林地含籽壤土切收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

袁永偉　姜海勇　弋景剛　等

摘要：為了滿(mǎn)足宮脅法造林技術(shù)改進(jìn)過(guò)程中采集林地表含樹(shù)籽土壤工序的需要，設(shè)計(jì)一種林地表含樹(shù)籽壤土自動(dòng)剝離設(shè)備。該機(jī)的特點(diǎn)是使用了鏈板刀組，既能分層切下含籽壤土，又能將含籽壤土通過(guò)鏈板刀推送到收集袋中。設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)建立鏈板刀切土阻力數(shù)學(xué)模型，對(duì)行進(jìn)工作阻力進(jìn)行分析，得到總水平阻力與工作寬度的關(guān)系，進(jìn)而合理設(shè)計(jì)工作部件寬度。試驗(yàn)證明該機(jī)操作方便、取土效率高、爬坡能力和通過(guò)能力強(qiáng)，適于山區(qū)林地使用。

關(guān)鍵詞：宮脅造林法；壤土切收機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)學(xué)建模

中圖分類(lèi)號(hào)： S776.22文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2015）01-0383-03

收稿日期：2014-03-22

基金項(xiàng)目：河北省科技支撐計(jì)劃（ 編號(hào)：12227108D）。

作者簡(jiǎn)介：袁永偉（1987—），男，河北任丘人，碩士，主要從事機(jī)電一體化研究。E-mail：yyw0314@126.com。一直以來(lái)我國(guó)過(guò)分注重人工造林，相對(duì)忽視退化生態(tài)系統(tǒng)自然恢復(fù)或修復(fù)技術(shù)研究，因此我國(guó)引進(jìn)宮脅法造林技術(shù)，強(qiáng)調(diào)和提倡用鄉(xiāng)土樹(shù)種建造鄉(xiāng)土森林，即取林地地表含籽壤土用于育苗。目前我國(guó)人工林達(dá)6 168萬(wàn)hm2，居世界第1位[1]。林地中大量樹(shù)籽成熟后落在地表，隨著雨水沖刷慢慢掩埋在地表的淺土層中，通常距離地面10 cm以?xún)?nèi)的土層中富含落葉松等樹(shù)種。由于樹(shù)冠的遮擋，地表受光照射不足，種籽難以發(fā)芽，大多數(shù)最終腐爛。將這一層富含種籽的土層取出，鋪在日光照射充足的區(qū)域，并給以適當(dāng)?shù)乃郑N籽將很容易發(fā)芽。為了推動(dòng)植樹(shù)造林的進(jìn)程，加快育苗速度，迫切需要一種能夠?qū)⒘值刂泻淹吝M(jìn)行切離并收集的設(shè)備。

1總體設(shè)計(jì)

1.1主要組成部分

林地含籽壤土切收機(jī)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)、擺線(xiàn)減速箱、行走變速箱、工作部件變速箱、鏈板刀組、轉(zhuǎn)向調(diào)深裝置等，其整機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

1.2工作原理

整機(jī)以186風(fēng)冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，行走變速箱通過(guò)十字結(jié)聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，換檔機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)行走輪，推動(dòng)整機(jī)行進(jìn)，鏈板刀組在主動(dòng)鏈輪的驅(qū)動(dòng)下連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，土層在行進(jìn)過(guò)程中不斷被鏈板刀切離，在鏈板刀的作用下連續(xù)輸送至收集袋中，完成含籽壤土切離收集過(guò)程。行走過(guò)程中，通過(guò)液壓調(diào)節(jié)裝置來(lái)調(diào)節(jié)取土深度。

2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1切土輸送裝置

切土輸送裝置作為整機(jī)的關(guān)鍵部件，既要完成切土任務(wù)，又要將碎土提高到約1.1 m的高度以便于裝袋收集。因此設(shè)計(jì)鏈板刀組，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

