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摘要：为了满足宫胁法造林技术改进过程中采集林地表含树籽土壤工序的需要，设计一种林地表含树籽壤土自动剥离设备。该机的特点是使用了链板刀组，既能分层切下含籽壤土，又能将含籽壤土通过链板刀推送到收集袋中。设计过程中，通过建立链板刀切土阻力数学模型，对行进工作阻力进行分析，得到总水平阻力与工作宽度的关系，进而合理设计工作部件宽度。试验证明该机操作方便、取土效率高、爬坡能力和通过能力强，适于山区林地使用。
关键词：宫胁造林法；壤土切收机；优化设计；数学建模
中图分类号： S776.22文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0383-03
收稿日期：2014-03-22
基金项目：河北省科技支撑计划（ 编号：12227108D）。
作者简介：袁永伟（1987—），男，河北任丘人，硕士，主要从事机电一体化研究。E-mail：yyw0314@126.com。一直以来我国过分注重人工造林，相对忽视退化生态系统自然恢复或修复技术研究，因此我国引进宫胁法造林技术，强调和提倡用乡土树种建造乡土森林，即取林地地表含籽壤土用于育苗。目前我国人工林达6 168万hm2，居世界第1位[1]。林地中大量树籽成熟后落在地表，随着雨水冲刷慢慢掩埋在地表的浅土层中，通常距离地面10 cm以内的土层中富含落叶松等树种。由于树冠的遮挡，地表受光照射不足，种籽难以发芽，大多数最终腐烂。将这一层富含种籽的土层取出，铺在日光照射充足的区域，并给以适当的水分，种籽将很容易发芽。为了推动植树造林的进程，加快育苗速度，迫切需要一种能够将林地中含籽土进行切离并收集的设备。
1总体设计
1.1主要组成部分
林地含籽壤土切收机主要包括发动机、摆线减速箱、行走变速箱、工作部件变速箱、链板刀组、转向调深装置等，其整机机构简图如图1所示。
1.2工作原理
整机以186风冷柴油发动机为动力源，行走变速箱通过十字结联轴器与发动机连接，换档机构驱动行走轮，推动整机行进，链板刀组在主动链轮的驱动下连续转动，土层在行进过程中不断被链板刀切离，在链板刀的作用下连续输送至收集袋中，完成含籽壤土切离收集过程。行走过程中，通过液压调节装置来调节取土深度。
2关键部件设计
2.1切土输送装置
切土输送装置作为整机的关键部件，既要完成切土任务，又要将碎土提高到约1.1 m的高度以便于装袋收集。因此设计链板刀组，其结构原理图如图2所示。
整个链板刀组主要有A、B、C等3根轴，A轴为动力输入轴，改变A轴上的2个链轮的直径，就可以在相同转速下改变切削线速度；B轴为切削轴，在A轴的驱动下，链板刀组的每片刀运行至B轴处进行切土，这样就形成了多刀分层切削的作用；B轴与C轴所确定的平面决定了含籽土的提升角度，使得B轴与C轴间的链板形成输送器，而B轴与A轴的支撑结构使得A轴与B轴之间的链板能够将跌落在B轴后面的
碎土再次被收集起来，另外A轴与B轴之间的链板能够在崎岖路面行走时转变为履带；C轴为卸料轴，其所支撑的2个链轮直径很小，主要目的在于链板刀带土上行过程中经过小齿轮时获得更大离心加速度，使土较容易脱离链板刀。
2.2转向调深装置
为了完成转向和准确控制取土深度，设计了转向调深装置，其机构简图如图3所示。整个装置由液压手柄、液压千斤顶组件、转向调深轮和支撑梁组成。取土深度由液压缸调节限深轮的高度进行限定，限深轮同时又是转向轮，通过左右扭动液压手柄带动液压千斤顶组件进而带动转向调深轮绕液压杆的轴线旋转，即可改变整机的前进方向。为了防止突然出现的坑洼造成切收过程中出现突然加大切深的现象，设置了前置3点仿形结构，由限深轮和切收机最前面的2个辅助限深轮组成。该结构有效克服了忽深忽浅工作不稳定的问题，并使袋子能够稳定在出土口下面。
