果園株間除草自動讓樹裝置的設計

王 磊，張 斌，張宏文，李光耀，郭世龍，劉秀每

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆林果業(yè)的快速發(fā)展為農(nóng)業(yè)機械的快速發(fā)展提供了良好平臺。果園中耕除草作業(yè)是土壤管理的基本環(huán)節(jié)，也是必不可少的環(huán)節(jié)之一。果園通過中耕除草作業(yè)具有許多優(yōu)點：①有效改善土壤環(huán)境；②土壤結(jié)構(gòu)得到改善，有利于土壤有機質(zhì)的含量增加；③增加土壤水分的滲入；④提高土壤水分利用率；⑤降低生產(chǎn)成本，增加農(nóng)民收入[1]。

實踐證明：果園經(jīng)過中耕除草作業(yè)之后，土壤中水分的蒸發(fā)減少了15% 左右，土壤有效持水約增加了33%[2]，不僅可保護地表層，且對耕地物理、化學性能起到了有效作用，為果樹的生長發(fā)育、增加林果產(chǎn)量、提高農(nóng)民收入提供了有利條件。

我國對林果間的中耕除草作業(yè)主要采用旋耕機、彈齒耙等機械，這些機械具有較強的切土能力和較好的碎土能力，作業(yè)時不必擔心會對土壤深層結(jié)構(gòu)造成破壞，且作業(yè)之后地表比較平整、松碎，達到了精耕細作的農(nóng)業(yè)要求[3]。但是，果園中耕除草作業(yè)和普通大田作業(yè)截然不同，在普通大田中作業(yè)時，機具可以寬幅、循環(huán)作業(yè)，而不必考慮作物對中耕機械的影響；在果園中作業(yè)時，果樹則成了中耕機械前進的障礙物。由于果樹對機具的影響，通用彈齒耙、旋耕機[4]在林果間作業(yè)時，有時為了避讓果樹根莖，造成果園中株距之間的區(qū)域無法耕作，形成了漏耕現(xiàn)象，需要人工進行二次作業(yè)，增加了勞動成本，降低了勞動生產(chǎn)率。根據(jù)以上問題，現(xiàn)在農(nóng)民大多選用微耕機進行果園作業(yè)[5]，因為微耕機可以通過一次耕作完成對果樹株間、行間作業(yè)；但是，目前的微耕機比較笨重，操作比較困難，且勞動強度非常大、耕作質(zhì)量相對較差，耕作效率較低[6]，需要投入大量的人力物力，不適應在新疆果園中作業(yè)，反而制約了新疆林果業(yè)機械化作業(yè)發(fā)展的速度。

實現(xiàn)果園精確作業(yè)的自動讓樹除草機械在我國處于剛起步階段，且投入市場的相關(guān)機型非常少。因此，設計一種能與新疆果園種植模式相適應的果園株間自動讓樹裝置，對減少人力和物力資源的浪費、提高勞動生產(chǎn)率和果園機械化作業(yè)水平、實現(xiàn)新疆果園生產(chǎn)機械化具有現(xiàn)實意義。

1 整機結(jié)構(gòu)與參數(shù)

1.1 整機機構(gòu)

果園株間除草機由讓樹裝置、彈齒耙、動力系統(tǒng)、主梁、調(diào)節(jié)彈簧及刀托等組成，如圖1所示。行間除草裝置彈齒耙分為前后兩組，分別安裝在主機架前后的兩個主梁上，并借助于機架主梁、螺栓及彈簧拉桿固定到機架上；株間除草裝置安裝于機架的一側(cè)，也可同時安裝在機架的兩側(cè)，主要用于除去株間雜草，這是一般除草機械所不具有的；機械感應觸桿由鋼筋折彎所制，作用是測量除草刀具與果樹之間的距離，從而控制液壓閥進行換向，保證除草刀具能夠安全避開果樹或障礙物，從而保證除草刀具能夠快速、高效的果園作業(yè)。

