高光明,宮玉敏,張義勝,周 慧,劉 琦

(淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，山東 淄博 255086)

蘋(píng)果矮砧集約栽培模式便于實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果果園的機(jī)械化作業(yè)和管理，是蘋(píng)果生產(chǎn)先進(jìn)國(guó)家普遍采用的栽培模式[1-2]，也是我國(guó)現(xiàn)代蘋(píng)果栽培的主要方向[3]。這種蘋(píng)果栽培模式正在我國(guó)山東、陜西、河北等省的一些地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)和推廣，并得到了長(zhǎng)足發(fā)展[1，4]。采用這種蘋(píng)果栽培模式的果園建園時(shí)，在農(nóng)藝方面，對(duì)蘋(píng)果栽植的行距、株距及起壟形狀等指標(biāo)都有一定的要求[1，3，5-6]，一些試驗(yàn)和推廣地區(qū)在參考《蘋(píng)果矮砧集約栽培模式技術(shù)規(guī)范》[2]的基礎(chǔ)上，還初步形成制定了具體的栽培技術(shù)規(guī)范(或規(guī)程)[3,5]。目前，適應(yīng)蘋(píng)果矮砧集約栽培模式所需新農(nóng)藝要求的蘋(píng)果栽植機(jī)具研發(fā)工作正在展開(kāi)進(jìn)行，產(chǎn)生了一些相關(guān)機(jī)具[7]，但見(jiàn)諸文獻(xiàn)報(bào)道的功能齊全的相關(guān)栽植機(jī)具很少。本文在對(duì)蘋(píng)果矮砧集約栽培模式及其相關(guān)技術(shù)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對(duì)這種栽培模式所需的新農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種2PZ-4000型蘋(píng)果多功能栽植機(jī)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)。

1 總體方案

1.1 實(shí)現(xiàn)的功能

1)起壟栽植。常規(guī)的開(kāi)溝式植樹(shù)機(jī)是由開(kāi)溝器開(kāi)出一條深溝，然后將苗木置于溝中覆土，再通過(guò)鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓，完成整個(gè)栽植過(guò)程[8]。2PZ-4000型蘋(píng)果多功能栽植機(jī)則不同，能完成蘋(píng)果果苗的起壟栽植作業(yè)。由于是起壟栽植，機(jī)具不需要開(kāi)溝器。果苗植入時(shí)，植入位置在機(jī)具起壟壟頭前方，覆土前，果苗的根系在田間地平面上方，靠隨后跟進(jìn)的起壟犁鏵轉(zhuǎn)移提升的壟土覆土。機(jī)具栽植作業(yè)效果圖如圖1所示。

圖1 蘋(píng)果多功能栽植機(jī)作業(yè)效果圖Fig.1 Working effects of the multifunctional apple planting machine

2)定株距栽植。2PZ-4000型蘋(píng)果多功能栽植機(jī)可以保證栽植株距的一致性，實(shí)現(xiàn)定株距栽植。針對(duì)不同地區(qū)、不同果園，對(duì)栽植株距要求不一樣的需求，2PZ-4000型蘋(píng)果多功能栽植機(jī)可以在3種設(shè)計(jì)株距下作業(yè)，切換方便。

3)同步施水(水肥)。機(jī)具可以實(shí)現(xiàn)在栽植過(guò)程中向果苗根系同步施水(水肥)功能。這對(duì)于在干旱地區(qū)保證栽植后果苗的成活尤為重要。

4)鎮(zhèn)壓功能。機(jī)具配置鎮(zhèn)壓輪，對(duì)栽植后的覆土進(jìn)行鎮(zhèn)壓，以利于保墑。

1.2 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

2PZ-4000型蘋(píng)果多功能栽植機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)具以88.3 kW以上拖拉機(jī)為動(dòng)力，總體采用懸掛式結(jié)構(gòu)布局，通過(guò)3個(gè)懸掛點(diǎn)與拖拉機(jī)懸掛裝置連接在一起。機(jī)具作業(yè)時(shí)，人工喂入果苗，機(jī)具前進(jìn)一個(gè)株距時(shí)，定株距機(jī)構(gòu)動(dòng)作，開(kāi)啟果苗植入窗口，果苗在人工扶持下到達(dá)植入位置。此時(shí)，前V型鏵犁組呈橫向?qū)ΨQ布置的兩個(gè)鏵犁，把兩側(cè)的土壤翻起，覆蓋在果苗根系上，完成覆土和部分起壟工作。在果苗植入過(guò)程中，施水(水肥)機(jī)構(gòu)向果苗根系施加水(水肥)，完成施水(水肥)工作。

