矮砧密植苹果树连续开沟定距栽植机研制

林悦香，尚书旗※，王东伟，宋来其，张敬国



矮砧密植苹果树连续开沟定距栽植机研制

林悦香1，尚书旗1※，王东伟1，宋来其2，张敬国3

（1. 青岛农业大学机电工程学院，青岛 266109；2. 山东农业大学机械电子工程学院，泰安 271018； 3. 潍坊市高密中等专业学校，高密 261501）

针对现有果树栽植劳动强度大、株距控制精度低的现状，该文开展了基于标准化栽培模式的农机农艺融合技术研究，设计了矮砧密植苹果栽植机，解决了果树幼苗栽植作业中存在的机械化关键技术难题：连续宽深开沟、果苗直立栽植、株距精确控制。采用V型双圆盘开沟器实现连续宽深开沟；通过人工辅助喂苗、栅杆定位装置辅助定位、夹持输送装置扶苗、刮板式覆土器回土及橡胶镇压轮压实土壤等系列环节，完成果苗直立栽植；定距栽植控制装置通过光电传感器感应前一棵树苗位置后启动下一棵树苗夹持运行并完成栽植，实现了株距的精确控制。该机开沟深度为0～40 cm可调，开沟宽度为30～37 cm，作业速度为0.8～1.5 km/h。田间试验结果表明：该机工作稳定，栽植效果良好，平均栽植合格率为93.79%，平均栽植深度合格率为91.43%，平均株距变异系数为5.03%，栽植效率720株/h, 是人工栽植效率的36倍，满足现代标准果园机械化生产要求。种植环节机械化的实现，可为后续管理环节及收获环节的机械化提供可行性保障。

农业机械；设计；苹果；定距栽植；连续开沟；栅杆辅助定位

0 引 言

中国是世界最大苹果生产国和消费国，苹果种植面积、产量和消费量均占世界总量的40％左右[1]。苹果苗栽植过程是苹果生产的关键环节，对后续果园施肥、耕作、喷药、采收等环节有着显著影响。近30多年来，世界苹果栽培制度发生了深刻的变化[2-3]。宽行距的矮砧密植栽培模式对苹果生产全程机械化提供了有效途径，是世界苹果优质高效栽培的成功经验[4]。适应国情的矮砧密植苹果栽培模式将在中国逐渐普及[5]。

中国从20世纪50年代开始进行果树育苗移栽机械的相关研究，其研究和应用都处于初级阶段，机具大多是国外产品的仿制品[6-10]。目前，苹果果苗栽植主要靠人工或挖坑机等机具辅助栽植方式进行，效率低，功能单一，株距难以保证；另有平地起垄栽植机，栽植前需全面深耕土壤[11]，否则影响根系生长。随着人工费用上涨，雇工难问题逐渐凸显，急需解决目前高成本、低收益、不便于全程机械化作业的栽植方式问题[12-14]。

结合目前推行的苹果建园模式，对苹果树苗栽植环节进行分析，开展农机农艺融合技术研究，设计出矮砧密植苹果栽植机，实现连续开沟、定距栽植、回填与镇压一体化作业，满足现代标准果园机械化栽植的要求。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

矮砧密植苹果栽植机选用58 kW以上拖拉机为动力，采用后三点悬挂的作业方式，主要由连续开沟装置、夹持输送装置、定距栽植装置、覆土镇压装置和其他辅助部分组成。整机结构如图1所示。

1. 悬挂吊耳 2. 机架 3.传动箱 4. 开沟器 5. 挡土板 6. 覆土挡板 7. 镇压轮 8. 定距栽植装置 9. 夹持输送装置 10. 栅杆辅助定位装置 11. 护栏

1.2 工作原理

机组工作时，拖拉机动力输出轴驱动开沟器连续开沟，人工辅助喂苗，树苗放置于挡土板底板，并通过栅杆定位装置辅助定位。当机具前行时，安装在车架尾部的定距栽植装置传感器检测到已栽植树苗位置信息后，则通过控制开关启动夹持输送装置的气缸动作，定位栅杆转开，树苗进入夹持状态，夹持后在皮带的带动下向后输送。因夹持皮带动力由地轮等比传送，所以皮带输送速度与机组前进速度相同，树苗与地面保持相对速度为零的静止状态置于栽植沟内，再由刮板式覆土器回土和镇压轮压实完成直立栽植。定距传感器再检测到刚栽植的树苗，则过程重复，保证了相邻两树苗间距相等，实现一次性开沟、栽苗、回土、压实。

