苹果苗木栽植机的设计与试验研究

王鹏飞，何建华，刘俊峰，李建平，杨 欣，张 博

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)



苹果苗木栽植机的设计与试验研究

王鹏飞，何建华，刘俊峰，李建平，杨 欣，张 博

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

针对新型矮砧密植苹果建园劳动强度大及机械化程度较低的问题，应用AIP三维设计软件，设计开发了连续开沟式苹果苗木栽植机。该机采用芯铧式开沟器，为便于维护和转运机架设计成3级连接机构。该机设计开沟深度为30～35cm，开沟宽度为25cm，集苗箱容量为健壮苹果树苗500棵，正常工作速度为0.8～1.2m/s。田间试验结果表明：该栽植机工作性能良好，所栽苗木倒伏率为0.67%，机械伤苗率为0.44%；机具开沟稳定，栽植深度合格率为98.88%，苗木栽植合格率达98.22%；人工充苗作业，株距变异系数20%。该机结构设计合理，栽植作业质量能够满足建园农艺要求，为我国矮砧密植栽培模式下的苹果园建设提供了技术支持。

连续开沟；建园；动力配套；栽植质量；苹果苗木

0 引言

据国家苹果产业技术体系研发中心统计，2013年全国苹果种植面积约为 225.3万hm2，产量约为3 170 万t，均居世界首位[1]。 苹果栽培制度在苹果生产中起着至关重要的作用，近30年多来，世界苹果栽培制度发生了深刻的变化，目前矮砧密植是世界苹果栽培发展的方向，也是我国现代苹果产业发展的方向[3]。苹果矮砧密植栽培，是世界苹果优质高效栽培的成功经验，是节约土地、节约劳力、节约水肥药资源、提质增效的苹果集约化栽培模式[3-4]。在建园作业中，采用宽行密株栽培的栽培模式为苹果苗木机械化栽植提供了可能。

近几年，国内外相关机构针对植树作业机械化作业技术和装备进行了大量研究， 研究的植树作业装备类型主要有挖坑式、间断开沟式和连续开沟式3种植树作业机[5]。挖坑机械主要适用于小面积的山地、坡陡、石头多等场合的植树造林，作业效率较低，不适合大规模苹果苗木栽植建园作业[6]。苹果矮砧密植的栽培模式采用宽行距窄株距的栽培技术，要求苗木栽植行距一般为3.0～4.2m，株距0.8～1.5m。连续开沟式作业机械能够实现植树的机械化连续开沟及栽植作业，作业效率高，较间断开沟式植树机而言更适合窄株距栽植的机械化作业[7]。

为满足矮砧密植型果树栽培发展的要求，本文根据苹果苗木栽植的园艺技术要求，利用AIP三维设计软件，设计完成了一种适合果园建园作业的连续开沟式苗木栽植机，并对样机进行了田间试验。

1 整机方案设计

1.1 工作原理

连续开沟式苹果苗木栽植机结构主要包括覆土轮、镇压轮、拨土轮、开沟装置、机架和限深轮等部件，如图1所示。该机进行林果树苗栽植作业时，机组进地一次即可实现地表开沟、放苗、扶苗、回土、分层压实和表层覆土等一系列作业工序，完成苗木田间定植。

1.2 园艺要求及设计参数

苗木栽植机的设计主要为满足矮砧密植型苹果栽培在建园过程中的机械化需求，机具设计必须与园艺栽植要求相适应，农机与农艺相结合。

1)苹果苗木特性。新型矮砧密植苹果栽培，建园时宜选用在苗圃培养3年的健壮大苗，并且苗木品种、基砧和矮化砧木纯正，无检疫性病虫害。苗木专家给出的健壮大苗标准是：苗木基部品种接口上10cm处干径在1.2cm以上，苗木高度1.5 m以上；整形带内最好有6～9个有效分枝，长度在40～50cm，分布均匀；苗木根系健壮，超过 20cm的侧根5条以上，毛细根密集；矮化中间砧苗木的矮化砧长度20～30cm，矮化自根砧苗木根砧长度20 cm左右[8]。出圃苹果苗木根系结构如图2所示。

1.限深轮 2.苗木箱 3.开沟器 4.座椅 5.机架 6.锥形镇压轮 7.圆形镇压轮 8.覆土轮

图2 栽植苗木根系结构

2)栽植要求与特点。果树栽培专家指出：苹果苗木栽植时要特别注意矮化砧的入土深度，特别注意不能让品种生根，这与建园的成败关系极大。矮砧苹果的栽植深度，会影响树体生长，栽植不可过深，否则将接穗部分埋入土中，接穗很容易生根，引起树势转旺，矮化砧失去作用，变成乔化树。因此，一般要求接穗与砧木的接口在地表5～10cm 处，栽后浅培土，保护砧段部分[9]。

