果树苗木移栽机开沟装置模型建立与参数设计

2018-06-06宋帅帅殷梦杰李建平

农机化研究 2018年5期

宋帅帅，杨欣，殷梦杰，李建平

(河北农业大学机电工程学院，保定 071000)

0 引言

随着新型矮砧密植果树建园的大力推广，需要大量的果树苗木提供支持[1]。查阅文献和实地调研表明：果树苗木培育环节中的开沟作业基本以人工挖坑作业为主[2-3]。果农行业随着我国人口老龄化时代的到来，劳动力严重缺乏。为了解决这种劳动强度大、占用大量劳动力的方式，在调研的基础上，根据园艺要求，设计研发了一种果树苗木栽植机。在果树苗木培育环节，开沟质量的好坏直接影响果树苗木的移栽成活率和质量。开沟装置是整机的核心工作部件，要求开沟作业中容易入土、开沟深度稳定，为了保证苗木栽植成直立状态要求沟形整齐且具有足够的放苗时间，直至回土镇压压实，确保果树苗木垂直定植。本文对果树苗木栽植机的开沟装置进行了模型建立及参数化设计。

1 模型建立

结合农艺要求，针对果树苗木培育环节，开沟装置应具有良好的开沟性能，保证苗木移栽质量。利用AIP实体三维建模软件设计出开沟装置的基本模型，利用AIP实体三维设计软件按1∶1比例建立开沟装置部件的装配体模型，零件之间通过添加正确的装配关系确定达到三维模型全约束，所有零部件均采用参数化建模，以保证后续更新零部件宽度、厚度、角度等结构参数时装配体的拓扑关系不会发生改变；利用参数化功能建立尺寸驱动关联关系，旨在后续有限元分析中便于快速更新模型[4-7]。开沟装置与机架采用U型螺栓和连接件固定于机架中。整体机架为焊接结构，与拖拉机形成后三点悬挂作业方式，通过调节限深轮可实现开沟装置在15～35cm范围内开沟深度的变化。开沟装置的基本机构如图1所示。

该机开沟装置由开沟刀、开沟板、挡土板、保持板、扶苗器和连接件等结构焊合组成。开沟刀应具有较强的破土能力和稳定的开沟能力，因此材料的选用必须保证具有足够的强度和硬度要求。开沟板作用是将所开出的土分向两侧，为形成沟壑做准备，提供土壤的走向。保持板的作用是避免回流土岱过早落入沟中，保证沟形宽度能够维持一定时间。挡土板的作用是防止保持板两侧由于推土堆积的土垈进入沟中而影响沟深。扶苗器的作用是从放苗区开始直到完成覆土镇压工序保证树苗成直立状态。在扶苗区内扶苗器将苗木收拢到苗带中间，保证回土压实整个过程中树苗定植成一条直线。

开沟装置与机架采用U型螺栓和连接件固定于机架中，通过调节U型螺栓和连接件的位移关系实现不同开沟作业深度，满足不同果树苗木根系结构特性的园艺要求。

2 开沟装置参数设计

为了确定开沟装置工作参数、结构参数，确保果树苗木移栽开沟要求，本文在研究开沟装置机理时建立开沟装置开沟深度与宽度、开沟板工作隙角、充苗器长度相关参数及移栽后果树苗木角度的数学模型。在研究过程中视土壤颗粒为刚体结构，其不变形、不粘结。

2.1 开沟宽度及深度

开沟装置开出的沟要求足够宽、足够深，以适应苗木根系结构特性。果树苗木的根系要求完整无劈裂，有侧根和须根，侧根树3条以上，侧根长度20cm以上，而且须根要多。专家给出健壮大苗标准:苗木高度1.2 m以上，苗木基部品种接口上10cm处干径在1.2cm以上；整形带内具有效分枝6 ～9个，分布较均匀；苗木根系健壮，侧根5条以上，侧根长度20cm以上，毛细根密集；矮化中间砧苗木的矮化砧与矮化自根砧苗木根砧长度为20cm左右[9]。出圃苹果苗木根系结构及模型建立如图2所示。

图2 栽植苗木根系结构与长度模型Fig.2 Root structure and length model of planting seedlings

根据苗木的根系结构确定开沟装置的作业深度及宽度参数。早些年，罗锡文等人利用传统研究法与现代研究法对果树苗木根系进行了较全面的研究与概述。现代研究法主要包括：根钻法、剖面法及挖掘法等，传统的研究方法耗时耗力，工作成本高，但操作简单。现代研究方法主要是指：利用国际当中一些先进的专业仪器设备快速准确观测根系结构及生长，结合计算机、电子显微镜、力学等先进的技术手段，将根系研究带入一个新的局面[8-9]。

