果樹苗木移栽機單體功能結構設計

宋帥帥，楊 欣，殷夢杰，李建平

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071000)

0 引言

隨著新型矮砧密植果樹建園的大力推廣，果樹苗木需求問題顯得捉襟見肘[1]。通過查閱文獻和實地調研總結：果樹苗木培育模式基本屬于人工栽植，利用開溝機開好溝，人工將樹苗根據經驗按規定的株距擺放于溝壑中，隨后利用鐵楸覆土，作業人員緊隨其后進行鎮壓完成栽植[2]，如圖1所示。隨著我國人口老齡化時代的到來，加之當下很多青年勞動力不愿從事果農行業，急需解決這種以人工移栽為主，占用大量勞動力的方式。針對此問題，對果樹苗木的培育環節進行了技術調研，根據果園農藝要求，設計研發了一種基于連續開溝模式的果樹苗木移栽機。

圖1 人工栽植模式Fig.1 Artificial planting pattern

1 整機方案設計

連續開溝果樹苗木移栽機主要由限深輪、攪龍、開溝裝置、機架、錐形覆土輪、圓形鎮壓輪、苗木箱及工作臺等機構組成，如圖2所示。在整機結構布局上，基于機具作業條件和機具性能的穩定性，要求結構緊湊、適用性、通過性良好[3]。整機與以焊接機架為基礎合理布置運動副零部件，通過調節限深輪可實現200～400mm范圍內的開溝深度。

1.限深輪 2.攪龍 3.開溝裝置 4.機架 5.錐形覆土輪 6.圓形鎮壓輪 7.苗木箱 8.工作臺 圖2 果樹苗木移栽機Fig.2 Fruit seedling transplanter

1.1 工作過程及特點

栽植機采用后三點懸掛方式作業，機手控制好作業速度即可 。作業前，確認周圍環境和安裝部件連接安全，苗木箱中的苗應該擺放整齊有序，便于工作人員拿取。隨著拖拉機前進，作業人員將苗木放入開溝裝置中，當苗木到達扶苗器最前段時，松開苗木，進行下一顆苗木充植；苗木在扶苗器中，由錐形覆土輪完成覆土工序，圓形鎮壓輪完成鎮壓壓實工序。機組可一次性實現地表開溝、充苗、扶苗、覆土及壓實等一系列作業工序，完成苗木田間定植[4]。該機操作簡單，適應性良好。

1.2 主要設計技術參數

設計參數如下：

栽植方式：連續開溝方式栽植

作業行數：3

掛接方式：后三點懸掛

開溝深度/cm：25～35

開溝寬度/cm：25

行距/cm：60～65

株距/cm：15～25

作業速度/m·h-1：230

移栽苗木種類：海棠、蘋果苗等

作業機手(含機手)/人：5～6

2 主要單體功能結構

2.1 開溝單體功能結構

開溝裝置是果樹苗木移栽機中主要工作部件。入土開溝作業要求容易入土、開出的溝溝形整齊、深度穩定，能夠保證有充足的放苗時間，有效地協助扶持苗木，直到覆土、回土壓實，確保苗木成直立狀態定植[5]。開溝單體功能結構主要由開溝板、開溝刀、保持板、擋土板、扶苗器和U型螺栓連接件等結構焊合而成，如圖3所示。

1.U型螺栓 2.機架 3.刀開溝板 4.開溝 5.連接板 6.保持板 7.擋土板 8.扶苗器 圖3 開溝單體功能結構Fig.3 Ditching monomer structure

由于65Mn具有良好的耐磨損性和剛性優點，經常被選作犁燁等入土工作部件，因此開溝單體功能機構開溝刀材料選用65Mn[6-7]。65Mn屈服強度為430MPa，極限拉伸強度為735MPa。其它零部件均選用屈服強度為235MPa，極限拉伸強度為500MPa的Q235A。

在栽植作業過程中，開溝刀切入土壤，破碎的土壤被開溝板分開，并推向兩側；開溝裝置的寬度和深度參數設計要確保開出的溝形滿足移栽要求，防止土壤過早回填。保持板和擋土板的作用是進一步壓實土壤，在開溝器進行開溝作業的同時人工充苗，苗木在通過保持板的自動回填部分土壤和人工扶持及扶苗器作用下收攏到苗帶中間，經錐形覆土輪和圓形鎮壓輪完成鎮壓和覆土工序，將苗木定植成一條直線。

2.2 覆土鎮壓單體功能結構

覆土鎮壓機構對充植苗木進行覆土和壓實，架構如圖4所示。其主要由攪龍、錐形覆土輪、圓形鎮壓輪與開溝裝置上的扶苗器密切配合關系組成，要求工作人員人工充苗時，將苗木與機組前進反向成一定角度放置。由于土壤和扶苗器對苗木的阻力和摩擦會使苗木有一定向前運動的趨勢，成一定角度放置，可更好地保證苗木成垂直狀態栽植。

