果樹苗木栽植機(jī)覆土鎮(zhèn)壓輪系單體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

宋帥帥，殷夢(mèng)杰，楊　欣，李建平

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)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(chǎn)先進(jìn)國(guó)家普遍采用的栽培技術(shù)，也是我國(guó)現(xiàn)代水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向[1-2]。近幾年，國(guó)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(yōu)質(zhì)果樹苗木。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)果樹苗木移栽的方式主要是挖坑機(jī)輔助或手動(dòng)挖坑方式定點(diǎn)栽植，也有少量果園采用開溝模式，即在開溝基礎(chǔ)上進(jìn)行的人工覆土和鎮(zhèn)壓土等工序，效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，成本高[3-4]。國(guó)外的果樹苗栽植機(jī)在當(dāng)?shù)剡m應(yīng)性較好，但對(duì)我國(guó)的果樹苗木適應(yīng)性較差，具有明顯的技術(shù)推廣地域局限性[4]。

為此，本文對(duì)果樹苗木移栽機(jī)覆土鎮(zhèn)壓輪系單體功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論研究和參數(shù)設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)覆土鎮(zhèn)壓輪系也進(jìn)行了研究，許多研究者設(shè)計(jì)了覆土、鎮(zhèn)壓作用于一體的覆土鎮(zhèn)壓輪裝置。本文在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)地調(diào)研和農(nóng)戶要求，設(shè)計(jì)了采用覆土輪、鎮(zhèn)壓輪分別進(jìn)行覆土、鎮(zhèn)壓作用的輪系組合。

1　覆土鎮(zhèn)壓輪系單體功能結(jié)構(gòu)與組合原理

1.1　功能結(jié)構(gòu)

覆土鎮(zhèn)壓輪系單體結(jié)構(gòu)主要由錐形覆土輪、圓形鎮(zhèn)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(jù)園藝要求，采用錐形覆土輪、圓形鎮(zhèn)壓輪獨(dú)立單元分別進(jìn)行覆土鎮(zhèn)壓作用的組合設(shè)計(jì)，并增設(shè)了攪龍裝置，充分保證開溝裝置開溝產(chǎn)生的土壤回流。根據(jù)不同果樹苗木根系結(jié)構(gòu)的差異，對(duì)壓實(shí)度也有不同的要求，設(shè)計(jì)了錐形覆土輪調(diào)節(jié)裝置、圓形鎮(zhèn)壓輪調(diào)節(jié)裝置，通過調(diào)節(jié)裝置，可有多種栽植覆土度和壓實(shí)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(diào)節(jié)裝置在縱向位置上的位移變化實(shí)現(xiàn)不同覆土程度；圓形鎮(zhèn)壓輪利用調(diào)節(jié)桿的控制活動(dòng)機(jī)架上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同的壓實(shí)度的作用；攪龍裝置將未回流的土壤進(jìn)行輸送。

1.機(jī)架　2.錐形覆土輪　3.圓形鎮(zhèn)壓輪4.鎮(zhèn)壓輪調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)　5.覆土輪調(diào)節(jié)機(jī)

2　覆土輪參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1　錐形角

覆土輪錐形角度設(shè)計(jì)與開出溝的形狀有關(guān)。開溝裝置進(jìn)行開溝作業(yè)時(shí)，分向兩側(cè)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(duì)土堆施加側(cè)向力，將土壤擠壓到溝中，實(shí)現(xiàn)覆土功能。錐形角度的大小根據(jù)土壤回流前形成的土堆三角參數(shù)確定。土壤休止角與土壤的粘性、顆粒大小等物理特性有關(guān)，鎮(zhèn)壓輪錐形角度設(shè)計(jì)要小于土壤的休止角。當(dāng)錐形角大于或等于土壤休止角時(shí)，錐形輪與回流土壤沒有接觸部分，覆土輪對(duì)土壤不產(chǎn)生擠壓作用，因此錐形角的設(shè)計(jì)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(duì)覆土輪擠壓土壤進(jìn)行靜力學(xué)分析，選取覆土輪錐形邊上任意點(diǎn)為研究對(duì)象，忽略覆土輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)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(shù)關(guān)系式為

(2)

式(2)與式(1)聯(lián)合平衡方程得：θ=52°。

2.2　覆土輪寬度

覆土輪寬度根據(jù)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(chǎn)生的壓強(qiáng)越小，難以到達(dá)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(zhuǎn)動(dòng)勢(shì)必受到影響，起不到擠壓土壤的作用。在實(shí)際工作中，土壤的“粘結(jié)”程度不同，因此本文從理論上對(duì)避免傷苗、覆土輪與回流土壤受力等因素進(jìn)行分析，結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和后期的試驗(yàn)，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(nèi)圓直徑?jīng)Q定了覆土輪的結(jié)構(gòu)大小。內(nèi)圓直徑過大，不能滿足農(nóng)藝的安裝要求；內(nèi)圓直徑過小，作業(yè)過程中的滑移率上升，導(dǎo)致覆土輪與回流土壤接觸面積小，不發(fā)揮擠壓作用。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和經(jīng)驗(yàn)，確定覆土輪內(nèi)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(zhèn)壓輪參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1　鎮(zhèn)壓輪寬度

