蘋果苗木栽植機的設計與試驗研究

王鵬飛，何建華，劉俊峰，李建平，楊 欣，張 博

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

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蘋果苗木栽植機的設計與試驗研究

王鵬飛，何建華，劉俊峰，李建平，楊 欣，張 博

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

針對新型矮砧密植蘋果建園勞動強度大及機械化程度較低的問題，應用AIP三維設計軟件，設計開發了連續開溝式蘋果苗木栽植機。該機采用芯鏵式開溝器，為便于維護和轉運機架設計成3級連接機構。該機設計開溝深度為30～35cm，開溝寬度為25cm，集苗箱容量為健壯蘋果樹苗500棵，正常工作速度為0.8～1.2m/s。田間試驗結果表明：該栽植機工作性能良好，所栽苗木倒伏率為0.67%，機械傷苗率為0.44%；機具開溝穩定，栽植深度合格率為98.88%，苗木栽植合格率達98.22%；人工充苗作業，株距變異系數20%。該機結構設計合理，栽植作業質量能夠滿足建園農藝要求，為我國矮砧密植栽培模式下的蘋果園建設提供了技術支持。

連續開溝；建園；動力配套；栽植質量；蘋果苗木

0 引言

據國家蘋果產業技術體系研發中心統計，2013年全國蘋果種植面積約為 225.3萬hm2，產量約為3 170 萬t，均居世界首位[1]。 蘋果栽培制度在蘋果生產中起著至關重要的作用，近30年多來，世界蘋果栽培制度發生了深刻的變化，目前矮砧密植是世界蘋果栽培發展的方向，也是我國現代蘋果產業發展的方向[3]。蘋果矮砧密植栽培，是世界蘋果優質高效栽培的成功經驗，是節約土地、節約勞力、節約水肥藥資源、提質增效的蘋果集約化栽培模式[3-4]。在建園作業中，采用寬行密株栽培的栽培模式為蘋果苗木機械化栽植提供了可能。

近幾年，國內外相關機構針對植樹作業機械化作業技術和裝備進行了大量研究， 研究的植樹作業裝備類型主要有挖坑式、間斷開溝式和連續開溝式3種植樹作業機[5]。挖坑機械主要適用于小面積的山地、坡陡、石頭多等場合的植樹造林，作業效率較低，不適合大規模蘋果苗木栽植建園作業[6]。蘋果矮砧密植的栽培模式采用寬行距窄株距的栽培技術，要求苗木栽植行距一般為3.0～4.2m，株距0.8～1.5m。連續開溝式作業機械能夠實現植樹的機械化連續開溝及栽植作業，作業效率高，較間斷開溝式植樹機而言更適合窄株距栽植的機械化作業[7]。

為滿足矮砧密植型果樹栽培發展的要求，本文根據蘋果苗木栽植的園藝技術要求，利用AIP三維設計軟件，設計完成了一種適合果園建園作業的連續開溝式苗木栽植機，并對樣機進行了田間試驗。

1 整機方案設計

1.1 工作原理

連續開溝式蘋果苗木栽植機結構主要包括覆土輪、鎮壓輪、撥土輪、開溝裝置、機架和限深輪等部件，如圖1所示。該機進行林果樹苗栽植作業時，機組進地一次即可實現地表開溝、放苗、扶苗、回土、分層壓實和表層覆土等一系列作業工序，完成苗木田間定植。

1.2 園藝要求及設計參數

苗木栽植機的設計主要為滿足矮砧密植型蘋果栽培在建園過程中的機械化需求，機具設計必須與園藝栽植要求相適應，農機與農藝相結合。

1)蘋果苗木特性。新型矮砧密植蘋果栽培，建園時宜選用在苗圃培養3年的健壯大苗，并且苗木品種、基砧和矮化砧木純正，無檢疫性病蟲害。苗木專家給出的健壯大苗標準是：苗木基部品種接口上10cm處干徑在1.2cm以上，苗木高度1.5 m以上；整形帶內最好有6～9個有效分枝，長度在40～50cm，分布均勻；苗木根系健壯，超過 20cm的側根5條以上，毛細根密集；矮化中間砧苗木的矮化砧長度20～30cm，矮化自根砧苗木根砧長度20 cm左右[8]。出圃蘋果苗木根系結構如圖2所示。

