1總體設(shè)計
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)動機(jī)為動力源，行走變速箱通過十字結(jié)聯(lián)軸器與發(fā)動機(jī)連接，換檔機(jī)構(gòu)驅(qū)動行走輪，推動整機(jī)行進(jìn)，鏈板刀組在主動鏈輪的驅(qū)動下連續(xù)轉(zhuǎn)動，土層在行進(jìn)過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程。行走過程中，通過液壓調(diào)節(jié)裝置來調(diào)節(jié)取土深度。
2關(guān)鍵部件設(shè)計
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)計鏈板刀組，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。
整個鏈板刀組主要有A、B、C等3根軸，A軸為動力輸入軸，改變A軸上的2個鏈輪的直徑，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，另外A軸與B軸之間的鏈板能夠在崎嶇路面行走時轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸?；C軸為卸料軸，其所支撐的2個鏈輪直徑很小，主要目的在于鏈板刀帶土上行過程中經(jīng)過小齒輪時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)計了轉(zhuǎn)向調(diào)深裝置，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖3所示。整個裝置由液壓手柄、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，限深輪同時又是轉(zhuǎn)向輪，通過左右扭動液壓手柄帶動液壓千斤頂組件進(jìn)而帶動轉(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。對刀板面進(jìn)行受力分析，受力圖見圖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)用動摩擦阻力方程式Pf=C′+AlnV+σntgφn，并將土壤沿刀板面運(yùn)動速度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模型計算結(jié)果
根據(jù)土樣試驗所得P0=f(ε)曲線和動力剪強(qiáng)方程的參數(shù)C1、C2、C3、C4值及動力黏附摩擦方程的參數(shù)C′at、A、φa值，代入式(9)，計算結(jié)果如圖6所示。
經(jīng)分析計算結(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)計中切削寬度要求在90～100 cm。從計算結(jié)果(圖6)來看，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，通過圖6可知切削過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)動機(jī)能夠提供足夠的動力。
4結(jié)果與分析
2013年8月9日在承德桃山林場進(jìn)行實地試驗。工作時，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個收集袋掛接釘上，收集袋的底部被左右2個收集袋支撐架支撐。通過按液壓手柄調(diào)整液壓千斤頂組件的液壓桿的伸出長度，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，通過能力強(qiáng)，能夠滿足山地林場的需要。所采集的含籽壤土能夠直接用于鋪播育苗綠化。
