蘋果苗木平茬機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊曉斌,楊 欣,王鵬飛,李建平,劉洪杰,李雪軍,楊 振

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,河北 保定 071000

新型矮砧密植果園已成為新的發(fā)展模式，針對目前蘋果苗木苗圃培育的平茬作業(yè)環(huán)節(jié)，多是人工平茬，但勞動力缺少且人工作業(yè)效率低[1]，因此研究蘋果產(chǎn)業(yè)機(jī)械化發(fā)展對果園種植業(yè)與極大的現(xiàn)實(shí)意義[2]。國外平茬機(jī)切割效率高、應(yīng)用廣，但無法滿足農(nóng)藝要求的切割質(zhì)量且價格昂貴。國內(nèi)關(guān)于灌木收割平茬機(jī),可完成灌木的切割作業(yè)，但無法保證切割質(zhì)量[3,4]；2013年，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所研制出4MG-200型灌木聯(lián)合收獲機(jī)，大大提高了作業(yè)效率，但割高一致性無法保證；2015年，榆陽市農(nóng)業(yè)機(jī)械專家，研制出適用于榆陽沙漠地形地貌的自走式沙柳割灌機(jī)，保證了割高一致性，但切口質(zhì)量無法滿足苗木嫁接的農(nóng)藝要求[5]。

針對目前蘋果苗木平茬機(jī)械化作業(yè)水平低的問題，依據(jù)苗木修剪農(nóng)藝要求，研究苗木平茬需要和平茬機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計(jì)一款用于現(xiàn)代蘋果苗木修剪機(jī)械，通過田間試驗(yàn)，驗(yàn)證平茬機(jī)的作業(yè)性能，為苗圃平茬機(jī)械化作業(yè)提供依據(jù)。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)

蘋果苗木平茬機(jī)主要包括機(jī)架、發(fā)電機(jī)、引導(dǎo)部件、傳動部件、夾持部件、切削部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

作業(yè)時，拖拉機(jī)以2.5 km/h 的速度牽引平茬機(jī)前進(jìn)。機(jī)架上的發(fā)電機(jī)（KM6500）為切削裝置和夾持裝置提供電力輸出。切削裝置高速旋轉(zhuǎn)切割進(jìn)行平茬作業(yè)；異步電機(jī)通過V 帶、滾子鏈、萬向節(jié)分別為左右兩側(cè)的夾持裝置傳遞動力，夾持裝置帶動切割剩余苗木移向后方，防止其干擾，使機(jī)組正常工作，人工進(jìn)行苗木收集作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

該機(jī)的關(guān)鍵部件主要包括傳動部件、夾持部件、切削部件等。

2.1 傳動裝置

傳動裝置主要由電機(jī)、V 帶、滾子鏈、變速器、萬向節(jié)組成。其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

發(fā)電機(jī)發(fā)動后，輸送電力到異步電機(jī)，電機(jī)啟動后，逆時針方向轉(zhuǎn)動，通過兩條V 帶傳動到中間軸上,進(jìn)行一級減速處理，動力輸出到左右兩側(cè)，分別通過滾子鏈傳動到短傳動軸上，進(jìn)行二級減速處理，連接到傳動比為1 的變速器上，將橫向逆時針旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)化為縱向順時針旋轉(zhuǎn)速度，通過萬向節(jié)的傳動，最后動力到達(dá)夾持裝置，使得左側(cè)夾持裝置順時針旋轉(zhuǎn)，右側(cè)夾持裝置逆時針旋轉(zhuǎn)，保證將夾持的苗木向后運(yùn)動，使夾持裝置正常工作。

傳動裝置采用結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的鏈傳動以及V 帶傳動，齒數(shù)Z1=12，Z2=38，滾子鏈中心距a1=110 mm，鏈節(jié)距p=12 mm；V 帶中心距a2=320 mm,主動輪直徑為60 mm，從動輪直徑為160 mm。

V 帶傳動傳動比：i1=dp2/dp1(1)

式中：dp-帶輪直徑（mm）。

滾子鏈傳動比：i2=Z2/Z1(2)

傳動裝置的總傳動比：i=i1·i2(3)

求得：i=8.44

2.3 夾持裝置

夾持裝置主要有左、右皮帶傳動裝置、張緊裝置、調(diào)位裝置、固定圓套、首輪、尾輪等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

夾持裝置使用寬90 mm，厚5 mm 的皮帶。用于夾持運(yùn)輸苗木，在苗木切割時，保持其與地面垂直，保證切割質(zhì)量，同時將切割下的苗木運(yùn)輸?shù)胶蠓讲⑹占?，防止影響切割作業(yè)。

皮帶轉(zhuǎn)速是保證切割作業(yè)質(zhì)量的重要參數(shù)，為了保證苗木與地面垂直且相對靜止，皮帶線速度應(yīng)與拖拉機(jī)前進(jìn)速度大小、方向均一致，否則會導(dǎo)致苗木傾斜，無法保證作業(yè)質(zhì)量。

皮帶轉(zhuǎn)速：n2=n1/i(4)