起壟分兩次完成。在第一次部分起壟完成后，剩余的部分由配置在機(jī)具后面的后V型鏵犁組完成。起壟完畢后，由安裝在機(jī)具后面的鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓。

1.拖拉機(jī)；2.施水(水肥)機(jī)構(gòu)總成；3.果苗；4.機(jī)架總成； 5.鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)總成；6.作業(yè)平臺(tái)總成；7.后V型鏵犁組總成；8.前V型鏵犁組總成；9.定株距機(jī)構(gòu)總成；10.限深機(jī)構(gòu)總成；11.螺旋扣；12.土壤層圖2 蘋(píng)果多功能栽植機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure sketches of the multifunctional apple planting machine

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)蘋(píng)果矮砧集約栽培模式所需新農(nóng)藝要求，設(shè)定的2PZ-4000型蘋(píng)果多功能栽植機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 蘋(píng)果多功能栽植機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 起壟機(jī)構(gòu)

國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的起壟機(jī)具主要有開(kāi)溝式起壟、旋耕式起壟兩種形式。這兩種起壟形式主要適應(yīng)于地瓜、花生、土豆、烤煙、蔬菜等大田作物的小壟距起壟要求[9]，對(duì)于圖1所示的大壟寬、大壟距的起壟則不適應(yīng)。蘋(píng)果多功能栽植機(jī)起壟機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于大土方量的有效轉(zhuǎn)移和提升。

如圖1所示，起壟時(shí)，需要把地平線以下、兩個(gè)土壟之間一定深度的取土層土壤轉(zhuǎn)移提升，形成地平線以上的壟層。他們之間的關(guān)系如下：

(B'-B)h=(H-h)B-(H-h)cotα

(1)

G=B'-BhS'ρ

(2)

式中：B′為行距(m)；B為壟寬(m)；h為取土深度(m);H為壟高(m)；α為土壤安息角(°),α按黏土(小塊)取值50°；G為每畝果園起壟所轉(zhuǎn)移提升土方量(t)；S′為每畝果園面積折合起壟長(zhǎng)度，S'=667/B′(m)；ρ為土壤容重(t/m3), 通常耕作層土壤容重為1～1.3t/m3[10]，取ρ=1.2t/m3。

根據(jù)2PZ-4000型蘋(píng)果多功能栽植機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo),我們?nèi)′=4 m，B=1.2 m，H=0.3 m，計(jì)算得出h=0.08 m，G=44.8 t。起壟的最大土壤提升高度為0.3 m。

起壟機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)8件鏵犁的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)大土方量的轉(zhuǎn)移和提升。鏵式犁國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，單個(gè)鏵犁工作幅寬在20～50 cm區(qū)間，各自對(duì)應(yīng)著不同的最大耕深，可以實(shí)現(xiàn)土方量小范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)移和提升。為充分利用單個(gè)鏵犁的優(yōu)勢(shì)，起壟機(jī)構(gòu)把8件鏵犁組合成前、后兩個(gè)V型鏵犁組(見(jiàn)圖2)，通過(guò)分層次轉(zhuǎn)移和提升土層、分次起壟的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)土方量大范圍的轉(zhuǎn)移和提升。起壟分兩次完成：

(1)第一次部分起壟，在果苗植入時(shí)完成，第一次起壟示意圖如圖3所示。

圖3 第一次起壟示意圖Fig.3 Sketch of the first ridging

機(jī)具作業(yè)時(shí)，呈對(duì)稱分布的兩個(gè)鏵犁組成的前V型鏵犁組，把圖3中A區(qū)域所示土壤，翻轉(zhuǎn)到果苗兩側(cè)的B區(qū)域，在完成果苗覆土的同時(shí)，形成壟形的中心部分。兩個(gè)鏵犁翻轉(zhuǎn)的土壤交匯時(shí)，相互碰撞約束，達(dá)到抬高壟面的目的。