1.讓樹裝置 2.彈齒耙 3.限深輪 4.懸掛架 5.前梁 6.彈簧 7.加強筋 8.主梁 9.刀托 10.V型塊

1.2 果園株間自動讓樹裝置的工作原理

果園株間除草裝置作業(yè)時，若機械感應觸桿沒接觸到果樹或者障礙物時，此時株間除草裝置寬幅作業(yè)，且液壓系統(tǒng)不工作；若機械感應觸桿接觸到果樹或者障礙物，此時機械感應觸桿受力彎曲并繞軸旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)動過程中壓力控制閥因受力而做出響應，使液壓控制系統(tǒng)工作，進而控制液壓缸進行伸長或收縮運動，從而控制讓樹裝置沿與機具前進垂直方向旋轉(zhuǎn)，株間除草裝置改變作業(yè)路徑，避免了除草刀具損傷果樹和障礙物對刀具的磨損。當株間除草刀具讓樹工作結(jié)束后，由于機械感應觸桿所受的外力消失，機械感應觸桿將回到最初位置，作用在壓力閥上的外力減少，促使液壓系統(tǒng)控制液壓缸收縮或伸長運動；讓樹裝置避障結(jié)束后，除草裝置進行寬幅作業(yè)，如此往復循環(huán)作業(yè)。果園株間除草裝置能有效避免了自走式一般除草機械少耕、漏耕現(xiàn)象，有利于作物的生長，提高了果園全過程機械化作業(yè)效率。讓樹裝置具體工作原理如圖2所示。

1.3 自動讓樹裝置調(diào)整機構(gòu)的設計

自動讓樹裝置調(diào)整機構(gòu)不僅是除草刀具的主要支撐部件，而且可通過液壓缸的伸縮來調(diào)整除草刀具的耕作深度，以適應不同地質(zhì)的土壤。除草刀具通過刀軸固定在調(diào)節(jié)機構(gòu)上水平板和調(diào)節(jié)機構(gòu)下水平板上，刀具安裝板由液壓缸鉸接板、調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝板、調(diào)節(jié)機構(gòu)上水平板、調(diào)節(jié)機構(gòu)下水平板、U型卡槽、調(diào)節(jié)機構(gòu)平板、銷軸、合頁、安裝板及調(diào)整機構(gòu)連接板等部件組成。株間自動讓樹裝置調(diào)整機構(gòu)如3所示。本裝置設計應滿足以下要求：①結(jié)構(gòu)簡單可靠，安裝方便，保證耕作質(zhì)量要求；②整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能好，盡可能減少耕作過程中產(chǎn)生的機具振動；③除草刀具安裝板與機架聯(lián)接應簡單、可靠，采用1對V型夾板用螺栓固定；④除草刀具的耕作深度便于調(diào)節(jié)，以適合不同地況的耕作要求，提高了果園機械式除草效率。

圖2 讓樹工作原理圖

1.液壓缸鉸接板 2.調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝板 3.調(diào)節(jié)機構(gòu)上水平板 4.調(diào)節(jié)機構(gòu)下水平板 5.U型卡槽 6.調(diào)節(jié)機構(gòu)平板7.銷軸 8.合頁 9.安裝板 10.調(diào)整機構(gòu)連接板

2 果園株間自動讓樹裝置液壓系統(tǒng)的設計

2.1 液壓系統(tǒng)的方案設計

1)液壓缸的外載負荷分析。果園株間自動讓樹裝置在果園中耕作業(yè)時，液壓缸帶動除草刀具自動讓開果樹或障礙物，機架和自動讓樹裝置的總質(zhì)量為450kg。由于果園株間自動讓樹裝置讓樹動作時間較短，因此整個讓樹裝置過程可以看作是除草刀具做勻速旋轉(zhuǎn)進行株間除草作業(yè)。液壓缸所承受的負載主要是克服除草刀具切割土壤時所產(chǎn)生的工作阻力Ff，其計算公式為

Ff=(1+a)(Ff1+Ff2)

