殷夢杰，楊 欣，王鵬飛，李建平，宋帥帥

(河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

0 引言

蘋果矮砧密植栽培是目前國際上先進的蘋果栽培模式，近年來在我國得到示范推廣。其中在矮化中間砧蘋果苗木培育和蘋果矮砧栽培農(nóng)藝要求中，對苗木嫁接后的管理技術要點中強調(diào)，剪砧后從砧木基部容易發(fā)出大量萌蘗，需要多次及時除去，避免和接芽爭奪養(yǎng)分[1-5]；為保證品種純正、質(zhì)量合格，對嫁接苗還需要及時追肥灌水、防病除蟲，在生長季節(jié)除雜去劣。為保證苗木的健康成長，除萌是嫁接管理技術中必不不可少的步驟[4]。目前，多數(shù)蘋果苗木嫁接過程中仍采用人工除萌方式，耗時費力，成本高，同時由于人工作業(yè)技術熟練程度的不同，不能達到良好的除萌效果。為了降低勞動成本、提高勞動效率，苗木除萌機械化技術越來越受到重視。本文針對矮化中間砧蘋果苗木剪砧除萌的技術需求，設計了大面積蘋果樹苗木涂藥除萌的專用裝置，代替人工除萌，旨在降低勞動強度和成本，并提高除萌的效率和質(zhì)量。

1 總體結構與工作原理

1.1 除萌農(nóng)藝要求

蘋果矮化苗木是指在蘋果實生砧木上嫁接具有一定矮化特性且具有一定長度的中間砧，然后在中間砧上嫁接優(yōu)良蘋果品種接穗進行繁育的苗木。蘋果矮化苗木培育一般需要經(jīng)過3年。第1年播種海棠籽等進行實生苗培育；第2年嫁接中間砧實現(xiàn)果樹致矮作用；第3年嫁接蘋果品種進而培育成品苗。圖1所示為蘋果矮化中間砧部分。矮化中間砧部分長大約為400～450mm。在嫁接中間砧后的培育過程中，中間砧木上不能萌芽生枝。因此，需要在中間砧木段上涂抹除萌液體，以有效抑制中間砧木段上萌芽，從而促進蘋果品種芽的生長發(fā)育。

圖1 蘋果苗木矮化中間砧Fig.1 The chart of soil cross-section after stripping rot- ary tillage

1.2 作業(yè)要求

蘋果矮化苗木除萌裝置的結構設計主要滿足矮化中間砧蘋果苗木培育技術的要求[6-8]，機具必須與苗木除萌技術要求相適應，農(nóng)機與農(nóng)藝要求相結合。該蘋果矮化苗木除萌裝置需保證涂藥部分在果樹距離地面150～400mm左右，行距600mm左右，株距在100～150mm左右。中間砧損傷率不能超過6%，涂抹后要做到不空缺，涂抹覆蓋率要達到95%；同時，保證藥液涂抹后，中間段砧木上,藥液向下流的棵樹百分比小于7%。

1.3 主要參數(shù)

單體主要作業(yè)參數(shù)如表1所示。由于沒有相關文獻對除萌效果進行定義參數(shù)，因而根據(jù)相關農(nóng)藝要求，定義主要設計參數(shù)(見表2)，并定義其達到除萌的效果參數(shù)數(shù)值。

表1 單體作業(yè)主要參數(shù)Table 1 The main parameters of the single operation

表2 主要設計參數(shù)Table 2 Main design parameters

1.4 除萌機械總體結構

除萌裝置主要包括端板、清洗對輥、前端涂刷對輥、后端涂刷對輥、砧木導向部等5個部分，如圖2所示。砧木清洗部之前設置了砧木導向部，以便保證成行種植的苗木能夠準確地進入到砧木清洗部中，導向部成喇叭口狀同時設置有向下彎折的下部折邊，折邊的設置使得導向板與砧木的接觸位置均為平滑面，有效避免了砧木被導向板劃傷的情況出現(xiàn)。頂座端板呈梯形，以方便與其他部件的連接。

