振擺式起苗清土一體機結構設計與田間試驗

霍鵬，李建平，楊欣，許述財，范曉文

（1.河北農業(yè)大學機電工程學院，河北 保定071000；2.清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京100084）

隨著水果產業(yè)的發(fā)展，我國已成為世界第一果 品生產大國。果苗苗木培育正向標準化和規(guī)?；较虬l(fā)展[1]，果園機械化也成為果品生產的必然趨勢，而果苗出圃機械化作為果品生產的重要一步，引起了學者們的廣泛關注。劉俊峰[2]為培育標準化、規(guī)格化的矮化中間砧成品蘋果苗，根據(jù)苗木出圃的技術要求，設計了“L”型起苗鏟的蘋果成品苗起苗機，在起苗深度317.5 mm、工作幅寬650 mm、作業(yè)速度1.11 m/s 的條件下進行田間試驗，所起苗木根系完整，苗木皮層無損傷，且降低了人工起苗的勞動強度，省工省時；陳桂宏等[3]研發(fā)了一種以農林業(yè)機械制造技術設計小型苗木挖取機的新型技術方案，提高了苗木移植的機械化程度，仿真優(yōu)化的鏟片減小了挖掘阻力，降低了動力消耗；于慧春等[4]對甘草起苗機進行結構設計并通過田間試驗對其工作性能進行測試，結果發(fā)現(xiàn)，所設計的三角形主鏟與翼型延長鏟形成的組合起苗鏟，可有效地切斷甘草主根，并且有利于漏土，減少機具質量和作業(yè)時與土壤的摩擦阻力，而圓犁刀可有效切斷纏繞在一起的須根，避免立柱前的壅土和纏草；曾劍鋒[5]對影響苗木聯(lián)合起苗機工作性能的苗木類型、苗木生長狀況、土壤環(huán)境和氣候條件等因素以及起苗刀的性能參數(shù)等進行了詳細的分析和研究，并建立了根土分離的力學模型，通過三維軟件Pro/E 完成了起苗機的建模；路志坤等[6]設計了采用側置鏟偏牽引的方式進行挖掘起苗的蘋果樹專用起苗機，田間試驗和挖掘作業(yè)結果表明，所起苗木根部規(guī)格統(tǒng)一，作業(yè)質量符合園藝要求。還有一些學者對現(xiàn)有起苗機的關鍵部件進行了改進，如：李建平等[7]針對應用QM-500型果樹苗木起苗機對蘋果矮化苗木出圃時需要人工將斷根后的苗木拔出等問題，設計了由振動機構、傳動系統(tǒng)等構成的根系土壤分離裝置，試制并裝配在QM-500型果樹苗木起苗機上，田間試驗表明，當曲柄偏心距e為52 mm，擺角φ為13.72°，行程速度變化系數(shù)K為1.02，極限夾角θ為2.03°時，起 苗 作 業(yè) 效 率 達1.6 株/s，節(jié) 省 人 工50.85%，實現(xiàn)了蘋果苗木起苗機械輕簡化作業(yè)；楊欣等[8]通過有限元分析獲得了內支撐三維應力、變形和安全系數(shù)，并根據(jù)分析結果改進起苗鏟結構，試制樣機起苗試驗表明，改進的起苗鏟工作阻力小，起苗作業(yè)可靠，達到了預期作業(yè)性能指標要求；王雙成等[9]根據(jù)不同土壤特性及根系狀況要求，設計了可改變振幅的振動機構，通過ANSYS Workbench 模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，機構的固有頻率從106.07 Hz 逐漸變大到307.79 Hz，而頻率對機構穩(wěn)定性及工作性能有很大的影響。

本研究針對現(xiàn)有蘋果苗木出圃時遇到的起苗與清土作業(yè)不規(guī)范及人工參與作業(yè)多的問題，設計了蘋果苗木出圃的振擺式起苗清土一體機，通過對關鍵部件的有限元分析及田間試驗論證設計的可靠性，以期為后續(xù)開展起苗清土裝置的設計研發(fā)提供參考。

1 起苗清土系統(tǒng)結構設計

1.1 結構總成

振擺式起苗機主要包括減速機、主傳動鏈、支傳動鏈、起苗裝置、機架、振擺式清土裝置、起苗鏟。利用三維建模軟件AIP 進行建模，起苗機清土裝置如圖1 所示。主要設計參數(shù)如下：匹配動力為65 kW，起苗方式為起苗清土聯(lián)合作業(yè)，掛接方式為后三點懸掛，起苗深度為200～350 mm（可調），起苗寬度為650 mm，株距為350～400 mm，作業(yè)速度為3.6 km/h，作業(yè)苗木種類為蘋果苗，作業(yè)機械操作人員為2人。

1.2 工作原理

圖1 起苗清土系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structural diagram of seedling lifting and soil cleaning system