3)设计参数为：

栽植方式：连续开沟式栽植

作业行数/行：1

开沟深度/cm：25～35

开沟宽度/cm：25

挂接方式：后三点悬挂

栽植苗木种类：苹果树苗、杨树苗等

苗龄/年：3

苗高/m：1.2～3

作业人数(含机手)/人：3～4

2 主要参数确定及关键部件设计

2.1 开沟装置的设计

开沟质量的好坏直接影响树苗的栽植质量和成活率。该机开沟装置为芯铧式开沟器，由开沟刀、开沟板、保持板、挡土板、扶苗器和连接件等结构焊合而成，如图3所示。开沟装置通过连接件和U型螺栓固定在机架横梁上。

1.扶苗器 2.保持板 3.挡土板 4.连接板 5.开沟板 6.开沟刀 7.机架横梁(部分) 8.U型螺栓

开沟刀材料选用65Mn，具有耐磨损和刚性好的优点，常被犁铧等入土工作部件选用[10-11]。其屈服强度为430MPa，极限拉伸强度为735MPa。开沟装置的其它零件均选用Q235A，其屈服强度为235MPa，极限拉伸强度为500MPa。

栽植作业时，开沟刀切入土壤，并通过限深轮和芯铧入土角控制和稳定开沟深度；破碎的土壤被开沟板分开，并推向两侧压实；为防止土壤过早回填、确保栽植沟形的宽度和深度，土壤在保持板和挡土板的作用下进一步被压实。开沟器完成开沟作业的同时，由人工充苗，通过了保持板的部分土壤自动回填，在人工扶持和扶苗器扶持的作用下，苗木收拢到苗带中间，经镇压和覆土，树苗直立并定植成一条直线。

2.2 配套动力计算

苹果苗木栽植机在工作时，总的牵引阻力主要由芯铧式开沟器的阻力、限深轮阻力和镇压覆土轮的阻力组成。对于芯铧式开沟器的牵引阻力F1可按下式粗略估算[12-14]，有

F1=kwA(N)

其中，kw为挖掘比阻(N/cm2)，其值与开沟器结构和土壤状况等因素有关。荒地取kw=11.8～19.6，熟地取kw=4.9～9.8；苹果苗木栽植环境复杂，为了保证机器的正常运行，选取较大的值为kw=15。

A为挖掘截面积(cm2)。根据开沟器设计参数和苗木栽植要求计算A=25cm×35cm= 875cm2。限深轮和镇压覆土轮的阻力采用简化公式进行计算，有

F2=kG

其中，k为表示轮子的滚动阻力系数，充气轮在不同的土壤，充气量的大小不同的情况，滚动阻力系数不同，为了保证机器的正常运行，选取较大的值 0.4；G为轮子承载的重力，机具空载质量约500kg，质量为4 900N，集苗箱容积为500棵。以苗木平均重6.4N，栽植作业人员3人，每人平均重600N，粗略估算取G=9900N。

所以，总的牵引阻力为

F=F1+F2=kwA+kG=17085N

栽植作业时，根据分苗的速率和苗木的株距要求，以栽植作业最大速度v=1.2m/s计算。考虑到地况和有效功率等原因，取安全系数K=2.5。

则栽植所需拖拉机的牵引功率为

P=KFv=51.26kW

2.3 机架设计

为便于维护和运输，栽植机机架采用3级连接结构，分别由80mm×80mm×5mm和80mm×60mm×5mm的矩形钢管焊接而成。其中，第1级为悬挂机构，主要包括上、下悬挂、限深轮支座和开沟机挂接横梁。结构如图4(a)所示；第2级机构为镇压轮支架，结构尺寸如图4(b)所示；第3级机构为覆土轮支架，结构如图4(c)所示。机架各级通过螺栓连接，连接限深轮、开沟器、人工座椅、镇压轮和覆土轮后组装成栽植机整机。利用AIP三维设计软件构建并完成整机数字模型装配如图5所示。

3 田间试验

3.1 试验苗木条件

2015年3月，在高碑店对样机进行了田间试验，试验苗木有3年生健壮苹果苗和1年生健壮杨树苗。其中，主要对苹果树苗进行了试验数据采集和处理。苹果苗木高度1.5～2.2m，苗木基部品种接口上10cm处干径在大于1.5cm，苗木健壮，根系完整，枝干无明显机械损伤。

(a) 第1级机构

(b) 第2级结机构

(c) 第3级机构

图5 苗木栽植机整机组装

3.2 试验地条件

试验用地为0.67hm2，在苗木栽植前经旋耕碎土，地表平整，无明显大土块和石块，无秸秆和杂草障碍，土质松软条件良好。

3.3 试验数据与处理结果

根据苗木起苗技术要求和苗木栽植农艺要求，确定栽植机的开沟深度为h=300mm，栽植深度在280～320mm为合格深度;作业速度为0.8～1.0m/s，计划栽植株距为1.5m;配套动力选用东方红750型拖拉机，如图6所示。