(2)第二次部分起壟，由呈對(duì)稱分布的6個(gè)鏵犁組成的后V型鏵犁組跟進(jìn)完成。第二次起壟示意圖如圖4所示。

圖4 第二次起壟示意圖Fig.4 Sketch of the second ridging

機(jī)具在完成第一次部分起壟后，果苗已經(jīng)植入。隨后，后V型鏵犁組，把圖4中C區(qū)域的土壤順序翻轉(zhuǎn)到D區(qū)域，完成整體起壟工作。在這個(gè)過(guò)程中，組成后V型鏵犁組的單個(gè)鏵犁，由外至內(nèi)，轉(zhuǎn)移和提升的土層厚度分層次依次遞增。 當(dāng)C區(qū)域的土壤到達(dá)后V型鏵犁組內(nèi)側(cè)鏵犁的犁壁前方翻轉(zhuǎn)時(shí)，如果不存在第一次部分起壟形成的土壟，翻轉(zhuǎn)的土壤會(huì)部分落入該區(qū)域，致使第二次起壟區(qū)域土量減少，達(dá)不到起壟高度；如果選用的內(nèi)側(cè)鏵犁的耕深不足，也就是其犁壁高度不足，翻轉(zhuǎn)后的土壤在失去速度堆積后，會(huì)回落到犁壁的后面，導(dǎo)致二次起壟土量不足，影響起壟高度。利用內(nèi)側(cè)鏵犁的耕深和第一次起壟形成的土壟約束抬高壟面，可以保證起壟的高度。

對(duì)于單個(gè)鏵犁來(lái)說(shuō)，K=1.27是翻轉(zhuǎn)土垡垡塊穩(wěn)定與否的臨界值，對(duì)于寬幅犁一般取K=1.3～3。K值小，利于竄垡[10]。機(jī)具起壟壟距為4 m，選用耕幅寬的鏵犁可以減少鏵犁的個(gè)數(shù)，減少機(jī)具的復(fù)雜程度。但是，為了保證鎮(zhèn)壓后的壟高達(dá)到300 mm的設(shè)計(jì)要求，又需要鏵犁在保證耕深至少達(dá)到300 mm的基礎(chǔ)上，有一定的竄垡功能，以補(bǔ)償鎮(zhèn)壓后土壤回落造成的壟高損失。為此，綜合權(quán)衡后，選用的鏵犁耕幅為400 mm、耕深為300 mm，K=1.33。

2.2 限深機(jī)構(gòu)

由于栽植田地土壤質(zhì)地硬度的變化及地表的起伏不可避免，所以蘋(píng)果多功能栽植機(jī)需要通過(guò)配置限深機(jī)構(gòu)，配合拖拉機(jī)的力調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)耕深和耕深穩(wěn)定性的控制。限深機(jī)構(gòu)如圖5所示。

1.調(diào)節(jié)手輪；2.限深輪；3.調(diào)節(jié)裝置；4.限位塊圖5 限深機(jī)構(gòu)側(cè)視圖Fig.5 Side view of depth-control mechanism

限深機(jī)構(gòu)通過(guò)在限深輪左右成對(duì)布置的調(diào)節(jié)裝置調(diào)整限深輪的壓力，除了輔助控制耕深和耕深穩(wěn)定性外，還為定株距機(jī)構(gòu)提供必要的動(dòng)力和定株距傳動(dòng)鏈尺寸基準(zhǔn)。

2.3 定株距機(jī)構(gòu)