3工作阻力数学模型
3.1刀板切土阻力模型
切土过程中，作用在刀板上的主要阻力包括：土壤变形力、速率不连续所发生的力、土壤惯性力和外摩擦力。对刀板面进行受力分析，受力图见图4。
3.2刀板面上的压缩力
土垡OO′B″A在刀板面上的压缩应变为（图4）：
ε=1-sinβsin（α β）。（1）
刀板面上的压缩应力P0=f（ε），其中f（ε）可由土样的压缩试验得出。
根据Jaky定律[5]，侧向应力Pg与正向应力P0的关系为Pg=P0（1-sinφ），这样，作用在刀板表面OA上的法向压缩力为：
PG1=bL2f（ε）（1-sinφ）=bL2f（1-sinβ）sin（α β）（1-sinφ）。（2）
设在刀板上AC这段的土垡所受法向压力的分布为自A点起按直线关系下降至0，因而在AC这段，刀板面上的法向压力为：
PG2=0.5b（H-L2）（1-sinφ）f1-sinβsin（α β）。（3）
作用在刀板面上的总法向土垡压缩力为：
PG=PG1 PG2=0.5b（H L2）（1-sinφ）f1-sinβsin（α β）。（4）
3.3侧刃剪切力
在图4可知，作用在剪失效面AB上A点的法向压力为σA=P0（1-sinφ）而在AB线上任意一点P′（AP′=y）处的正压力为σy=P0（1-sinφ）（L-y）L，将此式σY作为σn代入剪强动力方程lnτ=C1 C2lnr C3（1 C4σn），得：
lnτy=C1 C2lnγ C31 C4P1（1-sinφ）（L-y）L，（5）
即侧刃剪切力为：
Psh=∫L0τydy=eC1L2γC2[1 C4P0（1-sinφ]C3 1-1C4P0（1 C3）（1-sinφ）。（6） 3.4Ω3区的土壤加速惯性力
土壤加速惯性力主要发生在Ω3区，任取一行平行于刀板板面的平面N，交Ω2的边界和Ω4的边界线于j（图5），i处土壤速度为0，j处土壤速度为Uf；设速度从i到j为线性均匀加速，且方向不变，则惯性力为：
Pa=bHDwU2sinαgsin2（α β）。（7）
式中：Dw为土壤容重[6]。
3.5土垡沿刀板的摩擦阻力
刀板法向力为Pn=（Psh Pa）cos（90-α-β） PG，式中：PG为刀板面上的总法向土垡压缩力。应用动摩擦阻力方程式Pf=C′ AlnV σntgφn，并将土壤沿刀板面运动速度Ue和刀板法向力Pn代入，得：
Pf=nHC′ AlnVsinβsin（α β） Pntgφn。（8）
3.6刀板总水平阻力
从上可得出：
Px=P0sinα （Psh Pa）cosβ Pfcosα P0。（9）
3.7模型计算结果
根据土样试验所得P0=f（ε）曲线和动力剪强方程的参数C1、C2、C3、C4值及动力黏附摩擦方程的参数C′at、A、φa值，代入式（9），计算结果如图6所示。
经分析计算结果发现，在切削速度、切削深度和切削角度一定的情况下，切削总水平阻力与切削宽度成线性关系。目前，我国人造林地有清晰准确的行列规则，一般行距为5 m，株距为3 m，有比较宽广的作业空间。在优化设计中切削宽度要求在90～100 cm。从计算结果（图6）来看，切削宽度在 90～100 cm 范围内水平总切削阻力在1.5～1.8 kN。综合考虑切收土壤效率和总水平阻力，切削宽度可以选择100 cm。当切削宽度在100 cm时，通过图6可知切削过程中切削总水平阻力在1.8 kN左右，功率5.7 kW的186风冷柴油发动机能够提供足够的动力。
4结果与分析