开沟深度调整可由拖拉机液压悬挂装置调整；不同株距由传感器安装支架调整，调整感光点距离即可，操作简单；镇压轮可进行高度和镇压力的调整。

1.3 技术参数

整机主要参数如表1所示。

表1 矮砧密植苹果栽植机主要技术参数

1.4 苹果栽植农艺要求

1.4.1 栽植密度

苹果栽植密度应与当地自然条件、管理水平相适应，并满足苹果品种和砧木品种的生长需要[15]。矮化苹果单株产量小于乔化苹果树，可通过增加栽植密度、提升机械作业效率等方式，获得更高的投入产出比[16-17]。矮砧密植株行距一般在（0.8～1.5 m）´（3.5～4.0 m）之间，具体因不同土壤特点及品种而异。

1.4.2 栽植深度

矮砧苹果的栽植深度不可过深，否则将接橞部分埋入土中，引起树势转旺，失去矮化作用，一般要求接橞与砧木的嫁接口在地表之上5～10 cm处，嫁接口一般位于根部之上35～40 cm处，栽植后浅培土以保护砧段部分[18]，使苗木根部位于地下部分30 cm左右。

2 主要工作部件设计

2.1 连续开沟装置的设计

开沟装置是矮砧密植苹果栽植机的关键部件，其结构参数是否合理直接影响机具的工作阻力和作业性 能[19-21]。开沟作业中要求机具容易入土，开沟深度稳定，开出的沟型宽度、深度尺寸能够适应苗木根系结构特性[22]。本机开沟装置采用V型双圆盘开沟器，主要由开沟传动箱、传动箱输入轴座、开沟刀盘、开沟刀、挡土板等组成，如图2所示。

1. 悬挂吊耳 2. 传动箱输入轴座 3. 机架 4.传动箱 5. 挡土板 6.开沟刀盘 7. 开沟刀柄 8. 开沟刀片

1.Lifting lugs 2.Gearbox input shaft seat 3. Frame 4. Gearbox 5. Retaining plate 6. Ditching cutter 7.Ditching handle 8.Ditching blade

图2 开沟装置机构简图

Fig.2 Structure diagram of ditching device

开沟深度可由拖拉机液压悬挂装置调节，最大开沟深度可达40 cm，所开沟型为梯形栽植沟，该沟型结构稳定，开沟抛土效果较好。开沟刀盘与纵垂面的夹角为10°，开沟刀的横向安装距离为280 mm。见图3。

注：L为梯形沟的侧边长，cm；B为梯形沟上部沟宽，cm；H为沟深, cm；θ为开沟倾角,（°）

开沟作业时，刀轴旋转方向与拖拉机驱动轮的转向相反，开沟刀由沟底开始向前向上切土抛土，所遇阻力较小，消耗功率也较小。开沟刀安装在开沟刀盘上，采用斜置轴承支撑方式，可达到较大的开沟深度。开沟刀沿开沟直径方向等间距布置，切削力分布均匀，可减少冲击力和振动，开沟刀通过螺栓连接固定在开沟刀盘上，操作简单，更换方便。由于开沟刀工作过程中易磨损，开沟刀片材料选用65 Mn钢，具有耐磨损与刚性好的优点[23]。

开沟刀回转直径主要取决于开沟断面的尺寸。由开沟深度与开沟偏角的函数关系，确定梯形沟侧边长最大406 mm（=/cos=400/cos10°）。开沟刀回转直径应大于梯形沟的侧边长，取开沟刀回转直径= 600 mm。为使土壤能够顺利抛出，开沟刀的最大线速度通常在5～12 m/s[24]。开沟刀线速度越大，抛土距离越远越均匀，但能量消耗增加较多。由于采用V型双圆盘开沟器，对于抛土距离要求较小，土壤外抛容易，所以选择较小的开沟刀线速度。在拖拉机动力输出转速为 760 r/min时，开沟器转速为242 r/min（开沟减速比3.14），则本机开沟器开沟刀线速度为7.6 m/s（=p×=3.1415×0.6×242=456.1 m/min=7.6 m/s）。