定株距機(jī)構(gòu)平面展開(kāi)示意圖如圖6所示。定株距機(jī)構(gòu)由限深輪做動(dòng)力，通過(guò)主動(dòng)鏈輪、鏈條、被動(dòng)鏈輪，帶動(dòng)扇形齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。扇形齒輪與全齒齒輪嚙合時(shí)，通過(guò)軸Ⅲ帶動(dòng)果苗放置翻板實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。扇形齒輪齒數(shù)Z扇為全齒齒輪齒數(shù)Z全的1/4，扇形齒輪旋轉(zhuǎn)一周，可使果苗放置翻板翻轉(zhuǎn)一次，翻轉(zhuǎn)角度為90°。在同軸布置的彈簧拉桿組件約束下，果苗放置翻板初始位置處于水平狀態(tài)，翻轉(zhuǎn)時(shí)，預(yù)先放置在果苗放置翻板上的果苗，在人工扶持下進(jìn)入預(yù)定的植入位置。果苗植入后，果苗放置翻板在彈簧拉桿組件彈簧的作用下復(fù)位，完成一個(gè)果苗定株距植入流程。

1.限深輪；2.軸Ⅰ；3.扇形齒輪Z扇；4.軸Ⅱ；5.全齒齒輪 6.彈簧拉桿組件；7.果苗放置翻板；8.軸Ⅲ；9.被動(dòng)鏈輪1,2,3；10.鏈條；11.主動(dòng)鏈輪圖6 定株距機(jī)構(gòu)平面展開(kāi)示意圖Fig.6 Sketch of definite plant spacing mechanism

株距的大小通過(guò)限深輪—主動(dòng)鏈輪—被動(dòng)鏈輪—軸Ⅱ構(gòu)成的傳動(dòng)鏈來(lái)保證。即，當(dāng)限深輪前進(jìn)一個(gè)株距時(shí)，需要被動(dòng)鏈輪正好旋轉(zhuǎn)一周，從而帶動(dòng)果苗放置翻板翻轉(zhuǎn)一次。限深輪前進(jìn)時(shí)，與土壤有一定的滑移，限深輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周前進(jìn)的距離是其周長(zhǎng)與滑移系數(shù)的乘積，即

(3)

式中:n1為 軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速(r/min)；n2為軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速(r/min)；S為株距(mm)；K為滑移系數(shù)；L為限深輪周長(zhǎng)(mm)；Z被為被動(dòng)鏈輪齒數(shù)；Z主為主動(dòng)鏈輪齒數(shù)。

由(3)式可知，在選定限深輪后，株距S由Z被、Z主和K決定。蘋(píng)果多功能栽植機(jī)設(shè)計(jì)有3種株距，對(duì)應(yīng)這3種株距，軸Ⅱ上面布置了Z被1、Z被2、Z被33件被動(dòng)鏈輪。主動(dòng)鏈輪可以在軸Ⅰ上滑動(dòng)，并可以在對(duì)應(yīng)3件被動(dòng)鏈輪的位置分別準(zhǔn)確定位固定。對(duì)客戶的不同株距要求，重新組合不同齒數(shù)的主動(dòng)鏈輪Z主和被動(dòng)鏈輪Z被可以方便實(shí)現(xiàn)。

在軸Ⅱ—扇形齒輪—全齒齒輪—果苗放置翻板構(gòu)成的傳動(dòng)鏈中，扇形齒輪和全齒齒輪的具體齒數(shù)大小對(duì)株距雖然沒(méi)有影響，但是扇形齒輪對(duì)應(yīng)其自身的假想全齒齒輪的齒數(shù)會(huì)影響機(jī)具前進(jìn)一個(gè)株距時(shí)間內(nèi)果苗放置翻板翻轉(zhuǎn)90°所用時(shí)間，即

(4)

(5)

式中：t為翻板翻轉(zhuǎn)90°所需時(shí)間(s)；T為機(jī)具前進(jìn)一個(gè)株距時(shí)間(s)；Z扇為扇形齒輪齒數(shù)；Z假想齒輪為扇形齒輪對(duì)應(yīng)其自身的假想全齒齒輪的齒數(shù)；Z全為全齒齒輪齒數(shù)。

整理后得

(6)

由(6)式可知，當(dāng)Z全確定后，Z假想全齒取值越大，則λ值越小，越有利于果苗株距的一致性。實(shí)際上，果苗植入時(shí)，其下落與翻板翻轉(zhuǎn)動(dòng)作同步進(jìn)行，翻板翻轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)果苗根系的約束作用很小，過(guò)小的λ取值，意義不大。

