隨行自走式果園割草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

王鵬飛，劉俊峰，高　迎，李建平，劉洪杰

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定　071001；2.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定　071000)

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隨行自走式果園割草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

王鵬飛1，劉俊峰1，高迎2，李建平1，劉洪杰1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定071001；2.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北 保定071000)

摘要：針對(duì)北方山地中小型矮砧密植蘋果園生草制管理中所面臨的果園地形復(fù)雜及割草作業(yè)量大等問題，設(shè)計(jì)開發(fā)了隨行自走式果園割草機(jī)。該機(jī)采用雙離合結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)具行走與割草作業(yè)分別控制。手動(dòng)控制行走離合可以實(shí)現(xiàn)操作人員隨行，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。該機(jī)設(shè)計(jì)割幅為60cm，割茬高度可在5~10cm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，正常工作速度為3~5km/h。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該型割草機(jī)工作性能良好，單位區(qū)域內(nèi)雜草撕裂率0.47%，漏割率1.50%，雜草碎段區(qū)域平均長(zhǎng)度79.39mm，碎草性能較好，工作效率可達(dá)0.5hm2/h。該機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，割草作業(yè)質(zhì)量能夠滿足農(nóng)藝要求，為我國中小型果園生草制管理作業(yè)提供了技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：蘋果園；生草制；山地；雙離合；矮砧密植；割草機(jī)

0引言

蘋果在我國有悠久的培育歷史，是人們比較喜歡的水果之一。果園生草是果園土壤管理的一種方法，指在果園的行間、株間種植多年生草;其不被收獲，刈割后覆蓋在樹下或行間，是有效保護(hù)果園土壤的一種方法。果園生草覆蓋可以顯著改善果園生態(tài)條件，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和理化性狀，具有蓄水保墑、培肥地力、減少水土流失及調(diào)節(jié)微生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境等功能[1-3]。

果園割草是果園管理的一項(xiàng)重要作業(yè)，為合理生草，一年需割多次，用工量多，勞動(dòng)強(qiáng)度大。目前，應(yīng)用于割草作業(yè)的機(jī)具較多，常見的機(jī)力割草機(jī)有乘坐式、懸掛式、手推式和背負(fù)式[4]；但大多用于牧草收割或草坪管理，能夠適應(yīng)山地果園復(fù)雜的割草機(jī)較少。針對(duì)此問題，對(duì)山地中小型矮砧密植蘋果園生草制管理環(huán)節(jié)進(jìn)行了技術(shù)調(diào)研，根據(jù)蘋果樹培育專家提出的蘋果園割草農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了隨行自走式果園割草機(jī)。隨行自走式果園割草機(jī)是山地中小型果園完成行間割草作業(yè)的一種機(jī)具，可以有效提高果園生草制管理中的農(nóng)事作業(yè)效率，降低勞動(dòng)成本。

1整機(jī)方案設(shè)計(jì)

1.1　工作原理

隨行自走式果園割草機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)架、變速箱、刀盤、切割刀、割刀離合、行走離合、驅(qū)動(dòng)輪及割茬調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成，如圖1所示。工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)分別為割草機(jī)行走系統(tǒng)和切割裝置提供動(dòng)力。發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)變速箱傳遞給驅(qū)動(dòng)輪來驅(qū)動(dòng)機(jī)具前行；當(dāng)割刀離合結(jié)合后，皮帶張緊，發(fā)動(dòng)機(jī)部分動(dòng)力經(jīng)皮帶傳輸給切割器刀軸，刀軸帶動(dòng)切割刀高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)雜草的切割作業(yè)。

1.2　農(nóng)藝要求及設(shè)計(jì)參數(shù)

為適應(yīng)機(jī)械作業(yè)，矮砧密植型蘋果園采用寬行窄株式栽培的栽培模式，樹型大都是自由仿錘形，株、行距大多為(1.5~2.0)m×(3.5~4)m。果樹成齡結(jié)果后，通過人工控制側(cè)枝的枝展程度，行間通道可保持1.5~2m，行間自然或人工生草的幅寬2~2.5m。果園割草作業(yè)對(duì)割草機(jī)的農(nóng)藝要求是：能把行間的草全部割下來，割茬整齊，割茬在50mm以上。果園割草作業(yè)還要求機(jī)具的通過性好，仿形能力強(qiáng)，安全可靠[5]。據(jù)此該機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為：

