輕簡型桑園除草機(jī)的設(shè)計(jì)研究＊

□盧營蓬 程方平 易文裕 王攀 陳進(jìn) 王春霞/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

0 引言

蠶桑是四川的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，也是四川農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入的重要來源之一。2017年，全省桑園面積達(dá)13萬hm2，居全國第二位。桑園大部分處于雨量充沛、陽光充足的地方，雜草種類繁多[1-2]，常見的雜草有幾十種，除草作業(yè)是桑園管理的一項(xiàng)重要工作。

桑園除草的主要措施有農(nóng)藥除草、人工除草、機(jī)械除草、生態(tài)除草等[3-7]。農(nóng)藥除草殘留的藥劑會(huì)污染桑葉和桑園環(huán)境。人工除草的人力成本高，除草效率低。機(jī)械除草比人工除草效率高，無農(nóng)藥污染，還能疏松土壤、提高地溫，具有蓄水保墑的功能[8-11]。此外，機(jī)械除草作業(yè)能切斷雜草并埋入土中，同時(shí)，能翻出草根，除草增肥的效用體現(xiàn)了農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有機(jī)結(jié)合[12]。

四川桑園主要分布在丘陵山區(qū)，園內(nèi)坡度大，行間間距小，現(xiàn)有除草機(jī)械入園困難，轉(zhuǎn)移不便。為此，本文設(shè)計(jì)了一種適宜丘陵山地桑園除草作業(yè)的輕簡型除草機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，桑園除草機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、車架、行走輪、除草輪等。動(dòng)力系統(tǒng)由電池、電機(jī)、控制器組成，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)軸和減速箱組成。電機(jī)安裝在車架下方，電機(jī)一側(cè)安裝有鋰電池和電機(jī)控制器，車架前端的把手布置有操控按鈕，控制除草機(jī)前進(jìn)和作業(yè)，行走輪具有中部支撐功能，扳動(dòng)車把可使除草機(jī)左右擺動(dòng)，不僅作業(yè)和轉(zhuǎn)移靈活，還可以有效消除漏除，提高除草率。

根據(jù)桑園農(nóng)藝條件和作業(yè)要求，設(shè)計(jì)桑園除草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力系統(tǒng)選配

動(dòng)力系統(tǒng)選配主要是為電機(jī)匹配合適的功率和型式，為電池匹配合理的參數(shù)和型式。電機(jī)輸出的功率應(yīng)滿足除草機(jī)在工作過程中所消耗的總功耗，包括整機(jī)行走功耗、除草輪作業(yè)功耗、傳遞損失等。

參照比阻法經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算旋耕機(jī)功耗的要求，優(yōu)先滿足功率要求，按式（1）計(jì)算桑園除草機(jī)總功耗[8,13]，其中，動(dòng)力系統(tǒng)傳遞損失主要由蝸輪蝸桿減速器產(chǎn)生，傳動(dòng)效率取值為0.6[14]。

式中：Kλ—旋耕比阻，N/cm2；

d—除草深度，cm；

vm—前進(jìn)速度，m/s；

B—除草寬度，m；

η—阻力修正系數(shù)；

f—行走輪滾動(dòng)摩擦因數(shù)；

m—整機(jī)質(zhì)量，kg；

ηw—傳動(dòng)效率。

圖1 除草機(jī)結(jié)構(gòu)

表1 除草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

除草機(jī)總功耗計(jì)算部分參數(shù)取值如表2。為計(jì)算最大功耗，作業(yè)速度取上限值，計(jì)算得到桑園除草機(jī)總功耗為1.22 kW，留一定余量，選用額定功率為1.50 kW的電機(jī)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 420 r/min。為滿足輕簡機(jī)型要求，選擇額定電壓48 V、容量30 Ah的鋰電池為電機(jī)提供動(dòng)力。

2.2 除草輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

除草輪的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括直徑、寬度、刀片數(shù)量和刀片排列型式。

除草輪的直徑與除草效率成正向關(guān)系，在作業(yè)速度相同時(shí)，直徑更大的除草輪與地面的接觸面積更大，除草效率更高，但作業(yè)面積的增大提升了切土阻力，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)要求更高，綜合考慮以上因素，除草輪的直徑取250 mm。