實(shí)際設(shè)計(jì)中，考慮到兼顧齒輪的磨損均勻、空間布置等因素，確定Z全=27、Z假想全齒=69、Z扇=7，齒輪模數(shù)m=1.5 mm。實(shí)際翻板翻轉(zhuǎn)角度為93°，t=0.1T。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，這些取值是合理的，既不影響單株栽植質(zhì)量，又可以保證對(duì)株距的一致性要求。

2.4 施水(水肥)機(jī)構(gòu)

施水(水肥)功能是機(jī)具的輔助功能.施水(水肥)量大小通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)管路上閥門(mén)的開(kāi)合度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.5 總體結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計(jì)

蘋(píng)果多功能栽植機(jī)集成的功能很多，其總體布局設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

2.5.1 確定機(jī)具布置基準(zhǔn)點(diǎn)

以果苗植入點(diǎn)為機(jī)具布置的基準(zhǔn)點(diǎn)即P點(diǎn)，如圖7所示。機(jī)具零部件的布置以盡量使P點(diǎn)靠近機(jī)具3個(gè)懸掛點(diǎn)構(gòu)成的豎直懸掛平面為原則，這樣就可以在滿足拖拉機(jī)懸掛裝置提升力要求的前提下，放寬對(duì)零部件重量的限制，保證各零部件所需的強(qiáng)度和剛度要求。

圖7 前、后V型鏵犁組平面布置示意圖Fig.7 Plane sketch of double V-type mouldboard plow group

實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過(guò)以下幾個(gè)步驟，依次漸進(jìn)確定P點(diǎn)在機(jī)具總體結(jié)構(gòu)布局中的位置。

(1)確定起壟機(jī)構(gòu)前、后V型鏵犁組的結(jié)構(gòu)布局。對(duì)鏵犁組來(lái)說(shuō)，相鄰犁體的橫向間距和縱向間距是重要參數(shù)[10]，對(duì)鏵犁組的尺寸、重心位置、機(jī)組性能影響較大。參照《GB/T 14225-2008 鏵式犁》中的相關(guān)規(guī)定，首先確定圖7所示前、后V型鏵犁組的主要布局參數(shù)：b、L、α、β、B和D。這6個(gè)參數(shù)決定了前、后V型鏵犁組之間形成的空間大小，不僅影響著起壟質(zhì)量，還影響著第二次起壟土壤在前、后V型鏵犁組之間的轉(zhuǎn)移與提升是否順暢。

(2)確定起壟機(jī)構(gòu)前V型鏵犁組與P點(diǎn)的相對(duì)位置。P點(diǎn)選擇在前、后V型鏵犁組的中心線O-O上，其與前V型鏵犁組兩個(gè)鏵犁犁刃的距離D前(見(jiàn)圖7)應(yīng)滿足對(duì)果苗根系的及時(shí)覆土要求。D前過(guò)大，會(huì)使覆土不及時(shí)，易造成覆土后果苗傾斜；D前過(guò)小，會(huì)使果苗根系落在部分覆土上，影響栽植深度。前V型鏵犁組的兩個(gè)鏵犁通過(guò)連接板用螺栓分別固定在主機(jī)架兩側(cè)的縱梁上(見(jiàn)圖2)。為保證通過(guò)試驗(yàn)作業(yè)得到合理的D前值，主機(jī)架縱梁上固定連接板的相應(yīng)螺栓孔分別對(duì)應(yīng)著325 mm、375 mm、425 mm 3個(gè)D前取值，開(kāi)有3個(gè)位置供鏵犁前后移動(dòng)調(diào)整。田間試驗(yàn)中，分別對(duì)這3個(gè)D前取值進(jìn)行了試驗(yàn)確認(rèn)，其中D前=375 mm時(shí)覆土效果較好。

(3)根據(jù)所選鏵犁的高度，確定主機(jī)架的水平高度。然后，根據(jù)果苗放置翻板翻轉(zhuǎn)所需的高度要求，確定P點(diǎn)與主機(jī)架的相對(duì)高度位置。

