新型簡單振動(dòng)起苗機(jī)裝置的研究＊

沙 恒

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253000）

起苗機(jī)工作時(shí)是單側(cè)起苗，當(dāng)土質(zhì)較硬、苗木根系較深較大時(shí)，起苗機(jī)的工作部分扎入土地較深，產(chǎn)生的偏牽引現(xiàn)象會造成牽引拖拉機(jī)無法拉動(dòng)，如果強(qiáng)行拉拽作業(yè)，或更換較大馬力機(jī)器拉拽，會造成起苗機(jī)架體結(jié)構(gòu)變形或是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和牽引桿的損壞，造成較大的損失。如果想要連續(xù)不間斷作業(yè)，苗農(nóng)的使用經(jīng)驗(yàn)是：在起苗機(jī)作業(yè)時(shí)，有一人站在架體的非工作部分（工作部分對面）不停上下晃動(dòng)，這樣既起到了機(jī)器工作時(shí)機(jī)身的平衡作用，又可以使斷根刃不會扎土太深，減少斷根時(shí)的工作阻力，但是這種情況又大大增加了使用者的勞動(dòng)強(qiáng)度。按照人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念，釋放勞動(dòng)力，減少操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)備作業(yè)效率，是進(jìn)行本次研究的目的和意義。

1 國內(nèi)外起苗機(jī)裝置研究與發(fā)展趨勢

1.1 國內(nèi)發(fā)展趨勢

我國起苗機(jī)的機(jī)械化發(fā)展起步較晚，20世紀(jì)50年代初期，我國曾用無壁鏵犁起苗，依靠牲畜牽引，手工扶犁進(jìn)行田間作業(yè)。1956年，我國研制了林業(yè)專用的起苗犁，60年代生產(chǎn)并使用了拖拉機(jī)懸掛式床作和壟作起苗機(jī)。20世紀(jì)70年代，研制出的懸掛式起苗機(jī)在進(jìn)行了生產(chǎn)性試驗(yàn)后得出結(jié)論，該機(jī)具具備了整體結(jié)構(gòu)較為簡單、生產(chǎn)制造容易、性能優(yōu)越、轉(zhuǎn)彎半徑較小、轉(zhuǎn)向靈活、一人可完成作業(yè)等特點(diǎn)，無論是苗木出圃的質(zhì)量還是在工作效率和操作性能上，都有了較大的進(jìn)步[1]。

20世紀(jì)80年代以后，林業(yè)機(jī)械在眾多科研院所的努力下，有了長足進(jìn)步。從起苗機(jī)的起苗刀結(jié)構(gòu)形狀、起苗刀的尺寸設(shè)計(jì)與優(yōu)化、碎土裝置和機(jī)架的平穩(wěn)性等方面進(jìn)行了研發(fā)，研制出了不同性能、工作效果均有不同進(jìn)步的起苗機(jī)械，但是絕大部分起苗機(jī)的研究還是主要注重完成單一的工序[2]。

原林業(yè)部林業(yè)機(jī)械化研究所在80年代針對大型苗木的特點(diǎn)，從起苗鏟參數(shù)、碎土輪旋轉(zhuǎn)速度和整體穩(wěn)定性等方面的研發(fā)著手，研制了QM-40S型大苗起苗機(jī)[3]。陜西省林業(yè)機(jī)械研究所研發(fā)的平作苗圃大苗聯(lián)合起苗機(jī)，能同時(shí)完成起苗、抖土、苗木收集、集中放置等[4]。1985年牡丹江林管局制造的振動(dòng)式起苗機(jī)經(jīng)試驗(yàn)后實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，該起苗機(jī)不但結(jié)構(gòu)較為合理且在作業(yè)時(shí)掘苗質(zhì)量穩(wěn)定、工作效率高[5]。1988年6月，由湖南省林業(yè)工業(yè)研究所研究設(shè)計(jì)的功率為12馬力的小型帶土起苗機(jī)，通過性能試驗(yàn)證明，與生產(chǎn)實(shí)際匹配度高，土球能達(dá)到林藝要求的規(guī)格需要，起苗率高[6]。原遼寧省林業(yè)廳國有林場管理局與北鎮(zhèn)市苗圃，針對當(dāng)時(shí)大型機(jī)械數(shù)量不足且難以在實(shí)際中發(fā)揮作用的問題，共同研制了一種螺旋弧形起苗機(jī)，針對樹齡在兩年以下的針葉樹苗和闊葉樹苗的起苗，把L型的起苗刀改為了刀體斷面為圓柱形、刀刃為螺旋線形，在起苗深度增加的情況下而牽引阻力有較為明顯的下降[7]。