挡土板安装在开沟器的后部，与开沟器配合作业，有3个作用：1）挡土前板将开沟器未完全抛出的土壤前推，推送给旋转的开沟刀将土壤抛出，有利于保证沟型尺寸；2）挡土侧板进一步压实土壤，有效防止抛出土壤回落，保证开沟深度；3）挡土底板放置初始投放的树苗，与栅杆相互配合起到辅助定位作用（具体尺寸见2. 3）。

2.2 夹持输送装置的设计

夹持输送装置对保障树苗直立栽植与定距栽植有重要作用。图4为夹持输送装置示意图。

1. 驱动链条 2. 驱动链轮 3. 夹持带轮 4. 机架纵梁 5. 夹持支撑梁 6. 气压缸 7. 圆柱销 8. 夹持张紧支架 9. 夹持V型带 10.光电传感器

1. Drive chain 2. Driving chain wheel 3. Clamping pulley 4. Frame rails 5. Clamping support rails 6. Pneumatic cylinder 7. Cylindrical pin 8. Clamping tension bracket 9. Clamping V belt 10. Photoelectric sensors

注：为苹果栽植的理论株距，cm；为机具前进速度，m.s-1；为夹持输送带相对于机架的速度, m.s-1。

Note:is the theoretical plant spacing of apples, cm;is the speed of the machine, m.s-1;is the speed of the conveyor belt relative to the rack, m.s-1.

图4 夹持输送装置结构图

Fig.4 Structure diagram of clamping and conveying device

直立栽植的实现：人工辅助放入树苗初始位置-挡土底板上，向后倾斜一定角度，并由栅杆辅助定位。苹果树苗在夹持输送过程中始终处于向后倾斜的状态，皮带向后输送的过程中树苗根部由挡土底板自动下落到栽植沟内，由挡土板式回土装置自动回土覆盖埋苗，树苗离开夹持输送装置，镇压轮随机组前进并压实树苗两侧土壤，树苗在镇压轮作用下由向后倾斜状态向前转动一定角度处于直立状态，实现直立栽植。

树苗在夹持输送时与地面之间的倾斜角度，一般在40°～45°之间，与土壤类别及湿度有关，不同土壤在栽植过程中倾角有所不同，需要田间测试以确定最佳倾角。

由于要保证皮带的线速度与机组前进速度的一致，因此采用镇压轮驱动夹持输送装置的方案。动力由镇压轮经夹持传动箱链传动传递到夹持换向箱，由锥齿轮实现换向，将动力输出到主动链轮经链传动带动从动链轮，最后从动链轮带动同轴的皮带轮转动，实现皮带的运动，完成夹持输送的过程。

2.3 栅杆定位装置

栅杆辅助定位装置可提高果树栽植的精度，提高栽植质量，免去了人工辅助扶苗的麻烦。栅杆辅助定位装置由栅杆、圆柱销、夹持罩板等组成，如图5所示。

1. 机架纵梁 2. 圆柱销 3. 固定螺栓 4. 栅杆 5. 夹持罩板

栅杆工作时，夹持张紧支架上的圆柱销带动栅杆绕夹持罩板摆动，张开状态时栅杆横放，树苗斜放在栅杆上完成辅助定位；夹持状态时栅杆转动一定角度（约90°），树苗被皮带向后输送，完成夹持放苗的过程。栅杆辅助定位指树苗根部放置于挡土板底板，树干倾斜放置于横卧在输送通道上的柵杆上定位。柵杆的高度相对于机架固定，可通过调整挡土底板的高度（0～20 cm范围）调节树苗倾斜放置的角度和栽植深度，以达到适应不同品种、不同栽植深度树苗的要求。