(4)確定P點(diǎn)與定株距機(jī)構(gòu)、限深機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置。以P點(diǎn)為基準(zhǔn)，沿O-O線(見(jiàn)圖7)向機(jī)組前進(jìn)方向依次布置定株距機(jī)構(gòu)和限深機(jī)構(gòu)。為縮短機(jī)組的縱向尺寸，定株距機(jī)構(gòu)中的軸Ⅱ、軸Ⅲ(見(jiàn)圖6)在同一豎直平面內(nèi)呈上下布置。

(5)布置機(jī)具3個(gè)懸掛點(diǎn)，使其盡量靠近P點(diǎn)，從而初步確定P點(diǎn)在機(jī)具總體結(jié)構(gòu)布局中的位置。

(6)校核修正，最終確定P點(diǎn)位置。主要通過(guò)校核影響前、后V型鏵犁組作業(yè)性能的鏵犁入土角γ，以及影響機(jī)具運(yùn)輸通過(guò)性的運(yùn)輸間隙h和后通過(guò)角ε這3個(gè)參數(shù)來(lái)修正初步確定的P點(diǎn)位置。校核修正后，前、后置鏵犁入土角γ分別為4°、2°，h、ε分別為290 mm、16°。

2.5.2 水箱位置

水箱布置在限深機(jī)構(gòu)上方，使機(jī)具重心前移。

2.5.3 機(jī)架總成的布置

機(jī)架總成(見(jiàn)圖2)主要由主機(jī)架和固定后V型鏵犁組的兩個(gè)側(cè)梁組成，其主體布置是在確定P點(diǎn)位置過(guò)程中逐漸確定的。設(shè)計(jì)時(shí)以P點(diǎn)為主要關(guān)注點(diǎn)，優(yōu)先考慮植入工位布局的合理性，同時(shí)兼顧適應(yīng)V型鏵犁組的連接固定和受力情況。

蘋(píng)果多功能栽植機(jī)作業(yè)幅寬大，為提高運(yùn)輸通過(guò)性，主機(jī)架與固定后V型鏵犁組的側(cè)梁之間，后端采用鉸接，前端用KUUH-M42-760/1025型螺旋扣連接在一起。機(jī)具運(yùn)輸時(shí)，可以把兩側(cè)梁收起(見(jiàn)圖2)。收起后的運(yùn)輸幅寬相比作業(yè)幅寬減少750 mm。

主機(jī)架俯視簡(jiǎn)圖如圖8所示。主機(jī)架承受的主要拉力來(lái)自起壟機(jī)構(gòu)鏵犁組。后V型鏵犁組受到的阻力通過(guò)側(cè)梁，一個(gè)作用點(diǎn)位于主機(jī)架的縱梁與主橫梁連接處，一個(gè)作用點(diǎn)位于主機(jī)架的縱梁后端，致使每個(gè)縱梁從與副橫梁連接處O點(diǎn)開(kāi)始，成了受力的懸臂梁。另外，前V型鏵犁組布置在主機(jī)架的縱梁上，使縱梁受力負(fù)擔(dān)更重。為改善這一情況，避免作業(yè)時(shí)縱梁變形超標(biāo)，在縱梁和副橫梁之間增加長(zhǎng)梯形加強(qiáng)筋。由于加強(qiáng)筋的作用，縱梁選用120×

1.主橫梁;2.副橫梁;3.筋板; 4.縱梁圖8 主機(jī)架俯視簡(jiǎn)圖Fig.8 Overhead view of the main frame

100×8的矩形管制作。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，主機(jī)架縱梁末端變形量在1 mm之內(nèi)。

3 動(dòng)力匹配

蘋(píng)果多功能栽植機(jī)匹配的拖拉機(jī)牽引力主要用于克服V型鏵犁組、限深輪以及鎮(zhèn)壓輪所受到的阻力。

對(duì)于V型鏵犁組，所需牽引阻力為

(7)

式中:Pt為牽引阻力(N)；k為犁耕阻比(N/cm2)；a為耕深(cm)；b為耕幅(cm)，b=40 cm；ηt為牽引力利用系數(shù)，一般取0.8～0.95；n為鏵犁個(gè)數(shù)。

