陸暢

（北京市匯文中學(xué)，北京 100062）

Research and Exploration | 研究與探索·探討與創(chuàng)新

一種樹木移植機器的設(shè)計與理論分析

陸暢

（北京市匯文中學(xué)，北京 100062）

隨著我國城市文明建設(shè)的推進，成樹綠化需求也越來越大，而樹木移植機使得成樹移植過程實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，大大提升了工作效率。本文首先設(shè)計了一種復(fù)合式的樹木移植機械設(shè)備并對該機器的工作過程進行詳細的介紹。該設(shè)備由車體、擺臂、車廂、樹木起吊裝置四部分組成，其中存在的兩個機械手能分別完成樹木挖掘和樹木固定轉(zhuǎn)移的功能；通過對樹木移植機下鏟阻力的探討，并結(jié)合下鏟阻力的經(jīng)驗公式，系統(tǒng)地分析了下鏟阻力變化規(guī)律和影響因素，用以指導(dǎo)選擇合適的動力設(shè)備和液壓設(shè)備。

樹木移植機；機械手鏟刀；下鏟阻力；力學(xué)理論模型

近年來，隨著我國城市建設(shè)的迅速發(fā)展，小樹苗已經(jīng)不能適應(yīng)城市發(fā)展的需要，成樹綠化的需求越來越大，對應(yīng)的林業(yè)機械化進程也日益加快。樹木移植機是首先在美國出現(xiàn)的一種新型植樹機械，其主要用途是能快速方便地移栽樹木，最大限度的提高移栽樹木的成活率。樹木移植機是依靠自身或外部設(shè)備提供的液壓力來完成工作的，工作時由多片鏟刀分別入土使根部土壤形成一個半圓錐形的土球，合攏的鏟刀在液壓力作用下連同根部的土球一起提升，完成成樹的挖掘和移植工作。在使用樹木移植機之前，我國的樹木移植工作都是靠人工完成，勞動工作強度大，工作效率低且成本較高。而目前，國內(nèi)樹木移植機的研究工作已取得重大進展，已經(jīng)能生產(chǎn)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。樹木移植機按挖掘鏟的形狀可分為直鏟式、弧形鏟式和半圓球形鏟；按照配套動力的掛接方式可分為車載式樹木移植機、汽車拖車、輪式或履帶式裝載機驅(qū)動樹木移植機。

目前成樹移栽基本上采用的是挖掘機挖掘和人工挖掘兩種方式，挖掘機挖掘樹木會對樹木本身造成傷害，而人工挖掘費時費力成本高。成樹移栽問題體現(xiàn)在以下方面：樹齡高：細胞再生能力差，樹體活力低；樹體高：水養(yǎng)分難以輸送到樹的頂部；樹體土球重：難以吊裝與搬運；樹體面積大：難以與樹木一起搬運；樹體是活體：吊帶很難在樹體某一部分強力受力；樹干粗大：運輸較難。

本文首先設(shè)計了一種能快速方便移栽樹木的機器設(shè)備，該設(shè)計能快速方便地移栽樹木，使得移栽樹木工作實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，整個過程更加方便快捷，降低勞動強度，提高移栽樹木的成活率。將卡車與移樹器相結(jié)合，實現(xiàn)樹木掘出后的即時運輸與移栽，方便快捷。大大減少樹木轉(zhuǎn)運的時間與次數(shù)；其次通過對樹木移植機下鏟阻力的探討，結(jié)合下鏟阻力的經(jīng)驗公式求解阻力變化曲線，用以指導(dǎo)選擇合適的動力設(shè)備和液壓設(shè)備。

1 樹木移植機器設(shè)備的設(shè)計特點

本小節(jié)主要給出樹木移植機器設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，重點突出本設(shè)計的優(yōu)勢及工作過程。如下圖1(a)所示，所設(shè)計的樹木移植卡車主要由車體、擺臂、車廂、樹木起吊裝置四部分組成。該機器中存在兩個機械手，車體前端機械手帶有類似于鐵鍬頭（6個）的抓手，可以伸縮可以移動，每個鐵鍬頭帶有鋸齒，可鋸斷樹根，使用時按下按鈕，鐵鍬頭抓手向下插入土中，將樹根斬斷。車體前段挖掘成樹的機械手結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，該機械手能將挖起的成樹轉(zhuǎn)移到卡車的車廂中，用圖1(a)中所示的機械手臂固定成樹，然后轉(zhuǎn)移到指定位置。車體為卡車和挖掘機結(jié)合車型，具有挖掘機適應(yīng)各種路面的行駛能力，兼有卡車的行駛速度和載物功 能，同時增加輪轂數(shù)量，以減少對土壤的單位壓強。

