0 引言
我國是土地荒漠化嚴重的國家之一,荒漠化面積達 27. 32% ,已成為威脅我國環境及國民生存的嚴重問題,而植樹造林、種草恢復植被是防治荒漠化的最有效手段[1- 2].因此,要想解決我國土地荒漠化問題,提高森林覆蓋率,改善生態環境,必須大力開展機械化植樹造林[3].
針對植樹作業機械化相關裝備,國內外相關機構開展了大量研究,研究的主要植樹作業裝備類型有挖坑機、連續開溝式植樹作業機等.其中,挖坑機主要有液壓挖坑機、懸掛挖坑機[4]、手提挖坑機[5]、挖穴機、深栽造林鉆孔機[6 -7]等機械裝備; 連續開溝植樹作業機有 JZX-30 型懸掛式植樹機和 KDZ 型開溝大苗植樹機等[8-10].以上機械中,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; 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,但其作業質量不高.為此,項目組在前期多功能植樹機研究的基礎上,通過改進設計與優化,研制出了集雙開溝、投苗、覆土、鎮壓、滴灌帶鋪設等功能于一體的滾動夾苗植樹機.
1 整機結構及工作原理
1. 1 整機結構
該機主要由機架、液壓升降裝置、開溝犁、栽樹開溝器、投苗裝置、鎮壓裝置、覆土裝置及滴灌管鋪設裝置等組成,如圖 1 所示.
滾動夾苗植樹機主要技術參數如表 1 所示.
1. 2 工作原理
工作時,裝備由拖拉機驅動,通過裝備開溝犁對作業田地實施開寬且淺溝作業,栽樹開溝器隨即在開好的溝中完成深且窄的栽樹樹溝作業; 工作人員從苗架上取出樹苗,并將其放在取苗裝置上的固定夾板與活動夾板中間,活動夾板在彈簧的作用下夾緊樹苗,當樹苗隨著取苗裝置轉動到脫苗板處時,活動夾板碰到脫苗板,樹苗下落到開好的栽樹溝中; 隨即由呈圓錐形的培土輪將樹溝兩側的土培到樹溝里,并由鎮壓輪對所培土進行壓實,由呈凹形圓盤的覆土輪對新栽樹苗進行覆土作業,使樹苗達到技術要求的拔苗力;最后,由滴灌帶鋪設裝置完成滴灌帶的鋪設工作,通過導向滑輪將滴灌帶正確的鋪設在相應位置.整機的作業深度由液壓升降機構實施控制,通過劃行器為下一次植樹作業提供正確的路線.
2 關鍵零部件設計
本文所研究的多功能植樹機采用懸掛式結構,主要機構包括機架、開溝裝置、鎮壓覆土裝置、地輪及滴灌帶鋪設裝置等部分.
2. 1 開溝器設計
開溝器是植樹機能否完成植樹作業的關鍵部件之一,主要要求為能夠實現植樹作業過程中開深且窄的植樹溝,開溝后土壤回流少,以利于植樹作業的順利完成.為此,設計了雙開溝裝置,具體方案為: 開溝犁對作業田地實施開寬且淺溝作業,栽樹開溝器隨即在開好的溝中完成深且窄的栽樹樹溝作業.
實踐證明: 設計完成的開溝器開出的溝深淺一致,溝形整齊平直并且窄而深,開溝器結構緊湊,克服了現有開溝裝置體積大、阻力大等不足.
開溝器主要由機架、開溝犁、栽樹開溝器等組成.其中,開溝犁用于完成寬且淺的開溝作業,栽樹開溝器用于完成深且窄的開溝作業,雙開溝器有效保證了苗木栽種質量,如圖 2 所示.
2. 2 投苗裝置設計
投苗裝置由鏈條傳動,傳動比為 1.在鏈節上裝有連接板,連接板上有固定板和活動板,活動板鉸接在連接板上,并通過彈簧與之連接; 在自然狀態下\\( 即未夾持樹苗時\\) ,彈簧處于自然狀態,活動板與固定板平行; 當夾持樹苗時,彈簧壓縮,將樹苗夾緊.
工作過程中,由鏈條轉動帶動樹苗在夾苗盤上進行轉動,當轉動至脫苗位置時,活動板與另一端固定起擋板作用; 在鏈條轉動的作用下產生一定的力,從而活動板克服彈簧力打開,樹苗下落至開好的植樹溝中,由培土輪進行培土,從而完成樹苗的夾持、輸送及脫苗過程.投苗裝置結構如圖 3 所示.