2.4 定距栽植装置的设计

合理密植能够充分利用水肥资源、土地资源和光照条件，适宜的株距更有利于后续的机械化修剪等果园管理，也有利于机械辅助收获。定距精度是衡量栽植机的重要质量指标。本机定距栽植装置采用传感器自动控制技术，控制夹持输送装置的夹持与张开，株距控制精度显著提高，同时可有效避免漏栽与重栽的现象。

定距栽植装置主要由2部分组成，分别是夹持输送带与气动控制部分，见图4。该机构利用气动传动原理，2个气缸同步推动夹持输送带运动，从而带动加持输送机构闭合夹持树苗，将树苗输送到栽植位置。通过光电传感器测定树苗株距，后一颗树苗以前一颗树苗为参考定位，株距可根据农艺要求在0.8~2.5 m范围内可调。

自动控制部分主要由光电传感器、时间继电器、电磁继电器、电源等元件构成，其主要工作过程如图6所示：当已栽植的苹果树苗经过光电传感器瞬间或按下首株栽植按钮后，光电传感器发出信号使电磁阀得电，气缸伸出，夹持机构张紧将树苗向后输送，同时时间继电器开始计时，当设定延时时间到达时，电磁阀断电回位，气缸回缩，夹持机构张开，完成定距栽植过程。自动控制电路对气压回路的控制有2方面：一是控制夹持机构的迅速夹持输送；二是控制夹持机构的夹紧时间，使树苗输送到夹持支撑梁上并依靠弹簧自动夹紧时回复张开状态。

图6 定距栽植装置控制流程图

2.5 覆土镇压装置的设计

2.5.1 覆土器的设计

覆土是苹果栽植的关键环节，覆土作业应达到覆土量适宜和覆土均匀的效果[25-26]。本机采用刮板式覆土器，主要作用是将开沟器抛出的土壤回填到栽植沟内，完成覆土过程。其布置方式为左右对称焊接在机架上，经过分析矮砧密植模式栽植行距、苗幅宽和覆土量，覆土板长度设置为150 cm，板宽为24 cm；考虑到覆土能力，由于2板间夹角小覆土能力差，夹角大覆土能力强但易堵塞，选择2个覆土板之间的夹角为60°，覆土板与地面的夹角为60°；根据开沟宽度、工作速度和整地条件确定覆土装置后开口宽度为26 cm。图7为刮板式覆土装置结构示意图。

1. 回填挡板 2. 机架 3. 悬挂吊耳 4. 回填挡板支架

2.5.2 镇压器的选择

镇压装置主要完成苗木栽植后土壤的压实，以保证栽植苗木具有良好的拔苗力，其作业质量对于苗木的成活率影响甚大[27]。本机采用橡胶镇压轮，根据苹果树苗不同品种、不同生长年份的根系结构差异，设置可调节土壤压实力的弹簧预紧力调整机构，以满足不同品种的园艺要求，提高栽植机的适应性。调整范围根据不同土壤试验确定。图8为镇压器实物图。

1. 夹持装置 2. 传动链 3. 镇压轮

镇压轮宽度的确定根据沟型的宽度、栽植树苗的直径综合考虑，并留出足够的间距保证镇压轮的通过。在相同轮重的情况下，土壤压实面积随着镇压轮与土壤接触面积的变化而变化，镇压轮宽度越小，土壤的压实面积越小，但压实度随着压实面积的减小而增大[28]。根据沟宽350 mm，两侧镇压轮间距30 mm，综合以上并考虑农艺要求确定镇压轮的宽度是160 mm。

在相同轮重的情况下，轮径越小，压实效果越差；轮径越大，压实度越大，同时可减少作业过程中的滑移现象，压实效果良好[29-30]。结合实际经验，镇压轮的直径一般取300～600 mm[31-32]。同时，镇压轮作为夹持输送部分的输入动力，必须保证镇压轮转动灵活和不滑移，应满足式（1）。