作業(yè)方式：隨行自走式

切割器類型：圓盤回轉(zhuǎn)式

割刀片數(shù)/片：2

作業(yè)速度/km·h-1：3~5

作業(yè)幅寬/cm：60

割茬高度/mm：50~100可調(diào)

配套動(dòng)力/kW：4.78

1.前輪　2.機(jī)罩　3.割刀離合　4.發(fā)動(dòng)機(jī)　5.扶手　6.行走離合　7.檔桿　8.割茬高度調(diào)節(jié)桿　9.機(jī)架　10.驅(qū)動(dòng)輪　11.割刀

2主要參數(shù)確定及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1　割刀轉(zhuǎn)速確定

隨行自走式果園割草機(jī)割刀采用直線型結(jié)構(gòu)，材料為優(yōu)質(zhì)65Mn鋼板，刀口經(jīng)高頻局部淬火、中溫回火處理，表面制備了耐磨性能優(yōu)異的ZnCN/Fe金屬陶瓷復(fù)合涂層[6]。割刀形狀以及與刀盤安裝尺寸如圖2所示。

(a)　割刀結(jié)構(gòu)

(b)　割刀與刀盤安裝

圓盤式切割器的割刀轉(zhuǎn)速是根據(jù)切割速度要求而確定的。由于旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)的刀片銷接在刀盤上，為了使刀片工作穩(wěn)定，切割速度應(yīng)大于最低極限速度30 m/s，一般為50~90 m/s，多為65~80m/s[7]。割刀運(yùn)動(dòng)軌跡及瞬時(shí)切割速度分析如圖3所示。

(a)　割刀運(yùn)動(dòng)軌跡

(b)　瞬時(shí)切割速度分析

圖3中，因刀片內(nèi)端a處圓周速度最低，故應(yīng)以該點(diǎn)為基準(zhǔn)確定割刀應(yīng)有的速度。割刀任一點(diǎn)速度均為刀片圓周速度與機(jī)器前進(jìn)速度的合速度，故a點(diǎn)速度為

由上式可見，當(dāng)ωt+β=π+2kπ，k=0,1,2,…，n時(shí)，va最小，即

vamin=rω-vm

式中n—刀盤轉(zhuǎn)速；

β—刀片內(nèi)外端點(diǎn)對(duì)盤心連線夾角(直線型割刀，此處β=0)；

vd—刀處應(yīng)有的切割速度(m/s)，取vd=65m/s；

vm—機(jī)器前進(jìn)速度(m/s)，取vm=0.97m/s；

r—刀片內(nèi)端半徑(m)， r=0. 25m。

代入數(shù)據(jù)可得

圓整后割刀轉(zhuǎn)速取n3=n=2 500r/min。

2.2　割茬高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

常用割草機(jī)割茬高度調(diào)節(jié)方式有四輪分體調(diào)高機(jī)構(gòu)、一體調(diào)高、內(nèi)置調(diào)高和擺臂式調(diào)節(jié)方式[8]。山地果園地形復(fù)雜，割茬高度調(diào)節(jié)頻繁，上述方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)構(gòu)頻繁調(diào)節(jié)較困難。為此，設(shè)計(jì)一種基于平行四連桿機(jī)構(gòu)，通過對(duì)刀盤高度進(jìn)行調(diào)整來實(shí)現(xiàn)割茬高度調(diào)節(jié)的割茬高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。通過旋轉(zhuǎn)Y軸上高度調(diào)節(jié)手柄，帶動(dòng)由X軸方向連桿、刀盤和兩拉桿組成的平行四連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)刀盤位置的上下調(diào)整。該機(jī)構(gòu)能夠在割草機(jī)靜止或作業(yè)過程中完成割茬高度的調(diào)節(jié)，可控制割茬高度在5~10cm，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操控方便。

(a)　調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(b)　調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三維模型

2.3　驅(qū)動(dòng)橋變速箱的設(shè)計(jì)

隨行自走式割草機(jī)在作業(yè)時(shí)，行走和切割所需動(dòng)力全部來自于發(fā)動(dòng)機(jī)。行走系統(tǒng)隨行速度的實(shí)現(xiàn)主要靠驅(qū)動(dòng)橋變速箱完成，變速箱齒輪傳動(dòng)系如圖5所示。該型割草機(jī)采用立式發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力經(jīng)皮帶傳輸后，通過蝸桿傳遞給蝸輪1，帶動(dòng)齒輪軸I轉(zhuǎn)動(dòng)。擋桿滑動(dòng)將齒輪3、4或齒輪2、6嚙合，帶動(dòng)后輪驅(qū)動(dòng)軸II轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)組前進(jìn)。在驅(qū)動(dòng)軸II上設(shè)計(jì)差速器結(jié)構(gòu)以方便動(dòng)力分配和機(jī)具轉(zhuǎn)向操控。齒輪7、8嚙合可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組倒退行駛。

