乔木幼苗自动植树机机械结构设计

冯 博，张学娇，任呈祥

（1.唐山钢铁集团有限责任公司热轧事业部，河北 唐山 063000；2.廊坊展翔精密机械有限公司，河北 廊坊 065001；3.华升富士达电梯有限公司，河北 廊坊 065001）

0 引言

随着全球变暖越来越严重，沙漠化已经成为不可忽视的全球性挑战。沙漠化涉及100 多个大国、10亿多人口，几乎覆盖了全球三分之一的土地，其中亚洲、非洲等一些发达经济体的土地更加严重，这一点也更加凸显了沙漠化的严重性[1-4]。由于强烈的大风，土地风蚀荒漠化更加严重，同时也加剧了中国土地的荒漠化程度[5-7]。

三北防护林体系工程在中华人民共和国改革开放政策下，自1978 年启动至今，已完成前五期工程建设任务，获得了令全球关注的巨大成果。一期（1978—1985 年）、二期（1986—1995 年）、三期（1996—2000 年）、四期（2001—2010 年）、五期（2011—2020 年）工程均实现了预期效果，而第六期工程也在积极推动中[8-13]。随着三北地区的植被恢复，森林覆盖率不断提高，该地区的环境质量得到极大的改善，同时也带来了巨大的生态、经济、社会价值，为当地的农业可持续发展及居民的福祉带来积极的影响。因此，推广机械化、自动化发展生态防护林具有重大的社会意义。基于此，本文提出了一种乔木幼苗自动植树机构，并主要对抓放苗装置、捧土覆土装置和植苗机驱动方式进行了设计。

1 整体设计

在全自动植树机控制系统设计的过程中，需要从实际需求出发，认真规划设计思路，并对全自动植树机控制系统进行贴合实际的、系统的分析，从而提出正确的控制系统的具体设计方案。

1.1 抓放苗机构设计

拨苗装置是一种重要的工具，它可以帮助人们按照一定的顺序从苗箱中取出树苗，并将它们放在指定的位置。它的作用是保证每棵树苗都能被正确地取出，避免树苗损坏。目前树苗的抓放苗机构有两种设计方案，具体如下。

方案一：采用机械手送苗，如图1 所示。整个设计由齿轮箱、机械手、限位开关等组成。采用电机作为动力源，由齿轮箱传导，控制一副机械手运动实现抓取，可以通过两个限位开关来精确控制机械手的两个极限位置。但是由于机械手的结构复杂，成本也相对较高，因此实际应用比较少。

图1 抓放苗机构1

方案二：采用曲柄摇杆式拨苗机构，如图2 所示。整个设计由转轴、齿轮-连杆、机架、苗箱等组成，且机架与苗箱相连，其特征在于采用了一种简易的曲柄摇杆机构，可以通过控制摇杆对苗箱中的树苗进行投放。这个设计旨在提高植物投放速度、扩大覆盖范围。

图2 抓放苗机构2

方案二的曲柄摇杆机构虽然结构简单，操纵起来也更加容易，但是其投放精准度难以控制，容易在投放过程中对植物幼苗产生损坏，对植物幼苗生长存活产生负面影响，导致其生产效率不够理想。综合考虑，方案一可以实现精准控制，因此本文采用方案一的抓放苗机构设计。

1.2 捧土覆土装置设计

捧土覆土装置是一种用来确保苗木生长良好的设备，它能够将土壤压实，从而提高苗木的存活率。它的使用质量直接关系到苗木的存活率。

本文设计的捧土覆土装置包括机架、液压缸、连杆和模拟人体的模型。它的工作原理通常是通过液压缸来调节操纵方向，而模拟人体的模型可以更有效地将泥沙捏合在一起。此外，这种设备的施加力量呈斜向，能够更有效地使泥沙按照需求进行分布，有助于植物的健康生长。如图3 所示，可以看到一个完整的捧土覆土装置三维模型。

图3 捧土覆土装置三维模型

在这个设计中，采用了一种特殊的橡胶覆盖的镇压轮，如图4 所示。这种材料既能提高覆土镇压的效率，又能缩小土壤的空间，从而起到防潮的作用，保证植株的健康生长。同时，为了满足各种工作条件的需求，在连杆的一端设计安装了一个压力弹簧，它能够控制镇压轮的位置，使其能够稳定地贴合地面，并且能够根据需要随时调节其压力，从而防止由于预紧力太强而导致土壤板结。

图4 覆土镇压轮

1.3 植苗机驱动方式设计

为使植苗机构达到最佳运行状态，需要优化液压马达系统的设计，植苗机液压系统原理图如图5所示。本植树机的设计主要面对乔木幼苗胸径为5 cm~6 cm，高度为1 m~1.5 m 的植树过程，在路的两侧或大面积苗圃中进行工作，植树机一次装载后需要种植的数量在100 棵左右。根据植物生长需求，将植物的株距p调整为1 m~3 m，将操作车辆的行驶速率调整到2 km/h~6 km/h，并将植物的播种速率调整到5 s/棵，最终栽植6 棵植物的株距是120 mm，以此计算植苗机构达到最佳运行状态的参数，选择最优型号的传动液压马达，以保证植苗机构的最佳性能。

图5 植苗机液压系统原理图

投苗速度计算公式如下：

带轮转速计算公式如下：

拖拉机行走速度计算公式如下：

经过计算发现，当带轮转速达到57.6 r/min 时，宜采用400 mL/r 的传动液压马达，这样乔木幼苗自动植树机构就能够实现0.864 km/h~2.25 km/h的最佳性能。通过对乔木幼苗自动植树机抓放苗装置、捧土覆土装置和植苗机驱动方式进行设计，使得乔木幼苗自动植树机满足了种植要求。

2 结论

传统的人工植树方式效率低下，人工作业辛苦，且树苗成活率低。基于此，本文提出了一种乔木幼苗自动植树机构，主要对抓放苗装置、捧土覆土装置和植苗机驱动方式进行了设计。本文设计的抓放苗装置成本较低，且具有投放精度高、幼苗存活率高的优点，同时配合捧土覆土装置能保证较高的种植速度与效率。长期以来，我国一直十分关注生态绿化领域的建设与发展，并在这方面取得了不少成果，研究设计了诸多高效、先进、多样化的植树机械。随着社会经济的发展以及人们生态意识的增强，需要在生态绿化领域付出更多的努力，以应对更多挑战。同时，积极推广生态防护林的机械化、自动化种植技术，有助于实现更高的生态、经济、社会价值。