苹果矮化苗木涂药除萌装置结构设计与分析

殷梦杰，杨 欣，王鹏飞，李建平，宋帅帅

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

0 引言

苹果矮砧密植栽培是目前国际上先进的苹果栽培模式，近年来在我国得到示范推广。其中在矮化中间砧苹果苗木培育和苹果矮砧栽培农艺要求中，对苗木嫁接后的管理技术要点中强调，剪砧后从砧木基部容易发出大量萌蘖，需要多次及时除去，避免和接芽争夺养分[1-5]；为保证品种纯正、质量合格，对嫁接苗还需要及时追肥灌水、防病除虫，在生长季节除杂去劣。为保证苗木的健康成长，除萌是嫁接管理技术中必不不可少的步骤[4]。目前，多数苹果苗木嫁接过程中仍采用人工除萌方式，耗时费力，成本高，同时由于人工作业技术熟练程度的不同，不能达到良好的除萌效果。为了降低劳动成本、提高劳动效率，苗木除萌机械化技术越来越受到重视。本文针对矮化中间砧苹果苗木剪砧除萌的技术需求，设计了大面积苹果树苗木涂药除萌的专用装置，代替人工除萌，旨在降低劳动强度和成本，并提高除萌的效率和质量。

1 总体结构与工作原理

1.1 除萌农艺要求

苹果矮化苗木是指在苹果实生砧木上嫁接具有一定矮化特性且具有一定长度的中间砧，然后在中间砧上嫁接优良苹果品种接穗进行繁育的苗木。苹果矮化苗木培育一般需要经过3年。第1年播种海棠籽等进行实生苗培育；第2年嫁接中间砧实现果树致矮作用；第3年嫁接苹果品种进而培育成品苗。图1所示为苹果矮化中间砧部分。矮化中间砧部分长大约为400～450mm。在嫁接中间砧后的培育过程中，中间砧木上不能萌芽生枝。因此，需要在中间砧木段上涂抹除萌液体，以有效抑制中间砧木段上萌芽，从而促进苹果品种芽的生长发育。

图1 苹果苗木矮化中间砧Fig.1 The chart of soil cross-section after stripping rot- ary tillage

1.2 作业要求

苹果矮化苗木除萌装置的结构设计主要满足矮化中间砧苹果苗木培育技术的要求[6-8]，机具必须与苗木除萌技术要求相适应，农机与农艺要求相结合。该苹果矮化苗木除萌装置需保证涂药部分在果树距离地面150～400mm左右，行距600mm左右，株距在100～150mm左右。中间砧损伤率不能超过6%，涂抹后要做到不空缺，涂抹覆盖率要达到95%；同时，保证药液涂抹后，中间段砧木上,药液向下流的棵树百分比小于7%。

1.3 主要参数

单体主要作业参数如表1所示。由于没有相关文献对除萌效果进行定义参数，因而根据相关农艺要求，定义主要设计参数(见表2)，并定义其达到除萌的效果参数数值。

表1 单体作业主要参数Table 1 The main parameters of the single operation

表2 主要设计参数Table 2 Main design parameters

1.4 除萌机械总体结构

除萌装置主要包括端板、清洗对辊、前端涂刷对辊、后端涂刷对辊、砧木导向部等5个部分，如图2所示。砧木清洗部之前设置了砧木导向部，以便保证成行种植的苗木能够准确地进入到砧木清洗部中，导向部成喇叭口状同时设置有向下弯折的下部折边，折边的设置使得导向板与砧木的接触位置均为平滑面，有效避免了砧木被导向板划伤的情况出现。顶座端板呈梯形，以方便与其他部件的连接。

3组对辊为苹果矮化苗木除萌机械单体的主要工作部件，包括设置在支架上的砧木清洗部和设置在砧木清洗部之后的除萌液涂刷部，前端涂刷对辊和后端涂刷对辊分别从相反的两个方向对砧木表面进行除萌液的涂刷，最大程度的保证了除萌液在砧木上涂抹到位，有效避免了除萌液漏刷的现象出现。砧木清洗部及涂药部均有6对齿轮之间的不同啮合进行驱动作业。砧木清洗部的设置保证了除萌液在砧木上涂抹的更为均匀。该单体的辊轮外部均采用纤维棉结构缠绕，做到了在保证均匀涂抹的情况下不损伤树木，其结构如图3所示。