為適應(yīng)4 m的栽植行距指標(biāo)，2PZ-4000型蘋(píng)果多功能栽植機(jī)作業(yè)幅寬略小于4 m，計(jì)算取土深度為8.6 cm。作業(yè)時(shí)，前V型鏵犁組的耕深為8.6 cm，后V型鏵犁組外側(cè)鏵犁耕深為8.6 cm，中間側(cè)為2×8.6 cm，內(nèi)側(cè)為3×8.6 cm，依次增加。k取中等土壤最大值6 N/cm2，ηt取中間值0.90，則V型鏵犁組所需牽引阻力為

8.6×2+3×8.6×2)=32 106.7(N)

對(duì)于限深輪以及鎮(zhèn)壓輪，牽引阻力為[7]

F=KG

(8)

式中：F為牽引阻力(N)；K為輪子滾動(dòng)阻力系數(shù)，K最大取值0.4；G為輪子承載重量(N)。

由于限深機(jī)構(gòu)所起的高度調(diào)節(jié)作用是控制V型鏵犁組耕深的輔助手段，一般配套的限深輪反力不大于3 000 N，限深輪承載重量取最大值3 000 N，鎮(zhèn)壓輪重量按500 N計(jì)算，K取最大值0.4，計(jì)算得出限深輪及鎮(zhèn)壓輪的牽引阻力F=1 400 N。Pt和F相加，得出機(jī)具總牽引阻力為33 506.7 N。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)圖如圖9所示。田間試驗(yàn)地點(diǎn)在淄博市桓臺(tái)縣新城鎮(zhèn)韓家村。試驗(yàn)地南北長(zhǎng)150 m，東西寬24 m，為上季大田玉米收獲后翻耕的土地，地勢(shì)平坦。受試驗(yàn)地面積的限制，為達(dá)到試驗(yàn)大綱規(guī)定的樣機(jī)試驗(yàn)面積，每次在全試驗(yàn)地試驗(yàn)作業(yè)完成后，人工移除栽植的試驗(yàn)果苗，利用試驗(yàn)機(jī)具與旋耕

(a)作業(yè)圖 (b)作業(yè)效果圖圖9 田間試驗(yàn)圖Fig.9 Photos of the field experiment

機(jī)配合整平栽植壟，再進(jìn)行下一次試驗(yàn)作業(yè)。相對(duì)前次試驗(yàn)田地條件，再次試驗(yàn)田地土壤更加松軟。試制的樣機(jī)掛載在東方紅-LX1504型拖拉機(jī)上，于2017年10月24日至31日，在試驗(yàn)地進(jìn)行了田間試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)方法

對(duì)于蘋(píng)果多功能栽植機(jī)，目前還沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。田間試驗(yàn)是在參照GB 5667-85《農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法》、GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》、JB/T 10291-2013《旱地栽植機(jī)械》、DB11/T 654-2009《起壟機(jī)作業(yè)質(zhì)量》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

田間試驗(yàn)重點(diǎn)對(duì)作業(yè)后果苗株距、栽植深度、栽植傾斜度、起壟形狀等影響機(jī)具主要性能的栽植參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，并驗(yàn)證機(jī)具的作業(yè)可靠性。進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，每個(gè)作業(yè)班次檢測(cè)的作業(yè)往返行程不少于3次，每個(gè)行程在檢測(cè)區(qū)域(不包括試驗(yàn)地兩端10 m的預(yù)備區(qū))隨機(jī)取5個(gè)檢測(cè)樣點(diǎn)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的2PZ-4000型蘋(píng)果多功能栽植機(jī)田間試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 田間試驗(yàn)結(jié)果

(1)關(guān)于壟形。從試驗(yàn)情況看，前、后V型鏵犁組的主要布局參數(shù)取值是合理的，起壟質(zhì)量良好。壟形一致性參照DB11/T 654-2009《起壟機(jī)作業(yè)質(zhì)量》中公式(3)、(4)、(5)計(jì)算，為93.8%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(2)關(guān)于栽植合格率。栽植合格率的計(jì)算參照《旱地栽植機(jī)械》中公式(7)進(jìn)行。計(jì)算時(shí)，對(duì)果苗栽植合格株的判定，以符合設(shè)計(jì)栽植深度150～250 mm和不倒伏為主要依據(jù)。栽植合格率為92.4%，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(3)關(guān)于株距變異系數(shù)。株距變異系數(shù)的計(jì)算參照《旱地栽植機(jī)械》中公式(11)、(12)、(13)進(jìn)行。在3種設(shè)計(jì)株距試驗(yàn)條件下，株距變異系數(shù)都大大優(yōu)于20%的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(4)滑移率對(duì)株距的影響。定株距機(jī)構(gòu)采用限深輪作動(dòng)力，對(duì)于這樣的地輪驅(qū)動(dòng)，地輪行走時(shí)對(duì)土壤的滑移率為[11]