整個(gè)鏈板刀組主要有A、B、C等3根軸，A軸為動(dòng)力輸入軸，改變A軸上的2個(gè)鏈輪的直徑，就可以在相同轉(zhuǎn)速下改變切削線(xiàn)速度；B軸為切削軸，在A軸的驅(qū)動(dòng)下，鏈板刀組的每片刀運(yùn)行至B軸處進(jìn)行切土，這樣就形成了多刀分層切削的作用；B軸與C軸所確定的平面決定了含籽土的提升角度，使得B軸與C軸間的鏈板形成輸送器，而B(niǎo)軸與A軸的支撐結(jié)構(gòu)使得A軸與B軸之間的鏈板能夠?qū)⒌湓贐軸后面的

碎土再次被收集起來(lái)，另外A軸與B軸之間的鏈板能夠在崎嶇路面行走時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸В籆軸為卸料軸，其所支撐的2個(gè)鏈輪直徑很小，主要目的在于鏈板刀帶土上行過(guò)程中經(jīng)過(guò)小齒輪時(shí)獲得更大離心加速度，使土較容易脫離鏈板刀。

2.2轉(zhuǎn)向調(diào)深裝置

為了完成轉(zhuǎn)向和準(zhǔn)確控制取土深度，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向調(diào)深裝置，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示。整個(gè)裝置由液壓手柄、液壓千斤頂組件、轉(zhuǎn)向調(diào)深輪和支撐梁組成。取土深度由液壓缸調(diào)節(jié)限深輪的高度進(jìn)行限定，限深輪同時(shí)又是轉(zhuǎn)向輪，通過(guò)左右扭動(dòng)液壓手柄帶動(dòng)液壓千斤頂組件進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向調(diào)深輪繞液壓桿的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)，即可改變整機(jī)的前進(jìn)方向。為了防止突然出現(xiàn)的坑洼造成切收過(guò)程中出現(xiàn)突然加大切深的現(xiàn)象，設(shè)置了前置3點(diǎn)仿形結(jié)構(gòu)，由限深輪和切收機(jī)最前面的2個(gè)輔助限深輪組成。該結(jié)構(gòu)有效克服了忽深忽淺工作不穩(wěn)定的問(wèn)題，并使袋子能夠穩(wěn)定在出土口下面。

3工作阻力數(shù)學(xué)模型

3.1刀板切土阻力模型

切土過(guò)程中，作用在刀板上的主要阻力包括：土壤變形力、速率不連續(xù)所發(fā)生的力、土壤慣性力和外摩擦力。對(duì)刀板面進(jìn)行受力分析，受力圖見(jiàn)圖4。

3.2刀板面上的壓縮力

土垡OO′B″A在刀板面上的壓縮應(yīng)變?yōu)椋▓D4）：

ε=1-sinβsin（α+β）。（1）

刀板面上的壓縮應(yīng)力P0=f（ε），其中f（ε）可由土樣的壓縮試驗(yàn)得出。

根據(jù)Jaky定律[5]，側(cè)向應(yīng)力Pg與正向應(yīng)力P0的關(guān)系為Pg=P0（1-sinφ），這樣，作用在刀板表面OA上的法向壓縮力為：

PG1=bL2f（ε）（1-sinφ）=bL2f（1-sinβ）sin（α+β）（1-sinφ）。（2）

設(shè)在刀板上AC這段的土垡所受法向壓力的分布為自A點(diǎn)起按直線(xiàn)關(guān)系下降至0，因而在AC這段，刀板面上的法向壓力為：

PG2=0.5b（H-L2）（1-sinφ）f1-sinβsin（α+β）。（3）

作用在刀板面上的總法向土垡壓縮力為：

PG=PG1+PG2=0.5b（H+L2）（1-sinφ）f1-sinβsin（α+β）。（4）

3.3側(cè)刃剪切力

在圖4可知，作用在剪失效面AB上A點(diǎn)的法向壓力為σA=P0（1-sinφ）而在AB線(xiàn)上任意一點(diǎn)P′（AP′=y）處的正壓力為σy=P0（1-sinφ）（L-y）L，將此式σY作為σn代入剪強(qiáng)動(dòng)力方程lnτ=C1+C2lnr+C3（1+C4σn），得：

lnτy=C1+C2lnγ+C31+C4P1（1-sinφ）（L-y）L，（5）

即側(cè)刃剪切力為：

Psh=∫L0τydy=eC1L2γC2[1+C4P0（1-sinφ]C3+1-1C4P0（1+C3）（1-sinφ）。（6）endprint

3.4Ω3區(qū)的土壤加速慣性力

土壤加速慣性力主要發(fā)生在Ω3區(qū)，任取一行平行于刀板板面的平面N，交Ω2的邊界和Ω4的邊界線(xiàn)于j（圖5），i處土壤速度為0，j處土壤速度為Uf；設(shè)速度從i到j(luò)為線(xiàn)性均勻加速，且方向不變，則慣性力為：