隨著林果產(chǎn)業(yè)市場的不斷擴(kuò)大，帶動(dòng)了林業(yè)機(jī)械的迅速發(fā)展，而進(jìn)城務(wù)工人員的增加造成了農(nóng)村勞動(dòng)力逐年減少，技術(shù)先進(jìn)的起苗機(jī)械在國內(nèi)應(yīng)用前景將更加廣闊，更多的研究、制造單位投入到了林業(yè)機(jī)械的研發(fā)中，如北京亞美非科技發(fā)展有限公司、國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所等。但是由于國內(nèi)起苗機(jī)的機(jī)械化進(jìn)程受到了農(nóng)村土地整合進(jìn)程的限制，以及先進(jìn)起苗機(jī)械研究起步較晚、科技研發(fā)投入力度不足的限制，機(jī)械與人力混合的作業(yè)形式還較多的存在于實(shí)際生產(chǎn)中，起苗機(jī)在完成起苗作業(yè)后，仍需要手工進(jìn)行苗木撿拾及后續(xù)的分級、分類工作，所以從發(fā)展現(xiàn)狀來看，國內(nèi)起苗作業(yè)的機(jī)械化發(fā)展還有很長的一段路要走，隨著林果種植面積、產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，行業(yè)市場發(fā)展空間很大。

1.2 國外發(fā)展趨勢

前蘇聯(lián)于1931年研究成功林業(yè)專用起苗犁并應(yīng)用于實(shí)際作業(yè)，20世紀(jì)40年代，林業(yè)較為發(fā)達(dá)的歐美國家研制了類型不同、效果不一、各具特色的起苗機(jī)械，于60年代基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化起苗作業(yè)[8]。近年來，隨著科技的飛速發(fā)展，更多的新技術(shù)、新工藝、新材料被科技工作者應(yīng)用到了農(nóng)林業(yè)的各個(gè)方面，尤其是集多種先進(jìn)技術(shù)于一身、具有多功能的聯(lián)合起苗機(jī)研制成功并廣泛使用，由此向智能化、高集成化、無人化作業(yè)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步[9]。聯(lián)合起苗機(jī)能在一次作業(yè)過程中做到起苗、抖土、集中、計(jì)數(shù)、分級、捆扎和打包等，生產(chǎn)效率高，符合當(dāng)前的發(fā)展方向。

國外的科研機(jī)構(gòu)比我國提前數(shù)十年就開始了對起苗機(jī)械的研發(fā)，在經(jīng)濟(jì)效益和微電子技術(shù)迅猛發(fā)展的前提下，聯(lián)合起苗機(jī)以無人化、遙控化為研究目標(biāo)，朝著自動(dòng)化、智能化及多功能方向發(fā)展，隨著信息技術(shù)、衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，將會使起苗機(jī)械的科技含量越來越高。

2 新型簡單振動(dòng)起苗機(jī)概述

根據(jù)起苗機(jī)作業(yè)實(shí)施對象及機(jī)構(gòu)組成的不同，起苗機(jī)可以分為簡單振動(dòng)式起苗機(jī)、大苗起苗機(jī)和聯(lián)合起苗機(jī)。本文研究的是簡單振動(dòng)式起苗機(jī)，主要作業(yè)對象為小型苗木。

