一種自動化程度較高的扦插種植沙棘機器的設計分析

孟繁偉 陳一舟 程順鑫 盧子儒 劉言豪

（東北林業(yè)大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150006）

1 概述

在我國西北部地區(qū)，存在土地荒漠化、水土流失嚴重等問題，荒漠化面積占中國荒漠化面積的80%左右[1]。而植樹造林無疑是解決這些問題最直觀、有效的方法。樹木對環(huán)境和人類而言都是不可或缺的存在[2]。大量研究表明：森林除了為人類提供木材和林副產(chǎn)品外，更重要的還在于它有涵養(yǎng)水源、保持水土、防風固沙、調(diào)節(jié)氣候、消除噪聲及保護生物多樣性等方面的巨大作用[3]。那么在這樣惡劣的環(huán)境下種植哪種樹木更好呢？哪種樹更適宜種植呢？根據(jù)這樣的目標及環(huán)境，我們選擇了沙棘這種作物。沙棘有很多優(yōu)點：耐旱、耐貧瘠、生命力強、適應性極強、根系發(fā)達，有很好的水土保持作用[4]。根據(jù)數(shù)據(jù)6 年生的沙棘可以減少土壤流失量68%，7-9 年生沙棘更能夠減少土壤沖刷量78%-99%，除此之外，沙棘還有很大的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值，沙棘的果實富含190 多種活性成分，富含維生素，對冠心病，預防組織衰老等有很好的功效，沙棘作為燃料也具有產(chǎn)量高，熱值大等特點[5]。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中針對植樹作業(yè)機械化相關(guān)裝備越來越多，國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)開展了大量的研究，研究的主要植樹作業(yè)裝備類型有挖坑機、挖穴機、深栽造林鉆孔機等機械裝備[6]。主要為單棵樹苗類的移植與種植，一般為中等大小樹木的移植，對于以大面積植樹為方向的植樹機的發(fā)展還比較薄弱，不論從我國國情、還是從國家的有關(guān)政策而言，自動植樹機都具有很大的市場潛力[7]。沙棘至今仍然是人工手動種植，為此設計了一種自動化程度較高的扦插種植沙棘的植樹機，為治理土地荒漠化、水土流失等問題做出一定貢獻。

2 總體設計

2.1 整機主要結(jié)構(gòu)及其組成

沙棘扦插植樹機主要以履帶底盤為車體，于其上布置的機構(gòu)有鉆機構(gòu)、壓土機構(gòu)、分苗機構(gòu)、投苗機構(gòu)等機構(gòu)。根據(jù)這些機構(gòu)的功能及植樹的要求對這些機構(gòu)進行了合理的布置形成了植樹機，如圖1、表1 所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)表

圖1 扦插植樹機總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 植樹機工作流程

扦插植樹機的工作流程如圖2 所示。工作人員將苗箱內(nèi)填滿沙棘苗后，操作植樹機到達指定種苗起始位置即可開始植樹工作。

圖2 植樹機工作流程圖

首先由絲杠螺母結(jié)構(gòu)和支撐板控制鉆頭向下鉆坑直至鉆坑的深度為400mm，抬起鉆結(jié)構(gòu)。采用地鉆豎直下挖，地鉆螺旋式的鉆頭可以保證挖坑的深度及其直立性。

挖坑結(jié)束后，植樹機整體向前移動一定距離，通過投苗機構(gòu)控制1 棵沙棘苗掉入挖好的坑中，然后壓土機構(gòu)工作一次將樹苗周圍的土進行壓實，樹苗的種植工作即完成。重復前述工作流程即可繼續(xù)進行樹苗的種植。

2.3 各組成部分主要功能及其結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

2.3.1 車體。車體首先需要滿足一定的尺寸大小要求與強度要求，結(jié)合植樹機的工作環(huán)境主要為荒漠邊緣地帶，地質(zhì)松軟，地形復雜，選擇了履帶底盤為車體，相對于車輪式底盤行駛更加穩(wěn)定。

2.3.2 投苗機構(gòu)組成及其工作原理。投苗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3、4 所示。儲苗箱采用分層式的儲苗設計，每層的寬度略大于樹苗的平均直徑，使沿豎直方向只能容納一列樹苗。這種結(jié)構(gòu)避免了大量樹苗堆在一起發(fā)生嚴重干涉而無法使單個樹苗通過自身重力及苗箱內(nèi)部的斜面到達苗箱出苗口，更利于自動化植樹。

圖3 投苗機構(gòu)示意圖

初始狀態(tài)下，板件、齒條組成的檔板結(jié)構(gòu)全部插入到苗箱中，工作時通過電機5的轉(zhuǎn)動及齒輪齒條的嚙合作用，使檔板結(jié)構(gòu)通過滑軌沿斜向背離苗箱的方向運動一定距離后，苗箱第一層的樹苗通過重力向下掉落至苗箱內(nèi)部的斜面，進一步到達出苗口。