Pa=bHDwU2sinαgsin2（α+β）。（7）

式中：Dw為土壤容重[6]。

3.5土垡沿刀板的摩擦阻力

刀板法向力為Pn=（Psh+Pa）cos（90-α-β）+PG，式中：PG為刀板面上的總法向土垡壓縮力。應(yīng)用動(dòng)摩擦阻力方程式Pf=C′+AlnV+σntgφn，并將土壤沿刀板面運(yùn)動(dòng)速度Ue和刀板法向力Pn代入，得：

Pf=nHC′+AlnVsinβsin（α+β）+Pntgφn。（8）

3.6刀板總水平阻力

從上可得出：

Px=P0sinα+（Psh+Pa）cosβ+Pfcosα+P0。（9）

3.7模型計(jì)算結(jié)果

根據(jù)土樣試驗(yàn)所得P0=f（ε）曲線(xiàn)和動(dòng)力剪強(qiáng)方程的參數(shù)C1、C2、C3、C4值及動(dòng)力黏附摩擦方程的參數(shù)C′at、A、φa值，代入式（9），計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

經(jīng)分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在切削速度、切削深度和切削角度一定的情況下，切削總水平阻力與切削寬度成線(xiàn)性關(guān)系。目前，我國(guó)人造林地有清晰準(zhǔn)確的行列規(guī)則，一般行距為5 m，株距為3 m，有比較寬廣的作業(yè)空間。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中切削寬度要求在90～100 cm。從計(jì)算結(jié)果（圖6）來(lái)看，切削寬度在 90～100 cm 范圍內(nèi)水平總切削阻力在1.5～1.8 kN。綜合考慮切收土壤效率和總水平阻力，切削寬度可以選擇100 cm。當(dāng)切削寬度在100 cm時(shí)，通過(guò)圖6可知切削過(guò)程中切削總水平阻力在1.8 kN左右，功率5.7 kW的186風(fēng)冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提供足夠的動(dòng)力。

4結(jié)果與分析

2013年8月9日在承德桃山林場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。工作時(shí)，行走速度為6 m/min，工作寬度為100 cm，額定轉(zhuǎn)速為 180 r/min，切削線(xiàn)速度為1.43 m/s。將2條收集袋的口沿分別掛在4個(gè)收集袋掛接釘上，收集袋的底部被左右2個(gè)收集袋支撐架支撐。通過(guò)按液壓手柄調(diào)整液壓千斤頂組件的液壓桿的伸出長(zhǎng)度，相應(yīng)改變切削深度，鏈板刀將土沿拖土板向上推送，直接掉落在收集袋中。試驗(yàn)結(jié)果表明，鏈板刀組式林地表含籽壤土切收機(jī)能夠滿(mǎn)足含籽壤土收集工作的要求，實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)完成土層剝離與收集，含籽壤土直接落入收集袋中，操作方便，通過(guò)能力強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足山地林場(chǎng)的需要。所采集的含籽壤土能夠直接用于鋪播育苗綠化。

5結(jié)論

本研究根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)出了一臺(tái)林地含籽壤土切收機(jī)。該設(shè)備具有以下特點(diǎn)：（1）采用鏈板刀組既能分層切下含籽壤土，又能將含籽壤土通過(guò)鏈板刀推送到收集袋中；（2）采用前置3點(diǎn)仿形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)定深切收，有效避免了突然下陷；（3）采用液力調(diào)整技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了土層定深取土與裝袋同步完成。在承德桃山林場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)操作方便、取土效率高、爬坡能力和通過(guò)能力強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足山地林場(chǎng)的需要。

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