果树苗木移栽机单体功能结构设计

宋帅帅，杨 欣，殷梦杰，李建平

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071000)

0 引言

随着新型矮砧密植果树建园的大力推广，果树苗木需求问题显得捉襟见肘[1]。通过查阅文献和实地调研总结：果树苗木培育模式基本属于人工栽植，利用开沟机开好沟，人工将树苗根据经验按规定的株距摆放于沟壑中，随后利用铁楸覆土，作业人员紧随其后进行镇压完成栽植[2]，如图1所示。随着我国人口老龄化时代的到来，加之当下很多青年劳动力不愿从事果农行业，急需解决这种以人工移栽为主，占用大量劳动力的方式。针对此问题，对果树苗木的培育环节进行了技术调研，根据果园农艺要求，设计研发了一种基于连续开沟模式的果树苗木移栽机。

图1 人工栽植模式Fig.1 Artificial planting pattern

1 整机方案设计

连续开沟果树苗木移栽机主要由限深轮、搅龙、开沟装置、机架、锥形覆土轮、圆形镇压轮、苗木箱及工作台等机构组成，如图2所示。在整机结构布局上，基于机具作业条件和机具性能的稳定性，要求结构紧凑、适用性、通过性良好[3]。整机与以焊接机架为基础合理布置运动副零部件，通过调节限深轮可实现200～400mm范围内的开沟深度。

1.限深轮 2.搅龙 3.开沟装置 4.机架 5.锥形覆土轮 6.圆形镇压轮 7.苗木箱 8.工作台 图2 果树苗木移栽机Fig.2 Fruit seedling transplanter

1.1 工作过程及特点

栽植机采用后三点悬挂方式作业，机手控制好作业速度即可 。作业前，确认周围环境和安装部件连接安全，苗木箱中的苗应该摆放整齐有序，便于工作人员拿取。随着拖拉机前进，作业人员将苗木放入开沟装置中，当苗木到达扶苗器最前段时，松开苗木，进行下一颗苗木充植；苗木在扶苗器中，由锥形覆土轮完成覆土工序，圆形镇压轮完成镇压压实工序。机组可一次性实现地表开沟、充苗、扶苗、覆土及压实等一系列作业工序，完成苗木田间定植[4]。该机操作简单，适应性良好。

1.2 主要设计技术参数

设计参数如下：

栽植方式：连续开沟方式栽植

作业行数：3

挂接方式：后三点悬挂

开沟深度/cm：25～35

开沟宽度/cm：25

行距/cm：60～65

株距/cm：15～25

作业速度/m·h-1：230

移栽苗木种类：海棠、苹果苗等

作业机手(含机手)/人：5～6

2 主要单体功能结构

2.1 开沟单体功能结构

开沟装置是果树苗木移栽机中主要工作部件。入土开沟作业要求容易入土、开出的沟沟形整齐、深度稳定，能够保证有充足的放苗时间，有效地协助扶持苗木，直到覆土、回土压实，确保苗木成直立状态定植[5]。开沟单体功能结构主要由开沟板、开沟刀、保持板、挡土板、扶苗器和U型螺栓连接件等结构焊合而成，如图3所示。

1.U型螺栓 2.机架 3.刀开沟板 4.开沟 5.连接板 6.保持板 7.挡土板 8.扶苗器 图3 开沟单体功能结构Fig.3 Ditching monomer structure

由于65Mn具有良好的耐磨损性和刚性优点，经常被选作犁烨等入土工作部件，因此开沟单体功能机构开沟刀材料选用65Mn[6-7]。65Mn屈服强度为430MPa，极限拉伸强度为735MPa。其它零部件均选用屈服强度为235MPa，极限拉伸强度为500MPa的Q235A。

在栽植作业过程中，开沟刀切入土壤，破碎的土壤被开沟板分开，并推向两侧；开沟装置的宽度和深度参数设计要确保开出的沟形满足移栽要求，防止土壤过早回填。保持板和挡土板的作用是进一步压实土壤，在开沟器进行开沟作业的同时人工充苗，苗木在通过保持板的自动回填部分土壤和人工扶持及扶苗器作用下收拢到苗带中间，经锥形覆土轮和圆形镇压轮完成镇压和覆土工序，将苗木定植成一条直线。

