新型简单振动起苗机装置的研究＊

沙 恒

（山东华宇工学院，山东 德州 253000）

起苗机工作时是单侧起苗，当土质较硬、苗木根系较深较大时，起苗机的工作部分扎入土地较深，产生的偏牵引现象会造成牵引拖拉机无法拉动，如果强行拉拽作业，或更换较大马力机器拉拽，会造成起苗机架体结构变形或是传动机构和牵引杆的损坏，造成较大的损失。如果想要连续不间断作业，苗农的使用经验是：在起苗机作业时，有一人站在架体的非工作部分（工作部分对面）不停上下晃动，这样既起到了机器工作时机身的平衡作用，又可以使断根刃不会扎土太深，减少断根时的工作阻力，但是这种情况又大大增加了使用者的劳动强度。按照人机工程学的设计理念，释放劳动力，减少操作者的劳动强度，提高设备作业效率，是进行本次研究的目的和意义。

1 国内外起苗机装置研究与发展趋势

1.1 国内发展趋势

我国起苗机的机械化发展起步较晚，20世纪50年代初期，我国曾用无壁铧犁起苗，依靠牲畜牵引，手工扶犁进行田间作业。1956年，我国研制了林业专用的起苗犁，60年代生产并使用了拖拉机悬挂式床作和垄作起苗机。20世纪70年代，研制出的悬挂式起苗机在进行了生产性试验后得出结论，该机具具备了整体结构较为简单、生产制造容易、性能优越、转弯半径较小、转向灵活、一人可完成作业等特点，无论是苗木出圃的质量还是在工作效率和操作性能上，都有了较大的进步[1]。

20世纪80年代以后，林业机械在众多科研院所的努力下，有了长足进步。从起苗机的起苗刀结构形状、起苗刀的尺寸设计与优化、碎土装置和机架的平稳性等方面进行了研发，研制出了不同性能、工作效果均有不同进步的起苗机械，但是绝大部分起苗机的研究还是主要注重完成单一的工序[2]。

原林业部林业机械化研究所在80年代针对大型苗木的特点，从起苗铲参数、碎土轮旋转速度和整体稳定性等方面的研发着手，研制了QM-40S型大苗起苗机[3]。陕西省林业机械研究所研发的平作苗圃大苗联合起苗机，能同时完成起苗、抖土、苗木收集、集中放置等[4]。1985年牡丹江林管局制造的振动式起苗机经试验后实现批量生产，该起苗机不但结构较为合理且在作业时掘苗质量稳定、工作效率高[5]。1988年6月，由湖南省林业工业研究所研究设计的功率为12马力的小型带土起苗机，通过性能试验证明，与生产实际匹配度高，土球能达到林艺要求的规格需要，起苗率高[6]。原辽宁省林业厅国有林场管理局与北镇市苗圃，针对当时大型机械数量不足且难以在实际中发挥作用的问题，共同研制了一种螺旋弧形起苗机，针对树龄在两年以下的针叶树苗和阔叶树苗的起苗，把L型的起苗刀改为了刀体断面为圆柱形、刀刃为螺旋线形，在起苗深度增加的情况下而牵引阻力有较为明显的下降[7]。

随着林果产业市场的不断扩大，带动了林业机械的迅速发展，而进城务工人员的增加造成了农村劳动力逐年减少，技术先进的起苗机械在国内应用前景将更加广阔，更多的研究、制造单位投入到了林业机械的研发中，如北京亚美非科技发展有限公司、国家林业局哈尔滨林业机械研究所等。但是由于国内起苗机的机械化进程受到了农村土地整合进程的限制，以及先进起苗机械研究起步较晚、科技研发投入力度不足的限制，机械与人力混合的作业形式还较多的存在于实际生产中，起苗机在完成起苗作业后，仍需要手工进行苗木捡拾及后续的分级、分类工作，所以从发展现状来看，国内起苗作业的机械化发展还有很长的一段路要走，随着林果种植面积、产业规模的不断扩大，行业市场发展空间很大。

1.2 国外发展趋势

前苏联于1931年研究成功林业专用起苗犁并应用于实际作业，20世纪40年代，林业较为发达的欧美国家研制了类型不同、效果不一、各具特色的起苗机械，于60年代基本实现机械化起苗作业[8]。近年来，随着科技的飞速发展，更多的新技术、新工艺、新材料被科技工作者应用到了农林业的各个方面，尤其是集多种先进技术于一身、具有多功能的联合起苗机研制成功并广泛使用，由此向智能化、高集成化、无人化作业迈出了坚实的一步[9]。联合起苗机能在一次作业过程中做到起苗、抖土、集中、计数、分级、捆扎和打包等，生产效率高，符合当前的发展方向。

国外的科研机构比我国提前数十年就开始了对起苗机械的研发，在经济效益和微电子技术迅猛发展的前提下，联合起苗机以无人化、遥控化为研究目标，朝着自动化、智能化及多功能方向发展，随着信息技术、卫星定位导航系统等先进技术的广泛应用，将会使起苗机械的科技含量越来越高。