(a)　齒輪系簡(jiǎn)圖

(b)　驅(qū)動(dòng)橋

在標(biāo)定工況下，汽油機(jī)額定轉(zhuǎn)速n1=2 600r/min，功率P=4.78kW，動(dòng)力經(jīng)皮帶輪，經(jīng)輸出軸傳遞給切割器，達(dá)到設(shè)計(jì)切割器切割速度v=65~80m/s(刀盤直徑d=500mm)。

由此得切割系統(tǒng)傳動(dòng)比為

i1=n1/n2=1.04

在標(biāo)準(zhǔn)工作狀況下，經(jīng)二級(jí)齒輪減速箱減速，再經(jīng)輸出軸傳遞給行走裝置，達(dá)到設(shè)計(jì)果園割草機(jī)工作速度vm=3.5km/h。取驅(qū)動(dòng)輪半徑為300mm。

故車軸轉(zhuǎn)速為

行走系統(tǒng)傳動(dòng)比為

i2=n1/n3=84.14

3田間試驗(yàn)

2014年9月10日，在保定市順平縣大悲鄉(xiāng)河北農(nóng)業(yè)大學(xué)“三優(yōu)”蘋果園試驗(yàn)站，進(jìn)行了田間割草試驗(yàn)。所選蘋果園所處地形為山地，試驗(yàn)田面積6 624m2，果樹種植方式為行距4m、株距1m的矮砧密植型模式，果樹種植年齡為1年，果樹單側(cè)平均枝展54.4cm。田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)(見表1)分析結(jié)果表明：該型割草機(jī)割工作性能良好，單位區(qū)域內(nèi)雜草撕裂率為0.47%，漏割率1.50%，雜草碎段區(qū)域平均長(zhǎng)度79.39mm，碎草性能較好，工作效率可達(dá)0.5hm2/h。

表1　隨行自走式果園割草機(jī)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4結(jié)論

1)根據(jù)農(nóng)藝作業(yè)要求和山地中小型果園環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了隨行自走式果園割草機(jī)，降低生草制果園割草作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

2)隨行自走式果園割草機(jī)的田間實(shí)驗(yàn)表明：割草機(jī)作業(yè)性能穩(wěn)定，割草效果良好，漏割率低，碎草效果好，能夠滿足中小型果園生草制管理作業(yè)需求。

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Design and Research of the Accompanying Self-propelled Mower Orchard

Wang Pengfei1, Liu Junfeng1, Gao Ying2, Li Jianping1, Liu Hongjie1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001,China; 2.Great Wall Motor Company Limited, Baoding 071000,China)

Abstract：Against the north mountain in the management of small and medium-sized dwarf anvil dense planting apple orchards sward facing the complex terrain of orchard, cut the grass down big problems, designed and developed with self-contained orchard lawn mower.This machine adopts double clutch structure, can achieve walking machine and cut the grass work control respectively.Manual control walking clutch can realize operation personnel accompanying, reduces the labor intensity.The machine design cutting length 60cm,stubble height can be adjusted within 5cm to 10cm, normal working speed is 3~5km/h, the field experiment results show that the retrofit mowing work performance is good, the unit area of weeds tear rate was 0.47%, the leakage rate cut 1.50%, weeds fragile region the average length of 79.39 mm, crushed grass performance is good, the efficiency can reach 0.5hm2 / h, the average fuel consumption of 4.75L/hm2.

Key words：apple orchard; grass system; mountain; double clutch; dwarfing close planting; mower

中圖分類號(hào)：S817.11+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0099-05

作者簡(jiǎn)介：王鵬飛(1986-)，男，石家莊人，助教，(E-mail)wangpengfeia@126.com。

基金項(xiàng)目：國家公益性行業(yè)科研(農(nóng)業(yè))專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201203016)；國家蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項(xiàng)(CARS-28)；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工基金項(xiàng)目(LG20140103)

收稿日期：2015-08-13