3組對輥為蘋果矮化苗木除萌機械單體的主要工作部件，包括設置在支架上的砧木清洗部和設置在砧木清洗部之后的除萌液涂刷部，前端涂刷對輥和后端涂刷對輥分別從相反的兩個方向?qū)φ枘颈砻孢M行除萌液的涂刷，最大程度的保證了除萌液在砧木上涂抹到位，有效避免了除萌液漏刷的現(xiàn)象出現(xiàn)。砧木清洗部及涂藥部均有6對齒輪之間的不同嚙合進行驅(qū)動作業(yè)。砧木清洗部的設置保證了除萌液在砧木上涂抹的更為均勻。該單體的輥輪外部均采用纖維棉結構纏繞，做到了在保證均勻涂抹的情況下不損傷樹木，其結構如圖3所示。

(a)

(b) 1.端板 2.清洗對輥 3.前端涂刷對輥 4.后端涂刷對輥 5.砧木導向部 圖2 涂藥除萌裝置主要結構組成Fig.2 The main structure of the applicator

圖3 纖維棉結構Fig.3 Fiber cotton structure

1.5 工作原理

進行除萌作業(yè)時，蘋果矮化苗木中間砧通過動力裝置帶動支架向前移動，此時位于支架前方的砧木將先經(jīng)過導向部的導向作用進入第一道間隙，也就是進入砧木清洗部，間隙距離為10～30mm；在清洗對輥上毛刷的刷洗作用下，表面的灰塵被清洗干凈，以方便除萌液的涂抹；隨著支架的移動，砧木進入第二道間隙即除萌液涂刷部，在涂刷對輥上涂液毛刷的作用下，除萌液被涂抹到砧木相應位置上。通過夾持機構對在一定浮動范圍內(nèi)調(diào)整的苗木進行涂藥除萌，為了不損傷苗木，輥輪在與苗木接觸進行涂藥作業(yè)，所涂抹的0～15kg藥液要保證均勻涂抹，做到既能保證作業(yè)效果又不造成藥液浪費的基本要求。

2 三維模型的建立與材料選擇

2.1 單體三維模型

2.1.1 單體三維模型的建立

單體由清洗對輥、前端涂刷對輥、后端涂刷對輥、端板及砧木導向部等結構組成，單體經(jīng)連接件和U型螺栓固定在帶有懸掛裝置的安裝框架上，安裝框架與拖拉機通過U型螺栓固定。

在AIP軟件中按1∶1建立主要部件初始設計的三維裝配體模型，所有零件均采用參數(shù)化建模，零件之間添加正確的裝配關系達到模型全約束，確保后續(xù)更新零件結構參數(shù)(寬度、厚度、角度等)時裝配體的拓撲關系不會發(fā)生改變[9-10]。

2.1.2 設置零件材料屬性

為了在后續(xù)工作中降低阻力、節(jié)省材料，端板 、清洗對輥 、前端涂刷對輥、后端涂刷對輥及砧木導向部等均選Q235A，其屈服強度為235MPa，極限拉伸強度為500MPa。在AIP中設置了材料屬性，而滾輪外部結構需蘸取藥液部分，設計初期采用纖維棉材料，由于在AIP中無法設置線狀材料，工作中對線狀材料進行效果試驗。為了快速更新模型，利用參數(shù)化功能建立了尺寸驅(qū)動關聯(lián)關系[9]。材料的選用原則是保證除萌效果良好不損傷蘋果矮化苗木中間砧的前提下保證材料選用的經(jīng)濟性。

2.2 安裝框架

2.2.1 安裝框架三維模型的建立

本文采用有限元的方法研究機架結構的受力情況。安裝框架結構的幾何模型是采用AIP三維設計軟件建立的，安裝框架主要包括單體掛接支撐部分和與動力裝置掛接部分兩部分，除萌單體通過掛接零件與動力部分相連接，并將構成安裝框架結構的主要鋼管厚度定義為變量，其余非主要部件厚度按實際結構定義為定量，最終在其Workbench模塊進行應力分析。

2.2.2 有限元模型參數(shù)定義與網(wǎng)格劃分

安裝框架的結構材料為Q235鋼，定義模型的參數(shù)為:密度ρ=7.85×103kg/m3，彈性模量E=2. 1 × 105MPa,泊松比μ= 0.25。把AIP三維設計軟件導入其Workbench模塊并對其進行自由網(wǎng)格劃分，最終所得有限元模型元素為43 320，節(jié)點數(shù)為82 980，網(wǎng)格設置參數(shù)如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格設置參數(shù)Fig.4 The grid settings parameters

