矮化苹果树防风固定装置的设计

李春燕，丁 航，刘浩浩，张文兵，史颖刚，刘 利，赵西宁（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100）



矮化苹果树防风固定装置的设计

李春燕，丁 航，刘浩浩，张文兵，史颖刚，刘 利，赵西宁
（西北农林科技大学机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100）

摘 要：基于矮化苹果树的物理特征及生长条件，在传统用铁丝直接固定树干方法的基础上，设计了一种矮化苹果树防风防倒伏的调节装置。该装置能够有效地对树干进行固定，可防止矮化苹果树在刮风下雨等恶劣环境下发生大幅度摇摆，同时避免了传统方法中铁丝对果树的损伤以及倒伏对矮化苹果树根系造成的损伤。

关键词：矮化苹果树；防倒伏；固定方法；卡紧装置

矮化苹果树的植株较矮，根系弱于乔化苹果，树干细，开始挂果以后，受风面积增大，在风力过大的情况下，果树容易倾倒或折断，使产量降低。随着种植面积的推广，矮化苹果树根系浅、易倒伏的弊端越来越明显。因此，防风、防倒伏是矮化苹果树种植过程中的关键技术之一［1］。

矮化苹果树传统的固定方法是将果树绑在一根钢管上，而钢管采用贯穿整个果园的铁丝固定。在果树生长过程中，这样的固定方式会使树干产生勒痕，影响树木的正常生长；且需要人工来调整、松绑铁丝，劳动强度大；同时该方法的使用周期短，操作不方便，生产成本较高。因此，研究一种简单有效、节省材料、易于调节的果树固定装置与方法十分必要。

1 矮化苹果树防风固定方法

矮化苹果树的树高2.5～3.0 m，树干高度0.5～0.6 m，树干直径0.04～0.12 m；种植株间距1.3～1.5 m，行间距2.0～2.5 m［2］，种植密度170～228株/667m2［3］；种植2～3 a开始挂果，成长期内，树干直径每年生长1 cm左右［4］。

研究设计的矮化苹果树固定方法如图1所示。该固定方法，包括水泥柱、铁丝、固定卡紧装置和帆布带。在矮化苹果树果龄4年时开始使用［5］，尤其是在挂果期。铁丝型号为5，直径为5.385 mm，表面镀锌，铁丝安装高度距地面1.2 m。用水泥柱固定，为防止塑性变形，各个水泥柱之间的行间距为10 m，帆布带的安数大于12.5，带宽30 mm，考虑到树直径，帆布带有3种长度：10、15和20 cm，使用寿命12个月［1］。

图1 矮化苹果树固定方法示意图

帆布带、固定卡紧装置、铁丝与树干的连接关系如图2所示。为防止对树皮造成损伤，采用透气、耐老化的帆布带固定。帆布带一侧通过螺钉与内壳伸出杆连接，另一端用防松螺母与双头螺柱配合，穿过帆布带，与外壳连接，通过调节扣调节帆布带的长度。固定卡紧装置采用螺栓与后压板配合安装在铁丝上。

固定卡紧装置如图3所示，主要有由内、外壳和相关零件组成。外壳两侧有销孔，橡胶盖安装于外壳凸台上进行防水。整个内壳从右侧装进，用挡板进行密封。在内壳杆上组合安装两个用于复位的大、小弹簧，复位大弹簧用于定位销的复位，复位小弹簧使内壳回到初始位置，并提供一定的弹力，使帆布带对树干产生较小的预紧力。销的顶部倾斜角度为60°。销上的长方形销肩可防止定位销从内壳中弹出时斜面位置变化无法复位。定位销与销间弹簧的结构示意，如图4所示［6］。

图2 固定卡紧装置的连接示意图

图3 固定卡紧装置

图4 定位销与压缩弹簧的配合示意

2 固定卡紧装置工作原理

在无风或风力较小时，复位小弹簧作用使内壳处于初始位置，压缩弹簧为压缩状态，定位销压缩在内壳内腔中。果树自然生长时，树干周长增加，拉动内壳缓慢伸出，复位小弹簧被压缩，因采用软质弹簧，复位小弹簧的弹力很小，帆布带不会对树干产生勒痕，所以此装置不会影响果树生长。定位销从初始位置到外壳销孔的距离，为果树的生长提供余量，当果树树干周长达到此距离，需要人工调节调节扣放松，使内壳回到初始位置。

当风力较大时，树受风力摆动，带动帆布带和内壳克服复位小弹簧的力，使内壳发生横向位移，超过复位大弹簧的弹力时，销受压缩弹簧提供的弹力弹出，卡在销孔的位置，承受剪切力且卡紧，限制树的进一步摆动，实现固定的目的。当风停止时，内壳杆不受拉力，杆上处于压缩状态的复位大弹簧、复位小弹簧复位，给内壳作用力，以复位大弹簧的作用力为主，使得定位销从外壳的销孔压回，内壳回到初始位置，保证对树木生长不造成阻碍［7］。

3 固定卡紧装置的使用与安装

固定卡紧装置的内壳，有一个上面没有端盖的内腔，先将定位销与销弹簧组装好，安置在内腔中；然后将复位小弹簧3（图3）装在内壳杆上，复位大弹簧2（图3）沿轴线方向装入外壳内腔；最后将内壳从装置的后侧组装上去。安装时，按住定位销，使其顶部与内壳外壁相平（最多不能超过外壳内壁，否则难以安装），使内壳伸出杆从前端的孔伸出，复位弹簧使内壳处于正常位置，然后通过外壳导向槽安装后板，在销孔上安装橡胶盖，完成安装。