投苗機構(gòu)出苗口處的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，通過步進電機控制，間歇投苗裝置每次回轉(zhuǎn)90 度，可以實現(xiàn)每次控制一顆樹苗從投苗機構(gòu)出去。

圖4 投苗機構(gòu)爆炸視圖

圖5 投苗結(jié)構(gòu)出苗口結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 分苗機構(gòu)。依據(jù)實際情況，為了方便運輸，樹苗在運輸時是將樹苗的頂部與樹苗根部顛倒放置在一起運輸?shù)?，為此設計了分苗結(jié)構(gòu)，旨在不使用人工再區(qū)分樹苗的頂部或根部，通過機械結(jié)構(gòu)來區(qū)分并使樹苗的根部被植入土中。

分苗機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖6 所示。通過投苗機構(gòu)出苗口處的間歇投苗裝置控制一顆樹苗從投苗機構(gòu)出來，沿分苗機構(gòu)斜面滑落至被其末端擋住，由于樹苗根部重量大于頂部重量，樹苗自動翻轉(zhuǎn)，根部朝下掉入落苗機構(gòu)中。

圖6 分苗機構(gòu)

2.3.4 落苗機構(gòu)。落苗機構(gòu)如圖7 所示，樹苗經(jīng)由分苗機構(gòu)進入落苗機構(gòu)，由于落苗機構(gòu)光滑的內(nèi)壁，樹苗可以順利通過落苗機構(gòu)的出苗口再經(jīng)壓土機構(gòu)的出苗口落入鉆好的坑中。

圖7 落苗機構(gòu)

2.3.5 壓土機構(gòu)。壓土機構(gòu)如圖8 所示，當樹苗落入坑中后，通過電機3 的轉(zhuǎn)動、齒輪與齒條的嚙合及直線軸承和光軸的配合，使壓土機構(gòu)向下運動將土壓實，模擬了實際植樹時工人將樹苗放入坑中后將土踩實的動作。

圖8 壓土機構(gòu)

樹苗落入坑中后，由于其頂部仍有一部分位于壓土機構(gòu)的中空結(jié)構(gòu)中，起到了對樹苗的扶正作用。

3 壓土機構(gòu)的設計與校核

壓土機構(gòu)的工作性能直接影響了樹苗周圍土壤的緊實度及樹苗在種植后的抗倒伏能力，確定合理的參數(shù)尤為重要。樹苗的平均直徑為20mm，鉆坑的直徑為50mm，可以確定壓土機構(gòu)的落苗口的直徑尺寸為30mm，外徑尺寸為52mm，由于其需要與齒條相連接，需要銑出一個平面并配有螺紋孔。根據(jù)壓土機構(gòu)需要承受瞬間沖擊力的特點，需要對其進行有限元分析，進行強度校核。

壓土機構(gòu)的有限元分析：

壓土機構(gòu)由電機及齒輪齒條帶動以勻速直線運動狀態(tài)撞擊地面，瞬間的沖擊力非常大，若壓土機構(gòu)無法滿足強度要求，那么機構(gòu)就容易發(fā)生失效，保證壓土機構(gòu)的強度是壓土機構(gòu)正常工作的前提。因此在此進行壓土機構(gòu)的強度分析。壓土機構(gòu)的材料為鋁合金，見表2。

表2

設F 為覆土壓實機構(gòu)與地面接觸瞬間產(chǎn)生的沖擊力

由動量定理 Ft=mv

得 F=191.4N

壓土機構(gòu)的模型如圖9 所示，利Solidworks 中的simulation 模塊進行強度仿真分析，根據(jù)壓土機構(gòu)的受力情況，對其進行約束和加載，約束位置為壓土機構(gòu)與齒條螺紋孔處，受力位置為壓土機構(gòu)的底面。分析其瞬間受力后的情況，對整體進行網(wǎng)格劃分，如圖10 所示，得出靜應力云圖如圖11 所示，可以看出壓土機構(gòu)所受最大應力為3.874Mpa，小于鋁合金材料的屈服強度27.574Mpa，故所設計的壓土機構(gòu)滿足工作強度條件。

圖9 壓土機構(gòu)模型

圖10 壓土機構(gòu)網(wǎng)格劃分圖

圖11 壓土機構(gòu)應力云圖

4 結(jié)論

基于Solidworks 設計的自動化程度較高的扦插種植沙棘的植樹機，將各個機構(gòu)進行了巧妙地布局，運用合理的機械結(jié)構(gòu)結(jié)合自動化控制，實現(xiàn)了鉆坑、投苗、壓土一系列自動化運行的過程，實現(xiàn)了自動化植樹，提高了工作效率，節(jié)省人工，為自動化植樹的發(fā)展提供了新的思路，為沙漠化的治理作出一定的貢獻。