2.2.3 有限元模型參數(shù)定義與網(wǎng)格劃分

安裝框架結構是掛接除萌單體的重要結構，起到支撐和調(diào)節(jié)高度的作用。根據(jù)安裝框架實際受力情況對安裝框架施加載荷和約束，由于單體組成中齒輪部分及滾輪支撐部分易磨損，選取材料高強度低合金剛，其余部分均選取材料Q235，所得單體質(zhì)量為74.772kg，得出機架需滿足約750N的力。安裝框架結構與動力裝置通過掛接零件部分相連，故將安裝框架結構的掛接零件設置為固定，考慮到滾子上會有藥液質(zhì)量及其它優(yōu)化部件質(zhì)量， 故分別在噴桿連接件上施加500N的力。經(jīng)過多次改善參數(shù)，最終得到機架部分的最小安全系數(shù)為1.22，滿足要求，得到相應云圖如圖5所示。通過有限元分析，安全系數(shù)、位移及等效應力所得數(shù)據(jù)如表3所示。

(a) 安全系數(shù)

(b) 位移

(c) 等效應力 圖5 安裝框架云圖Fig.5 Install the frame cloud picture表3 安裝框架分析結果 Table 3 Install the frame analysis results

參數(shù)最小值最大值等效應力/MPa0185.4變形量/mm02.206安全系數(shù)1.12

安全系數(shù)大于1才能滿足所需要求[11]。由表3可知，安裝框架的安全系數(shù)的最小值為1.12，滿足所需要求。

3 試制與試驗

經(jīng)過多次分析及優(yōu)化，蘋果矮化苗木除萌涂藥裝置結構得到最終確定，生產(chǎn)廠家對涂藥裝置結構樣機進行了生產(chǎn)制造，并進行了多次室內(nèi)模擬實驗，所選中間砧高度均在40cm左右，動力分別選在400m/h及500m/h的速度條件下進行試驗，如圖6所示。通過數(shù)次試驗，對蘋果矮化苗木中間砧損傷率、除萌后中間砧向下流出藥液液滴棵樹占總數(shù)百分比及涂抹覆蓋率進行了測量與計算，結果表明：除萌涂藥裝置性能良好，作業(yè)效率高，滿足除萌要求。所得試驗數(shù)據(jù)如表4所示。

圖6 除萌單體試驗Fig.6 In addition to sprouting monomer experiment表4 除萌試驗數(shù)據(jù) Table 4 Data of the experiment

試驗次數(shù)試驗棵數(shù)/棵中間砧損傷棵數(shù)/棵中間砧損傷棵數(shù)占總數(shù)的百分比/%涂抹覆蓋率/%中間砧向下流出藥液液滴棵樹/棵中間砧向下流出藥液液滴棵樹占總數(shù)百分比/%時間/s速度/m·h-1第1次試驗3213.12980032.35003200970040.32400第2次試驗4524.449812.245.365004512.29622.256.70400

續(xù)表4

4 結論

1) 以蘋果矮化苗木涂藥除萌裝置單體作為主要研究對象，應用AIP軟件對其進行了三維建模設計，對安裝框架進行安全性分析，結果表明：單體工作性能良好，涂抹覆蓋率達到95%，中間砧損傷率小于6%，中間砧藥液下流率小于7%，能夠滿足除萌要求。通過有限元分析，安裝框架安全系數(shù)滿足要求。由于采用三維參數(shù)化設計方法，對于加工制造過程中提出的問題能夠及時快速修改，縮短了設計時間，提高了樣機開發(fā)效率。

2) 設計一種蘋果矮化苗木中間砧除萌機械代替了以往人工除萌作業(yè)的方式，保證了剪砧后及時抹除萌芽和萌蘗，進而保證了蘋果樹接芽苗的健壯生長。有效降低了人工的勞動強度，提高了除萌液的涂抹效率，同時還可有效防止除萌液漏涂的現(xiàn)象出現(xiàn)，有效地提高了除萌質(zhì)量，對蘋果矮化苗木繁育的發(fā)展起到了一定的促進作用。

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