2.2 覆土镇压单体功能结构

覆土镇压机构对充植苗木进行覆土和压实，架构如图4所示。其主要由搅龙、锥形覆土轮、圆形镇压轮与开沟装置上的扶苗器密切配合关系组成，要求工作人员人工充苗时，将苗木与机组前进反向成一定角度放置。由于土壤和扶苗器对苗木的阻力和摩擦会使苗木有一定向前运动的趋势，成一定角度放置，可更好地保证苗木成垂直状态栽植。

1.机架 2.锥形覆土轮 3.圆形镇压轮 4.镇压轮调节机构 5.覆土轮调节机 图4 覆土镇压单体功能结构Fig.4 Soil compaction monomer structure

搅龙的转速不宜过快或过慢，开沟速度等于拖拉机机组前进速度，当搅龙转速高于开沟速度时，相当于开沟装置还未开沟而搅龙已经开始工作，致使没有土壤输送，造成空负荷运动，浪费动力；转速过慢相当于搅龙没有转动，并未及时有效的输出土壤，也就失去了搅龙装置的意义。所以，应根据拖拉机前进速度确定搅龙转速，经计算和试验：搅龙的转速应为拖拉机前进速度的1.3倍。

锥形覆土轮与机架的平行方向约成15°，圆形镇压轮与机架的垂直方向约成10°。轮系与地面的配合关系结合搅龙的转速，最终由人按农艺要求和标准完成栽植。

3 试验与结果

2016年11月，在河北蠡县试验田进行样机试验，检验果树苗木移栽机的性能和作业质量。初步试验发现：移栽植机中间行覆土效果不佳，不满足栽植要求。经现场分析和调试，将中间行覆土镇压单体功能结构的锥形覆土轮和圆形镇压轮调至机架末端位置，与左右行成对称方式排列组合，如图5所示。

图5 试验过程Fig.5 Testing process

3.1 试验地条件

苗木移栽土质条件为已旋耕松土，地表相对平整，无明显杂草障碍和大土块、石块，试验用地为3hm2。

3.2 数据统计与计算

针对移栽机开沟深度和栽植合格率、苗木破损率等性能指标进行统计和计算。随机选取4个行程进行开沟深度的数据记录和分析，如表1所示。

表1 机具性能统计Table 1 Implement performance statistics

随机选取每次每行连续150株测定，对所栽苗木的倒伏率、机械伤苗率、栽植合格率记录和分析，如表2所示。

表2 作业质量Table 2 Operation quality 株

带入下列公式进行计算，具体如下:

单个行程的平均开沟深度为

4 个行程的平均开沟深度为

每个行程的开沟深度变异系数为

4 个行程的开沟深度变异系数为

每个行程开沟深度稳定性系数为

U=1-v

4 个行程开沟深度稳定性系数为

Um=1-vm

每个行程的开沟深度标准差为

4 个行程的开沟深度标准差为

式中αi—各测点的测定开沟深度;

n—每行程的测定点数;

nm—4个行程的测定点数;

v、vm—开沟深度变异系数;

U、Um—开沟深度稳定性系数。

计算结果: 开沟深度稳定性系数Um= 95.9% 。数据处理：倒伏率T=0.067%；伤苗率W=0.44%；栽植深度合格率=98.88%；栽植合格率=98.22%。

试验数据和作业情况(见表2)表明：移栽机0.5个工作日内可完成14个工作人员在1个工作日内对0.4hm2的栽植作业，栽植效率高，开沟深度比较稳定；栽植合格率高；倒伏率和伤苗率低，满足果园农艺设计要求。

4 结论

1)根据新型矮砧密植建园果树苗木大量培育需求，设计了基于开沟模式的果树苗木移栽机的主要单体功能结构。并应用AIP三维软件完成了整机的建模和装配。

2)通过田间试验表明：果树苗木移栽机工作效率高，栽植质量满足园艺设计要求，为果树苗木培育提供技术支持。

[1] 贾永华,曲亦刚,王永忠,等.苹果矮砧密植栽培模式与技术要点[J].宁夏农林科技,2014(9):6-8.

[2] 许春霞.绿化果树苗木的培育与栽植管理技术[J]. 科技展望,2016(7):86.

[3] 路志坤，刘俊峰，李建平，等.苹果树起苗机的研究[J].农机化研究,2012,34(2):55-61.

[4] 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): 147-157.

[5] 王鹏飞,何建华,刘俊峰,等.苹果苗木栽植机的设计与试验研究[J].农机化研究,2017,39(1):122-126.

[6] 姬长英，尹文庆.农业机械学[M].北京：中国农业出版社，2003.

[7] 中国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册(上册)[K]．北京:中国农业科学技术出版社，2007．