(a)

(b) 1.端板 2.清洗对辊 3.前端涂刷对辊 4.后端涂刷对辊 5.砧木导向部 图2 涂药除萌装置主要结构组成Fig.2 The main structure of the applicator

图3 纤维棉结构Fig.3 Fiber cotton structure

1.5 工作原理

进行除萌作业时，苹果矮化苗木中间砧通过动力装置带动支架向前移动，此时位于支架前方的砧木将先经过导向部的导向作用进入第一道间隙，也就是进入砧木清洗部，间隙距离为10～30mm；在清洗对辊上毛刷的刷洗作用下，表面的灰尘被清洗干净，以方便除萌液的涂抹；随着支架的移动，砧木进入第二道间隙即除萌液涂刷部，在涂刷对辊上涂液毛刷的作用下，除萌液被涂抹到砧木相应位置上。通过夹持机构对在一定浮动范围内调整的苗木进行涂药除萌，为了不损伤苗木，辊轮在与苗木接触进行涂药作业，所涂抹的0～15kg药液要保证均匀涂抹，做到既能保证作业效果又不造成药液浪费的基本要求。

2 三维模型的建立与材料选择

2.1 单体三维模型

2.1.1 单体三维模型的建立

单体由清洗对辊、前端涂刷对辊、后端涂刷对辊、端板及砧木导向部等结构组成，单体经连接件和U型螺栓固定在带有悬挂装置的安装框架上，安装框架与拖拉机通过U型螺栓固定。

在AIP软件中按1∶1建立主要部件初始设计的三维装配体模型，所有零件均采用参数化建模，零件之间添加正确的装配关系达到模型全约束，确保后续更新零件结构参数(宽度、厚度、角度等)时装配体的拓扑关系不会发生改变[9-10]。

2.1.2 设置零件材料属性

为了在后续工作中降低阻力、节省材料，端板 、清洗对辊 、前端涂刷对辊、后端涂刷对辊及砧木导向部等均选Q235A，其屈服强度为235MPa，极限拉伸强度为500MPa。在AIP中设置了材料属性，而滚轮外部结构需蘸取药液部分，设计初期采用纤维棉材料，由于在AIP中无法设置线状材料，工作中对线状材料进行效果试验。为了快速更新模型，利用参数化功能建立了尺寸驱动关联关系[9]。材料的选用原则是保证除萌效果良好不损伤苹果矮化苗木中间砧的前提下保证材料选用的经济性。

2.2 安装框架

2.2.1 安装框架三维模型的建立

本文采用有限元的方法研究机架结构的受力情况。安装框架结构的几何模型是采用AIP三维设计软件建立的，安装框架主要包括单体挂接支撑部分和与动力装置挂接部分两部分，除萌单体通过挂接零件与动力部分相连接，并将构成安装框架结构的主要钢管厚度定义为变量，其余非主要部件厚度按实际结构定义为定量，最终在其Workbench模块进行应力分析。

2.2.2 有限元模型参数定义与网格划分

安装框架的结构材料为Q235钢，定义模型的参数为:密度ρ=7.85×103kg/m3，弹性模量E=2. 1 × 105MPa,泊松比μ= 0.25。把AIP三维设计软件导入其Workbench模块并对其进行自由网格划分，最终所得有限元模型元素为43 320，节点数为82 980，网格设置参数如图4所示。

图4 网格设置参数Fig.4 The grid settings parameters

2.2.3 有限元模型参数定义与网格划分

安装框架结构是挂接除萌单体的重要结构，起到支撑和调节高度的作用。根据安装框架实际受力情况对安装框架施加载荷和约束，由于单体组成中齿轮部分及滚轮支撑部分易磨损，选取材料高强度低合金刚，其余部分均选取材料Q235，所得单体质量为74.772kg，得出机架需满足约750N的力。安装框架结构与动力装置通过挂接零件部分相连，故将安装框架结构的挂接零件设置为固定，考虑到滚子上会有药液质量及其它优化部件质量， 故分别在喷杆连接件上施加500N的力。经过多次改善参数，最终得到机架部分的最小安全系数为1.22，满足要求，得到相应云图如图5所示。通过有限元分析，安全系数、位移及等效应力所得数据如表3所示。

