蘋果苗木移栽機(jī)的設(shè)計與研制

馬靜，梁堃

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750001）

蘋果產(chǎn)業(yè)作為我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱，近年來得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)和退耕還林政策不斷優(yōu)化調(diào)整，蘋果已成為我國進(jìn)出口產(chǎn)值最大的果業(yè)，其種植規(guī)模和面積均占世界第一，據(jù)統(tǒng)計，蘋果種植面積和產(chǎn)量占全世界45%左右[1]。蘋果苗木移栽是蘋果生產(chǎn)管理的重要工序和環(huán)節(jié)，對后期的灌水、施肥、修剪及采摘等環(huán)節(jié)具有顯著影響。隨著科技水平的不斷提高，蘋果苗木移栽技術(shù)悄然發(fā)生變化，從傳統(tǒng)的人工模式逐漸向機(jī)械化方向過渡，極大地提高了生產(chǎn)效率和管理方式。在我國新疆、寧夏、山東、甘肅等地有大量的蘋果種植基地，基本上均采用矮化密植建園模式，為蘋果苗木移栽機(jī)的機(jī)械化研究提供了良好基礎(chǔ)，是發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的典型經(jīng)驗。

在20世紀(jì)中期，基于我國農(nóng)業(yè)國情，開始逐漸研究蘋果苗木的移栽技術(shù)，但與西方發(fā)達(dá)國家相比，還處于發(fā)展的低級階段，移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)、原理等方面均模仿國外的先進(jìn)手段。現(xiàn)階段，我國蘋果苗木移栽很大程度上依賴人工操作和挖穴機(jī)等輔助方法進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，機(jī)械化程度低、勞動力強(qiáng)度較高、結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理等因素嚴(yán)重制約著蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。隨著大量蘋果移栽機(jī)的研發(fā)和問世，挖坑式蘋果移栽機(jī)、間斷式蘋果移栽機(jī)、連續(xù)式蘋果移栽機(jī)在蘋果種植方面被廣泛應(yīng)用[2]。各類型移栽機(jī)對區(qū)域地形有著不同的要求，比如挖坑式蘋果移栽機(jī)適宜小規(guī)模種植，在山區(qū)、陡坡、土壤質(zhì)地硬的地形適宜作業(yè)，主要依靠人工方式。為有效滿足蘋果產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，結(jié)合蘋果建園模式和生產(chǎn)配置要素，研究出適合的蘋果移栽機(jī)迫在眉睫。

1 蘋果苗木移栽機(jī)的工作原理

1.1 蘋果移栽方式

當(dāng)前，蘋果樹在育苗期的密度比較大，隨著果樹的生長，樹體之間的距離變小，相互制約，爭奪水分、養(yǎng)分、光照和氧氣等，所以需要及時移栽。在上文提到的三種苗木移栽機(jī)械類型，其中連續(xù)式蘋果苗木移栽機(jī)相比于其他類型移栽機(jī)，有效提高了生產(chǎn)效率，更加適宜在矮化密植栽模式中應(yīng)用，而矮化密植栽寬窄行模式是最為常見的一種建園方式，是目前蘋果的栽培方向、也是最適合機(jī)械化生產(chǎn)的一種模式。因此，本文主要是研究一種連續(xù)式蘋果苗木移栽機(jī)。

1.2 連續(xù)式蘋果苗木移栽機(jī)工作原理

連續(xù)式蘋果苗木移栽機(jī)的工作原理主要是依靠拖拉機(jī)的牽引動力，將力矩傳輸至液壓系統(tǒng)進(jìn)而驅(qū)動移栽機(jī)械進(jìn)行開溝移栽，結(jié)合人工填苗，將苗木有效放置在移栽機(jī)擋土板底部，通過輔助定位（柵桿）將種苗精確的移栽，并保證苗木的間距。在拖拉機(jī)牽引過程中，設(shè)置在移栽機(jī)尾部的定植系統(tǒng)過對苗木的位置的初步判斷后，將苗木夾持并定距放入開溝的土壤中，然后刮土板再對土壤進(jìn)行回填，周而復(fù)始的重復(fù)相同的機(jī)械操作，實現(xiàn)開溝、移栽、回填、覆土全機(jī)械化。連續(xù)式蘋果苗木移栽機(jī)主要組成部分見圖所示，1代表懸掛裝置、2代表機(jī)架裝置、3代表傳動箱、4代表開溝機(jī)械、 5代表擋土板、6代表覆土擋板、7代表定距移栽機(jī)械、8代表夾苗裝置 、9代表定位系統(tǒng)。

1.3 連續(xù)式蘋果苗木移栽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

連續(xù)式蘋果苗木移栽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)是決定機(jī)械性能的主要指標(biāo)，包括牽引動力、外觀尺寸、作業(yè)行數(shù)、開溝寬度、懸掛方式、輔助人數(shù)、作業(yè)速度等，具體如表1所示。

表1 連續(xù)式蘋果苗木移栽機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 蘋果移栽主要農(nóng)藝要求