式中：n1-電機(jī)轉(zhuǎn)速（r·min-1）。求得：n2=166 r/min。

2.4 切削裝置

切削裝置刀盤的選用為保證作業(yè)性能，滿足農(nóng)機(jī)農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為4100 r/min，高速切割苗木。刀盤選用圓盤鋸齒刀[6-9]，距地高度400 mm[10]，刀盤采用正切方式，逆時針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割作業(yè)。

2.4.1 苗木切割理論分析 切割阻力是苗木與高速旋轉(zhuǎn)的刀盤接觸產(chǎn)生的阻力，該力的大小直接影響刀盤轉(zhuǎn)速的確定及作業(yè)質(zhì)量、效率。農(nóng)藝上不僅要求切斷苗木，更要求苗木切口平整質(zhì)量，防止苗木損傷，影響苗木后期嫁接作業(yè)成活率；農(nóng)機(jī)上要求制造成本低、質(zhì)量好、使用壽命高等。

切割受力原理圖如圖4 所示。

作用在割刃刃面壓力的反作用力為：R=Rzgsinβ+cosβ(5)

式中：Rzg-被擠壓莖稈層對割刀的反作用力；Rd-割刀刃面對莖稈層壓力的反作用力。

割刀刃面的摩擦力：T2=uR=u(Rzgsinβ+Rdcosβ)(6)

摩擦力的垂直投影：

為實(shí)現(xiàn)切割，刀刃的壓力P必須滿足下列條件：P≥Rc+Rzg+T1+T3(8)

式中：Rc-被切材料對刀刃的反作用力，即Rc=Δlσ。

式中：Δ-刀刃厚度；l-刀刃長度；σ-材料的壓應(yīng)力。

式（8）是刀盤切割苗木的力學(xué)臨界條件，而切割力P的大小由刀盤扭矩控制，若不滿足此條件，刀盤無法正常進(jìn)行切割作業(yè)或刀齒劃傷苗木表皮，影響苗木切口質(zhì)量及苗木嫁接成活率；若切割力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切割阻力（刀盤轉(zhuǎn)速增大），可以完成切割作業(yè)，但動力損耗過大且對機(jī)具及刀盤的要求更高，增加制造成本，不易推廣。

2.4.2 刀盤模態(tài)分析 采用Inventor 對刀盤進(jìn)行三維模型的建立，直徑350 mm，厚度3 mm，材料65 Mn，密度7.87 g·cm-3，楊氏模量200 GPa，泊松比0.29，屈服強(qiáng)度430 MPa，極限拉伸強(qiáng)度735 MPa，將模型導(dǎo)入模態(tài)分析軟件中，得到n=1、2、3 時的固有頻率值。前3 階頻率和振動特性如表1 所示，其對應(yīng)的振型圖如圖5 所示：

表1 前3 階頻率及振動特性Table 1 First 3th order frequency and vibration characteristics

圖5 振型圖Fig.5 Vibration pattern

由云圖可知，刀盤振動主要集中在齒邊緣附近，鋸齒易出現(xiàn)變形情況。依據(jù)臨界轉(zhuǎn)速與固有頻率的關(guān)系：n=60f(9)

式中：n-臨界轉(zhuǎn)速，r/min；f-固有頻率，Hz。

各階臨界轉(zhuǎn)速如表2 所示。

表2 各階臨界轉(zhuǎn)速Table 2 Critical speed of each step

平茬機(jī)在工作狀態(tài)時，通過高速電機(jī)帶動鋸齒刀盤旋轉(zhuǎn)，振動沿著刀片由內(nèi)向外逐漸增強(qiáng)，鋸齒部位易出現(xiàn)振動扭曲，通過對刀盤進(jìn)行模態(tài)分析，圓盤鋸齒刀盤在3 階時形變過大，無法正常作業(yè)。在1 階時的臨界轉(zhuǎn)速為4380 r/min，刀盤設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速既要滿足切割力臨界條件，能順利完成切割作業(yè)，又不會造成動力過度損耗問題，也滿足刀盤本身材料的限制要求，降低制造成本，易于推廣。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2018 年12 月8 日平茬試驗(yàn)在河北保定蠡縣（北緯38.49°，東經(jīng)115.59°）進(jìn)行，天氣晴朗，溫度6.9 ℃，濕度20%，苗圃行距600 mm，株距300 mm，土質(zhì)條件為未耕土壤。依據(jù)農(nóng)藝要求，苗木平茬高度為距地面385～415 mm 即視為合格。樣機(jī)裝備參數(shù)如表3 所示，樣機(jī)及作業(yè)效果現(xiàn)場圖如圖6 所示。田間試驗(yàn)時，將引導(dǎo)裝置正對苗木行，調(diào)整限深輪高度，使刀盤距地面400 mm，采用正切方式，對蘋果苗木進(jìn)行實(shí)地鋸切。