式中0为镇压轮直径，mm；为土壤对镇压轮的摩擦系数；为镇压轮所受重力及附加载荷，N；W为轴套中的摩擦力矩，N×m；W为带动夹持输送部件所消耗的传动力矩，N×m。

由式（1）和镇压轮实际作业情况确定镇压轮的直径450 mm。

3 田间试验

3.1 试验条件与方法

为了验证栽植机的工作性能和栽植效果，2018年5月20日，在高密市蛟河明珠生态园对苹果栽植机进行了田间试验，如图9所示。

试验用地经过旋耕碎土，地表平整，无大石块、秸秆、杂草等，轻黏土，土壤含水率不大于20% ，土壤坚实度800～1000 kPa，符合栽植要求。试验地块长160 m，宽50 m。所选取的苹果树苗高度均为220 cm以上健壮树苗，树干直立，中间砧红富士苹果苗。

试验样机为青岛农业大学与高密益丰机械有限公司联合研制的2PZ-1型矮砧密植苹果栽植机，配套动力为雷沃欧豹TD1000型拖拉机。拖拉机行进速度为1.2 km/h，株距调整为1 m，作业行数为1行，开沟深度为30 cm。

图9 田间试验

试验方法：共准备500棵矮化砧木，平均分3次栽植。车上2人轮流投放果苹果苗。启动车辆后，按下栽植按钮，开始栽植第1株，之后定距控制传感器感应第1棵树苗，夹持机构输送第2棵树苗并栽植。共栽植3个行程（3行），编为1、2、3号，每个行程栽植160棵。栽植完成后对每行分别进行测定，除去两端各10株后，每行选取140株作为试验样本。通过人工统计漏栽、倒伏、伤苗的总量，计算栽植合格率；人工持秒表跟随测量每行栽植时间，计算栽植频率；人工测量株距、栽植深度，计算株距变异系数、栽植深度合格率。在相邻地块，同样由4名人员（与栽植机人数配置相同）进行人工挖坑栽植作为对照，人工栽植参数同栽植机，取平均值。

3.2 评价指标

因目前没有专门针对苹果栽植机的标准，故项目鉴定专家推荐参照农业机械推广鉴定大纲DG37/T 010-2016 《旱地栽植机械》（该大纲适用于悬挂式及自走式旱地栽植机械的推广鉴定，试验方法、土壤条件皆与苹果种植相近），另外参照LY/T 1517-1999 《植树机试验方法》、LY/T 1518-2012《林业机械开沟式植树机》规定的试验方法和指标，选取栽植频率、栽植质量、栽植精度对苹果栽植机田间作业性能进行评价。

栽植频率是单位时间内，栽植机栽植到地里的树苗的株数，栽植效率按式（2）计算。

式中F为栽植效率，株/min；为栽植株数，为栽植时间，s。

栽植质量的评价内容包括栽植合格率，影响栽植质量的主要因素有漏栽、重栽、倒伏、伤苗、直立度等。鉴定大纲DG37/T 010-2016要求栽植合格率在90%以上。

栽植精度的主要评价内容为株距变异系数、株距合格率和栽植深度合格率[33]。参考LY/T1518—2012《林业机械开沟式植树机》，试验规定的合格株距为不大于设定株距的10%。其计算为分别测定每行栽植合格树苗的株距和栽植深度，精度指标按式（3）～式（5）计算。

式中为栽植深度合格率，%；N为栽植深度合格的总株数，株；实测株数，株。本文栽植深度30 cm±5 cm为合格。

3.3 试验结果与分析

利用上述测定和计算方法，对栽植机栽植效率、栽植质量与栽植精度指标进行统计分析，结果如表2、表3所示。

表2表明，拖拉机行进速度为1.2 km/h时，按1 m株距栽植，平均栽植效率约12株/min，即720株/h，是对照组人工栽植效率的36倍（4人合计平均每小时栽植20株）。

表3表明，栽植质量指标中的栽植合格率为93.79%，高于标准要求值90%。株距变异系数平均为5.03%，栽植深度合格率平均值为91.43%，高于标准要求值75%。整机作业性能良好，符合矮砧密植苹果栽植农艺要求。

表2 栽植效率试验结果

表3 栽植精度试验结果

4 结 论

1）对苹果栽植的各作业环节进行分析，采用双圆盘开沟器实现连续宽深开沟，沟型整齐。采用栅杆辅助定位装置与夹持输送装置实现果树的直立栽植，通过定距栽植装置保证果树栽植株距稳定。在机架上设置刮板式覆土器，实现土壤自动回填，并在机架后方设置轮式镇压器，完成土壤压实。