蘋果苗木移栽機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計對生產(chǎn)管理至關(guān)重要，科學(xué)合理的農(nóng)藝措施能夠有效地提高管理效率，為滿足矮化密植蘋果園種植基地的機(jī)械化要求，必須保證農(nóng)機(jī)水平和農(nóng)藝要求高度契合。

2.1 蘋果苗木移栽特性及要求

選擇優(yōu)質(zhì)苗木是高產(chǎn)高效的重要環(huán)節(jié)，蘋果苗木的正確選擇對于規(guī)?；N植基地來說尤為重要。應(yīng)盡可能選用當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土蘋果樹種，鄉(xiāng)土蘋果樹種，是在本地區(qū)經(jīng)過漫長的年代，不斷地對物種進(jìn)行優(yōu)化與篩選后，苗木與當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤、地質(zhì)地貌等自然要素都能夠做到高度適應(yīng)，具有更高的穩(wěn)定性，更能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境[3]。宜采用本地苗圃培育三年以上的健康碩壯的苗木，且基砧和矮化砧木純正、無病蟲害。根據(jù)我國多地的經(jīng)驗和相關(guān)學(xué)者的研究，認(rèn)為健康碩壯的蘋果苗木的標(biāo)準(zhǔn)是：樹苗基部結(jié)合處應(yīng)距離根部0.5米處，樹苗高度在1.6m以上，帶有5～10個左右的主分枝，且?guī)в型燎騕4]。

2.2 移栽密度

在我國的不同地區(qū)的移栽密度有所差異，蘋果苗木的移栽密度應(yīng)與當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境、管理方式相匹配，也必須滿足蘋果樹苗的砧木要求，矮化蘋果相對于喬木蘋果，其產(chǎn)量較低，可以通過增加移栽密度來提高經(jīng)濟(jì)效益。所以，矮化密植模式在我國較為流行。同時，矮化密植模式有利于機(jī)械作業(yè)，提高生產(chǎn)效率。一般果苗的行距在2.5～4m之間、株距在1～2m之間。

2.3 移栽深度

矮化蘋果苗木移栽深度不易太深，其會將部分接橞覆蓋在土壤中，導(dǎo)致生長過快，降低產(chǎn)量。接橞與砧木的嫁接口應(yīng)在距離地面 5～10 cm 處，嫁接一般位于根部以上40～50 cm 處，移栽后淺培土10cm左右。

3 蘋果苗木移栽機(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 開溝機(jī)械裝置設(shè)計

開溝機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理直接會影響蘋果樹苗的種植質(zhì)量和保存率。本機(jī)械開溝裝置芯鏵式機(jī)具，由開溝模具、開溝機(jī)械、擋土板、定位板、夾苗裝置及傳動器等附屬結(jié)構(gòu)組成。開溝機(jī)械裝置通過機(jī)械連接件將開溝機(jī)具安裝在機(jī)架橫梁上，開溝模具鋼材料使用65Mn，具有強(qiáng)度高和韌性足的優(yōu)勢，一般在犁鏵等翻土器械中應(yīng)用。其屈服強(qiáng)度、耐極限拉伸強(qiáng)度分別為450MPa、800MPa，顯著高于其他的模具鋼材料；其他附屬零件的選用 Q235A材質(zhì)，屈服強(qiáng)度、耐極限拉伸強(qiáng)度分別為235MPa、600MPa，對屈服強(qiáng)度、耐極限拉伸強(qiáng)度要求不高。

在拖拉機(jī)動力牽引過程中，開溝機(jī)械裝置進(jìn)入土壤中，通過輔助輪和芯鏵有效控制前進(jìn)方向、移栽寬度和開溝深度。同時，土壤會被開溝裝置均分在兩側(cè)，為有效防止土壤過早回填，精確控制移栽深度和寬度，在定位板和和擋土板的聯(lián)合作用下被提前壓實，降低了過多的土壤進(jìn)入溝中。在開溝過程中，由人工進(jìn)行補充苗木，種苗被收攏到開溝中間，覆土后，樹苗整體呈現(xiàn)直線。開溝機(jī)械裝置極大的提高了移栽苗木的效率，取代了傳統(tǒng)的移栽方式，為蘋果后續(xù)移栽工序奠定了良好的基礎(chǔ)。

3.2 動力系統(tǒng)配置

蘋果苗木移栽機(jī)的實際生產(chǎn)過程中，牽引阻力設(shè)計主要依據(jù)開溝機(jī)械裝置的阻力、輔助輪阻力。開溝機(jī)械裝置的阻力可按照以下公式進(jìn)行計算，具體如下[5]：