1.限深輪 2.苗木箱 3.開溝器 4.座椅 5.機架 6.錐形鎮壓輪 7.圓形鎮壓輪 8.覆土輪

圖2 栽植苗木根系結構

2)栽植要求與特點。果樹栽培專家指出：蘋果苗木栽植時要特別注意矮化砧的入土深度，特別注意不能讓品種生根，這與建園的成敗關系極大。矮砧蘋果的栽植深度，會影響樹體生長，栽植不可過深，否則將接穗部分埋入土中，接穗很容易生根，引起樹勢轉旺，矮化砧失去作用，變成喬化樹。因此，一般要求接穗與砧木的接口在地表5～10cm 處，栽后淺培土，保護砧段部分[9]。

3)設計參數為：

栽植方式：連續開溝式栽植

作業行數/行：1

開溝深度/cm：25～35

開溝寬度/cm：25

掛接方式：后三點懸掛

栽植苗木種類：蘋果樹苗、楊樹苗等

苗齡/年：3

苗高/m：1.2～3

作業人數(含機手)/人：3～4

2 主要參數確定及關鍵部件設計

2.1 開溝裝置的設計

開溝質量的好壞直接影響樹苗的栽植質量和成活率。該機開溝裝置為芯鏵式開溝器，由開溝刀、開溝板、保持板、擋土板、扶苗器和連接件等結構焊合而成，如圖3所示。開溝裝置通過連接件和U型螺栓固定在機架橫梁上。

1.扶苗器 2.保持板 3.擋土板 4.連接板 5.開溝板 6.開溝刀 7.機架橫梁(部分) 8.U型螺栓

開溝刀材料選用65Mn，具有耐磨損和剛性好的優點，常被犁鏵等入土工作部件選用[10-11]。其屈服強度為430MPa，極限拉伸強度為735MPa。開溝裝置的其它零件均選用Q235A，其屈服強度為235MPa，極限拉伸強度為500MPa。

栽植作業時，開溝刀切入土壤，并通過限深輪和芯鏵入土角控制和穩定開溝深度；破碎的土壤被開溝板分開，并推向兩側壓實；為防止土壤過早回填、確保栽植溝形的寬度和深度，土壤在保持板和擋土板的作用下進一步被壓實。開溝器完成開溝作業的同時，由人工充苗，通過了保持板的部分土壤自動回填，在人工扶持和扶苗器扶持的作用下，苗木收攏到苗帶中間，經鎮壓和覆土，樹苗直立并定植成一條直線。

2.2 配套動力計算

蘋果苗木栽植機在工作時，總的牽引阻力主要由芯鏵式開溝器的阻力、限深輪阻力和鎮壓覆土輪的阻力組成。對于芯鏵式開溝器的牽引阻力F1可按下式粗略估算[12-14]，有

F1=kwA(N)

其中，kw為挖掘比阻(N/cm2)，其值與開溝器結構和土壤狀況等因素有關。荒地取kw=11.8～19.6，熟地取kw=4.9～9.8；蘋果苗木栽植環境復雜，為了保證機器的正常運行，選取較大的值為kw=15。

A為挖掘截面積(cm2)。根據開溝器設計參數和苗木栽植要求計算A=25cm×35cm= 875cm2。限深輪和鎮壓覆土輪的阻力采用簡化公式進行計算，有

F2=kG

其中，k為表示輪子的滾動阻力系數，充氣輪在不同的土壤，充氣量的大小不同的情況，滾動阻力系數不同，為了保證機器的正常運行，選取較大的值 0.4；G為輪子承載的重力，機具空載質量約500kg，質量為4 900N，集苗箱容積為500棵。以苗木平均重6.4N，栽植作業人員3人，每人平均重600N，粗略估算取G=9900N。

所以，總的牽引阻力為

F=F1+F2=kwA+kG=17085N

栽植作業時，根據分苗的速率和苗木的株距要求，以栽植作業最大速度v=1.2m/s計算。考慮到地況和有效功率等原因，取安全系數K=2.5。

則栽植所需拖拉機的牽引功率為

P=KFv=51.26kW

2.3 機架設計

為便于維護和運輸，栽植機機架采用3級連接結構，分別由80mm×80mm×5mm和80mm×60mm×5mm的矩形鋼管焊接而成。其中，第1級為懸掛機構，主要包括上、下懸掛、限深輪支座和開溝機掛接橫梁。結構如圖4(a)所示；第2級機構為鎮壓輪支架，結構尺寸如圖4(b)所示；第3級機構為覆土輪支架，結構如圖4(c)所示。機架各級通過螺栓連接，連接限深輪、開溝器、人工座椅、鎮壓輪和覆土輪后組裝成栽植機整機。利用AIP三維設計軟件構建并完成整機數字模型裝配如圖5所示。

