便携式起苗机研发

2021-09-17合肥工业大学机械工程学院兰明阳徐瑞王流彬司博文刘博涵

河北农机 2021年9期

合肥工业大学机械工程学院兰明阳徐瑞王流彬司博文刘博涵

引言

目前城市绿化工作多采用人工移植在苗圃集中培育的苗木的方式，将苗木在苗圃培育4～5年后进行移植，此时已形成密集的根系和一定的树冠和枝叶，为了保证苗木移植成活率，一般采用土球移植法进行苗木移植，即需要在苗木的根部留有一定尺寸的土球，土球的端面大多呈弧状，且土球要保持完整[1]。我们现研发的便携式起苗机具有装置体积小、成本低、操作方便，可在狭小的空间内和山地上进行树苗移植作业等优点，可用于苗圃移植、城市绿化、果木种植等，非常适合当下我国苗圃移植作业，应用市场前景远大。

1 国内外起苗机的现状

国外苗木起苗装备发展较早，基本实现了机械化起苗作业，主要装备有简易型起苗铲、振动式起苗机、多功能联合起苗机等，其中联合起苗机可一次性完成起苗、抖土、输送、收集等多道工序，在市场上拥有更好的产品性能优势[2]，但其造价也高，引进工作艰难，不满足老百姓物美价廉的需求。

最早的便携式起苗机为日本油锯式起苗机。该类型的起苗机将油锯的链条进行适当的改进应用于切削土壤与树根。2013年8月亚玛森特种链锯有限公司推出了一款油锯式起苗机，采用密集型硬质合金链条作为切削部件，最大切削深度可达90 cm，适用于胸径30cm以下的树木，平均切削时间为2～3min。该移植机在性能上有了很大的提升，但仍存在所需汽油机功率较大，链锯易损坏及更换昂贵等缺点。

国内起苗机的研发虽然起步较晚，但是发展速度较快。国内苗木机械化起苗技术与装备经过不断研发、优化和创新，涌现出单铲式起苗机、振动式起苗机、翻转双侧起苗机等多种机型，起苗效率和效果都在逐渐提高[3-4]。国家对绿化提出了更高的需求，同时各类果园、苗圃的树木的起苗量越来越多，传统的起苗方式受限于挖掘工具及人力条件的不足，不可避免地会伤及树根，这无疑会直接影响果树移植的成活率。为满足国内的旺盛需求和解决传统树苗移植的问题，我们小组在指导教师的帮助下开始了这一便携式起苗机的研发，力求满足树苗移植的要求。

2 便携式起苗机的研究方案

2.1 设计方案

研发的便携式起苗机重量大约为20公斤，是由两人操作。起苗机用小型汽油机作为动力，在输出端安装有减速箱，将发动机的转速进行减速增扭，减速箱的输出轴端安装有主动链轮，在减速箱上安装有刀架总成，在刀架总成的末端装有被动链轮，在主动链轮和被动链轮上装有挖掘土球的链条刀。图1为便携式起苗机传动示意图，图2为便携式起苗机总图。

图1 便携式起苗机传动示意图

图2 便携式起苗机总图

从图2可看出，便携式起苗机汽油机在机械结构上主要由四个部分构成，即：汽油机、变速箱、链条刀总成、刀架总成。这四大部件和一些辅助部件就构成便携式起苗机的整体结构。

2.1.1 汽油机

汽油机采用本田GX160单缸4冲程汽油发动机，排量为163ml/m，最大功率为4Kw，采用强制风冷，输出轴逆时针旋向，额定转速为3600r/m，额定功率为3.53Kw,最大输出扭矩为10.78N/m（转速为2500r/m）。

2.1.2 减速箱

减速箱的总装配图如图3所示，主要由10个零部件构成。即：①减速箱体②减速箱盖③主动齿轮轴④被动齿轮⑤主动链轮⑥唇形骨架油封⑦深沟球轴承6204⑧隔套⑨输出轴⑩普通平键。