其中，F(xiàn)f1=μ1m1g，μ1為刀具與土壤間的摩擦因數(shù)，m1為自動讓樹裝置總質(zhì)量；Ff2=μ2m2g，μ2為土壤與土壤間的內(nèi)摩擦因數(shù)，m2為 土壤的總質(zhì)量。

2)液壓回路的方案設計。果園株間自動讓樹裝置液壓系統(tǒng)一般為農(nóng)用機械中的簡單中低壓系統(tǒng)，要求液壓缸的動作迅速且流量較大，又因為液壓閥組換向和控制精度不高，因此選用齒輪泵作為液壓系統(tǒng)的動力元件，給中低壓提供大流量的液壓油，進而完成執(zhí)行元件的動作。

3)液壓系統(tǒng)方向控制方案設計。此系統(tǒng)為中低壓系統(tǒng)且流量較大，機械感應觸桿控制液壓閥組，因此要求閥組要用機動控制，又考慮到機械感應觸桿工作形式有不碰果樹和碰到果樹兩種狀態(tài)，而相應地僅能控制液壓閥組產(chǎn)生1次執(zhí)行動作，因此本方案采用兩位兩通換向閥來滿足上述功能。

4)背壓和安全保護。為了保證株間自動讓樹裝置在進行換向時降低液壓沖擊，在回油路上設計了平衡閥來增加背壓，起保護作用，且在泵的出口設有溢流閥作為系統(tǒng)調(diào)壓與安全保護作用。

5)輔助回路方案設計。為了保證液壓油的清潔度，在液壓泵入口處設有吸油過濾器；為了更好地觀察各閥組調(diào)壓時的變化，因此在液壓泵的出口處設有壓力表。

根據(jù)上述液壓系統(tǒng)的設計，最終液壓系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

2.2 液壓泵所需最大工作壓力

果園株間自動讓樹裝置的讓樹動作是液壓缸驅(qū)動液壓油缸鉸接板繞軸旋轉(zhuǎn)。在果園中耕作業(yè)時，機械感應觸桿碰到果樹或障礙物，此時彈簧卡板會觸發(fā)形成開關(guān)，液壓系統(tǒng)工作。在此過程中，液壓系統(tǒng)所需的最大壓力在自動讓樹裝置讓樹結(jié)束復位時，即為液壓缸收縮時所克服的外界負載壓力，其最大工作壓力計算公式為

Pp≥P1max+∑Δp

其中，P1max為液壓缸最大工作壓力，取P1max=17.82MPa；Σ△p為液壓管路工作過程壓力損失之和，簡單液壓系統(tǒng)為0.2～0.5MPa。

對于復雜液壓系統(tǒng)，壓力損失之和為0.5～1.5MPa。本設計液壓系統(tǒng)屬于一般簡單系統(tǒng)，因此取壓力損失之和為0.3MPa[7]。

由上式可計算出液壓泵在工作時所需的最大工作壓力為

Pp≥P1max+∑Δp=18.12MPa

1.液壓泵 2.過濾器 3.液壓油箱 4.液位器 5.直動溢流閥 6.二位四通電磁換向閥 7. 液壓缸 8.平衡閥圖4 液壓系統(tǒng)

2.3 液壓泵最大流量計算

果園株間自動讓樹裝置在果園中耕作時系統(tǒng)產(chǎn)生最大流量的時刻為液壓缸動作時，根據(jù)公式可得液壓泵工作時的最大流量為

qp≥K(∑Δq)max

其中，(Σ△p)max為液壓缸工作時所需的最大流量，取(Σ△p)max=108mL/s；K為液壓系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，一般K=1.1～1.3，若流量大取最小值，反之取大值。本設計液壓系統(tǒng)為小流量液壓系統(tǒng)[8]，故取K=1.1。

由上式可得液壓泵最大流量為

qp≥K(∑Δq)max=18.8mL/s

2.4 液壓泵規(guī)格的確定

根據(jù)液壓系統(tǒng)所需的流量及液壓泵的排量，其參考值公式為[9]

