殷夢(mèng)杰，楊　欣，宋帥帥

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北　保定　071001)

0　引言

蘋果矮砧密植栽培是目前國(guó)際上先進(jìn)的蘋果栽培模式，近年來(lái)在我國(guó)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)藝要求方面，有關(guān)苗木嫁接后的管理技術(shù)要點(diǎn)中強(qiáng)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(shí)除去，避免和接芽爭(zhēng)奪養(yǎng)分[1-5]。為保證品種純正、質(zhì)量合格，對(duì)嫁接苗還需要及時(shí)追肥灌水、防病除蟲、生長(zhǎng)季節(jié)除雜去劣。為保證苗木的健康成長(zhǎng)，除萌是嫁接管理技術(shù)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(shí)費(fèi)力，增加成本，且由于人工作業(yè)技術(shù)熟練程度的不同，不能達(dá)到良好的除萌效果。為了降低勞動(dòng)成本，提高勞動(dòng)效率，苗木除萌機(jī)械化技術(shù)越來(lái)越受到重視。本文針對(duì)矮化中間砧蘋果苗木剪砧除萌的技術(shù)需求，設(shè)計(jì)了大面積蘋果樹苗木涂藥除萌的專用裝置，采用機(jī)械裝置代替人工除萌，可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本，并提高除萌效率和質(zhì)量。

1　總體結(jié)構(gòu)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(shí)生砧木上嫁接具有一定矮化特性且具有一定長(zhǎng)度的中間砧，然后在中間砧上嫁接優(yōu)良蘋果品種接穗進(jìn)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(jìn)行實(shí)生苗培育；第2年嫁接中間砧實(shí)現(xiàn)果樹致矮作用；第3年嫁接蘋果品種進(jìn)而培育成品苗。圖1所示為蘋果矮化中間砧部分，長(zhǎng)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，除萌液體可有效抑制中間砧木段上萌芽，從而促進(jìn)蘋果品種芽的生長(zhǎng)發(fā)育。

圖1　蘋果苗木矮化中間砧

1.2　作業(yè)要求

蘋果矮化苗木除萌裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要滿足矮化中間砧蘋果苗木培育技術(shù)的要求[6]，機(jī)具必須與苗木除萌技術(shù)要求相適應(yīng)，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝要求相結(jié)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。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(dá)到95%，同時(shí)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%。田間預(yù)設(shè)行距為650mm左右，株距15～20mm左右。作業(yè)田間情況如圖2所示，所測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2　田間情況圖

Table 1　Field data mm

1.3　主要參數(shù)

主要作業(yè)參數(shù)如表2所示。由于沒有存在相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)除萌效果進(jìn)行定義參數(shù)，根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求，定義主要設(shè)計(jì)參數(shù)，并定義其達(dá)到除萌的效果參數(shù)數(shù)值。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示。

表2　單體作業(yè)主要參數(shù)

表3　主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4　除萌機(jī)械總體結(jié)構(gòu)

除萌裝置結(jié)構(gòu)主要由機(jī)架和除萌單體組成。除萌單體主要包括端板、清洗對(duì)輥、前端涂刷對(duì)輥、后端涂刷對(duì)輥、砧木導(dǎo)向部等5個(gè)部分，如圖3所示。砧木清洗部之前設(shè)置了砧木導(dǎo)向部，以便保證成行種植的苗木能夠準(zhǔn)確地進(jìn)入到砧木清洗部中，導(dǎo)向部成喇叭口狀，同時(shí)設(shè)置有向下彎折的下部折邊。折邊的設(shè)置使得導(dǎo)向板與砧木的接觸位置均為平滑面，從而有效避免了砧木被導(dǎo)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(duì)輥為蘋果矮化苗木除萌機(jī)械單體的主要工作部件，包括設(shè)置在支架上的砧木清洗部和設(shè)置在砧木清洗部之后的除萌液涂刷部。前端涂刷對(duì)輥和后端涂刷對(duì)輥分別從相反的兩個(gè)方向?qū)φ枘颈砻孢M(jìn)行除萌液的涂刷，最大程度地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(duì)齒輪之間的不同嚙合進(jìn)行驅(qū)動(dòng)作業(yè)。砧木清洗部的設(shè)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(jié)構(gòu)纏繞，該種纖維棉結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做到了在保證均勻涂抹的情況下不損傷樹木，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.端板　2.清洗對(duì)輥　3.前端涂刷對(duì)輥4.后端涂刷對(duì)輥　5.砧木導(dǎo)向部