除草輪的寬度由整機(jī)除草寬度決定，采用雙除草輪并排的型式，取單個(gè)除草輪的寬度為200 mm。

刀片數(shù)量是除草效率的主要影響因素，參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)除草輪直徑，取同時(shí)切土的刀片數(shù)為2，參考旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)約一半刀片同時(shí)切土，考慮到除草機(jī)耕深比旋耕機(jī)淺，按1/3刀片數(shù)同時(shí)切土計(jì)算，則除草輪刀片數(shù)為6。

除草輪刀片需要布置合理的入土角度，使除草輪作業(yè)時(shí)刀片入土連續(xù)和受力均勻，參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選取65°和75°兩種刀片偏角進(jìn)行優(yōu)化比對(duì)，兩種偏角的刀片布置展開圖如圖2。

用除草機(jī)作業(yè)時(shí)除草輪刀片入土占空比來衡量刀片入土連續(xù)性，其定義為除草輪旋轉(zhuǎn)一周，無刀片入土的周向長度占整個(gè)除草輪外周長的比值，按式（2）計(jì)算[8]。

式中：y—占空比，%；

Z—單個(gè)除草輪刀片數(shù)；

c—相鄰兩刀片間無刀片入土的展開長度，mm；

L—除草輪展開外周長，mm。

計(jì)算參數(shù)如表3，除草輪A刀片偏角65°，除草輪B刀片偏角75°，取刀片寬度a為40 mm，計(jì)算得到刀片偏角65°時(shí)入土占空比為13.1%，刀片偏角75°時(shí)入土占空比為45.5%，因此選擇刀片偏角為75°。

除草輪刀片采用螺旋均布的形式安裝在除草輪外圓柱面上，左右兩側(cè)除草輪刀片旋向相反，對(duì)稱地安裝在減速器兩側(cè)，除草輪安裝布置如圖3。

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

除草機(jī)的動(dòng)力消耗包括行走部件和作業(yè)部件，為滿足輕簡化設(shè)計(jì)要求，采用除草輪作業(yè)兼行走的方式，簡化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)由傳動(dòng)軸、減速器全部傳遞至除草輪，僅依靠除草輪的驅(qū)動(dòng)力牽引除草機(jī)前進(jìn)，動(dòng)力不經(jīng)過行走輪，單路的動(dòng)力傳遞路線使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)大大簡化，整機(jī)較輕便，滿足丘陵山地桑園靈活作業(yè)的要求。

蝸輪蝸桿減速器具有結(jié)構(gòu)緊湊、沖擊振動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)，因此，選取蝸輪蝸桿減速器將動(dòng)力由傳動(dòng)軸傳遞至除草輪。蝸輪蝸桿減速器的速比需根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和除草機(jī)作業(yè)速度確定，參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)作業(yè)條件相近的滅茬刀輥約300 r/min的轉(zhuǎn)速[13]，選取蝸輪蝸桿減速器傳動(dòng)比為5，則除草輪額定工作轉(zhuǎn)速為284 r/min。

3 結(jié)論

1）除草機(jī)由電機(jī)提供動(dòng)力，采用單路動(dòng)力傳動(dòng)方式，動(dòng)力經(jīng)電機(jī)由傳動(dòng)軸、蝸輪蝸桿減速器直接傳遞至除草輪，除草輪兼具行走和作業(yè)功能，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，操作輕便，符合輕簡型桑園除草機(jī)設(shè)計(jì)要求。

2）采用中部行走輪支撐結(jié)構(gòu)，整機(jī)質(zhì)量分配均衡，借助中部支撐，扳動(dòng)車把靈活，還可以有效消除兩個(gè)除草輪之間空隙造成的漏除，提高除草率。

表2 功耗計(jì)算參數(shù)

表3 刀片入土占空比計(jì)算參數(shù)

圖2 65°偏角和75°偏角的刀片布置展開圖

圖3 除草輪刀片布置型式

3）采用75°刀片偏角除草輪，有利于提高作業(yè)效率，相比65°刀片偏角的除草輪有更大的占空比，對(duì)土壤的鏟擊力增強(qiáng)，雜草更容易被切除。

4）本文對(duì)桑園除草機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，有待在桑園中針對(duì)設(shè)計(jì)的桑園除草機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證并測試其除草率等相關(guān)指標(biāo)，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。