试验数据获取为每次每行连续测定150 株，栽植质量和栽植精度的测定与计算结果如表1、表2所示。田间试验表明：该栽植机工作性能良好，所栽苗木倒伏率低，仅为0.67%；机械伤苗率为0.44%；机具开沟稳定，栽植深度合格率为98.88%，苗木栽植合格率达98.22%。但由于人工充苗作业，株距变异系数较大，所测株距变异系数为

图6 开沟栽植树苗田间试验

项目第1行试验1试验2试验3第2行试验1试验2试验3第3行试验1试验2试验3平均值测定总株数/株50505050505050505050测定段长度/m60606060606060606060测定平均株距/m1．401．551．561．511．451．491．431．561．471．55倒伏株数∗/株0100010100．0067伤苗株数/株0010010000．0044栽植深度合格株数/株49495050504850495049．44合格株数/株49484950494850495049．11

倒伏率—植后树苗主茎干与地面夹角小于30°。

表2 数据处理

4 结论

1)根据新型矮砧密植型苹果园建设需求和果树栽培技术特点，设计了连续开沟式苹果苗木栽植机。该机能够大大降低苹果密植建园过程中的劳动强度，提高经济效益。

2)田间试验表明：栽植机作业性能稳定，栽植效果良好，栽植倒伏率和伤苗率低，栽植根深稳定，能够满足新型矮砧密植果园的建园要求。

[1] 国家苹果产业技术体系首席科学家办公室.苹果矮砧集约栽培模式技术规范[R].西安：西北农林科技大学国家苹果产业技术研发中心，2014.

[2] 韩明玉.苹果矮砧集约栽培技术模式刍议[J].中国果树,2015(3):76-79.

[3] 王忠和.苹果矮砧密植栽培中存在的关键问题及其对策[J].林果花草,2014,10(9):21.

[4] 焦世德.意大利苹果矮砧密植栽培模式考察启示[J].西北园艺,2011(2):4-5.

[5] 刘晋浩,王丹.谈国内外人工林抚育机械的现状及发展趋势[J].森林工程,2006,22(3):12-14.

[6] 李亚萍,蒙贺伟,坎杂，等.滚动夹苗植树机的设计研究[J].农机化研究,2014，36(10):142-144.

[7] 张松柏.苹果矮砧密植栽培技术及发展建议[J].落叶果树,2014,46(5):21-22.

[8] 贾永华,曲亦刚,王永忠，等.苹果矮砧密植栽培模式与技术要点[J].宁夏农林科技,2014,55(9):6-8.

[9] 马宝焜,徐继忠,孙建设.关于我国苹果矮砧密植栽培的思考[J].果树学报,2010,27(1):105-109.

[10] 姬长英,尹文庆.农业机械学[K]. 北京:中国农业出版社, 1996.

[11] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册:上册[K].北京: 中国农业科学技术出版社,2007:175-200.

[12] 李宝筏.农业机械学[M]. 北京:中国农业出版社, 2003.

[13] 李振.链夹式大葱移栽机的研制[D].泰安：山东农业大学,2014.

[14] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册: 上册[K].北京:中国农业科学技术出版社,2007：141-144.

Design and Experimental Research of Apple Seedling Planting Machine

Wang Pengfei, He Jianhua, Liu Junfeng, Li Jianping,Yang Xin, Zhang Bo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001,China)

According to a new type of dwarfing close planting apple orchard labor intensity, the degree of mechanization is low, the author use AIP 3D design software to design and development of the continuous ditching type apple seedling planting machine.The machine designed trenching depth of 30 ～ 35cm, trenching width 25cm, tank capacity is robust set seedling apple trees 500, the normal operating speed of 0.8 ～ 1.2m/s. Field test results show that: the planting machine good performance, the lodging rate of 0.67% planted seedlings; mechanical injury seedling was 0.44%; machinery ditching stability, planting depth pass rate of 98.88 %, 98.22 % pass rate of seedlings planted, artificial charge Miao job, spacing variation coefficient of 20%.The planting operation quality can meet the agronomic requirements.

continuous ditching; power matching; orchard; planting quality; apple seedling

2015-12-07

国家公益性行业科研(农业)专项(201203016)；国家苹果产业技术体系果园机械岗项目(CARS-28)；现代农业装备研发中心建设项目(XDNZ201501)

王鹏飞(1986-,)男，石家庄人，助教，(E-mail) wangpengfeia@126.com。

S233

A

1003-188X(2017)01-0122-05