一种自动化程度较高的扦插种植沙棘机器的设计分析

2022-05-11孟繁伟陈一舟程顺鑫卢子儒刘言豪

科学技术创新 2022年13期

孟繁伟陈一舟程顺鑫卢子儒刘言豪

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨 150006）

1 概述

在我国西北部地区，存在土地荒漠化、水土流失严重等问题，荒漠化面积占中国荒漠化面积的80%左右[1]。而植树造林无疑是解决这些问题最直观、有效的方法。树木对环境和人类而言都是不可或缺的存在[2]。大量研究表明：森林除了为人类提供木材和林副产品外，更重要的还在于它有涵养水源、保持水土、防风固沙、调节气候、消除噪声及保护生物多样性等方面的巨大作用[3]。那么在这样恶劣的环境下种植哪种树木更好呢？哪种树更适宜种植呢？根据这样的目标及环境，我们选择了沙棘这种作物。沙棘有很多优点：耐旱、耐贫瘠、生命力强、适应性极强、根系发达，有很好的水土保持作用[4]。根据数据6 年生的沙棘可以减少土壤流失量68%，7-9 年生沙棘更能够减少土壤冲刷量78%-99%，除此之外，沙棘还有很大的营养价值和经济价值，沙棘的果实富含190 多种活性成分，富含维生素，对冠心病，预防组织衰老等有很好的功效，沙棘作为燃料也具有产量高，热值大等特点[5]。目前，在工业生产中针对植树作业机械化相关装备越来越多，国内外相关机构开展了大量的研究，研究的主要植树作业装备类型有挖坑机、挖穴机、深栽造林钻孔机等机械装备[6]。主要为单棵树苗类的移植与种植，一般为中等大小树木的移植，对于以大面积植树为方向的植树机的发展还比较薄弱，不论从我国国情、还是从国家的有关政策而言，自动植树机都具有很大的市场潜力[7]。沙棘至今仍然是人工手动种植，为此设计了一种自动化程度较高的扦插种植沙棘的植树机，为治理土地荒漠化、水土流失等问题做出一定贡献。

2 总体设计

2.1 整机主要结构及其组成

沙棘扦插植树机主要以履带底盘为车体，于其上布置的机构有钻机构、压土机构、分苗机构、投苗机构等机构。根据这些机构的功能及植树的要求对这些机构进行了合理的布置形成了植树机，如图1、表1 所示。

表1 主要技术参数表

图1 扦插植树机总体结构示意图

2.2 植树机工作流程

扦插植树机的工作流程如图2 所示。工作人员将苗箱内填满沙棘苗后，操作植树机到达指定种苗起始位置即可开始植树工作。

图2 植树机工作流程图

首先由丝杠螺母结构和支撑板控制钻头向下钻坑直至钻坑的深度为400mm，抬起钻结构。采用地钻竖直下挖，地钻螺旋式的钻头可以保证挖坑的深度及其直立性。

挖坑结束后，植树机整体向前移动一定距离，通过投苗机构控制1 棵沙棘苗掉入挖好的坑中，然后压土机构工作一次将树苗周围的土进行压实，树苗的种植工作即完成。重复前述工作流程即可继续进行树苗的种植。

2.3 各组成部分主要功能及其结构实现

2.3.1 车体。车体首先需要满足一定的尺寸大小要求与强度要求，结合植树机的工作环境主要为荒漠边缘地带，地质松软，地形复杂，选择了履带底盘为车体，相对于车轮式底盘行驶更加稳定。

2.3.2 投苗机构组成及其工作原理。投苗机构的结构如图3、4 所示。储苗箱采用分层式的储苗设计，每层的宽度略大于树苗的平均直径，使沿竖直方向只能容纳一列树苗。这种结构避免了大量树苗堆在一起发生严重干涉而无法使单个树苗通过自身重力及苗箱内部的斜面到达苗箱出苗口，更利于自动化植树。

图3 投苗机构示意图

初始状态下，板件、齿条组成的档板结构全部插入到苗箱中，工作时通过电机5的转动及齿轮齿条的啮合作用，使档板结构通过滑轨沿斜向背离苗箱的方向运动一定距离后，苗箱第一层的树苗通过重力向下掉落至苗箱内部的斜面，进一步到达出苗口。

投苗机构出苗口处的结构如图5 所示，通过步进电机控制，间歇投苗装置每次回转90 度，可以实现每次控制一颗树苗从投苗机构出去。

图4 投苗机构爆炸视图

图5 投苗结构出苗口结构示意图

2.3.3 分苗机构。依据实际情况，为了方便运输，树苗在运输时是将树苗的顶部与树苗根部颠倒放置在一起运输的，为此设计了分苗结构，旨在不使用人工再区分树苗的顶部或根部，通过机械结构来区分并使树苗的根部被植入土中。

分苗机构的结构如图6 所示。通过投苗机构出苗口处的间歇投苗装置控制一颗树苗从投苗机构出来，沿分苗机构斜面滑落至被其末端挡住，由于树苗根部重量大于顶部重量，树苗自动翻转，根部朝下掉入落苗机构中。

图6 分苗机构

2.3.4 落苗机构。落苗机构如图7 所示，树苗经由分苗机构进入落苗机构，由于落苗机构光滑的内壁，树苗可以顺利通过落苗机构的出苗口再经压土机构的出苗口落入钻好的坑中。

图7 落苗机构

2.3.5 压土机构。压土机构如图8 所示，当树苗落入坑中后，通过电机3 的转动、齿轮与齿条的啮合及直线轴承和光轴的配合，使压土机构向下运动将土压实，模拟了实际植树时工人将树苗放入坑中后将土踩实的动作。

图8 压土机构

树苗落入坑中后，由于其顶部仍有一部分位于压土机构的中空结构中，起到了对树苗的扶正作用。

3 压土机构的设计与校核

压土机构的工作性能直接影响了树苗周围土壤的紧实度及树苗在种植后的抗倒伏能力，确定合理的参数尤为重要。树苗的平均直径为20mm，钻坑的直径为50mm，可以确定压土机构的落苗口的直径尺寸为30mm，外径尺寸为52mm，由于其需要与齿条相连接，需要铣出一个平面并配有螺纹孔。根据压土机构需要承受瞬间冲击力的特点，需要对其进行有限元分析，进行强度校核。

压土机构的有限元分析：

压土机构由电机及齿轮齿条带动以匀速直线运动状态撞击地面，瞬间的冲击力非常大，若压土机构无法满足强度要求，那么机构就容易发生失效，保证压土机构的强度是压土机构正常工作的前提。因此在此进行压土机构的强度分析。压土机构的材料为铝合金，见表2。

表2

设F 为覆土压实机构与地面接触瞬间产生的冲击力

由动量定理 Ft=mv

得 F=191.4N

压土机构的模型如图9 所示，利Solidworks 中的simulation 模块进行强度仿真分析，根据压土机构的受力情况，对其进行约束和加载，约束位置为压土机构与齿条螺纹孔处，受力位置为压土机构的底面。分析其瞬间受力后的情况，对整体进行网格划分，如图10 所示，得出静应力云图如图11 所示，可以看出压土机构所受最大应力为3.874Mpa，小于铝合金材料的屈服强度27.574Mpa，故所设计的压土机构满足工作强度条件。