簡單振動(dòng)起苗機(jī)通過牽引桿安裝在拖拉機(jī)上，其連接方式為牽引式，由工作部分、深度控制部分、傳動(dòng)部分、抖土部分和機(jī)架體等部分構(gòu)成，如圖1所示。簡單振動(dòng)起苗機(jī)工作時(shí)，在拖拉機(jī)的拖拽下，工作部分的起苗刀切割土層和樹苗根部，隨后苗木混合泥土到抖土部分上，抖土部分由曲柄、連桿、篦子組成，傳動(dòng)部分中的傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞到曲柄上，帶動(dòng)篦子做上下的擺動(dòng)，土壤松散后與苗根分離，然后由人工完成對脫土后的苗木收集、計(jì)數(shù)、分級和打捆包裝，起苗深淺的控制主要由限深輪手動(dòng)調(diào)整來完成。

圖1 簡單振動(dòng)起苗機(jī)

從簡單振動(dòng)起苗機(jī)在實(shí)際工作時(shí)的效果來看，起苗刀的工作狀態(tài)和苗根與土壤的分離是起苗時(shí)的重要環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)簡單振動(dòng)起苗機(jī)時(shí)，對起苗刀和抖土部分進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化，才能使起苗機(jī)的作業(yè)做到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)能增效。研究減小起苗刀作業(yè)時(shí)的牽拉阻力以縮小動(dòng)能損失；在苗根符合種植要求的基礎(chǔ)上，達(dá)到苗根與土塊盡量分離充分以提高起苗質(zhì)量及減小后期的工作量等問題。應(yīng)從苗木生殖特點(diǎn)、樹苗根莖的物理力學(xué)特性、土質(zhì)特點(diǎn)、根土分離機(jī)理及工作狀況等出發(fā)，確定出計(jì)算模型，通過對數(shù)學(xué)模型和物理力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、分析和處理，并利用相關(guān)軟件對簡單振動(dòng)起苗機(jī)做出研究和分析，發(fā)現(xiàn)簡單振動(dòng)起苗機(jī)在大部分情況下都可以很好地完成起苗作業(yè)情況，當(dāng)遇到土質(zhì)較硬、苗木根系較深較大等情況時(shí)，就會出現(xiàn)卡頓、架體偏置等現(xiàn)象，很容易對機(jī)器本身產(chǎn)生損壞。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)，在起苗機(jī)上加一個(gè)平衡裝置后，當(dāng)起苗機(jī)遇到上述情況時(shí)，就可以輕松地使起苗機(jī)擺脫困境，提高作業(yè)效率。所以，平衡裝置可作為起苗機(jī)改良的一個(gè)方向。

國內(nèi)外科研院所、高校主要還是針對大中型聯(lián)合起苗機(jī)如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化開展研究，在中小型簡單起苗機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)的機(jī)架失衡現(xiàn)象的研究較少。目前，由于種植規(guī)模、設(shè)備購買及使用成本等因素的影響，國內(nèi)很多散戶仍在使用小型的簡單振動(dòng)式起苗機(jī)，但大部分簡單起苗機(jī)的平衡裝置是在非工作部分安裝一個(gè)小型偏犁，還有部分機(jī)器是安裝的配重塊，從多年的使用效果看，起苗機(jī)遇到大根深、硬土質(zhì)情況時(shí)，起苗效果并不好。

3 新型簡單振動(dòng)起苗機(jī)裝置的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

新型簡單振動(dòng)起苗機(jī)是在原有基礎(chǔ)上安裝了一種平衡裝置，如圖2所示。該平衡裝置包括單軸雙作用振動(dòng)器、萬向聯(lián)軸器、輸出齒輪軸；單軸雙作用振動(dòng)器安裝在振動(dòng)起苗機(jī)架體平臺上，包括偏振塊、殼體、傳動(dòng)軸；齒輪軸與振動(dòng)器由萬向聯(lián)軸器連接。

