一种树木移植机器的设计与理论分析

陆畅

（北京市汇文中学，北京 100062）

Research and Exploration | 研究与探索·探讨与创新

一种树木移植机器的设计与理论分析

陆畅

（北京市汇文中学，北京 100062）

随着我国城市文明建设的推进，成树绿化需求也越来越大，而树木移植机使得成树移植过程实现了标准化和模块化，大大提升了工作效率。本文首先设计了一种复合式的树木移植机械设备并对该机器的工作过程进行详细的介绍。该设备由车体、摆臂、车厢、树木起吊装置四部分组成，其中存在的两个机械手能分别完成树木挖掘和树木固定转移的功能；通过对树木移植机下铲阻力的探讨，并结合下铲阻力的经验公式，系统地分析了下铲阻力变化规律和影响因素，用以指导选择合适的动力设备和液压设备。

树木移植机；机械手铲刀；下铲阻力；力学理论模型

近年来，随着我国城市建设的迅速发展，小树苗已经不能适应城市发展的需要，成树绿化的需求越来越大，对应的林业机械化进程也日益加快。树木移植机是首先在美国出现的一种新型植树机械，其主要用途是能快速方便地移栽树木，最大限度的提高移栽树木的成活率。树木移植机是依靠自身或外部设备提供的液压力来完成工作的，工作时由多片铲刀分别入土使根部土壤形成一个半圆锥形的土球，合拢的铲刀在液压力作用下连同根部的土球一起提升，完成成树的挖掘和移植工作。在使用树木移植机之前，我国的树木移植工作都是靠人工完成，劳动工作强度大，工作效率低且成本较高。而目前，国内树木移植机的研究工作已取得重大进展，已经能生产出具有自主知识产权的产品。树木移植机按挖掘铲的形状可分为直铲式、弧形铲式和半圆球形铲；按照配套动力的挂接方式可分为车载式树木移植机、汽车拖车、轮式或履带式装载机驱动树木移植机。

目前成树移栽基本上采用的是挖掘机挖掘和人工挖掘两种方式，挖掘机挖掘树木会对树木本身造成伤害，而人工挖掘费时费力成本高。成树移栽问题体现在以下方面：树龄高：细胞再生能力差，树体活力低；树体高：水养分难以输送到树的顶部；树体土球重：难以吊装与搬运；树体面积大：难以与树木一起搬运；树体是活体：吊带很难在树体某一部分强力受力；树干粗大：运输较难。

本文首先设计了一种能快速方便移栽树木的机器设备，该设计能快速方便地移栽树木，使得移栽树木工作实现标准化、模块化，整个过程更加方便快捷，降低劳动强度，提高移栽树木的成活率。将卡车与移树器相结合，实现树木掘出后的即时运输与移栽，方便快捷。大大减少树木转运的时间与次数；其次通过对树木移植机下铲阻力的探讨，结合下铲阻力的经验公式求解阻力变化曲线，用以指导选择合适的动力设备和液压设备。

1 树木移植机器设备的设计特点

本小节主要给出树木移植机器设备的结构设计特点，重点突出本设计的优势及工作过程。如下图1(a)所示，所设计的树木移植卡车主要由车体、摆臂、车厢、树木起吊装置四部分组成。该机器中存在两个机械手，车体前端机械手带有类似于铁锹头（6个）的抓手，可以伸缩可以移动，每个铁锹头带有锯齿，可锯断树根，使用时按下按钮，铁锹头抓手向下插入土中，将树根斩断。车体前段挖掘成树的机械手结构如图1(b)所示，该机械手能将挖起的成树转移到卡车的车厢中，用图1(a)中所示的机械手臂固定成树，然后转移到指定位置。车体为卡车和挖掘机结合车型，具有挖掘机适应各种路面的行驶能力，兼有卡车的行驶速度和载物功 能，同时增加轮毂数量，以减少对土壤的单位压强。

图1

特别地，图1(b)中的六爪树木移栽器由液压缸、位置探测器、合拢器、带锯齿的挖掘爪等元件组成。工作时，两边合拢器张开将树包裹起来，进行合拢，合拢完毕后再由位置探测器确定树干的中心位置，六个爪慢慢的向下向内合拢实现树木的移出。当树木被带起到一定高度，可以将袋子套在六爪树木移栽器底部，实现对树木根部的保护，提高成活率。图1(a)中的树木抓取机械手则主要是在完成树根部包装后，悬空抓取待移栽树木，辅助主工作头挖坑，实现快捷移栽，该工作体系运用xyz体系，准确定位数目，提高效率，具有记忆功能识别功能，根据树木树干直径，准确定位每一棵树木，提 高工作效率。铲刀机械手和树木抓取机械手的结构分别如下图2(a)和(b)所示。

图2

2 树木移植机下铲阻力理论模型

针对不同类型的树木移植过程，选择合适的动力设备和液压设备至关重要，而机器设备提供的动力则主要是使六片锹铲式铲刀分别入土使树根部土壤形成一个半圆锥形土球，合拢的铲刀在液压力作用下连同土球一起提升，完成树木移植工作。铲刀从入土到合拢过程中受力复杂。

本小节通过对土壤与树木移植机系统的内在作用关系进行分析，采用可移植树木铲刀下铲阻力的经验公式对其影响因素进行系统的分析，试图系统的分析下铲阻力的影响因素和变化曲线，为树木移植机的动力系统和液体系统的选取提供理论指导。

图3

从系统分析的观点出发，研究者建立了直铲式树木移植机与各个影响因子之间的定量描述，考虑到移植现场土质条件通常比较复杂，树木移植机的铲刀机械手下铲速度比较低，因此在下铲过程中常常可以忽略惯性项的影响，给出了下铲阻力的经验公式如下式：

= 时，结合式(1)可以得到下铲阻力与下铲位移量的关系如下图3(a)所示，显然可得下铲阻力随着下铲位移的增大而增大。由于树木移植机在不同工况下工作时，土壤的材质会有较大的差别，一般来讲，土壤容重变化范围较小，而不同土质的土壤内聚力则有较大的区别，进一步讨论下铲阻力随土壤内聚力变化曲线如下图3(b)所示。综合分析来看，树木移植机的动力系统至少需要提供几十甚至上百千牛的动力才 能较好的完成任务。

3 结语

通过树木移植机移植树木，可明显减小树木的死亡率，提升工作效率，改善作业条件，有效的推动城市绿化建设。本文设计了一种复合式的树木移植机械设备并对该机器的工作过程进行详细的介绍，该设备由车体、摆臂、车厢、树木起吊装置四部分组成，其中存在的两个机械手能分别完成树木挖掘和树木固定转移功能；并结合铲刀下铲过程阻力的经验公式系统的分析了挖掘机械手臂在作业时的影响因素，给出了下铲阻力随下铲位移和土壤内聚力的变化关系，为机械设备动力系统和液压系统的选择提供了理论基础。

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