根據作業要求,株距確定為 1 ~3m,作業速度為 2~ 6km / h.依靠人機工程要求,確定投苗速度為 5s /棵.鏈條上裝有 6 棵樹苗,每棵樹苗間距 120mm,由此可得: 投苗速度 V1= 120 / \\( 5 ×1 000\\) = 0. 024m / s,鏈輪轉速 W=V1/ r = 57. 6r / min,拖拉機行走速度 V2= V1+\\( 1 ~ 3\\) /5.計算可得,速度范圍為 0. 864 ~ 2. 25km/h.通過對比分析,在鏈輪的轉速為 57. 6r / min 時,選擇流量為 400mL/r 的擺線液壓馬達.由此可得,在滿足機器工況下,液壓馬達總排量為
q = 1 000Qn1n2n3/ n
式中
Q-泵的理論流量\\( L/m\\) ;
n-輸出軸轉速\\( r / min\\) ;
n1-泵的容積效率,柱塞泵 n1= 0. 96 ~ 0. 97,齒輪泵 n1= 0. 88 ~ 0. 9;
n2-控制閥的容積效率,n2= 0. 985 ~ 0. 995;
n3-液壓馬達容積效率,擺線液壓馬達為 0. 97~ 0. 98;
代入各參數,可得
q = 1 000Qn1n2n3/ n = 6. 57mL / r
馬達的輸出扭矩為
M = 0. 159△Pqη = 333. 9N·m
因此,投苗軸即輸出軸功率為
P1= Pη1= 2. 52kW
轉速 n1= n / i = 5 7 . 6 /1 = 5 7 . 6 r / min; 轉 矩 T1= 9 550P1/ n1= 418N·m; 作用鏈輪上的力 Ft= 2T1/ d1= 10 830N.其中,d1為鏈輪的分度圓直徑,d1= 77. 2mm.
由此,可以確定軸的最小直徑為 dmin= A0\\( P1/ n1\\) /3 = 25. 6mm.其中,A0取 112; 軸的材料選取為 45 鋼,調質處理.
2. 3 鎮壓裝置設計
鎮壓裝置[3]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.
本文通過綜合分析不同類型及材料鎮壓輪特性,最終采用剛性鎮壓輪方案,有效保證了裝備良好的鎮壓效果[6].在其作業過程中,通過彈簧壓力的調整實施鎮壓輪對土壤的壓力大小調整; 彈簧壓力的可調整性,保證了鎮壓輪與地面的有效接觸,并且可適應不同土地作業的要求.
鎮壓輪寬度 B2取 100mm,直徑取 440mm,壓強取400N / m,則有
P = K·Z^n
式中 P-單位面積壓力;
K-常數;
N-數值與土壤性質有關,取 N = 0. 5.
計算可得,下陷深度 Z=23. 74mm.
進一步推導可知,在保證壓強 4N/cm2的條件下,彈簧預緊力 F 為
F = PRB2arccos\\( R-Z / R\\) -W = 99. 4N
式中 R-鎮壓輪半徑;
W-鎮壓輪重.
2. 4 鋪設滴灌帶裝置
滴灌帶鋪設裝置主要由支撐架、卷軸和引導管等部件組成,如圖 4 所示.
工作過程中,滴灌帶帶卷安裝在卷軸上,并通過導向膠輥及引導管,最終由導向塊引出; 當拖拉機牽引前行時,滴灌帶一端固定于地頭,帶卷在滴灌帶的拉力作用下實現滴灌帶的鋪設.
3 生產試驗與結果分析
該機設計完成后,對裝備開溝器、覆土鎮壓裝置、滴灌帶鋪設裝置進行試驗,結果表明: 裝備生產率高,作業小時生產率可達 1. 8hm2/ h; 樹苗栽植深度大于30 cm; 拔苗力可達 100 N; 裝備液壓控制裝置升降靈活可靠,滴灌帶鋪設裝置可在植樹作業的同時有效實施滴灌帶鋪設任務.
4 結語
1\\) 通過對植樹機開溝裝置、鎮壓覆土裝置及滴灌帶鋪設裝置等進行設計,完成了集開溝、取苗、覆土鎮壓及滴灌帶鋪設等功能于一體的植樹作業機械,實現了植樹作業的機械化.
2\\) 采用夾持機構和脫苗機構為一體的取苗裝置,取代了傳統的人工投苗,保證了林木的株距一致性,減少了操作工的勞動強度.
3\\) 該裝備的研究開發為提高我國植樹造林全程機械化生產水平和林業生產附加值提供了技術與裝備的支撐.
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