1.機架 2.錐形覆土輪 3.圓形鎮壓輪 4.鎮壓輪調節機構 5.覆土輪調節機 圖4 覆土鎮壓單體功能結構Fig.4 Soil compaction monomer structure

攪龍的轉速不宜過快或過慢，開溝速度等于拖拉機機組前進速度，當攪龍轉速高于開溝速度時，相當于開溝裝置還未開溝而攪龍已經開始工作，致使沒有土壤輸送，造成空負荷運動，浪費動力；轉速過慢相當于攪龍沒有轉動，并未及時有效的輸出土壤，也就失去了攪龍裝置的意義。所以，應根據拖拉機前進速度確定攪龍轉速，經計算和試驗：攪龍的轉速應為拖拉機前進速度的1.3倍。

錐形覆土輪與機架的平行方向約成15°，圓形鎮壓輪與機架的垂直方向約成10°。輪系與地面的配合關系結合攪龍的轉速，最終由人按農藝要求和標準完成栽植。

3 試驗與結果

2016年11月，在河北蠡縣試驗田進行樣機試驗，檢驗果樹苗木移栽機的性能和作業質量。初步試驗發現：移栽植機中間行覆土效果不佳，不滿足栽植要求。經現場分析和調試，將中間行覆土鎮壓單體功能結構的錐形覆土輪和圓形鎮壓輪調至機架末端位置，與左右行成對稱方式排列組合，如圖5所示。

圖5 試驗過程Fig.5 Testing process

3.1 試驗地條件

苗木移栽土質條件為已旋耕松土，地表相對平整，無明顯雜草障礙和大土塊、石塊，試驗用地為3hm2。

3.2 數據統計與計算

針對移栽機開溝深度和栽植合格率、苗木破損率等性能指標進行統計和計算。隨機選取4個行程進行開溝深度的數據記錄和分析，如表1所示。

表1 機具性能統計Table 1 Implement performance statistics

隨機選取每次每行連續150株測定，對所栽苗木的倒伏率、機械傷苗率、栽植合格率記錄和分析，如表2所示。

表2 作業質量Table 2 Operation quality 株

帶入下列公式進行計算，具體如下:

單個行程的平均開溝深度為

4 個行程的平均開溝深度為

每個行程的開溝深度變異系數為

4 個行程的開溝深度變異系數為

每個行程開溝深度穩定性系數為

U=1-v

4 個行程開溝深度穩定性系數為

Um=1-vm

每個行程的開溝深度標準差為

4 個行程的開溝深度標準差為

式中αi—各測點的測定開溝深度;

n—每行程的測定點數;

nm—4個行程的測定點數;

v、vm—開溝深度變異系數;

U、Um—開溝深度穩定性系數。

計算結果: 開溝深度穩定性系數Um= 95.9% 。數據處理：倒伏率T=0.067%；傷苗率W=0.44%；栽植深度合格率=98.88%；栽植合格率=98.22%。

試驗數據和作業情況(見表2)表明：移栽機0.5個工作日內可完成14個工作人員在1個工作日內對0.4hm2的栽植作業，栽植效率高，開溝深度比較穩定；栽植合格率高；倒伏率和傷苗率低，滿足果園農藝設計要求。

4 結論

1)根據新型矮砧密植建園果樹苗木大量培育需求，設計了基于開溝模式的果樹苗木移栽機的主要單體功能結構。并應用AIP三維軟件完成了整機的建模和裝配。

2)通過田間試驗表明：果樹苗木移栽機工作效率高，栽植質量滿足園藝設計要求，為果樹苗木培育提供技術支持。

[1] 賈永華,曲亦剛,王永忠,等.蘋果矮砧密植栽培模式與技術要點[J].寧夏農林科技,2014(9):6-8.

[2] 許春霞.綠化果樹苗木的培育與栽植管理技術[J]. 科技展望,2016(7):86.

[3] 路志坤，劉俊峰，李建平，等.蘋果樹起苗機的研究[J].農機化研究,2012,34(2):55-61.

[4] 何建華，楊欣，李建平，等.林果樹苗栽植開溝裝置有限元分析與結構改進[J].農機化研究,2017,39(1): 147-157.

[5] 王鵬飛,何建華,劉俊峰,等.蘋果苗木栽植機的設計與試驗研究[J].農機化研究,2017,39(1):122-126.

[6] 姬長英，尹文慶.農業機械學[M].北京：中國農業出版社，2003.

[7] 中國農業機械化科學研究院．農業機械設計手冊(上冊)[K]．北京:中國農業科學技術出版社，2007．