(a) 安全系数

(b) 位移

(c) 等效应力 图5 安装框架云图Fig.5 Install the frame cloud picture表3 安装框架分析结果 Table 3 Install the frame analysis results

参数最小值最大值等效应力/MPa0185.4变形量/mm02.206安全系数1.12

安全系数大于1才能满足所需要求[11]。由表3可知，安装框架的安全系数的最小值为1.12，满足所需要求。

3 试制与试验

经过多次分析及优化，苹果矮化苗木除萌涂药装置结构得到最终确定，生产厂家对涂药装置结构样机进行了生产制造，并进行了多次室内模拟实验，所选中间砧高度均在40cm左右，动力分别选在400m/h及500m/h的速度条件下进行试验，如图6所示。通过数次试验，对苹果矮化苗木中间砧损伤率、除萌后中间砧向下流出药液液滴棵树占总数百分比及涂抹覆盖率进行了测量与计算，结果表明：除萌涂药装置性能良好，作业效率高，满足除萌要求。所得试验数据如表4所示。

图6 除萌单体试验Fig.6 In addition to sprouting monomer experiment表4 除萌试验数据 Table 4 Data of the experiment

试验次数试验棵数/棵中间砧损伤棵数/棵中间砧损伤棵数占总数的百分比/%涂抹覆盖率/%中间砧向下流出药液液滴棵树/棵中间砧向下流出药液液滴棵树占总数百分比/%时间/s速度/m·h-1第1次试验3213.12980032.35003200970040.32400第2次试验4524.449812.245.365004512.29622.256.70400

续表4

4 结论

1) 以苹果矮化苗木涂药除萌装置单体作为主要研究对象，应用AIP软件对其进行了三维建模设计，对安装框架进行安全性分析，结果表明：单体工作性能良好，涂抹覆盖率达到95%，中间砧损伤率小于6%，中间砧药液下流率小于7%，能够满足除萌要求。通过有限元分析，安装框架安全系数满足要求。由于采用三维参数化设计方法，对于加工制造过程中提出的问题能够及时快速修改，缩短了设计时间，提高了样机开发效率。

2) 设计一种苹果矮化苗木中间砧除萌机械代替了以往人工除萌作业的方式，保证了剪砧后及时抹除萌芽和萌蘖，进而保证了苹果树接芽苗的健壮生长。有效降低了人工的劳动强度，提高了除萌液的涂抹效率，同时还可有效防止除萌液漏涂的现象出现，有效地提高了除萌质量，对苹果矮化苗木繁育的发展起到了一定的促进作用。

[1] 矮化中间砧苹果苗嫁接法[J].新农业,1977(11):24-25.

[2] 孙静玉.果树苗木嫁接后管理技术要点研究[J].农业与技术,2014(1):133.

[3] 陈晓林.苹果树栽培管理技术[J].安徽农学通报(下半月刊),2011(16):113，136.

[4] 菊帕尔古丽. 苹果嫁接与管理[J].江西农业,2016(13):22.

[5] 杜宏彬.一种嫁接砧木萌蘖的处理方法:中国，CN1957666[P].2007-05-09.

[6] 矮化中间砧苹果苗木培育技术规程 DB13T2334-2016[S].

[7] 苹果矮砧栽培技术规程,DB11T928-2012[S].

[8] 鄢新民.苹果矮化砧苗木繁育及质量标准[J].现代农村科技,2012(4):77.

[9] 陈伯雄.Autodesk Inventor Professional 2008 机械设计实战教程[M].北京:化学工业出版社,2008.

[10] 何建华,杨欣,李建平,等.林果树苗栽植开沟装置有限元分析与结构改进[J].农机化研究,2017,39(1):147-151，157.

[11] 唐湘民.Autodesk inventor 有限元分析和运动仿真详解[M].北京:机械工业出版社,2009.