鎮(zhèn)壓輪寬度根據(jù)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(jì)算，最大直徑一般不超過20mm，兩側(cè)鎮(zhèn)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(shí)面積隨著鎮(zhèn)壓輪與土壤接觸面積的變化而變，鎮(zhèn)壓輪寬度越小，鎮(zhèn)壓輪與土壤的接觸面積越小，土壤的壓實(shí)面積越小，但壓實(shí)度隨著壓實(shí)面積的減小而增大。綜合考慮農(nóng)藝要求，確定鎮(zhèn)壓輪寬度是85mm。

3.2　鎮(zhèn)壓輪直徑D

在同樣輪重的情況下，輪徑越小，拉力和壓實(shí)度越小，壓實(shí)效果不佳，作業(yè)過程中容易出現(xiàn)滑移；輪徑越大，更容易傳動(dòng)，壓實(shí)度越大，同時(shí)較少作業(yè)過程中的滑移現(xiàn)象，壓實(shí)效果良好[5-6]。鎮(zhèn)壓輪接地情況如圖4所示。

接地面積計(jì)算公式為[7]

(3)

式中D-鎮(zhèn)壓輪直徑(mm)；

B-鎮(zhèn)壓輪寬度(mm)；

Z0-鎮(zhèn)壓輪下陷量(mm)。

鎮(zhèn)壓輪直徑應(yīng)用公式[8]為

(4)

式中D-鎮(zhèn)壓輪直徑(mm)；

F-鎮(zhèn)壓輪自身重力及附加載荷(N)；

f-鎮(zhèn)壓輪與土壤的摩擦因數(shù)；

Wr-軸套中的摩擦力矩(N·M)。

結(jié)合果樹苗木栽植機(jī)的性能要求，確定鎮(zhèn)壓輪的直徑為380mm。

圖4　鎮(zhèn)壓輪接地情況

4　攪龍裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

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(zhèn)壓輪接觸不到的地方會(huì)產(chǎn)生部分余留。針對(duì)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(zhèn)壓輪靠后位置安裝覆土盤裝置進(jìn)行強(qiáng)化回落土壤。兩種設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)輸送功能。在覆土輪前方、開溝裝置內(nèi)側(cè)安裝攪龍裝置，在開溝過程中攪龍裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)速與具體的安裝位置有關(guān)。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(nèi)側(cè)，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(dāng)開溝裝置入土?xí)r，地面與攪龍葉片接觸，攪龍轉(zhuǎn)動(dòng)開始輸送土壤。兩端通過固定裝置分別固定與第1級(jí)懸掛機(jī)架和第2級(jí)底盤機(jī)架上。根據(jù)攪龍裝置的安裝位置確定攪龍葉片的長(zhǎng)度，要求保證葉片長(zhǎng)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(zhuǎn)速不宜過快或過慢，開溝速度等于拖拉機(jī)機(jī)組前進(jìn)速度。當(dāng)攪龍轉(zhuǎn)速高于開溝速度時(shí)，相當(dāng)于開溝裝置還未開溝而攪龍已經(jīng)開始工作，致使沒有土壤輸送，造成空負(fù)荷運(yùn)動(dòng)，浪費(fèi)動(dòng)力；轉(zhuǎn)速過慢相當(dāng)于攪龍沒有轉(zhuǎn)動(dòng)，并未及時(shí)有效地輸出土壤，也就失去了攪龍裝置的意義。當(dāng)輸送對(duì)象物理速度一定時(shí)，攪龍自身轉(zhuǎn)速越高，則輸送對(duì)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(dāng)攪龍自身轉(zhuǎn)速一定時(shí)，軸向輸送速度隨著輸送對(duì)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(chǎn)生向下方向的一定速度，攪龍裝置輸送對(duì)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(fā)，攪龍的轉(zhuǎn)速與拖拉機(jī)前進(jìn)速度比定為1.5～2，攪龍轉(zhuǎn)速由液壓馬達(dá)控制。

2)覆土盤安裝設(shè)計(jì)在鎮(zhèn)壓輪之后，通過覆土盤一定角度設(shè)定及轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)改變，覆土盤作用是經(jīng)覆土輪、鎮(zhèn)壓輪的覆土鎮(zhèn)壓作用后將未回流土壤再次進(jìn)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(dāng)開出土壤到達(dá)覆土盤位置時(shí)，絕大部分土壤已被覆土輪、鎮(zhèn)壓輪覆土鎮(zhèn)壓、經(jīng)過覆土鎮(zhèn)壓的土壤壓實(shí)度高，覆土盤不與開出土壤產(chǎn)生接觸、摩擦，造成空轉(zhuǎn)。其安裝位置如圖6所示。