其中，F(xiàn)1代表蘋果開溝機(jī)械裝置的阻力（N）；KM代表開溝比阻（N/cm2），其值受自然環(huán)境和土壤條件的影響，在我國的西北地區(qū)一般取值為11～18N/cm2之間，在南方土壤環(huán)境較好區(qū)域一般取值為18～20N/cm2.，我國的蘋果移栽區(qū)域相對比較復(fù)雜，為保證動力輸出的合理性，取值最大值20N/cm2.；A代表開溝移栽橫截面積（cm2），根據(jù)開溝機(jī)械工藝參數(shù)求得A為2400cm2?？汕蟮瞄_溝機(jī)械裝置的阻力為48000 N。

輔助輪阻力采用簡化公式求得[6]：

其中，β為表示輔助輪的阻力系數(shù)，輔助輪的阻力系數(shù)在不同的土壤條件中數(shù)值大小不同，為有效保證機(jī)械的正常運轉(zhuǎn)，選取值為0.5；G為輔助輪承受的重力，移栽機(jī)自重5000N，苗木容器可容納400棵種苗，以苗木平均重 6N，總計2400N，輔助機(jī)械人員按照4人，每人平均重600N，總計2400N。所以，可以可求得總承重為9800N，輔助輪阻力為4900N。

因此，牽引阻力為F1和F2之和：52900 N，在蘋果苗木移栽機(jī)機(jī)械過程中，對夾苗速度和株距有嚴(yán)格的要求，以作業(yè)速率V最大值1.5 km/h計算，綜合考慮機(jī)械有效功率，安全系數(shù)C為2.5，因此：

3.3 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

為充分發(fā)揮機(jī)架的優(yōu)勢和保證在移栽過程中的穩(wěn)定性，架結(jié)構(gòu)設(shè)計采用三級連接方式，由矩形鋼管焊接而成。第一級主要主體懸掛機(jī)構(gòu)，這是蘋果移栽機(jī)最重要組成部分；第二級是輔助輪支架，其主要起到承重和穩(wěn)定的作用；第三級是擋土板、覆土板支架機(jī)構(gòu)，主要通過螺栓進(jìn)行連接，除了這三級機(jī)架組成外，還有駕駛座位、開溝機(jī)械等。該機(jī)型的雙側(cè)開溝器可以實現(xiàn)連續(xù)寬深開溝，開溝效率高。柵桿輔助定位裝置與夾持輸送裝置可以實現(xiàn)樹苗的直立移栽，大大減少人工輔助移栽的工作量，機(jī)架上刮板式覆土裝置，再移栽后實現(xiàn)土壤回填，通過機(jī)架后方輔助輪再進(jìn)一步壓實。

4 蘋果苗木移栽機(jī)田間試驗

為充分驗證蘋果苗木移栽機(jī)的機(jī)械性能和苗木移栽質(zhì)量，對蘋果苗木移栽機(jī)進(jìn)行田間試驗。試驗地塊選取在土壤質(zhì)地條件較好、無雜草和大石塊的田間，符合蘋果苗木的生長習(xí)性試驗區(qū)進(jìn)行試驗[6]。

選取500棵無病蟲害且生長旺盛的矮化蘋果樹苗木，分為三次種植。移栽機(jī)上有三人輪流在苗箱放入蘋果樹苗。在拖拉機(jī)的牽引下，依次通過夾苗裝置進(jìn)行移栽。共移栽三行，并將其作為三個試驗小區(qū)，每個行移栽160棵，為了保證試驗結(jié)果的正確性，除去每行兩端的10棵樹苗，每行剩余140棵作為觀測對象。通過對觀測樹苗的漏栽、倒伏、傷苗的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，進(jìn)而得出移栽苗木的合格率[7]。其次，安排專門人員對每行的移栽時間進(jìn)行測定，目的就是計算種植頻率。株距、移栽深度、變異系數(shù)及移栽深度合適率等指標(biāo)主要采用人工測量方式。其次，設(shè)置對照組，同機(jī)械移栽相同，安排三人進(jìn)行移栽。

通過實驗可以得出，以人工移栽方式為對照組，蘋果苗木機(jī)械移栽所用時間比人工移栽平均提高6倍多，工作效率大大提高、勞動強(qiáng)度減少。此外，蘋果苗木機(jī)械移栽機(jī)在移栽株數(shù)合格率和移栽深度合格率方面與人工種植相似。隨著科學(xué)水平不斷提高，果園種植全程機(jī)械化儼然已成為一種趨勢，且人工種植和機(jī)械移栽機(jī)在植株數(shù)合格率和移栽深度合格率方面無顯著性差異。

5 結(jié)語

（1）在我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整及優(yōu)化的背景下，蘋果產(chǎn)業(yè)不斷向規(guī)?；N植的方向邁進(jìn)，蘋果苗木移栽機(jī)越來越扮演著重要角色。根據(jù)蘋果建園的現(xiàn)實需求和移栽技術(shù)的特點，設(shè)計了開溝式蘋果苗木移栽機(jī)，其能夠有效地提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。

（2） 通過田間試驗，蘋果苗木移栽機(jī)機(jī)械性能穩(wěn)定，在苗木移栽合格率、移栽深度等方面表現(xiàn)良好，且與人工方式相比，極大地提高了工作效率。