表3 平茬機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of the flat machine

3.2 試驗(yàn)方法及材料

依據(jù)王征等對蘋果枝條剪切刀盤的研究[11]，可知刀盤轉(zhuǎn)速最低值為3500 r/min，依據(jù)刀盤模態(tài)分析知最大轉(zhuǎn)速為4380 r/min。若轉(zhuǎn)速過高，對刀盤質(zhì)量、成本、使用壽命要求更高；若轉(zhuǎn)速過低，農(nóng)藝要求的切割質(zhì)量難以保證，影響后期嫁接及苗木成活率等問題。故為取得最優(yōu)作業(yè)轉(zhuǎn)速，對刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因素田間試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)試驗(yàn)法，以刀盤轉(zhuǎn)速為單因素進(jìn)行分析，即在5 水平下進(jìn)行田間試驗(yàn)，隨機(jī)選取苗木長勢一致的33x20 m 的地塊作為試驗(yàn)田，將其平均分為9 個區(qū)，不同轉(zhuǎn)速隨機(jī)抽取不同區(qū)，每區(qū)有6 行，隨機(jī)抽取3 行，每行100 株，每行隨機(jī)取樣連續(xù)的50 株苗木作為試驗(yàn)樣本，對其進(jìn)行實(shí)地切割作業(yè)。采用游標(biāo)卡尺測量切口直徑，經(jīng)測量苗木直徑范圍為7～15 mm，卷尺測量苗木平茬高度，手機(jī)拍照保留試驗(yàn)照片。

試驗(yàn)器材：卷尺（量程3 m，精度1 mm），游標(biāo)卡尺，手機(jī)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表4 試驗(yàn)參數(shù)及數(shù)據(jù)Table 4 Test parameters and data

樣機(jī)性能試驗(yàn)主要參數(shù)有苗木平茬高度合格率、切口質(zhì)量合格率。對切口質(zhì)量分級：無破損（I）是指切口沒有撕裂、破碎現(xiàn)象；輕微破損（Ⅱ）是指切口邊緣有毛刺或切面呈階梯狀，高度差小于1 mm；嚴(yán)重破損（Ⅲ）是指切面階梯高度差大于1 mm 或木芯被撕裂[13]。苗木栽植合格率，即苗木根部與地面向左右兩側(cè)傾斜角度分級：傾角<15°，合格；傾角>15°，屬于過度傾斜，經(jīng)測量，試驗(yàn)地塊有300 株為過度傾斜，占總數(shù)的5%。

測量指標(biāo)有苗木直徑、苗木割茬距地面高度、隨機(jī)取行記錄連續(xù)的50 株苗木，無破損，輕微破損，嚴(yán)重破損的苗木株數(shù)，分別用游標(biāo)卡尺、卷尺進(jìn)行測量，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并對作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行拍照記錄。田間試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)如表4 所示，不同轉(zhuǎn)速對合格率的影響如圖7 所示。

對上述結(jié)果導(dǎo)入SPSS 進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5 所示。

表5 方差分析Table 5 Analysis of variance

從圖7 中可見，割高合格率隨轉(zhuǎn)速增大先增加后減小，在4100 r/min 達(dá)到峰值，與3500、3700、3900 r/min 相比，差異顯著（P<0.05），與4300 r/min 相比，差異不顯著；而切口質(zhì)量合格率隨轉(zhuǎn)速增大先增加后減小，與3500、3700、3900 r/min 相比，差異顯著（P<0.05），與4300 r/min 相比，差異性不顯著。由表5 方差分析可見，與3500、3700、3900 r/min 的作業(yè)效果相比，4100、4300 r/min對割高合格率及切口質(zhì)量合格率影響顯著，且滿足農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)及農(nóng)藝要求；又因?yàn)榈侗P極限轉(zhuǎn)速為4380 r/min，為提高刀盤使用壽命，降低成本，故而刀盤設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為4100 r/min。

4 結(jié)論

（1）針對新型矮砧密植現(xiàn)代化果園苗木嫁接中，蘋果苗木平茬作業(yè)效率低的問題，設(shè)計(jì)一款苗木平茬機(jī)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，保證苗木株高一致性及切口質(zhì)量，降低人工平茬的作業(yè)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，降低成本投入，提高了經(jīng)濟(jì)效益；

（2）通過對苗木平茬機(jī)傳動部件、切削部件、夾持部件等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對刀盤進(jìn)行模態(tài)分析，通過單因素田間試驗(yàn)，確認(rèn)刀盤最優(yōu)作業(yè)轉(zhuǎn)速4100 r/min，完成了用于蘋果苗木平茬作業(yè)的作業(yè)機(jī)械，實(shí)現(xiàn)了平茬作業(yè)的機(jī)械化；

（3）通過田間試驗(yàn)表明：平茬機(jī)性能較為穩(wěn)定，最優(yōu)作業(yè)轉(zhuǎn)速下，苗木切割高度合格率為92.00%，切口質(zhì)量合格率為93.33%，樣機(jī)作業(yè)質(zhì)量滿足要求，符合農(nóng)藝要求，為現(xiàn)代苗木平茬作業(yè)提供技術(shù)支持。