2013年8月9日在承德桃山林场进行实地试验。工作时，行走速度为6 m/min，工作宽度为100 cm，额定转速为 180 r/min，切削线速度为1.43 m/s。将2条收集袋的口沿分别挂在4个收集袋挂接钉上，收集袋的底部被左右2个收集袋支撑架支撑。通过按液压手柄调整液压千斤顶组件的液压杆的伸出长度，相应改变切削深度，链板刀将土沿拖土板向上推送，直接掉落在收集袋中。试验结果表明，链板刀组式林地表含籽壤土切收机能够满足含籽壤土收集工作的要求，实现一次作业完成土层剥离与收集，含籽壤土直接落入收集袋中，操作方便，通过能力强，能够满足山地林场的需要。所采集的含籽壤土能够直接用于铺播育苗绿化。
5结论
本研究根据实际需要设计出了一台林地含籽壤土切收机。该设备具有以下特点：（1）采用链板刀组既能分层切下含籽壤土，又能将含籽壤土通过链板刀推送到收集袋中；（2）采用前置3点仿形结构，实现定深切收，有效避免了突然下陷；（3）采用液力调整技术，实现了土层定深取土与装袋同步完成。在承德桃山林场进行实地试验，试验结果表明机操作方便、取土效率高、爬坡能力和通过能力强，能够满足山地林场的需要。
参考文献：
[1]程福俊. 我国人工林面积世界第一[N]. 燕赵都市报， 2012-06-05.
[2]郑春歧，张丽平，石维佳，等. 土壤切削试验[J]. 工程机械，1999（11）：10-12，51.
[3]谭永忠，韩春丽，吴次芳，等. 国外剥离表土种植利用模式及对中国的启示[J]. 农业工程学报，2013，29（23）：194-201.
[4]张欣悦，汪春，李连豪，等. 水稻育秧联合取土机的设计与试验[J]. 农机化研究，2012，34（7）：150-153.
[5]曾德超. 机械土壤动力学[M]. 北京：北京科学技术出版社，1995：435-437.
[6]董雪. 吉林省黑土区村庄表土剥离技术集成方案[D]. 长春：吉林农业大学，2012.张洪洲，刘建萍，白建国，等. 基于RCS3200的棉籽分级系统优化设计与试验[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：386-387.
关键词：宫胁造林法；壤土切收机；优化设计；数学建模
中图分类号： S776.22文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）01-0383-03
收稿日期：2014-03-22
基金项目：河北省科技支撑计划（ 编号：12227108D）。
作者简介：袁永伟（1987—），男，河北任丘人，硕士，主要从事机电一体化研究。E-mail：yyw0314@126.com。一直以来我国过分注重人工造林，相对忽视退化生态系统自然恢复或修复技术研究，因此我国引进宫胁法造林技术，强调和提倡用乡土树种建造乡土森林，即取林地地表含籽壤土用于育苗。目前我国人工林达6 168万hm2，居世界第1位[1]。林地中大量树籽成熟后落在地表，随着雨水冲刷慢慢掩埋在地表的浅土层中，通常距离地面10 cm以内的土层中富含落叶松等树种。由于树冠的遮挡，地表受光照射不足，种籽难以发芽，大多数最终腐烂。将这一层富含种籽的土层取出，铺在日光照射充足的区域，并给以适当的水分，种籽将很容易发芽。为了推动植树造林的进程，加快育苗速度，迫切需要一种能够将林地中含籽土进行切离并收集的设备。
1总体设计
1.1主要组成部分
林地含籽壤土切收机主要包括发动机、摆线减速箱、行走变速箱、工作部件变速箱、链板刀组、转向调深装置等，其整机机构简图如图1所示。
1.2工作原理
