定蠡縣進行試驗，對蘋果矮化苗木中間砧損傷率、除萌后中間砧向下流出藥液液滴棵樹占總數(shù)百分比及涂抹覆蓋率進行了測量與計算。本次試驗共進行5次，其中4組當齒輪向內(nèi)嚙合，兩邊滾子跟隨齒輪同時向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，試驗結(jié)果良好，達到預期要求，如圖9所示。

圖9　除萌試驗

當改變電機方向、滾子轉(zhuǎn)向相反時，造成砧木部分破損，如圖10所示。

圖10　損傷圖

表4為所得試驗數(shù)據(jù)，驗證了試制理論的正確性。

表4　除萌實驗數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

1) 雙行蘋果矮化苗木涂藥除萌裝置作為主要研究對象，應(yīng)用AIP軟件對其進行了三維建模設(shè)計，對安裝框架進行安全性分析，結(jié)果表明：單體工作性能良好，涂抹覆蓋率達到95%，中間砧損傷率小于6%，中間砧藥液下流率小于7%，能夠滿足除萌要求，驗證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性。通過運動學分析及仿真操作，驗證了試驗的可行性及理論的正確性。由于采用三維參數(shù)化設(shè)計方法，對于加工制造過程中提出的問題能夠及時、快速修改，縮短了設(shè)計時間，提高了樣機開發(fā)效率。

2) 設(shè)計了一種雙行蘋果矮化苗木中間砧除萌機械，代替了以往人工除萌作業(yè)的方式，保證了剪砧后及時抹除萌芽和萌蘗，進而保證了蘋果樹接芽苗的健壯生長。該機有效降低了人工的勞動強度，提高了除萌液的涂抹效率，還可有效防止除萌液漏涂的現(xiàn)象發(fā)生，有效地提高了除萌質(zhì)量，對蘋果矮化苗木繁育的發(fā)展起到了一定的促進作用。