圖2 新型簡單振動(dòng)起苗機(jī)結(jié)構(gòu)圖

新型簡單振動(dòng)起苗機(jī)在拖拉機(jī)的作用下，U型斷根刃切割泥土和樹苗根部，U型斷根刃可以確保將苗木的主根及側(cè)須根都完全切斷，樹苗與泥土經(jīng)起苗刀的尾端到抖土裝置上，從而使苗根上的泥土從樹苗根上散落；齒輪箱將動(dòng)力一端輸出到抖土裝置，另一端通過齒輪軸和萬向聯(lián)軸器，將動(dòng)力輸出到平衡裝置上，帶動(dòng)一對偏振塊振動(dòng)。平衡裝置的安裝位置如圖2所示，其在簡單振動(dòng)起苗機(jī)作業(yè)時(shí)的作用有兩個(gè)，當(dāng)U型斷根刃在切入泥土層切削作業(yè)時(shí)，受到了苗土底部沿刀刃表面滑移產(chǎn)生的阻力、刀刃切削樹苗根與土層時(shí)產(chǎn)生的阻力以及樹苗和泥土向下的重力，架體容易出現(xiàn)向U型斷根刃方向的偏牽引現(xiàn)象。改進(jìn)前，當(dāng)出現(xiàn)此現(xiàn)象時(shí)，作業(yè)停止，苗農(nóng)站在架體另一端上下晃動(dòng)，或使用撬棍等工具將深陷土壤中的斷根刃脫離土壤，這樣做不僅使起苗機(jī)作業(yè)效率低，使用者勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且危險(xiǎn)性較高。改進(jìn)后，我們有效地解決了這個(gè)問題。首先，平衡裝置作為一個(gè)配重塊，對整個(gè)簡單振動(dòng)起苗機(jī)起到平衡的作用，可有效地減少或避免架體的偏置現(xiàn)象；其次，即使架體產(chǎn)生一定的偏牽引現(xiàn)象，平衡裝置中有一對偏振塊，會帶動(dòng)架體產(chǎn)生一定上下振動(dòng)的振幅，該振幅也可有效地避免起苗機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重的偏牽引現(xiàn)象。

與簡單起苗機(jī)相比，增加平衡裝置可以達(dá)到如下效果：當(dāng)起苗機(jī)遇到土質(zhì)較硬、苗木根系較深較大等情況時(shí)，振動(dòng)器除了起到配重的平衡作用外，還可以用其產(chǎn)生的振幅避免斷根刃深入土壤，引起架體、牽引桿變形等情況的發(fā)生。

4 結(jié)束語

目前，簡單起苗機(jī)的平衡裝置改良已經(jīng)完成了初步的設(shè)計(jì)工作和樣機(jī)的制作，并且進(jìn)行了樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，取得了一定的效果，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。本文主要研究的是簡單振動(dòng)式起苗機(jī)在作業(yè)時(shí)，如何避免或減少機(jī)體的偏牽引現(xiàn)象，通過在架體上增加一個(gè)平衡裝置來解決這個(gè)問題。但是，平衡裝置在工作過程中可能也會存在弊端，后續(xù)作者也會持續(xù)研究和做好本裝置。同時(shí)，U型斷根刃是簡單振動(dòng)式起苗機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在確保刀體不變形及順利起苗的基礎(chǔ)上，本著減輕刀體分量、節(jié)約材料、降低作業(yè)阻力的目的，對刀體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，提高起苗效率，節(jié)省起苗機(jī)使用成本，也將是我們對簡單振動(dòng)式起苗機(jī)進(jìn)行改良的一個(gè)方向，相信在農(nóng)林業(yè)工程機(jī)械領(lǐng)域會有非常廣闊的應(yīng)用前景。