2）田间试验结果表明：苹果栽植机性能稳定，栽植效果良好，平均栽植合格率达到93.79%，平均栽植深度合格率达到91.43%，平均株距变异系数为5.03%，株距均匀性较好，优势明显。同时，机械栽植效率是人工栽植效率的36倍。

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Design of continuous ditching and fixed distance apple planting machine for high density dwarfing orchard

Lin Yuexiang1, Shang Shuqi1※, Wang Dongwei1, Song Laiqi2, Zhang Jingguo3

(1.266109,; 2.271018,3261501,)

Aiming at the present situation of high labor intensity and low precision of plant spacing control in fruit tree planting, the agricultural machinery agronomic integration technology based on standardized cultivation mode was studied in this paper, and an apple planting machine for high density dwarfing orchard was designed, the key technical problems in mechanized planting of fruit seedlings, such as continuous wide and deep furrow opening, vertical planting of fruit seedlings and precise control of plant spacing, were solved. The apple planting machine for high density dwarfing orchard was powered by a tractor above 58 kW and used a rear three-point suspension operation mode. The structure mainly composed of continuous ditching device, clamping and conveying device, fixed-distance planting device, overburden pressing device and other auxiliary devices. The ditching device was powered by power-output shaft to drive opener ditching continuously. V-type double-disc opener was used, ditching blade was installed on ditch cutter supported by inclined bearings. Soil retaining plate was installed at the rear of the opener, front and side plates were used with the opener to ensure the grooving structure was stable. Bottom plate was used together with grid bar to assist positioning. By manually placing the seedlings and placing the rotes on the bottom plate, the tree trunk was placed obliquely on the grid bar lying on the conveying channel for initial positioning. After the sensor of the fixed-distance planting device installed at the rear of the frame detected the position information of the planted seedlings, the cylinder action of the clamping conveyor was started by controlling the switch. the positioning bar was opened, and the seedlings entered the clamping state, and then the seedlings were transmitted backward by the carrying belt. The carrying belt was powered by the ground wheel with the same rate, therefore, the speed of the carrying belt was the same as the machine working speed, and the seedlings were placed in the planting ditch statically with a zero speed relative to the ground, then the scraper-type cover pushed back the soil and the compaction wheel pressed the soil compactly, at the same time it pushed forward the seedlings to complete the upright planting. The fixed-distance sensor detected the seedlings just planted, the process was repeated, ensuring the distance between the adjacent 2 seedlings was equal, continuous ditching, vertical planting, backfilling and repressing were realized in one-time. By adjusting the height of the bottom plate (from 0 to 20 cm), the angle and depth for initial inclined positioning could be changed, so that the machine could work in different soils and for different varieties. The ditching depth of the machine was adjustable from 0 to 40 cm, the ditching width was 30~37 cm, and the working speed was 0.8-1.5 km/h. The results of field experiment showed that the average qualification rate for planting depth was 91.43%, the average planting qualification rate was 93.79%, and the variation coefficient of plant spacing was about 5.03%, average planting efficiency was about 720 plants per hour, which was 36 times more efficient than manual planting, the machine worked stably and the planting effect met the mechanized production requirements of modern standard orchard.

agricultural machinery; design; apple; fixed distance planting; continuous ditching; bar-assisted positioning

2018-07-18

2018-11-13

山东省农机装备研发创新计划项目“苹果生产全程机械化技术与装备研发（2017YF006）”

林悦香，副教授，主要从事现代农业机械装备。 Email：1257149607@qq.com

尚书旗，教授，博士生导师，主要从事农业机械化工程研究。Email：sqingnong@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.003

S233.2

A

1002-6819(2019)-01-0023-08

林悦香，尚书旗，王东伟，宋来其，张敬国. 矮砧密植苹果树连续开沟定距栽植机研制[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：23－30. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.003 http://www.tcsae.org

Lin Yuexiang, Shang Shuqi, Wang Dongwei, Song Laiqi, Zhang Jingguo. Design of continuous ditching and fixed distance apple planting machine for high density dwarfing orchard[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 23－30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.003 http://www.tcsae.org