整机以186风冷柴油发动机为动力源，行走变速箱通过十字结联轴器与发动机连接，换档机构驱动行走轮，推动整机行进，链板刀组在主动链轮的驱动下连续转动，土层在行进过程中不断被链板刀切离，在链板刀的作用下连续输送至收集袋中，完成含籽壤土切离收集过程。行走过程中，通过液压调节装置来调节取土深度。
2关键部件设计
2.1切土输送装置
切土输送装置作为整机的关键部件，既要完成切土任务，又要将碎土提高到约1.1 m的高度以便于装袋收集。因此设计链板刀组，其结构原理图如图2所示。
整个链板刀组主要有A、B、C等3根轴，A轴为动力输入轴，改变A轴上的2个链轮的直径，就可以在相同转速下改变切削线速度；B轴为切削轴，在A轴的驱动下，链板刀组的每片刀运行至B轴处进行切土，这样就形成了多刀分层切削的作用；B轴与C轴所确定的平面决定了含籽土的提升角度，使得B轴与C轴间的链板形成输送器，而B轴与A轴的支撑结构使得A轴与B轴之间的链板能够将跌落在B轴后面的
碎土再次被收集起来，另外A轴与B轴之间的链板能够在崎岖路面行走时转变为履带；C轴为卸料轴，其所支撑的2个链轮直径很小，主要目的在于链板刀带土上行过程中经过小齿轮时获得更大离心加速度，使土较容易脱离链板刀。
2.2转向调深装置
为了完成转向和准确控制取土深度，设计了转向调深装置，其机构简图如图3所示。整个装置由液压手柄、液压千斤顶组件、转向调深轮和支撑梁组成。取土深度由液压缸调节限深轮的高度进行限定，限深轮同时又是转向轮，通过左右扭动液压手柄带动液压千斤顶组件进而带动转向调深轮绕液压杆的轴线旋转，即可改变整机的前进方向。为了防止突然出现的坑洼造成切收过程中出现突然加大切深的现象，设置了前置3点仿形结构，由限深轮和切收机最前面的2个辅助限深轮组成。该结构有效克服了忽深忽浅工作不稳定的问题，并使袋子能够稳定在出土口下面。
3工作阻力数学模型
3.1刀板切土阻力模型
切土过程中，作用在刀板上的主要阻力包括：土壤变形力、速率不连续所发生的力、土壤惯性力和外摩擦力。对刀板面进行受力分析，受力图见图4。
3.2刀板面上的压缩力
土垡OO′B″A在刀板面上的压缩应变为（图4）：
ε=1-sinβsin（α β）。（1）
刀板面上的压缩应力P0=f（ε），其中f（ε）可由土样的压缩试验得出。
根据Jaky定律[5]，侧向应力Pg与正向应力P0的关系为Pg=P0（1-sinφ），这样，作用在刀板表面OA上的法向压缩力为：
PG1=bL2f（ε）（1-sinφ）=bL2f（1-sinβ）sin（α β）（1-sinφ）。（2）
设在刀板上AC这段的土垡所受法向压力的分布为自A点起按直线关系下降至0，因而在AC这段，刀板面上的法向压力为：
PG2=0.5b（H-L2）（1-sinφ）f1-sinβsin（α β）。（3）
作用在刀板面上的总法向土垡压缩力为：
PG=PG1 PG2=0.5b（H L2）（1-sinφ）f1-sinβsin（α β）。（4）
3.3侧刃剪切力
在图4可知，作用在剪失效面AB上A点的法向压力为σA=P0（1-sinφ）而在AB线上任意一点P′（AP′=y）处的正压力为σy=P0（1-sinφ）（L-y）L，将此式σY作为σn代入剪强动力方程lnτ=C1 C2lnr C3（1 C4σn），得：
lnτy=C1 C2lnγ C31 C4P1（1-sinφ）（L-y）L，（5）
即侧刃剪切力为：
Psh=∫L0τydy=eC1L2γC2[1 C4P0（1-sinφ]C3 1-1C4P0（1 C3）（1-sinφ）。（6） 3.4Ω3区的土壤加速惯性力
土壤加速惯性力主要发生在Ω3区，任取一行平行于刀板板面的平面N，交Ω2的边界和Ω4的边界线于j（图5），i处土壤速度为0，j处土壤速度为Uf；设速度从i到j为线性均匀加速，且方向不变，则惯性力为：