2 新型简单振动起苗机概述

根据起苗机作业实施对象及机构组成的不同，起苗机可以分为简单振动式起苗机、大苗起苗机和联合起苗机。本文研究的是简单振动式起苗机，主要作业对象为小型苗木。

简单振动起苗机通过牵引杆安装在拖拉机上，其连接方式为牵引式，由工作部分、深度控制部分、传动部分、抖土部分和机架体等部分构成，如图1所示。简单振动起苗机工作时，在拖拉机的拖拽下，工作部分的起苗刀切割土层和树苗根部，随后苗木混合泥土到抖土部分上，抖土部分由曲柄、连杆、篦子组成，传动部分中的传动轴将动力传递到曲柄上，带动篦子做上下的摆动，土壤松散后与苗根分离，然后由人工完成对脱土后的苗木收集、计数、分级和打捆包装，起苗深浅的控制主要由限深轮手动调整来完成。

图1 简单振动起苗机

从简单振动起苗机在实际工作时的效果来看，起苗刀的工作状态和苗根与土壤的分离是起苗时的重要环节。在设计简单振动起苗机时，对起苗刀和抖土部分进行初步设计，并根据实验数据进一步优化，才能使起苗机的作业做到优质高产、节能增效。研究减小起苗刀作业时的牵拉阻力以缩小动能损失；在苗根符合种植要求的基础上，达到苗根与土块尽量分离充分以提高起苗质量及减小后期的工作量等问题。应从苗木生殖特点、树苗根茎的物理力学特性、土质特点、根土分离机理及工作状况等出发，确定出计算模型，通过对数学模型和物理力学模型进行数据计算、分析和处理，并利用相关软件对简单振动起苗机做出研究和分析，发现简单振动起苗机在大部分情况下都可以很好地完成起苗作业情况，当遇到土质较硬、苗木根系较深较大等情况时，就会出现卡顿、架体偏置等现象，很容易对机器本身产生损坏。同时，我们也发现，在起苗机上加一个平衡装置后，当起苗机遇到上述情况时，就可以轻松地使起苗机摆脱困境，提高作业效率。所以，平衡装置可作为起苗机改良的一个方向。

国内外科研院所、高校主要还是针对大中型联合起苗机如何实现自动化、智能化开展研究，在中小型简单起苗机工作时出现的机架失衡现象的研究较少。目前，由于种植规模、设备购买及使用成本等因素的影响，国内很多散户仍在使用小型的简单振动式起苗机，但大部分简单起苗机的平衡装置是在非工作部分安装一个小型偏犁，还有部分机器是安装的配重块，从多年的使用效果看，起苗机遇到大根深、硬土质情况时，起苗效果并不好。

3 新型简单振动起苗机装置的结构及特点

新型简单振动起苗机是在原有基础上安装了一种平衡装置，如图2所示。该平衡装置包括单轴双作用振动器、万向联轴器、输出齿轮轴；单轴双作用振动器安装在振动起苗机架体平台上，包括偏振块、壳体、传动轴；齿轮轴与振动器由万向联轴器连接。

图2 新型简单振动起苗机结构图

新型简单振动起苗机在拖拉机的作用下，U型断根刃切割泥土和树苗根部，U型断根刃可以确保将苗木的主根及侧须根都完全切断，树苗与泥土经起苗刀的尾端到抖土装置上，从而使苗根上的泥土从树苗根上散落；齿轮箱将动力一端输出到抖土装置，另一端通过齿轮轴和万向联轴器，将动力输出到平衡装置上，带动一对偏振块振动。平衡装置的安装位置如图2所示，其在简单振动起苗机作业时的作用有两个，当U型断根刃在切入泥土层切削作业时，受到了苗土底部沿刀刃表面滑移产生的阻力、刀刃切削树苗根与土层时产生的阻力以及树苗和泥土向下的重力，架体容易出现向U型断根刃方向的偏牵引现象。改进前，当出现此现象时，作业停止，苗农站在架体另一端上下晃动，或使用撬棍等工具将深陷土壤中的断根刃脱离土壤，这样做不仅使起苗机作业效率低，使用者劳动强度大，而且危险性较高。改进后，我们有效地解决了这个问题。首先，平衡装置作为一个配重块，对整个简单振动起苗机起到平衡的作用，可有效地减少或避免架体的偏置现象；其次，即使架体产生一定的偏牵引现象，平衡装置中有一对偏振块，会带动架体产生一定上下振动的振幅，该振幅也可有效地避免起苗机产生严重的偏牵引现象。

与简单起苗机相比，增加平衡装置可以达到如下效果：当起苗机遇到土质较硬、苗木根系较深较大等情况时，振动器除了起到配重的平衡作用外，还可以用其产生的振幅避免断根刃深入土壤，引起架体、牵引杆变形等情况的发生。

4 结束语

目前，简单起苗机的平衡装置改良已经完成了初步的设计工作和样机的制作，并且进行了样机实验，取得了一定的效果，达到了设计目的。本文主要研究的是简单振动式起苗机在作业时，如何避免或减少机体的偏牵引现象，通过在架体上增加一个平衡装置来解决这个问题。但是，平衡装置在工作过程中可能也会存在弊端，后续作者也会持续研究和做好本装置。同时，U型断根刃是简单振动式起苗机的关键部件之一，在确保刀体不变形及顺利起苗的基础上，本着减轻刀体分量、节约材料、降低作业阻力的目的，对刀体结构进行改良，提高起苗效率，节省起苗机使用成本，也将是我们对简单振动式起苗机进行改良的一个方向，相信在农林业工程机械领域会有非常广阔的应用前景。