便攜式起苗機(jī)研發(fā)

合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 蘭明陽(yáng) 徐瑞 王流彬 司博文 劉博涵

引言

目前城市綠化工作多采用人工移植在苗圃集中培育的苗木的方式，將苗木在苗圃培育4～5年后進(jìn)行移植，此時(shí)已形成密集的根系和一定的樹(shù)冠和枝葉，為了保證苗木移植成活率，一般采用土球移植法進(jìn)行苗木移植，即需要在苗木的根部留有一定尺寸的土球，土球的端面大多呈弧狀，且土球要保持完整[1]。我們現(xiàn)研發(fā)的便攜式起苗機(jī)具有裝置體積小、成本低、操作方便，可在狹小的空間內(nèi)和山地上進(jìn)行樹(shù)苗移植作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，可用于苗圃移植、城市綠化、果木種植等，非常適合當(dāng)下我國(guó)苗圃移植作業(yè)，應(yīng)用市場(chǎng)前景遠(yuǎn)大。

1 國(guó)內(nèi)外起苗機(jī)的現(xiàn)狀

國(guó)外苗木起苗裝備發(fā)展較早，基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化起苗作業(yè)，主要裝備有簡(jiǎn)易型起苗鏟、振動(dòng)式起苗機(jī)、多功能聯(lián)合起苗機(jī)等，其中聯(lián)合起苗機(jī)可一次性完成起苗、抖土、輸送、收集等多道工序，在市場(chǎng)上擁有更好的產(chǎn)品性能優(yōu)勢(shì)[2]，但其造價(jià)也高，引進(jìn)工作艱難，不滿(mǎn)足老百姓物美價(jià)廉的需求。

最早的便攜式起苗機(jī)為日本油鋸式起苗機(jī)。該類(lèi)型的起苗機(jī)將油鋸的鏈條進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)應(yīng)用于切削土壤與樹(shù)根。2013年8月亞瑪森特種鏈鋸有限公司推出了一款油鋸式起苗機(jī)，采用密集型硬質(zhì)合金鏈條作為切削部件，最大切削深度可達(dá)90 cm，適用于胸徑30cm以下的樹(shù)木，平均切削時(shí)間為2～3min。該移植機(jī)在性能上有了很大的提升，但仍存在所需汽油機(jī)功率較大，鏈鋸易損壞及更換昂貴等缺點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)起苗機(jī)的研發(fā)雖然起步較晚，但是發(fā)展速度較快。國(guó)內(nèi)苗木機(jī)械化起苗技術(shù)與裝備經(jīng)過(guò)不斷研發(fā)、優(yōu)化和創(chuàng)新，涌現(xiàn)出單鏟式起苗機(jī)、振動(dòng)式起苗機(jī)、翻轉(zhuǎn)雙側(cè)起苗機(jī)等多種機(jī)型，起苗效率和效果都在逐漸提高[3-4]。國(guó)家對(duì)綠化提出了更高的需求，同時(shí)各類(lèi)果園、苗圃的樹(shù)木的起苗量越來(lái)越多，傳統(tǒng)的起苗方式受限于挖掘工具及人力條件的不足，不可避免地會(huì)傷及樹(shù)根，這無(wú)疑會(huì)直接影響果樹(shù)移植的成活率。為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)的旺盛需求和解決傳統(tǒng)樹(shù)苗移植的問(wèn)題，我們小組在指導(dǎo)教師的幫助下開(kāi)始了這一便攜式起苗機(jī)的研發(fā)，力求滿(mǎn)足樹(shù)苗移植的要求。

2 便攜式起苗機(jī)的研究方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

研發(fā)的便攜式起苗機(jī)重量大約為20公斤，是由兩人操作。起苗機(jī)用小型汽油機(jī)作為動(dòng)力，在輸出端安裝有減速箱，將發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行減速增扭，減速箱的輸出軸端安裝有主動(dòng)鏈輪，在減速箱上安裝有刀架總成，在刀架總成的末端裝有被動(dòng)鏈輪，在主動(dòng)鏈輪和被動(dòng)鏈輪上裝有挖掘土球的鏈條刀。圖1為便攜式起苗機(jī)傳動(dòng)示意圖，圖2為便攜式起苗機(jī)總圖。