使用New Holland T4.85F 型拖拉機，通過動力輸出軸帶動起苗裝置、清土裝置等工作部件運作。起苗機采用后三點懸掛方式作業(yè)，并控制好作業(yè)速度與方向。如圖1所示：動力由拖拉機動力輸出軸輸出后傳遞到減速機，一部分通過主傳動鏈傳遞到清土裝置以完成清土過程，另一部分通過支傳動鏈傳遞到起苗裝置以完成起苗過程；整個起苗清土系統(tǒng)由機架支撐；當起苗系統(tǒng)運行時，起苗裝置與起苗鏟將苗木由土中提起，并向車輛前進后方運輸，同時，清土裝置進行擺動清土，完成起苗清土機械化過程。機組可一次性實現(xiàn)起苗、運苗、清土等一系列作業(yè)工序，完成起苗作業(yè)。該機操作簡單，適應性良好。

2 關鍵部件設計

2.1 起苗裝置

起苗裝置由起苗鏟、運苗皮帶及動力傳輸部件組成。運苗皮帶及動力傳輸裝置如圖2所示。左右皮帶各長4.5 m，均由2個帶輪支撐，中間分布8個導輪；皮帶之間的距離為2 cm，由導輪和彈簧控制。運苗時彈簧被拉伸，苗木傳輸?shù)侥┒?，彈簧收縮，皮帶回到初始位置。

起苗裝置運行時，動力經鏈條傳遞到錐齒輪變速箱，然后傳送到伸縮萬向節(jié)傳動軸，再到運苗皮帶；起苗鏟將帶土苗木由土壤起出，經運苗皮帶運送時，由彈簧拉伸控制帶輪支架偏移，使苗木受到足夠的壓力而不會掉落。

圖2 運苗皮帶及動力傳輸裝置Fig.2 Transportation belt and power transmission device

2.2 清土裝置

如圖3所示：振擺式清土裝置運行時，擺環(huán)將軸的單方向轉動轉化為擺動桿的往復擺動；清土桿由銷連接在機架上而進行擺動清土；擺動桿和連桿由軸承座連接到機架上。

圖3 振擺式清土裝置Fig.3 Shaking type soil cleaning device

由清土桿、球頭連桿、連桿及機架構成空間四桿機構（rotating pair, spherical pair, spherical pair and rotating pair,RSSR），該機構構建簡圖如圖4所示。

圖4 空間四桿機構簡圖Fig.4 Diagram of spatial four-bar mechanism

使用方向余弦矩陣法[10]，建立如下4 個右手直角坐標系：以桿OA始端O為坐標1的原點O和轉軸為z1軸建立坐標系Ox1y1z1；以輸入桿a轉折處A點為坐標2的原點，與桿OA的重合線為y2軸建立坐標系Ax2y2z2；以桿轉折處A點為坐標3的原點，與桿AB的重合線為x3軸建立坐標系Ax3y3z3；以輸出桿c轉折處D點為坐標4的原點，與桿CD的重合線為y4軸建立坐標系Dx4y4z4。

相對坐標系Ox1y1z1，坐標系Ax2y2z2是繞x1軸順時針轉過角度α，再沿新坐標系的y2軸平移長度LOA。相對坐標系Ax2y2z2，坐標系Ax3y3z3是繞y2軸順時針轉過角度β。相對坐標系Ox1y1z1，坐標系Dx4y4z4是沿x1軸平移長度LOD，然后繞z4軸逆時針旋轉角度γ。

由于清土裝置與其他機械部件的配合，通過空間四桿機構簡圖分析，將各設計變量進行參數(shù)化設計?？紤]極限工況時，允許輸出桿c擺角γ的范圍約為±16°，輸入桿a擺角β的范圍為±25°，輸入桿a與平行機架的傾角α選擇－20°或－15°，即清土桿的擺角范圍為±16°，擺動桿的擺角范圍為±25°，擺動桿的傾角選擇－20°或－15°。

通過空間四桿機構尺度綜合確定各桿長與擺動角度，并通過遺傳算法優(yōu)化得到機構的尺度參數(shù)。通過與實際需要的運動曲線擬合，發(fā)現(xiàn)第4 組和第7 組參數(shù)最能滿足清土裝置動作要求，優(yōu)化后所得清土裝置機構實際尺寸如表1所示。

表1 優(yōu)化后所得機構實際尺寸Table 1 Real size of the optimized mechanism

2.3 起苗鏟

在蘋果苗木培育和生產管理中，成品樹苗的挖掘是關鍵作業(yè)環(huán)節(jié)之一，而起苗鏟的設計關系到苗木出土的質量。本文參照文獻[8]將起苗鏟設計為“L”型，主要設計參數(shù)如表2所示。