圖4　纖維棉結(jié)構(gòu)

1.5　工作原理

進(jìn)行除萌作業(yè)時(shí)，除萌機(jī)械由兩組單體組成，輥輪的轉(zhuǎn)速及方向由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，蘋果矮化苗木中間砧通過動(dòng)力裝置帶動(dòng)支架向前移動(dòng)。此時(shí)，位于支架前方的砧木將先經(jīng)過導(dǎo)向部的導(dǎo)向作用進(jìn)入第1道間隙，也就是進(jìn)入砧木清洗部，間隙距離為10～30mm；在清洗對(duì)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(dòng)，砧木進(jìn)入第2道間隙即除萌液涂刷部，在涂刷對(duì)輥上涂液毛刷的作用下，除萌液被涂抹到砧木相應(yīng)位置上。通過夾持機(jī)構(gòu)對(duì)在一定浮動(dòng)范圍內(nèi)調(diào)整的苗木進(jìn)行涂藥除萌，輥輪在與苗木接觸進(jìn)行涂藥作業(yè)時(shí)要做到不損傷苗木，并且所涂抹的0～15cm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(fèi)的基本要求。

2　模型建立與運(yùn)動(dòng)分析

2.1　三維模型建立

2.1.1三維模型的建立

單體由清洗對(duì)輥、前端涂刷對(duì)輥、后端涂刷對(duì)輥、端板、砧木導(dǎo)向部等結(jié)構(gòu)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，安裝框架上設(shè)有2組直流五缸隔膜泵，并設(shè)有多組直流電機(jī)調(diào)速器，用來(lái)控制滾輪的速度與轉(zhuǎn)向。

在AIP軟件中按1:1建立主要部件初始設(shè)計(jì)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(guān)系達(dá)到模型全約束，確保后續(xù)更新零件結(jié)構(gòu)參數(shù)(寬度、厚度、角度等)時(shí)裝配體的拓?fù)潢P(guān)系不會(huì)發(fā)生改變[7-8]。

2.1.2設(shè)置零件材料屬性

雙行除萌裝置的整體框架材料采用Q235A。為了在后續(xù)工作中便于快降低阻力、節(jié)省材料，端板、清洗對(duì)輥、前端涂刷對(duì)輥、后端涂刷對(duì)輥、砧木導(dǎo)向部等均選Q235A，其屈服強(qiáng)度為235MPa，極限拉伸強(qiáng)度為500MPa。在AIP中設(shè)置了材料屬性，而滾輪外部結(jié)構(gòu)是蘸取藥液部分設(shè)計(jì)初期采用纖維棉材料，由于在AIP中無(wú)法設(shè)置線狀材料，工作中對(duì)線狀材料進(jìn)行效果試驗(yàn)。為了快速更新模型，利用參數(shù)化功能建立了尺寸驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)關(guān)系[7]。材料的選用原則是：在保證除萌效果良好、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(jì)性。

2.2　運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.2.1運(yùn)動(dòng)理論分析

除萌機(jī)械工作時(shí)，滾輪一邊旋轉(zhuǎn)，一邊隨機(jī)架前進(jìn)，因此滾輪的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是小軸旋轉(zhuǎn)和機(jī)架前進(jìn)兩種運(yùn)動(dòng)的合成，其運(yùn)動(dòng)軌跡是擺線。以小軸旋轉(zhuǎn)中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，x軸正向和除萌機(jī)械前進(jìn)方向一致，y軸正向垂直向下，如圖5所示。設(shè)除萌機(jī)械前進(jìn)速度為vm，小軸旋轉(zhuǎn)角速度為ω,在滾輪上取點(diǎn)A，開始時(shí)所取點(diǎn)位于前方水平位置與x軸正向重合，則所取點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)方程為

x=Rcosωt+vmt

(1)

y=Rsinωt

式中R—所取點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑；

t—時(shí)間。

圖5　運(yùn)動(dòng)分析

式(1)表示了點(diǎn)A的絕對(duì)速度，其運(yùn)動(dòng)軌跡隨著R、ω和vm的不同而具有不同的形狀和特性。將式(1)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)數(shù)，可以求得點(diǎn)A在x軸和y軸方向的分速度，即

vx=dx/dt=vm-Rωsinωt

vy=dy/dt=Rωcosωt

點(diǎn)A絕對(duì)速度v的大小為

(2)

其中，Rω=vp是點(diǎn)A的圓周線速度。

令λ=vp/vm=Rω/vm，λ稱為速度比，表示點(diǎn)A圓周速度與除萌機(jī)械前進(jìn)速度的比值，其大小對(duì)除萌對(duì)輥運(yùn)動(dòng)軌跡及除萌機(jī)械工作狀況有重要影響。則