(9)

式中：Ks為滑移率；L為地輪周長(zhǎng)；Lp為地輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周實(shí)際所走的距離。

結(jié)合式(3)，式(9)可轉(zhuǎn)化為

(10)

土壤狀態(tài)不同，滑移率不同?；坡室话阍?%～20%，最高可達(dá)40%[12]，變化范圍較大。定株距機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為消除滑移對(duì)實(shí)際株距的一定影響，在根據(jù)公式(3)設(shè)計(jì)各零部件參數(shù)時(shí)，取滑移系數(shù)K=1.1，即按滑移率Ks=9.1%進(jìn)行設(shè)計(jì)。Z主、Z被1、Z被2、Z被3的取值分別為33、28、21、17。選用7.00-12輪胎，外周長(zhǎng)為2 135 mm。對(duì)應(yīng)的預(yù)期株距分別為1210 mm、1 495 mm、1 993 mm。

株距與滑移率對(duì)應(yīng)表見(jiàn)表3。由表3可知，實(shí)際平均株距較設(shè)計(jì)株距指標(biāo)有一定的偏差。

表3 株距與滑移率對(duì)應(yīng)表Tab.3 Corresponding table of plant spacing and slippage rate

實(shí)際滑移率與設(shè)計(jì)時(shí)選定的滑移率不一致，是引起平均株距偏離設(shè)計(jì)株距的主要原因。機(jī)具作業(yè)要適應(yīng)不同的田地，面臨不同的土壤條件，滑移率會(huì)不盡相同，即使在同一塊田地，滑移率也會(huì)有變化。

從定株距機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理來(lái)看，在傳動(dòng)鏈上增加一個(gè)對(duì)應(yīng)不同滑移率輸出的多級(jí)變速箱，可以控制株距偏移量的大小，但會(huì)增加定株距機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度。簡(jiǎn)單的辦法是給定株距機(jī)構(gòu)配備多個(gè)不同齒數(shù)的主動(dòng)鏈輪，每個(gè)主動(dòng)鏈輪匹配不同滑移率，在不同的作業(yè)田地，根據(jù)開(kāi)始栽植一定株數(shù)后測(cè)算出的實(shí)際滑移率，再更換合適齒數(shù)的主動(dòng)鏈輪作業(yè)，以控制株距偏移量。這一辦法會(huì)增加機(jī)具作業(yè)輔助時(shí)間。

機(jī)具試驗(yàn)中，除了必要的調(diào)整，沒(méi)有發(fā)生故障，運(yùn)行可靠，作業(yè)穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)蘋(píng)果矮砧集約栽培模式所需新農(nóng)藝要求的蘋(píng)果多功能栽植機(jī)。

(2)蘋(píng)果多功能栽植機(jī)的起壟機(jī)構(gòu)，采用前、后雙V型鏵犁組分兩次起壟的方式轉(zhuǎn)移和提升土壤，完成起壟。果苗植入和施水(水肥)在第一次起壟時(shí)同步完成。

(3)蘋(píng)果多功能栽植機(jī)通過(guò)定株距機(jī)構(gòu)保證蘋(píng)果果苗栽植株距的一致性。設(shè)計(jì)時(shí)，滑移率的取值與實(shí)際滑移率的差異，會(huì)造成栽植株距偏離設(shè)計(jì)株距。

(4)試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的蘋(píng)果多功能栽植機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果果苗的壟上定株距栽植作業(yè)，可以兼具同步施水(水肥)和鎮(zhèn)壓功能，機(jī)具作業(yè)穩(wěn)定可靠，滿足新農(nóng)藝對(duì)栽植機(jī)具的要求。