图3 减速箱总成

件1减速箱通过减速箱体上的螺钉与汽油机固连，另一端与刀架总成连接。减速箱体主要起容纳减速箱各个零部件和连接刀架总成的作用。箱体采用铸钢，壁厚为5mm。件3主动齿轮轴通过平键安装在汽油机的输出轴上，将汽油机的转矩传递到件4被动齿轮上，主动齿轮轴的模数为2，齿数为18。件4为被动齿轮与件3主动齿轮轴啮合，起到减速增扭的作用，件4的齿数为36齿，模数为2。件7深沟球轴承6204有2件，尺寸为47*20*14mm(外径*内径*厚度)。由于件3与件4为圆柱直齿轮啮合，因此件3在件4被动齿轮上只有径向力，没有轴向力产生，因此采用深沟球轴承。

2.1.3 链条刀总成

链条刀总成是整个便携式起苗机的工作部件，汽油机的动力最终是传递到链条刀总成上，链条刀的作用有：其一，挖开土壤，沿着树木四周挖开一道空隙，空隙的宽度为30mm，这道空隙为斜着向下，便于在树根上形成土球；其二，切开土壤中的石块和切断树根。整个总成的结构图如图5所示，主要由件1左外切刀、件2右外切刀、件3左内切刀、件4右内切刀和件5滚子链条构成。

图4 链条刀总成

图5 刀架总成

件5滚子链为10A型，长度为96节，国标号为GB/T1243-2006。件1、件2、件3和件4四种切刀是安装在件5滚子链上，安装时是将滚子链的外链片取下，将四种切刀装上。工作时，两种内切刀在垂直链条移动方向上间距很小，只有不到2mm，便于切开土石块和切断树根，两种外切刀的刀口间距为30mm，可以挖开土壤。

2.1.4 刀架总成

刀架总成是安装在减速箱上，用于支撑链条刀总成。因为链条刀总成是在刀架总成上旋转，挖土和切断时的力都作用在刀架总成上，所以刀架总成需要一定的刚度和强度。刀架总成主要由：1主动链轮、2刀架、3张紧螺钉、4被动链轮等。如图6所示。

件1主动链轮安装在减速箱的输出轴上，通过普通平键连接；件2刀架上有两个U形螺钉孔，通过螺钉固定在减速箱上；件3张紧螺钉是通过两个螺母并紧在见刀架上，是用于张紧链条刀总成的；件4被动链轮与件1主动链轮的齿形和齿数相同，都是配用滚子链10A，节距为15.875mm，齿数为13齿。由于被动链轮始终在泥土中工作，因此链轮的转动处采用全密封结构。

2.2 安装和调整

2.2.1 安装:便携式起苗机本体安装结束后，还需要安装一些辅助件，比如挡泥板、操作把手和支架等。

2.2.2 调整:当链条刀总成使用一段时间后，链条的销轴会磨损，链片孔会变大，链条刀总成会变长，就无法工作了，就需要调整，这种调整实际上就是对滚子链进行重新张紧。滚子链变长不多时，调整刀架总成中的件2张紧螺钉，使得滚子链张紧；当滚子链变得较长时，仅靠调节张紧螺钉无法张紧时，此时的调整步骤：松开刀架总成中的件2张紧螺钉→松开刀架总成上的2个U形孔上螺钉→取下链条刀总成→去除2个链节→装上链条刀总成→拉紧刀架总成、张紧链条刀总成→上紧2个U形孔上螺钉→调整张紧螺钉

3 研发创新点

（1）在汽油机的输出端增加减速箱，使得输出降速增扭，克服汽油机由于输出转速太高，无法顺利完成挖土工作的缺点；（2）在链条刀总成上按照一定的次序安装四种切刀，使得链条刀能够挖土的同时，具有切开石块和树根的功能；（3）链条刀总成受力复杂，会受到拉力、冲击力等，链片和切刀磨损快，采用高强度耐磨钢NM400制造；（4）被动链轮在泥土中工作，采用全密封结构，避免链条刀损坏，干扰正常工作；