圖1 便攜式起苗機(jī)傳動(dòng)示意圖

圖2 便攜式起苗機(jī)總圖

從圖2可看出，便攜式起苗機(jī)汽油機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上主要由四個(gè)部分構(gòu)成，即：汽油機(jī)、變速箱、鏈條刀總成、刀架總成。這四大部件和一些輔助部件就構(gòu)成便攜式起苗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)。

2.1.1 汽油機(jī)

汽油機(jī)采用本田GX160單缸4沖程汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，排量為163ml/m，最大功率為4Kw，采用強(qiáng)制風(fēng)冷，輸出軸逆時(shí)針旋向，額定轉(zhuǎn)速為3600r/m，額定功率為3.53Kw,最大輸出扭矩為10.78N/m（轉(zhuǎn)速為2500r/m）。

2.1.2 減速箱

減速箱的總裝配圖如圖3所示，主要由10個(gè)零部件構(gòu)成。即：①減速箱體②減速箱蓋③主動(dòng)齒輪軸④被動(dòng)齒輪⑤主動(dòng)鏈輪⑥唇形骨架油封⑦深溝球軸承6204⑧隔套⑨輸出軸⑩普通平鍵。

圖3 減速箱總成

件1減速箱通過(guò)減速箱體上的螺釘與汽油機(jī)固連，另一端與刀架總成連接。減速箱體主要起容納減速箱各個(gè)零部件和連接刀架總成的作用。箱體采用鑄鋼，壁厚為5mm。件3主動(dòng)齒輪軸通過(guò)平鍵安裝在汽油機(jī)的輸出軸上，將汽油機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳遞到件4被動(dòng)齒輪上，主動(dòng)齒輪軸的模數(shù)為2，齒數(shù)為18。件4為被動(dòng)齒輪與件3主動(dòng)齒輪軸嚙合，起到減速增扭的作用，件4的齒數(shù)為36齒，模數(shù)為2。件7深溝球軸承6204有2件，尺寸為47*20*14mm(外徑*內(nèi)徑*厚度)。由于件3與件4為圓柱直齒輪嚙合，因此件3在件4被動(dòng)齒輪上只有徑向力，沒(méi)有軸向力產(chǎn)生，因此采用深溝球軸承。

2.1.3 鏈條刀總成

鏈條刀總成是整個(gè)便攜式起苗機(jī)的工作部件，汽油機(jī)的動(dòng)力最終是傳遞到鏈條刀總成上，鏈條刀的作用有：其一，挖開(kāi)土壤，沿著樹(shù)木四周挖開(kāi)一道空隙，空隙的寬度為30mm，這道空隙為斜著向下，便于在樹(shù)根上形成土球；其二，切開(kāi)土壤中的石塊和切斷樹(shù)根。整個(gè)總成的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示，主要由件1左外切刀、件2右外切刀、件3左內(nèi)切刀、件4右內(nèi)切刀和件5滾子鏈條構(gòu)成。

圖4 鏈條刀總成

圖5 刀架總成

件5滾子鏈為10A型，長(zhǎng)度為96節(jié)，國(guó)標(biāo)號(hào)為GB/T1243-2006。件1、件2、件3和件4四種切刀是安裝在件5滾子鏈上，安裝時(shí)是將滾子鏈的外鏈片取下，將四種切刀裝上。工作時(shí)，兩種內(nèi)切刀在垂直鏈條移動(dòng)方向上間距很小，只有不到2mm，便于切開(kāi)土石塊和切斷樹(shù)根，兩種外切刀的刀口間距為30mm，可以挖開(kāi)土壤。

