[目的]基于现有机械化植树造林装备在造林质量、保持水土、保护已有植被、作业效率、作业能耗等方面存在缺陷导致地表破土面积大、作业简单粗放等问题,提出一种针对速生杨树等大苗栽植的串联双自由度植树机挖穴机构,实现连续动态行驶过程中间歇挖穴植树.[方法]按照造林技术规程,根据植树机挖穴机构运行规则建立串联多闭链机构的运动学模型;以行驶速度、浮动油缸运行速度和挖穴油缸运行速度为自变量,以坑穴形态主要参数为评价指标,开展基于ADAMS的单因素仿真试验;采用高速摄像分析系统对刀盘挖穴作业过程进行单循环动态拍摄,通过配套软件获取刀盘中心运动轨迹;开展田间试验研究,以仿真试验中各因素为自变量,以植树坑穴上端纵长、坑穴上部前倾角、坑穴上部后倾角为响应值,应用三维光学相位检测技术和Box-Behnken进行中心组合试验设计,分析各因素间交互作用;应用Design-Expert的优化求解器进行优化准则下的求解.[结果]1)坑穴上端纵长和坑穴倾角随行驶速度增加而增大;浮动油缸运行速度对坑穴前倾角、坑穴上部前倾角和坑穴上端纵长影响较大,对坑穴上部后倾角影响不明显;坑穴形态各参数随挖穴油缸运行速度增加而减小;坑穴前倾角明显大于后倾角,自变量变化对坑穴底部纵长几乎无影响;浮动油缸运行速度对坑穴上端纵长变化的贡献最大,挖穴油缸运行速度的影响次之.2)高速摄像分析显示,挖穴刀盘运动轨迹与仿真轨迹一致,挖穴机构具备减速挖穴特性且当坑穴上部后倾角较小时发生明显回土现象.3)建立试验目标的回归模型,各因素对响应值的交互作用与方差分析一致;优化求解显示,最佳作业参数为行驶速度108 mm·s-1、浮动油缸运行速度19 mm·s-1、挖穴油缸运行速度80 mm·s-1;验证试验结果表明,坑穴上端纵长均值为669 mm、坑穴上部前倾角为33.1°、坑穴上部后倾角为24.5°,各项指标均满足造林规程要求.[结论]植树机挖穴机构各项指标均满足造林技术规程相关要求,本研究结论可为开展大苗机械化造林提供一种新方法,为生态植树机开发提供参考.
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