λ=Rω/vm

vx=vm-Rωsinωt=vm(1-λsinωt)

如果λ<1，即vp0。即點(diǎn)A的水平分速度始終與除萌機(jī)械前進(jìn)方向相同，其運(yùn)動(dòng)軌跡是短擺線，這時(shí)會(huì)對(duì)苗木造成損傷，不能達(dá)到良好的除萌效果。

如果λ>1，則當(dāng)輥輪上所取點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)到一定位置時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)vx<0的情況。即點(diǎn)A的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的水平分速度與除萌機(jī)械前進(jìn)方向相反，能夠做到不損傷苗木。只要vx<0，整個(gè)過程都可滿足這個(gè)條件。λ>1時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，如圖6所示。余擺線由有1個(gè)繞扣，MN為繞扣的最大橫弦，在最大橫弦以下，均有vx<0，λ越大，繞扣越大，λ=1時(shí)，繞扣消失[9]。由于除萌機(jī)械工作時(shí)為保證作業(yè)效果均勻，輥輪上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡都應(yīng)是余擺線，即其圓周速度應(yīng)大于除萌機(jī)械前進(jìn)速度。當(dāng)圓周速度等于除萌機(jī)械前進(jìn)速度時(shí)，輥?zhàn)釉谥虚g砧上輕輕滾過，也能保證除萌效果。

圖6　擺線圖

2.2.2模型建立

本文將對(duì)滾的自身轉(zhuǎn)動(dòng)與相對(duì)地面前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)特征相結(jié)合，在仿真軟件中建立模型，如圖7所示。定義相應(yīng)運(yùn)動(dòng)副，添加滾輪相對(duì)地面的移動(dòng)副，并添加滾輪相對(duì)小軸的旋轉(zhuǎn)副。

2.2.3參數(shù)定義

滾輪與小軸的結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼，初始選取拖拉機(jī)前進(jìn)速度為1.7km/h，通過不斷改變滾輪的旋轉(zhuǎn)速度得到不同的余擺線，驗(yàn)證了理論分析的正確性，驗(yàn)證結(jié)果如圖8所示。

圖7　模型建立圖

圖8 　驗(yàn)證結(jié)果

3　試制與試驗(yàn)

經(jīng)過多次分析及優(yōu)化，雙行蘋果矮化苗木除萌涂藥裝置結(jié)構(gòu)得到最終確定，生產(chǎn)廠家對(duì)涂藥裝置結(jié)構(gòu)樣機(jī)進(jìn)行了生產(chǎn)制造。2017年3月，在保定蠡縣進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)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(jìn)行了測(cè)量與計(jì)算。本次試驗(yàn)共進(jìn)行5次，其中4組當(dāng)齒輪向內(nèi)嚙合，兩邊滾子跟隨齒輪同時(shí)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)結(jié)果良好，達(dá)到預(yù)期要求，如圖9所示。

圖9　除萌試驗(yàn)

當(dāng)改變電機(jī)方向、滾子轉(zhuǎn)向相反時(shí)，造成砧木部分破損，如圖10所示。

圖10　損傷圖

表4為所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了試制理論的正確性。

表4　除萌實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

1) 雙行蘋果矮化苗木涂藥除萌裝置作為主要研究對(duì)象，應(yīng)用AIP軟件對(duì)其進(jìn)行了三維建模設(shè)計(jì)，對(duì)安裝框架進(jìn)行安全性分析，結(jié)果表明：?jiǎn)误w工作性能良好，涂抹覆蓋率達(dá)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，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。通過運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真操作，驗(yàn)證了試驗(yàn)的可行性及理論的正確性。由于采用三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)于加工制造過程中提出的問題能夠及時(shí)、快速修改，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了樣機(jī)開發(fā)效率。

2) 設(shè)計(jì)了一種雙行蘋果矮化苗木中間砧除萌機(jī)械，代替了以往人工除萌作業(yè)的方式，保證了剪砧后及時(shí)抹除萌芽和萌蘗，進(jìn)而保證了蘋果樹接芽苗的健壯生長(zhǎng)。該機(jī)有效降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了除萌液的涂抹效率，還可有效防止除萌液漏涂的現(xiàn)象發(fā)生，有效地提高了除萌質(zhì)量，對(duì)蘋果矮化苗木繁育的發(fā)展起到了一定的促進(jìn)作用。