参照图2，固定卡紧装置安装时，帆布带通过螺钉和双头螺柱，与装置的内壳和外壳相连，后板、橡胶皮与外壳通过螺栓相连，固定在树干一侧的铁丝上。帆布带的一侧通过3个螺钉与内壳杆连接，环绕树干后，另一侧通过双头螺柱与外壳的孔连接。装置安装在树和铁丝之间，帆布带保持水平位置。

使用过程中，可以通过调节扣调节帆布带的长度，满足装置与树之间的距离要求。要求果农一年一小检，原因如下：装置本身会为树一年的生长提供周长变化余量，不会使帆布带紧勒在树上，小检查看一下装置的安全性，有没有帆布带和装置外壳开裂等意外情况，或者装置在铁丝上的位置发生较大偏移；同时对意外损坏的装置、帆布带、螺钉、螺栓和螺母进行更换。

4 关键部位的设计校核

4.1 销的校核设计

在陕西省，矮化苹果树生长期所受风力，一般为4～6级，按6级计算，风速10.8～13.8 m/s。考虑矮化苹果树的树形，受风力面积一般为2.6～3.75 m2，果树所受风力通过帆布带传递给固定卡紧装的内外壳，继而传递给销，销承受剪切力F=PS，得：Fmax=803.42 N。

选择铝合金3A21作为销的材料，则许用拉应力［σP］=175 MP，由经验公式知：切应力τ =（0.5～0.7）×σP，［τ］=FS/A［8］；销的直径d1和截面积A有关系式：A=πd/4，计算得：d1≥2.42 mm。综合考虑各方因素［8］，取销的直径d1=5 mm。

4.2 内外壳尺寸设计

根据矮化苹果树树干直径，设计固定卡紧装置的外壳，考虑防锈、切削性和耐腐蚀性，选用奥氏体型不锈钢Y1Cr18Ni9作为材料，［σP］=520 MPa，外壳承受剪切力Fmax=803.42 N，由经验公式［σbs］=F/Abs= （0.5～0.7）×σP，考虑到挤压接触面积Abs、销的直径d1、内外壳的厚度△δ，有关系式：Abs=πd1△δ/2，求得△δ≥0.78 mm。综合考虑后［9］，取△δ=3 mm。

4.3 压缩弹簧的设计校核

对销的斜面进行受力分析，使定位销从销孔中弹出，需满足公式：F×（sin60°-μ sin30°）＞mg×（μ sin60°+sin30°），求得：F＞0.026 N。

5 结 论

设计的矮化苹果树防风固定装置具备受力时自动卡紧，不受力时自动放松的功能，既固定了果树，又不干扰果树生长，使用方便，设计小巧，节省材料，生产成本低。该装置具有一定的通用性，可应用于所有类似需抗倒伏的树木。

参考文献：

［1］ 杨 进. 矮化苹果生产技术大全［M］. 北京：河南科学技术出版社，1997.

［2］ 曹 儒. 矮化苹果优质丰产栽培技术［M］. 陕西：西北农林科技大学出版社，2011.

［3］ 燕志晖，李广文，黄会凤. 矮化苹果［M］. 陕西：西北农林科技大学出版社，2012.

［4］ 燕志晖，郭延虎. 矮砧苹果优质丰产栽培新技术［M］. 陕西：西北农林科技大学出版社，2014.

［5］ 燕志晖，高 彦. 苹果矮砧集约高效栽培技术图解［M］. 陕西：西北农林科技大学出版社，2013.

［6］ 朱美虹. 矮化苹果树栽培管理中存在的问题与解决措施［J］. 现代园艺，2014，（10）：27.

［7］ 娄帅帅，曹成茂. 太子参联合收获机的设计［D］. 合肥：安徽农业大学，2016.

［8］ 刘鸿文. 材料力学［M］. 北京：高等教育出版社，2011. 241-266.

［9］ 吴宗泽. 机械设计师手册［M］. 北京：机械工业出版社，2009.

［10］ 邱宣怀. 机械设计［M］. 北京：高等教育出版社，2011.

［11］ 秦大同，谢里阳. 现代机械设计手册弹簧设计［M］. 北京：化学工业出版社，2013.

（责任编辑：成 平）

中图分类号：S628

文献标识码：A

文章编号：1006-060X（2016）06-0058-03

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.06.019

收稿日期：2016-04-06

基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划（2015KTZDNY02-05）

作者简介：李春燕（1994-），女，山东潍坊市人，本科生，农业机械化及其自动化专业。

通讯作者：史颖刚

A Design of Dwarf Apple Trees’ Wind Fixture

LI Chun-yan，DING Hang，LIU Hao-hao，ZHANG Wen-bing，SHI Ying-gang，LIU Li，ZHAO Xi-ning
（College of Mechanical and Electronic Engineering， Northwest A&F University， Yangling 712100， PRC）

Abstract:Based on the physical characteristics and growth condition of dwarf apple trees， on the basis of traditional methods of fxed trunk with wire directly， a regulating device of dwarf apple trees’ wind resistant and anti-lodging was designed， which could be effectively fxed to the trunk. With this device， dwarf apple trees are not signifcant swing in harsh environments of the wind and rain， avoid wire damage to peel by traditional method， and prevent root damage caused by the dwarf apple trees’ lodging.

Key words:dwarf apple trees； a nti-lodging； f ixation； clamping means