Pa=bHDwU2sinαgsin2（α β）。（7）
式中：Dw为土壤容重[6]。
3.5土垡沿刀板的摩擦阻力
刀板法向力为Pn=（Psh Pa）cos（90-α-β） PG，式中：PG为刀板面上的总法向土垡压缩力。应用动摩擦阻力方程式Pf=C′ AlnV σntgφn，并将土壤沿刀板面运动速度Ue和刀板法向力Pn代入，得：
Pf=nHC′ AlnVsinβsin（α β） Pntgφn。（8）
3.6刀板总水平阻力
从上可得出：
Px=P0sinα （Psh Pa）cosβ Pfcosα P0。（9）
3.7模型计算结果
根据土样试验所得P0=f（ε）曲线和动力剪强方程的参数C1、C2、C3、C4值及动力黏附摩擦方程的参数C′at、A、φa值，代入式（9），计算结果如图6所示。
经分析计算结果发现，在切削速度、切削深度和切削角度一定的情况下，切削总水平阻力与切削宽度成线性关系。目前，我国人造林地有清晰准确的行列规则，一般行距为5 m，株距为3 m，有比较宽广的作业空间。在优化设计中切削宽度要求在90～100 cm。从计算结果（图6）来看，切削宽度在 90～100 cm 范围内水平总切削阻力在1.5～1.8 kN。综合考虑切收土壤效率和总水平阻力，切削宽度可以选择100 cm。当切削宽度在100 cm时，通过图6可知切削过程中切削总水平阻力在1.8 kN左右，功率5.7 kW的186风冷柴油发动机能够提供足够的动力。
4结果与分析
2013年8月9日在承德桃山林场进行实地试验。工作时，行走速度为6 m/min，工作宽度为100 cm，额定转速为 180 r/min，切削线速度为1.43 m/s。将2条收集袋的口沿分别挂在4个收集袋挂接钉上，收集袋的底部被左右2个收集袋支撑架支撑。通过按液压手柄调整液压千斤顶组件的液压杆的伸出长度，相应改变切削深度，链板刀将土沿拖土板向上推送，直接掉落在收集袋中。试验结果表明，链板刀组式林地表含籽壤土切收机能够满足含籽壤土收集工作的要求，实现一次作业完成土层剥离与收集，含籽壤土直接落入收集袋中，操作方便，通过能力强，能够满足山地林场的需要。所采集的含籽壤土能够直接用于铺播育苗绿化。
5结论
本研究根据实际需要设计出了一台林地含籽壤土切收机。该设备具有以下特点：（1）采用链板刀组既能分层切下含籽壤土，又能将含籽壤土通过链板刀推送到收集袋中；（2）采用前置3点仿形结构，实现定深切收，有效避免了突然下陷；（3）采用液力调整技术，实现了土层定深取土与装袋同步完成。在承德桃山林场进行实地试验，试验结果表明机操作方便、取土效率高、爬坡能力和通过能力强，能够满足山地林场的需要。
参考文献：
[1]程福俊. 我国人工林面积世界第一[N]. 燕赵都市报， 2012-06-05.
[2]郑春歧，张丽平，石维佳，等. 土壤切削试验[J]. 工程机械，1999（11）：10-12，51.
[3]谭永忠，韩春丽，吴次芳，等. 国外剥离表土种植利用模式及对中国的启示[J]. 农业工程学报，2013，29（23）：194-201.
[4]张欣悦，汪春，李连豪，等. 水稻育秧联合取土机的设计与试验[J]. 农机化研究，2012，34（7）：150-153.
[5]曾德超. 机械土壤动力学[M]. 北京：北京科学技术出版社，1995：435-437.
[6]董雪. 吉林省黑土区村庄表土剥离技术集成方案[D]. 长春：吉林农业大学，2012.张洪洲，刘建萍，白建国，等. 基于RCS3200的棉籽分级系统优化设计与试验[J]. 江苏农业科学，2015，43（1）：386-387.