將攪龍裝置與覆土盤裝置進(jìn)行對(duì)比可知：攪龍裝置的作用時(shí)間點(diǎn)是在開溝裝置進(jìn)行開溝作業(yè)的同時(shí)，工序連接滯后系數(shù)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(shè)計(jì)配合覆土壓實(shí)輪系組合可較好地將回流土壤輸送到溝中，實(shí)現(xiàn)良好的土壤回流效果。

覆土盤的作用時(shí)間點(diǎn)是在覆土輪、鎮(zhèn)壓輪進(jìn)行完覆土鎮(zhèn)壓作用后，當(dāng)回流土壤到達(dá)覆土盤時(shí)，土壤已經(jīng)被覆土輪、鎮(zhèn)壓輪覆土鎮(zhèn)壓，土壤壓實(shí)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(zhèn)壓輪系組合為覆土鎮(zhèn)壓輪系功能結(jié)構(gòu)單體。

圖6　覆土盤安裝位置

4.2　攪龍轉(zhuǎn)速參數(shù)仿真分析

選取攪龍作為回流土壤輸送裝置，針對(duì)攪龍的轉(zhuǎn)速參數(shù)應(yīng)用AIP軟件中運(yùn)動(dòng)仿真模塊分析確定。導(dǎo)入攪龍裝置三維模型和土壤模擬塊，設(shè)置自動(dòng)承接由裝配約束環(huán)境中轉(zhuǎn)化仿真環(huán)境中機(jī)構(gòu)狀態(tài)約束，攪龍

裝置與土壤模擬塊受力類型采用3Dcontact約束；創(chuàng)建約束后，查看機(jī)構(gòu)狀態(tài)，確保不出現(xiàn)冗余。機(jī)械裝置狀態(tài)和冗余如圖7所示。由運(yùn)行仿真播放器，設(shè)置整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程為5.0s，模擬過程中產(chǎn)生圖像個(gè)數(shù)設(shè)置為500，過濾值為1。攪龍裝置仿真過程如圖8所示。

圖7　機(jī)械裝置狀態(tài)和冗余

圖8　攪龍裝置仿真過程

運(yùn)行仿真播放器，分別取值轉(zhuǎn)速為500、700、900、1 100、1 300、1 500(°)/s，調(diào)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(jié)果

由圖9可知：6種不同轉(zhuǎn)速參數(shù)下得出的土壤模塊軸向速度顯示曲線均呈現(xiàn)出到達(dá)一定速度時(shí)會(huì)下降，隨后趨于穩(wěn)定；由圖9(c)、(e)、(f)可知:土壤在攪龍運(yùn)動(dòng)過程中因碰撞會(huì)發(fā)生翻滾現(xiàn)象。以各個(gè)穩(wěn)定后軸向速度為準(zhǔn)，觀察攪龍轉(zhuǎn)速與土壤軸向速度之間的關(guān)系，如圖10所示。

圖10　攪龍轉(zhuǎn)速與土壤軸向速度關(guān)系

由圖10可知：當(dāng)土壤生成速度一定時(shí)，土壤模塊的軸向速度隨著攪龍轉(zhuǎn)速的增加而增加，適當(dāng)?shù)卦黾訑圐埖霓D(zhuǎn)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(shù)有關(guān)，計(jì)算公式為

式中Qm—土壤輸送效率(kg/s);

Nm—螺旋轉(zhuǎn)數(shù)(r/s);

γm—攪龍中土壤的容重(kg/m3);

ψm—攪龍中土壤的充填系數(shù);

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(shù)。

通過理論計(jì)算和軟件仿真對(duì)攪龍轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行分析，確定作業(yè)過程中攪龍轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 300(°)/s。攪龍裝置的設(shè)計(jì)與覆土鎮(zhèn)壓輪系共同完成果樹苗木的覆土壓實(shí)工序，確保土壤回流率和土壤的壓實(shí)程度。

5　田間試驗(yàn)

試驗(yàn)于2016年11月初在河北蠡縣試驗(yàn)田進(jìn)行，試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集處理。蘋果苗木的規(guī)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(jī)械損傷。圖11為田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

隨機(jī)選取50株作為一組試驗(yàn)，取4組。數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

圖11　田間試驗(yàn)

試驗(yàn)號(hào)測(cè)定株數(shù)倒伏株數(shù)合格株數(shù)150149250050350050450149

經(jīng)計(jì)算，栽植倒伏率為1%，栽植合格率為99%。

6　結(jié)論

果樹苗木移栽機(jī)的性能滿足設(shè)計(jì)要求，土壤壓實(shí)度良好；覆土鎮(zhèn)壓輪系單體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，栽植合格率高。