1總體設(shè)計(jì)
1.1主要組成部分
林地含籽壤土切收機(jī)主要包括發(fā)動(dòng)機(jī),、擺線減速箱,、行走變速箱、工作部件變速箱,、鏈板刀組、轉(zhuǎn)向調(diào)深裝置等，其整機(jī)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示,。
1.2工作原理
整機(jī)以186風(fēng)冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，行走變速箱通過(guò)十字結(jié)聯(lián)軸器與發(fā)動(dòng)機(jī)連接,，換檔機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)行走輪,，推動(dòng)整機(jī)行進(jìn)，鏈板刀組在主動(dòng)鏈輪的驅(qū)動(dòng)下連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),，土層在行進(jìn)過(guò)程中不斷被鏈板刀切離,，在鏈板刀的作用下連續(xù)輸送至收集袋中，完成含籽壤土切離收集過(guò)程,。行走過(guò)程中,，通過(guò)液壓調(diào)節(jié)裝置來(lái)調(diào)節(jié)取土深度。
2關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)
2.1切土輸送裝置
切土輸送裝置作為整機(jī)的關(guān)鍵部件,，既要完成切土任務(wù),，又要將碎土提高到約1.1 m的高度以便于裝袋收集,。因此設(shè)計(jì)鏈板刀組，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示,。
整個(gè)鏈板刀組主要有A,、B、C等3根軸,，A軸為動(dòng)力輸入軸,，改變A軸上的2個(gè)鏈輪的直徑，就可以在相同轉(zhuǎn)速下改變切削線速度,；B軸為切削軸,，在A軸的驅(qū)動(dòng)下，鏈板刀組的每片刀運(yùn)行至B軸處進(jìn)行切土,，這樣就形成了多刀分層切削的作用,；B軸與C軸所確定的平面決定了含籽土的提升角度，使得B軸與C軸間的鏈板形成輸送器,，而B軸與A軸的支撐結(jié)構(gòu)使得A軸與B軸之間的鏈板能夠?qū)⒌湓贐軸后面的
碎土再次被收集起來(lái),，另外A軸與B軸之間的鏈板能夠在崎嶇路面行走時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸В籆軸為卸料軸,，其所支撐的2個(gè)鏈輪直徑很小,，主要目的在于鏈板刀帶土上行過(guò)程中經(jīng)過(guò)小齒輪時(shí)獲得更大離心加速度，使土較容易脫離鏈板刀,。
2.2轉(zhuǎn)向調(diào)深裝置
為了完成轉(zhuǎn)向和準(zhǔn)確控制取土深度,，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向調(diào)深裝置，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示,。整個(gè)裝置由液壓手柄,、液壓千斤頂組件、轉(zhuǎn)向調(diào)深輪和支撐梁組成,。取土深度由液壓缸調(diào)節(jié)限深輪的高度進(jìn)行限定,，限深輪同時(shí)又是轉(zhuǎn)向輪，通過(guò)左右扭動(dòng)液壓手柄帶動(dòng)液壓千斤頂組件進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)向調(diào)深輪繞液壓桿的軸線旋轉(zhuǎn),，即可改變整機(jī)的前進(jìn)方向,。為了防止突然出現(xiàn)的坑洼造成切收過(guò)程中出現(xiàn)突然加大切深的現(xiàn)象，設(shè)置了前置3點(diǎn)仿形結(jié)構(gòu),，由限深輪和切收機(jī)zui前面的2個(gè)輔助限深輪組成,。該結(jié)構(gòu)有效克服了忽深忽淺工作不穩(wěn)定的問(wèn)題，并使袋子能夠穩(wěn)定在出土口下面,。
3工作阻力數(shù)學(xué)模型
3.1刀板切土阻力模型
切土過(guò)程中,，作用在刀板上的主要阻力包括：土壤變形力、速率不連續(xù)所發(fā)生的力、土壤慣性力和外摩擦力,。對(duì)刀板面進(jìn)行受力分析,，受力圖見(jiàn)圖4。
3.2刀板面上的壓縮力
土垡OO′B″A在刀板面上的壓縮應(yīng)變?yōu)?圖4)：
ε=1-sinβsin(α+β),。(1)
刀板面上的壓縮應(yīng)力P0=f(ε),，其中f(ε)可由土樣的壓縮試驗(yàn)得出。
根據(jù)Jaky定律[5],，側(cè)向應(yīng)力Pg與正向應(yīng)力P0的關(guān)系為Pg=P0(1-sinφ),，這樣，作用在刀板表面OA上的法向壓縮力為：