2.5 液壓系統(tǒng)的模型建立

根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理圖，利用AMESim軟件建立果園株間自動讓樹裝置液壓系統(tǒng)的虛擬模型，如圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)仿真模型

依據(jù)果園株間自動讓樹裝置液壓系統(tǒng)的仿真模型，對液壓系統(tǒng)進行仿真分析，可獲得液壓系統(tǒng)的仿真結(jié)果分階段信號、液壓缸流量仿真曲線、液壓的速度曲線及液壓缸的位移仿真曲線，如圖6～圖9所示。

圖6 分階段仿真信號

圖7 液壓缸流量仿真曲線

圖8 液壓缸速度仿真曲線

圖9 液壓缸位移仿真曲線

由仿真結(jié)果可得：為了保證液壓缸的初始狀態(tài)為收縮狀態(tài)，在0～0.44s時間段內(nèi)為刀具接觸果樹或障礙物讓樹過程；0.32～0.5s讓樹過程結(jié)束之后為刀具復位過程。由圖7與圖8可知：液壓缸收縮速度為1.08m/s，液壓缸流量為11 L/min，持續(xù)作業(yè)時間為0.44s；讓樹動作結(jié)束之后，液壓缸的伸出速度為2.26m/s，液壓缸流量為27L/min，持續(xù)作業(yè)時間為0.2s。由圖9可知：在整個讓樹過程中，液壓缸的位移曲線平滑且無較大的波動，可以有效地防止液壓缸活塞與底座的沖擊、擠壓，同時驗證了液壓缸行程的合理性與仿真模型建立的正確性。

3 田間試驗

為了檢測果園株間自動讓樹裝置在果園間的工作性能，以級為進一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)，對田間試驗所測到的數(shù)據(jù)與理論設計計算獲得的數(shù)據(jù)進行分析、比較，來檢驗和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計。

3.1 試驗內(nèi)容

試驗的主要內(nèi)容包括：果園株間自動讓樹裝置在不同作業(yè)速度下的耕作深度、漏耕率、讓樹通過率及讓樹系統(tǒng)在工作時的穩(wěn)定性，如表1所示。

表1 果園株間自動讓樹裝置耕作性能指標

本次試驗在阿克蘇農(nóng)一師農(nóng)場完成，試驗選取農(nóng)用配套拖拉機X804，田間試驗全過程如圖10所示。

圖10 果園株間自動讓樹裝置田間試驗過程Fig.10 Procedure of filed test using automatic setup

3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗中采用拖拉機慢Ⅳ檔進行田間耕作，前進速度為5.5km/h。果園株間自動讓樹裝置各項試驗結(jié)果如表2～表4所示。

1)耕作深度測定。每次取10個點作為測量點，測量結(jié)果如表2所示。

表2 果園株間自動讓樹裝置耕深性能測定結(jié)果

續(xù)表2 cm

由表2計算可得：果園作業(yè)平均耕深a=7.55cm，耕深平均標準差S=0.71，變異性平均系數(shù)V=9.36%，穩(wěn)定性平均系數(shù)U=90.64%。

2)果園漏耕率及讓樹通過率測量結(jié)果如表3和表4所示。

表3 果園漏耕率測量結(jié)果

表4 果園讓樹通過率測量結(jié)果

表3、表4中數(shù)據(jù)表明：果園株間自動讓樹裝置在果園間作業(yè)時，漏耕率為4.75%，滿足本設計要求；讓樹通過率為100%，工作時系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠，滿足設計要求。

4 結(jié)論

根據(jù)新疆果園采用矮化密植的園藝種植模式，設計了一種與新疆大規(guī)模果園種植模式相匹配的株間除草裝置，能夠?qū)χ觊g精確作業(yè)，同時解決了果園機械化作業(yè)時產(chǎn)生的漏耕現(xiàn)象，避免了人工二次補耕等問題，對新疆果園實現(xiàn)機械化作業(yè)具有現(xiàn)實意義。