圖1

特別地，圖1(b)中的六爪樹木移栽器由液壓缸、位置探測器、合攏器、帶鋸齒的挖掘爪等元件組成。工作時，兩邊合攏器張開將樹包裹起來，進行合攏，合攏完畢后再由位置探測器確定樹干的中心位置，六個爪慢慢的向下向內(nèi)合攏實現(xiàn)樹木的移出。當(dāng)樹木被帶起到一定高度，可以將袋子套在六爪樹木移栽器底部，實現(xiàn)對樹木根部的保護，提高成活率。圖1(a)中的樹木抓取機械手則主要是在完成樹根部包裝后，懸空抓取待移栽樹木，輔助主工作頭挖坑，實現(xiàn)快捷移栽，該工作體系運用xyz體系，準(zhǔn)確定位數(shù)目，提高效率，具有記憶功能識別功能，根據(jù)樹木樹干直徑，準(zhǔn)確定位每一棵樹木，提 高工作效率。鏟刀機械手和樹木抓取機械手的結(jié)構(gòu)分別如下圖2(a)和(b)所示。

圖2

2 樹木移植機下鏟阻力理論模型

針對不同類型的樹木移植過程，選擇合適的動力設(shè)備和液壓設(shè)備至關(guān)重要，而機器設(shè)備提供的動力則主要是使六片鍬鏟式鏟刀分別入土使樹根部土壤形成一個半圓錐形土球，合攏的鏟刀在液壓力作用下連同土球一起提升，完成樹木移植工作。鏟刀從入土到合攏過程中受力復(fù)雜。

本小節(jié)通過對土壤與樹木移植機系統(tǒng)的內(nèi)在作用關(guān)系進行分析，采用可移植樹木鏟刀下鏟阻力的經(jīng)驗公式對其影響因素進行系統(tǒng)的分析，試圖系統(tǒng)的分析下鏟阻力的影響因素和變化曲線，為樹木移植機的動力系統(tǒng)和液體系統(tǒng)的選取提供理論指導(dǎo)。

圖3

從系統(tǒng)分析的觀點出發(fā)，研究者建立了直鏟式樹木移植機與各個影響因子之間的定量描述，考慮到移植現(xiàn)場土質(zhì)條件通常比較復(fù)雜，樹木移植機的鏟刀機械手下鏟速度比較低，因此在下鏟過程中常?？梢院雎詰T性項的影響，給出了下鏟阻力的經(jīng)驗公式如下式：

= 時，結(jié)合式(1)可以得到下鏟阻力與下鏟位移量的關(guān)系如下圖3(a)所示，顯然可得下鏟阻力隨著下鏟位移的增大而增大。由于樹木移植機在不同工況下工作時，土壤的材質(zhì)會有較大的差別，一般來講，土壤容重變化范圍較小，而不同土質(zhì)的土壤內(nèi)聚力則有較大的區(qū)別，進一步討論下鏟阻力隨土壤內(nèi)聚力變化曲線如下圖3(b)所示。綜合分析來看，樹木移植機的動力系統(tǒng)至少需要提供幾十甚至上百千牛的動力才 能較好的完成任務(wù)。

3 結(jié)語

通過樹木移植機移植樹木，可明顯減小樹木的死亡率，提升工作效率，改善作業(yè)條件，有效的推動城市綠化建設(shè)。本文設(shè)計了一種復(fù)合式的樹木移植機械設(shè)備并對該機器的工作過程進行詳細的介紹，該設(shè)備由車體、擺臂、車廂、樹木起吊裝置四部分組成，其中存在的兩個機械手能分別完成樹木挖掘和樹木固定轉(zhuǎn)移功能；并結(jié)合鏟刀下鏟過程阻力的經(jīng)驗公式系統(tǒng)的分析了挖掘機械手臂在作業(yè)時的影響因素，給出了下鏟阻力隨下鏟位移和土壤內(nèi)聚力的變化關(guān)系，為機械設(shè)備動力系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的選擇提供了理論基礎(chǔ)。

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