2.1.4 刀架總成

刀架總成是安裝在減速箱上，用于支撐鏈條刀總成。因?yàn)殒湕l刀總成是在刀架總成上旋轉(zhuǎn)，挖土和切斷時(shí)的力都作用在刀架總成上，所以刀架總成需要一定的剛度和強(qiáng)度。刀架總成主要由：1主動(dòng)鏈輪、2刀架、3張緊螺釘、4被動(dòng)鏈輪等。如圖6所示。

件1主動(dòng)鏈輪安裝在減速箱的輸出軸上，通過(guò)普通平鍵連接；件2刀架上有兩個(gè)U形螺釘孔，通過(guò)螺釘固定在減速箱上；件3張緊螺釘是通過(guò)兩個(gè)螺母并緊在見(jiàn)刀架上，是用于張緊鏈條刀總成的；件4被動(dòng)鏈輪與件1主動(dòng)鏈輪的齒形和齒數(shù)相同，都是配用滾子鏈10A，節(jié)距為15.875mm，齒數(shù)為13齒。由于被動(dòng)鏈輪始終在泥土中工作，因此鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)處采用全密封結(jié)構(gòu)。

2.2 安裝和調(diào)整

2.2.1 安裝:便攜式起苗機(jī)本體安裝結(jié)束后，還需要安裝一些輔助件，比如擋泥板、操作把手和支架等。

2.2.2 調(diào)整:當(dāng)鏈條刀總成使用一段時(shí)間后，鏈條的銷(xiāo)軸會(huì)磨損，鏈片孔會(huì)變大，鏈條刀總成會(huì)變長(zhǎng)，就無(wú)法工作了，就需要調(diào)整，這種調(diào)整實(shí)際上就是對(duì)滾子鏈進(jìn)行重新張緊。滾子鏈變長(zhǎng)不多時(shí)，調(diào)整刀架總成中的件2張緊螺釘，使得滾子鏈張緊；當(dāng)滾子鏈變得較長(zhǎng)時(shí)，僅靠調(diào)節(jié)張緊螺釘無(wú)法張緊時(shí)，此時(shí)的調(diào)整步驟：松開(kāi)刀架總成中的件2張緊螺釘→松開(kāi)刀架總成上的2個(gè)U形孔上螺釘→取下鏈條刀總成→去除2個(gè)鏈節(jié)→裝上鏈條刀總成→拉緊刀架總成、張緊鏈條刀總成→上緊2個(gè)U形孔上螺釘→調(diào)整張緊螺釘

3 研發(fā)創(chuàng)新點(diǎn)

（1）在汽油機(jī)的輸出端增加減速箱，使得輸出降速增扭，克服汽油機(jī)由于輸出轉(zhuǎn)速太高，無(wú)法順利完成挖土工作的缺點(diǎn)；（2）在鏈條刀總成上按照一定的次序安裝四種切刀，使得鏈條刀能夠挖土的同時(shí)，具有切開(kāi)石塊和樹(shù)根的功能；（3）鏈條刀總成受力復(fù)雜，會(huì)受到拉力、沖擊力等，鏈片和切刀磨損快，采用高強(qiáng)度耐磨鋼NM400制造；（4）被動(dòng)鏈輪在泥土中工作，采用全密封結(jié)構(gòu)，避免鏈條刀損壞，干擾正常工作；

4 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)苗圃機(jī)械化作業(yè)程度較低，而實(shí)現(xiàn)苗圃生產(chǎn)機(jī)械化是現(xiàn)代林業(yè)的重要標(biāo)志之一，果苗苗木起苗機(jī)可提高育苗生產(chǎn)效率、降低苗木生產(chǎn)成本，其設(shè)計(jì)加工應(yīng)符合林業(yè)機(jī)械新時(shí)期的發(fā)展要求[5]。經(jīng)過(guò)小組研發(fā)和實(shí)踐，便攜式起苗機(jī)滿(mǎn)足新時(shí)期的發(fā)展要求，預(yù)計(jì)會(huì)為樹(shù)苗移植貢獻(xiàn)綿薄之力。