PG1=bL2f(ε)(1-sinφ)=bL2f(1-sinβ)sin(α+β)(1-sinφ),。(2)
設(shè)在刀板上AC這段的土垡所受法向壓力的分布為自A點(diǎn)起按直線關(guān)系下降至0,，因而在AC這段，刀板面上的法向壓力為：
PG2=0.5b(H-L2)(1-sinφ)f1-sinβsin(α+β),。(3)
作用在刀板面上的總法向土垡壓縮力為：
PG=PG1+PG2=0.5b(H+L2)(1-sinφ)f1-sinβsin(α+β),。(4)
3.3側(cè)刃剪切力
在圖4可知，作用在剪失效面AB上A點(diǎn)的法向壓力為σA=P0(1-sinφ)而在AB線上任意一點(diǎn)P′(AP′=y)處的正壓力為σy=P0(1-sinφ)(L-y)L,，將此式σY作為σn代入剪強(qiáng)動(dòng)力方程lnτ=C1+C2lnr+C3(1+C4σn),，得：
lnτy=C1+C2lnγ+C31+C4P1(1-sinφ)(L-y)L，(5)
即側(cè)刃剪切力為：
Psh=∫L0τydy=eC1L2γC2[1+C4P0(1-sinφ]C3+1-1C4P0(1+C3)(1-sinφ),。(6)
3.4Ω3區(qū)的土壤加速慣性力
土壤加速慣性力主要發(fā)生在Ω3區(qū),，任取一行平行于刀板板面的平面N，交Ω2的邊界和Ω4的邊界線于j(圖5),，i處土壤速度為0,，j處土壤速度為Uf；設(shè)速度從i到j(luò)為線性均勻加速,，且方向不變,，則慣性力為：
Pa=bHDwU2sinαgsin2(α+β)。(7)
式中：Dw為土壤容重[6],。
3.5土垡沿刀板的摩擦阻力
刀板法向力為Pn=(Psh+Pa)cos(90-α-β)+PG,，式中：PG為刀板面上的總法向土垡壓縮力,。應(yīng)用動(dòng)摩擦阻力方程式Pf=C′+AlnV+σntgφn,，并將土壤沿刀板面運(yùn)動(dòng)速度Ue和刀板法向力Pn代入，得：
Pf=nHC′+AlnVsinβsin(α+β)+Pntgφn,。(8)
3.6刀板總水平阻力
從上可得出：
Px=P0sinα+(Psh+Pa)cosβ+Pfcosα+P0,。(9)
3.7模型計(jì)算結(jié)果
根據(jù)土樣試驗(yàn)所得P0=f(ε)曲線和動(dòng)力剪強(qiáng)方程的參數(shù)C1、C2,、C3,、C4值及動(dòng)力黏附摩擦方程的參數(shù)C′at、A、φa值,，代入式(9),，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。
經(jīng)分析計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn),，在切削速度,、切削深度和切削角度一定的情況下，切削總水平阻力與切削寬度成線性關(guān)系,。目前,，我國(guó)人造林地有清晰準(zhǔn)確的行列規(guī)則，一般行距為5 m,，株距為3 m,，有比較寬廣的作業(yè)空間。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中切削寬度要求在90～100 cm,。從計(jì)算結(jié)果(圖6)來(lái)看,，切削寬度在 90～100 cm 范圍內(nèi)水平總切削阻力在1.5～1.8 kN。綜合考慮切收土壤效率和總水平阻力,，切削寬度可以選擇100 cm,。當(dāng)切削寬度在100 cm時(shí)，通過(guò)圖6可知切削過(guò)程中切削總水平阻力在1.8 kN左右,，功率5.7 kW的186風(fēng)冷柴油發(fā)動(dòng)機(jī)能夠提供足夠的動(dòng)力,。
4結(jié)果與分析
2013年8月9日在承德桃山林場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。工作時(shí),，行走速度為6 m/min,，工作寬度為100 cm，額定轉(zhuǎn)速為 180 r/min,，切削線速度為1.43 m/s,。將2條收集袋的口沿分別掛在4個(gè)收集袋掛接釘上，收集袋的底部被左右2個(gè)收集袋支撐架支撐,。通過(guò)按液壓手柄調(diào)整液壓千斤頂組件的液壓桿的伸出長(zhǎng)度,，相應(yīng)改變切削深度，鏈板刀將土沿拖土板向上推送,，直接掉落在收集袋中,。試驗(yàn)結(jié)果表明，鏈板刀組式林地表含籽壤土切收機(jī)能夠滿足含籽壤土收集工作的要求,，實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)完成土層剝離與收集,，含籽壤土直接落入收集袋中，操作方便,，通過(guò)能力強(qiáng),，能夠滿足山地林場(chǎng)的需要,。所采集的含籽壤土能夠直接用于鋪播育苗綠化。