2.1.1 开沟装置宽度参数确定依据

根系的空间分布特征决定了根系占据土壤空间的大小，根系在给定的土壤空间中，其伸展程度决定根系吸水和土壤中的养分等能力，开沟装置开出沟的宽度要保证根系均匀自然的分布。根据专家给出健壮大苗的标准，以全部侧根中，侧根末端两两位置距离最远的尺寸确定开沟装置的开沟宽度，保证根系均匀自然地分布在沟壑中。测量果树苗木根系一般最宽尺寸为L≤20cm。为了保证根系充分自然分布，假设开沟装置宽度设开沟作业宽度为25cm，结合园艺要求，验证是否满足果树苗木栽植行距在60～65cm范围内：以开沟装置的左右方向中间位置为基准，行距至少为60cm方可满足设计要求，所以假设行距60cm。经计算，两个开沟装置之间有35cm的设计空间，对于安装覆土镇压轮系有足够空间，满足设计要求[10]。开沟装置宽度参数为25cm。

2.1.2 开沟装置深度参数确定依据

苹果、梨、核桃等根系分布较深，桃、李、杏等根系分布较浅。苗木栽植时特别注意矮化砧的入土深度，栽植过深，会影响树体生长。砧木接穗部分要求在地面之上，否则容易生根，树势变旺，失去矮化作用，变成乔化树(一般要求：砧木与接穗的接口在地表5～10cm处)。由果树苗木根系高度模型图3可知：园艺要求果树苗木根系栽植深度为30cm左右，针对不同果树苗木，设计开沟作业深度H=25～35cm的可调范围。具体到某种果树苗木时，开沟装置的作业设计高度要高出这种果树苗木根系的所需栽植深度5cm，用来抵销因开沟回流土壤过程中损失的开沟高度。土壤在回流过程中，并不能完全将所开沟的土壤全部回流到沟壑中，还有一些在土壤阻力等作用下损失的回流土壤用5cm开沟高度来弥补填充。

图3 苗木根系高度模型Fig.3 Seedling root height model

2.2 开沟板工作隙角

根据开沟装置作业要求，其开沟板应具有稳定的工作隙角α，以保持作业状态及开沟装置的结构稳定。开沟板的作用是开沟破土，将开出的土分向两侧，合适的工作隙角配合足够的动力输出完成满足移栽作业要求的沟壑。开沟装置工作隙角如图4所示。

图4 开沟板工作隙角Fig.4 Ditching work clearance angle plate

开沟装置的工作隙角在已确定开沟作业深度情况下进行作业参数设计，作业过程中开沟板受到土壤自身重力及由重力产生的摩擦力等，将土壤视为矩形刚体结构。针对土壤在开沟板的受力情况进行分析，以开过作业深度为已知限定条件，建立工作隙角α与开沟作业深度的函数方程[11]。开沟板受力分析如图5所示。

其中，OA为开沟作业深度(mm)；OB为开沟板底部长度(mm)；AB为开沟板斜边长度(mm)；f为摩擦力(N)；FN为土壤斜边表面支撑力(N)；mg为土壤的重力(N)；按图上坐标所示，列出有关α的平衡方程，即

∑FX=0，m·g·sinα-f=0

(1)

∑FY=0，FN-m·g·cosα=0

(2)

f=μ·FN

(3)

其中，∑FX和∑FY分为为x、y轴方向上的合力(N)；μ为土壤颗粒与开沟板之间的动摩擦因数；m为土壤颗粒的质量(g)；g为重力加速度；FN为土壤颗粒对开沟板的正压力(N)。解得tanα=μ。

开沟板所选材料为Q235，土壤与Q235之间摩擦因数在1.0左右，考虑实际作业过程中，摩擦因数偏大，取值1.2，可得开沟板工作隙角α=arctan-10.6=50.0°。

图5 开沟板受力分析Fig.5 Analysis of the force of the grooved plate

2.3 扶苗器长度

扶苗器用来保证苗木在栽植过程中不发生偏移，位于开沟装置挡土板外侧，采取焊接方式与挡土板焊为一体。当工作人员将苗木放入开沟装置中时，工作人员的手先不要松开苗木，一直到苗木运动到扶苗器的拐点时再松开。当苗木运动到拐点处，回流的土壤开始从挡土版的两侧落下进入开沟装置开出的沟中，随着机具前进，土壤自身的回流配合覆土镇压轮系完成果树苗木的覆土压实工序。在此过程中，苗木受到向前的一个惯性力及由土壤回流产生向前的一个推力，苗木处于一种容易偏移状态；在土壤完全回流沟中完成覆土镇压工序前，扶苗器要保证苗木呈“直立状态”，直立状态是指园艺专家提出的栽植苗木要求苗木的倾斜角度不超过15°。扶苗器的拐点如图6所示。

图6 扶苗器拐点Fig.6 The inflection point for supporting seedling

图7 扶苗器总长Fig.7 The length of seedling supporting

3 试验与结果

3.1 样机试制

根据设计定型的结构参数，于2016年在河北高碑店进行了开沟装置及样机试制。

3.2 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。样机试制与田间试验如图8所示。数据记录4个行程如表1所示。

图8 样机试制与田间试验Fig.8 Prototype trial and field test表1 数据记录Table 1 Data record

行程序号开沟深度/cm开沟宽度/cm距离/cm时间/s速度/m·h-1测定总株数/株栽植深度合格/株第1行程1302530047230229253004723032824300482264302530048227150149第2行程1292630047230230253004922033025300482254302530049219150148