双行苹果矮化苗木涂药除萌装置结构设计与运动分析
2018-07-10殷梦杰宋帅帅
殷梦杰，杨 欣，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方面，有关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、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，增加成本，且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，采用机械装置代替人工除萌，可以降低劳动强度和成本，并提高除萌效率和质量。
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，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，除萌液体可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
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]，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。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%。田间预设行距为650mm左右，株距15～20mm左右。作业田间情况如图2所示，所测数据如表1所示。
图2 田间情况图
Table 1 Field data mm
1.3 主要参数
主要作业参数如表2所示。由于没有存在相关文献对除萌效果进行定义参数，根据相关农艺要求，定义主要设计参数，并定义其达到除萌的效果参数数值。主要设计参数如表3所示。
表2 单体作业主要参数
表3 主要设计参数
1.4 除萌机械总体结构
除萌装置结构主要由机架和除萌单体组成。除萌单体主要包括端板、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3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，从而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，最大程度地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，该种纤维棉结构的设计做到了在保证均匀涂抹的情况下不损伤树木，其结构如图4所示。
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4 纤维棉结构
1.5 工作原理
进行除萌作业时，除萌机械由两组单体组成，辊轮的转速及方向由电机驱动，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1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2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，辊轮在与苗木接触进行涂药作业时要做到不损伤苗木，并且所涂抹的0～15cm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 模型建立与运动分析
2.1 三维模型建立
2.1.1三维模型的建立
单体由清洗对辊、前端涂刷对辊、后端涂刷对辊、端板、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，安装框架上设有2组直流五缸隔膜泵，并设有多组直流电机调速器，用来控制滚轮的速度与转向。
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[7-8]。
2.1.2设置零件材料属性
双行除萌装置的整体框架材料采用Q235A。为了在后续工作中便于快降低阻力、节省材料，端板、清洗对辊、前端涂刷对辊、后端涂刷对辊、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，而滚轮外部结构是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[7]。材料的选用原则是：在保证除萌效果良好、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 运动学分析
2.2.1运动理论分析
除萌机械工作时，滚轮一边旋转，一边随机架前进，因此滚轮的绝对运动是小轴旋转和机架前进两种运动的合成，其运动轨迹是摆线。以小轴旋转中心为原点建立坐标系，x轴正向和除萌机械前进方向一致，y轴正向垂直向下，如图5所示。设除萌机械前进速度为vm，小轴旋转角速度为ω,在滚轮上取点A，开始时所取点位于前方水平位置与x轴正向重合，则所取点A运动方程为
x=Rcosωt+vmt
(1)
y=Rsinωt
式中R—所取点转动半径；
t—时间。
图5 运动分析
式(1)表示了点A的绝对速度，其运动轨迹随着R、ω和vm的不同而具有不同的形状和特性。将式(1)对时间求导数，可以求得点A在x轴和y轴方向的分速度，即
vx=dx/dt=vm-Rωsinωt
vy=dy/dt=Rωcosωt
点A绝对速度v的大小为
(2)
其中，Rω=vp是点A的圆周线速度。
令λ=vp/vm=Rω/vm，λ称为速度比，表示点A圆周速度与除萌机械前进速度的比值，其大小对除萌对辊运动轨迹及除萌机械工作状况有重要影响。则
λ=Rω/vm
vx=vm-Rωsinωt=vm(1-λsinωt)
如果λ<1，即vp
如果λ>1，则当辊轮上所取点A转动到一定位置时，就会出现vx<0的情况。即点A的绝对运动的水平分速度与除萌机械前进方向相反，能够做到不损伤苗木。只要vx<0，整个过程都可满足这个条件。λ>1时，运动轨迹为余摆线，如图6所示。余摆线由有1个绕扣，MN为绕扣的最大横弦，在最大横弦以下，均有vx<0，λ越大，绕扣越大，λ=1时，绕扣消失[9]。由于除萌机械工作时为保证作业效果均匀，辊轮上各点的运动轨迹都应是余摆线，即其圆周速度应大于除萌机械前进速度。当圆周速度等于除萌机械前进速度时，辊子在中间砧上轻轻滚过，也能保证除萌效果。
图6 摆线图
2.2.2模型建立
本文将对滚的自身转动与相对地面前进的运动特征相结合，在仿真软件中建立模型，如图7所示。定义相应运动副，添加滚轮相对地面的移动副，并添加滚轮相对小轴的旋转副。
2.2.3参数定义
滚轮与小轴的结构材料为Q235钢，初始选取拖拉机前进速度为1.7km/h，通过不断改变滚轮的旋转速度得到不同的余摆线，验证了理论分析的正确性，验证结果如图8所示。
图7 模型建立图
图8 验证结果
3 试制与试验
经过多次分析及优化，双行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。2017年3月，在保定蠡县进行试验，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。本次试验共进行5次，其中4组当齿轮向内啮合，两边滚子跟随齿轮同时向内旋转，试验结果良好，达到预期要求，如图9所示。
图9 除萌试验
当改变电机方向、滚子转向相反时，造成砧木部分破损，如图10所示。
图10 损伤图
表4为所得试验数据，验证了试制理论的正确性。
表4 除萌实验数据
4 结论
1) 双行苹果矮化苗木涂药除萌装置作为主要研究对象，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，验证了其结构设计合理性。通过运动学分析及仿真操作，验证了试验的可行性及理论的正确性。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) 设计了一种双行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。该机有效降低了人工的劳动强度，提高了除萌液的涂抹效率，还可有效防止除萌液漏涂的现象发生，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。
