蘋果苗木夾盤式移栽機的設計與試驗

裴曉康,劉洪杰,楊 欣,李建平,王鵬飛

(河北農業大學 機電工程學院,河北 保定 071000)

0 引言

隨著果品的產業突起,我國已成為世界第一果品生產大國。近幾年,我國的果樹栽培技術主要向矮化密植方面發展,新型標準化果園隨之建立, 2016年矮砧蘋果種植面積已占全年蘋果種植總面積的20%[1]。隨著新式果園的大力發展,苗木需求大量增加,而目前苗木移栽多由人工完成,勞動力需求量大,但因大量勞動力由農村轉向城市,新式果園的發展陷入瓶頸期。因此,針對標準化植樹作業、提高移栽成活率及減少勞動力的需求,必須大力開展機械化植樹。

針對果園的機械化裝備的發展,經調查發現,受地理位置、地形特點、土壤類型、氣候特征等各項條件的不同,各類移栽機的推廣均有難度。2014年,石河子大學李亞萍針對新疆土地特點研究了一種集開溝、投苗、覆土、鎮壓、鋪設滴灌帶等作業于一體的新型植樹作業機械[2]。2018年,南疆在研究紅棗的種植農藝基礎上,結合現代農業裝備制造技術,提出了一種新的針對棗樹等林果類苗木的機械化移栽理論的成組移栽方式,最大程度減少人工勞動力的投入,提高了移栽效率[3];然而這些機械主要試用于小面積山地作業,雖然可實現連續開溝的機械化栽植,但作業質量不高。為此,在多功能移栽機研究的基礎上,結合農藝要求,研發了一種集旋耕松土、開溝、投苗、覆土、鎮壓等功能于一體的新型夾盤式苗木移栽機。

1 總體設計

1.1 整機設計方案

該機主要由機架、旋耕部件、開溝器、苗盤、覆土板、鎮壓輪、夾苗器、座、齒輪箱及輪胎等組成,如圖1所示。

1.機架 2.變速箱 3.座 4.苗盤 5.圓盤栽植器 6.鎮壓輪 7.覆土板 8.開溝器 9.輪胎 10.旋耕裝置圖1 蘋果苗木夾盤式移栽機結構圖Fig.1 Structure diagram of apple seedling clip-on transplanter

主要設計參數如下:

匹配動力/kW:65

栽植方式:連續開溝方式栽植

作業行數:2

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:80～82

株距/cm:35～40

作業速度/m·s-1:0.6

移栽苗木種類:海棠、蘋果苗等

作業機手(含機手) /人:3

1.2 工作原理

使用NEW HOLLAND T4.85F型拖拉機通過動力輸出軸帶動苗木移栽機開溝器等工作部件運作,移栽機采用后三點懸掛方式作業,控制好作業速度與方向。苗木箱中的苗擺放整齊有序,便于工作人員拿取。根據苗木移植的栽植深度20～26cm[4]的農藝要求,工作時作業人員從苗盤取出樹苗,將其水平放在夾盤栽植器開口部分,隨機組前進;夾盤滾動過程中,在尼龍滾輪作用下把苗木夾緊并運輸到脫苗開口部分,樹苗在開溝器后端扶苗作用下,落在開好的栽植溝中,開溝器后端擋土板也可防止苗木落下前土先落入溝中;隨后,由兩側覆土板將土回填到溝里,并由鎮壓輪進行壓實。機組可一次性實現地表旋耕松土、開溝、充苗、扶苗、覆土及鎮壓等一系列作業工序,完成苗木田間定植。該機操作簡單,適應性良好。

2 關鍵部件的設計

2.1 旋耕裝置

開溝旋耕部件主要由旋轉刀軸、刀片及刀盤組成,結構如圖2所示。

1.刀軸 2.刀片 3.刀盤圖2 旋耕裝置結構圖Fig.2 Structure diagram of rotary tiller

工作時,刀片在動力驅動下,一邊旋轉一邊隨著機組直線前進。在旋轉中切入土壤,并將切下的土塊后拋,與擋土板進一步撞擊,破碎落向地表,然后被開溝刀和擋土板分向兩邊。

初始設計旋耕刀回轉半徑為300mm,共16把刀,左右彎刀各4把,作業兩行,寬度為25cm,材料選用65Mn鋼。

2.2 開溝部件

開溝器是植樹機能否完成植樹作業的關鍵部件之一[5],主要要求為:能夠實現植樹作業過程中開深且窄的植樹溝,且開溝后土壤回流少,以利于植樹作業的順利完成。因此,采用開溝刀、拐臂、后端箱體擋土板的組合,采用銳角開溝器,阻力小,入土能力強[6]。開溝裝置選擇入土角為30°,無側翼,如圖3所示。

1.開溝刀 2.拐臂 3.擋土板圖3 開溝裝置結構圖Fig.3 Ditching device structure diagram

開溝時,擋土板將土分向兩邊,后端的箱型擋土板長410mm,可以防止投苗前土壤落入溝中,并使投苗裝置從中通過,起到扶苗的作用,保證將苗木栽植為一條直線。為了順利達到農藝要求的開溝寬度25cm,拐臂和箱型擋土板之間加一與水平夾角30°的鋼板。開溝器的主要工作參數值如表1所示。

表1 開溝裝置設計參數Table 1 Design parameters of the trenching device

由于開溝器需要具有良好的耐磨性,65Mn鋼經常被選為開溝刀等觸土部件的制作材料[7],其強度較高,具有一定的韌性和塑性。本設計使用3mm 厚的65Mn鋼板制造開溝器,其他部件使用Q235A鋼材。