起苗鏟通過三維建模軟件AIP 進行建模，如圖5所示。

表2 起苗鏟尺寸參數(shù)Table 2 Size parameters of seedling lifting shovel

圖5 起苗鏟設計圖Fig.5 Design drawing of seedling lifting shovel

3 有限元分析

由于起苗鏟的結構對起苗質量和起苗機作業(yè)性能的影響最直接，要求起苗鏟在作業(yè)時變形小于5 mm，因此，在HyperMesh 中創(chuàng)建虛擬土壤（1 000 mm×650 mm×300 mm），對起苗鏟模型和土壤模型進行四面體網格劃分。定義起苗鏟材料Q235 對應的材料屬性為MATL1（*MAT_ELASTIC），密度ρ=7.9×103kg/m3，楊氏模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3[11]。定義土壤對應的材料屬性為MATL5（*MAT_SOIL_AND_FOAM），其基本參數(shù)設置如表3所示，采用自由劃分網格方式進行四面體網格劃分。

圖6 仿生起苗鏟仿真結果Fig.6 Simulation results of bionic seedling lifting shovel

將土壤模型底端進行約束，起苗鏟的移動速度定義為3.6 km/h，起苗鏟定義為指定主面（MSID），耕深選擇200 mm，土壤定義為指定從面（SSID）。起苗鏟與土壤之間的接觸選擇面面侵蝕接觸（*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFAC E），此接觸能夠保證土壤表面單元在切削失效的情況下程序自動定義新的接觸面[12]。

表3 土壤材料參數(shù)Table 3 Soil material parameters

將設置好的K文件導入到LS-DYNA中進行求解。仿生起苗鏟的仿真結果如圖6 所示，其最大等效應力為5.026 Mpa，最大等效應變?yōu)?.141。

由于最大應力發(fā)生在鏟尖處，考慮到“L”型起苗鏟的立刃接觸面積小，導致應力集中，因此，對起苗鏟立刃結構進行優(yōu)化。如圖7 所示，最大等效應力為0.238 MPa，最大等效應變?yōu)?.663，變形遠小于設計要求的5 mm，滿足設計要求。

4 田間試驗

根據(jù)苗木分級指標與標準《主要造林樹種苗木》（GB 6000—1985）規(guī)定，合格苗分為Ⅰ和Ⅱ級，由地徑和苗高2項指標確定；當苗高、地徑不屬同一等級時，以地徑所屬級別為準?？紤]到該設計主要用于蘋果苗木出圃且蘋果樹為闊葉樹，將苗高小于20 mm 設為Ⅰ級，高于上述高度以地徑為主確定等級。近年來，由于多推廣矮化中間砧木苗，苗木由基砧、中間砧和接穗品種3部分嫁接而成[13]，苗高大于200 mm，因此，本文以地徑為準，即考察苗木根系，將闊葉樹根系長度在100～400 mm之間設為Ⅰ級。

圖7 仿生起苗鏟優(yōu)化結果Fig.7 Optimization results of bionic seedling lifting shovel

為驗證起苗機上新型振擺式清土裝置的工作性能，2019年11月在河北省蠡縣小陳鄉(xiāng)苗圃基地進行田間試驗。將清土裝置第4組和第7組結構參數(shù)應用到起苗機上進行試驗，并與搭載傳統(tǒng)平面連桿機構起苗機[14]的起苗效果進行對比。參照文獻[13,15]的方法，選在無風的陰天對蘋果苗木進行起苗，若土壤干燥需提前1 周灌水，否則會對根系尤其是根須造成嚴重損傷，最后起出的苗木根系主根長度保留在120～150 mm之間且根須茂密，苗株傷害率控制在3%水平以下。

本次田間試驗配套55.2 kW的拖拉機，苗木選擇二年生“三優(yōu)”矮砧蘋果成品苗，主根深150～400 mm。搭載第4組、第7組優(yōu)化空間四桿機構清土裝置和搭載平面四桿機構清土裝置的3種起苗機分別在2.0和3.6 km/h 2種前進速度下，耕深200 mm，對6行共60棵生長情況近似的苗木進行作業(yè)。對起出的苗木主根進行測量，結果見表4。由主根平均長度可知，新型起苗清土裝置較傳統(tǒng)裝置所起苗木主根較長，主根保留較完整，且長度均在120～150 mm 之間，2種機型所起苗木均符合起苗農藝要求。

表4 田間試驗作業(yè)結果Table 4 Field test results

5 結論

1）本文針對現(xiàn)有蘋果苗木出圃時遇到的起苗與清土作業(yè)不規(guī)范、人工作業(yè)參與多的問題，設計了蘋果苗木出圃的振擺式起苗清土一體機，降低了果園起苗的作業(yè)勞動強度，節(jié)省了果園成本，提高了果園經濟效益。

2）關鍵部件起苗鏟的仿真優(yōu)化結果滿足設計要求，其最大等效應力由5.026 Mpa降為0.238 MPa，最大等效應變由2.141 降為0.663，整體變形遠小于設計要求的5 mm。

3）田間試驗結果表明，基于空間四桿機構尺度綜合設計的起苗清土裝置相較于傳統(tǒng)平面四桿機構起苗效果良好，所起苗木主根長度保留完整，對苗株傷害較低。說明新型裝置穩(wěn)定性較好，滿足設計要求。