3 田間試驗

3.1 試驗苗木條件

2015年3月，在高碑店對樣機進行了田間試驗，試驗苗木有3年生健壯蘋果苗和1年生健壯楊樹苗。其中，主要對蘋果樹苗進行了試驗數據采集和處理。蘋果苗木高度1.5～2.2m，苗木基部品種接口上10cm處干徑在大于1.5cm，苗木健壯，根系完整，枝干無明顯機械損傷。

(a) 第1級機構

(b) 第2級結機構

(c) 第3級機構

圖5 苗木栽植機整機組裝

3.2 試驗地條件

試驗用地為0.67hm2，在苗木栽植前經旋耕碎土，地表平整，無明顯大土塊和石塊，無秸稈和雜草障礙，土質松軟條件良好。

3.3 試驗數據與處理結果

根據苗木起苗技術要求和苗木栽植農藝要求，確定栽植機的開溝深度為h=300mm，栽植深度在280～320mm為合格深度;作業速度為0.8～1.0m/s，計劃栽植株距為1.5m;配套動力選用東方紅750型拖拉機，如圖6所示。

試驗數據獲取為每次每行連續測定150 株，栽植質量和栽植精度的測定與計算結果如表1、表2所示。田間試驗表明：該栽植機工作性能良好，所栽苗木倒伏率低，僅為0.67%；機械傷苗率為0.44%；機具開溝穩定，栽植深度合格率為98.88%，苗木栽植合格率達98.22%。但由于人工充苗作業，株距變異系數較大，所測株距變異系數為

圖6 開溝栽植樹苗田間試驗

項目第1行試驗1試驗2試驗3第2行試驗1試驗2試驗3第3行試驗1試驗2試驗3平均值測定總株數/株50505050505050505050測定段長度/m60606060606060606060測定平均株距/m1．401．551．561．511．451．491．431．561．471．55倒伏株數?/株0100010100．0067傷苗株數/株0010010000．0044栽植深度合格株數/株49495050504850495049．44合格株數/株49484950494850495049．11

倒伏率—植后樹苗主莖干與地面夾角小于30°。

表2 數據處理

4 結論

1)根據新型矮砧密植型蘋果園建設需求和果樹栽培技術特點，設計了連續開溝式蘋果苗木栽植機。該機能夠大大降低蘋果密植建園過程中的勞動強度，提高經濟效益。

2)田間試驗表明：栽植機作業性能穩定，栽植效果良好，栽植倒伏率和傷苗率低，栽植根深穩定，能夠滿足新型矮砧密植果園的建園要求。

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Design and Experimental Research of Apple Seedling Planting Machine

Wang Pengfei, He Jianhua, Liu Junfeng, Li Jianping,Yang Xin, Zhang Bo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001,China)

According to a new type of dwarfing close planting apple orchard labor intensity, the degree of mechanization is low, the author use AIP 3D design software to design and development of the continuous ditching type apple seedling planting machine.The machine designed trenching depth of 30 ～ 35cm, trenching width 25cm, tank capacity is robust set seedling apple trees 500, the normal operating speed of 0.8 ～ 1.2m/s. Field test results show that: the planting machine good performance, the lodging rate of 0.67% planted seedlings; mechanical injury seedling was 0.44%; machinery ditching stability, planting depth pass rate of 98.88 %, 98.22 % pass rate of seedlings planted, artificial charge Miao job, spacing variation coefficient of 20%.The planting operation quality can meet the agronomic requirements.

continuous ditching; power matching; orchard; planting quality; apple seedling

2015-12-07

國家公益性行業科研(農業)專項(201203016)；國家蘋果產業技術體系果園機械崗項目(CARS-28)；現代農業裝備研發中心建設項目(XDNZ201501)

王鵬飛(1986-,)男，石家莊人，助教，(E-mail) wangpengfeia@126.com。

S233

A

1003-188X(2017)01-0122-05