2.3 栽植裝置

2.3.1 鏈傳動設計

傳動系統采用結構簡單、成本較低的鏈傳動,設計齒數Z1=Z2=19,Z3=13,張緊輪Z4=Z5=9,Z6=24,中心距a=976mm,鏈節距p=12mm,則

i=Z6/Z1=1.26

(1)

初步設計前進速度V=0.6m/s,R輪胎=357.5mm,則

ω輪胎=v/R輪胎=2.33rad/s

(2)

ω輪胎=2πn輪胎

(3)

i=n1/n盤

(4)

所以,圓盤栽植器的轉速n盤=0.30r/s。

2.3.2 栽植裝置

栽植裝置由機架、覆土板、夾苗器、輸苗滑道及滾輪等部組成,如圖4所示。投苗圓盤支架上裝有滾輪,圓盤內部4個,外部10個,對稱排列,滾輪與機架間焊接鋼板。

1.機架 2.輸苗滑道 3.夾苗器 4.覆土板 5.滾輪圖4 栽植裝置結構圖Fig.4 Structure diagram of planting device

當放入苗木時,隨著機組的前進,夾持段在滾輪作用下把苗木夾緊。根據農藝要求,正常蘋果苗木的移栽過程中苗木入土大約20～26cm左右即視為合格[7]。作業人員自行調整放入位置,水平放置,投苗時在圓盤內部的滾輪作用下松開苗木,實現投苗,由覆土板進行覆土,從而完成苗木的輸送夾持到栽植的過程。

由于圓盤的夾緊和松開依靠滾輪的支撐,要求圓盤具有很好的可塑性,因此采用橡膠,滑道夾輪采用尼龍。圓盤半徑R盤=1000mm,軸距為340mm,則

ω盤=2πn

(5)

代入數據,則ω盤=1.88rad/s。根據作業要求,株距40cm。由前進速度v與株距S和栽植頻率f的關系[8]得

v=Sf/60

(6)

2.4 覆土鎮壓輪

鎮壓裝置主要完成苗木栽植后土壤的鎮壓,以保證所栽植苗木具有良好的拔苗力,其作業質量對于苗木的成活率影響嚴重[8]。

經過綜合分析各種鎮壓輪的類型及材料,最終選擇以手柄、鎮壓輪、鋼架、螺桿組成的鎮壓方案,如圖5所示。該設計可有效保障裝備良好的鎮壓效果,鎮壓輪的高度可通過銷釘調整及鎮壓輪的有效壓實,確保苗木垂直栽植,并可適用不同的地形與土地特性。設計采用剛性材料,輪距445mm,輪徑350mm,高度500mm,寬度85mm。

1.手柄 2.螺桿 3.鋼架 4.鎮壓輪圖5 鎮壓裝置結構圖Fig.5 Structure diagram of cracking device

3 試驗分析

3.1 試驗條件

2018年3月,移栽試驗在河南三門峽進行,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。當天下小雨,濕潤沙質土壤。經測量,苗木枝條整體長度為49～55cm左右。正常蘋果苗木的移栽過程中苗木入土大約20～26cm左右,即視為合格。

3.2 作業性能分析

對樣機進行3次行程測試,作業性能數據如表2和表3所示。

表2 開溝試驗結果數據表Table 2 Data table of furrow test results

表3 蘋果苗木移栽機作業質量結果表Table 3 Quality results of apple seedling transplanter operation

行程的平均開溝深度平均值為

aj=(aji)/nj

(7)

工況的開溝深度平均值

a=(aj)/N

(8)

其中,aj為第j個行程的開溝深度平均值;aji為第j個行程的第i個點的開溝深度;nj為第j個行程的開溝深度測定點數;a為工況的開溝深度平均值;N為同一工況的行程數

行程的開溝深度標準差、變異系數和穩定性系數為

(9)

Vj=Sj/aj×100%

(10)

Uj=1-Vj

(11)

其中,Sj為第j個行程的開溝深度標準差;Vj為第j個行程的開溝深度變異系數;Uj為第j個行程的開溝深度穩定性系數。

工況的開溝深度標準差、變異系數和穩定性系數為

(12)

V=S/a×100%

(13)

U=1-V

(14)

其中,S為開溝深度標準差;V為開溝深度的變異系數;U為開溝深度的穩定性系數。

由此得到開溝深度的穩定性系數為U=97.10%,具有良好的開溝穩定性。

試驗結果表明:倒伏率T=0.83%,傷苗率W=0.55%,栽植深度合格率=99.17%,栽植合格率=98.60%,滿足農藝要求。

4 結論

1)通過對移栽機旋耕裝置、開溝裝置、栽植裝置、鎮壓覆土裝置等進行設計,完成了集開溝、投苗、覆土鎮壓等功能于一體的移栽作業機械,實現了移栽作業的機械化。

2)根據新型矮砧密植建園果樹苗木大量培育需求,設計了新型夾盤式集夾持機構和脫苗機構為一體的取苗裝置,結構簡單,操作方便,保證了林木的株距一致性,降低了操作工的勞動強度。

3)田間試驗表明:移栽機性能穩定,開溝深度穩定性系數達97.10%,工作效率高,深度合格率99.17%,栽植合格率為98.60%,倒伏率和傷苗率低(倒伏率0.83%,傷苗率0.55%),為果園農藝栽植作業提供了技術支持。