葡萄園避障除草機的設(shè)計

何義川，湯智輝，楊懷君，孟祥金，鄭 炫，張東超，朱站偉

(1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院 機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆位于北緯34°～50°之間，地處歐亞大陸腹地，光熱資源豐富，降水量少，氣候干燥，日照時間長，晝夜溫差大，是典型的大陸性氣候。因此，該地區(qū)有利于作物糖分的合成和營養(yǎng)物質(zhì)的積累，使得新疆的葡萄天然具有含糖量高、營養(yǎng)豐富及口感好等優(yōu)點。此外，新疆地區(qū)海拔比較高，空氣干燥，冬季溫度低，病蟲害的發(fā)生率低、危害輕，非常適宜葡萄的種植，與法國波爾多、美國加利福尼亞州并稱為世界葡萄的三大“天堂種植區(qū)”[1-3]。

近年來，新疆及兵團依托優(yōu)勢資源，葡萄產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，2016年新疆種植葡萄面積約14.9萬hm2、產(chǎn)量267.58萬t。其中，兵團種植葡萄4.5萬hm2，產(chǎn)量80.17萬t[4]；2016年，新疆及兵團葡萄產(chǎn)量約占全國葡萄產(chǎn)量的1/5[5]。與此同時，兵團依托其高度組織化和規(guī)?；芾韮?yōu)勢，大力推動了葡萄生產(chǎn)方式向集中連片、基地化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，并已在若干區(qū)域形成了規(guī)模化的葡萄生產(chǎn)基地。葡萄產(chǎn)業(yè)不僅是新疆及兵團的主要經(jīng)濟作物之一，也是對集約化、規(guī)?；咝a(chǎn)技術(shù)需求最旺盛的領(lǐng)域之一。新疆地區(qū)作為目前全國葡萄種植面積和產(chǎn)量最大的省份，是未來葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展最具潛力的產(chǎn)區(qū)，在行業(yè)已確立不可替代的地位。

但是，葡萄園雜草數(shù)量多生長快，爭奪肥水嚴重，特別是有些雜草還是病蟲的傳播媒介和寄主，使葡萄園病蟲害發(fā)生嚴重，從而影響果實的品質(zhì)和產(chǎn)量[6]。葡萄園人工除草勞動強度大，效率低，成本高；化學(xué)除草雖然效率高，但容易污染環(huán)境，使得葡萄殘留農(nóng)藥量大，對葡萄的品質(zhì)產(chǎn)生嚴重影響，對人的身體健康也造成一定的危害。因此，要采用非化學(xué)方式的除草方式來防治雜草，不但要做到環(huán)境“零污染”，且要降低除草作業(yè)成本、提高葡萄園除草作業(yè)效率和質(zhì)量。

隨著新疆兵團特色林果區(qū)域化布局、專業(yè)化生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營的不斷調(diào)整和優(yōu)化，葡萄產(chǎn)業(yè)將加速由數(shù)量擴張型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變，這就必然要解決葡萄生產(chǎn)過程中行株間雜草清除的突出問題。相比人工除草和化學(xué)除草，機械除草不但對環(huán)境無污染，而且具有對疏松土壤、提高地溫及蓄水保墑等優(yōu)點，因此研究一種葡萄園避障除草機是非常必要和迫切的。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作過程

1.1 設(shè)計原理

避障除草機前進時，避障傳感器未碰觸到葡萄植株及障礙物時，機具進行行間株間作業(yè)，避障系統(tǒng)不工作；當避障傳感器觸碰到葡萄植株及障礙物時，避障系統(tǒng)開始工作。此時，避障傳感器將信號傳遞給液壓控制系統(tǒng)進而控制株間除草裝置沿與機具前進垂直方向回縮，避免對葡萄植株損傷和遇到障礙物時對機具的損壞；當越過障礙后，株間除草裝置再次伸出進行株間除草作業(yè)，以此往復(fù)循環(huán)作業(yè)。具體的避障工作原理如圖1所示。

圖1 葡萄園避障除草機工作原理Fig.1 The working principle diagram of the vineyard obstacle avoidance weeding

1.2 總體設(shè)計

葡萄園避障除草機主要由機架、行間除草裝置、株間除草裝置、 鎮(zhèn)壓碎土裝置及液壓控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.機架 2.中央調(diào)節(jié)裝置 3.油缸 4.側(cè)機架 5.連接板 6.避障傳感器 7.株間除草裝置 8.鎮(zhèn)壓裝置 9.避障裝置 10.行間除草裝置圖2 葡萄園避障除草機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Vineyard obstacle avoidance weeding machine structure diagram

機架主梁由6mm厚的鋼板折彎焊合而成，橫截面呈六邊形，這樣有利于增加機架強度，同時可以保證左右兩個側(cè)機架可以方便地在主機架中自由左右調(diào)節(jié)。行間除草裝置主要由4～6個“人”字鏟刀構(gòu)成，均布在主梁的下方；株間避障除草裝置主要由避障傳感器和株間除草裝置構(gòu)成，左右對稱分別安裝在左右兩個側(cè)機架上。碎土鎮(zhèn)壓裝置由螺旋鏤空的帶齒鋼板組成，通過中央調(diào)節(jié)裝置和連接板安裝在機架的后部，主要起到限深和碎土鎮(zhèn)壓整地的作用。

1.3 工作過程

作業(yè)時，拖拉機懸掛裝置與機架三點懸掛聯(lián)接，液壓油缸通過液壓油管與拖拉機液壓控制系統(tǒng)連接，整機質(zhì)量由拖拉機承擔。首先，根據(jù)葡萄園不同的行間距離調(diào)節(jié)左右兩邊的側(cè)機架，使其達到合適的作業(yè)幅寬以確保與葡萄主稈不干涉；然后，根據(jù)葡萄園中耕除草的要求調(diào)節(jié)行間中耕鏟刀的高度；最后，結(jié)合中耕鏟刀的高度調(diào)節(jié)中央調(diào)節(jié)裝置控制鎮(zhèn)壓裝置的離地距離。

其主要技術(shù)參數(shù)如下:

外形尺寸/mm： 1 780×4 500×1 500(工作時)

1 780×2 500×1 500(運輸時)

作業(yè)幅寬/mm： 3 000～4 000(可調(diào))

作業(yè)速度/km·h-1： ≥2

配套動力/kW： ≥40.4

純工作小時生產(chǎn)率/hm2·h-1： ≥0.59

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 六邊形機架設(shè)計

由于新疆兵團標準化葡萄園種植的行距一般是3～4m，為了使機具可以適應(yīng)不同的行距要求，提高機具的通用性，在設(shè)計機具時將機架設(shè)計為三段式，即中間為機架主梁、左右兩邊各設(shè)計一個副機架，兩邊的副機架可以在主梁中左右移動調(diào)節(jié)作業(yè)幅寬。為了保證機具作業(yè)時可以承受較大的耕作阻力，機架采用65Mn材料的鋼板折彎成六邊形結(jié)構(gòu)，既可以實現(xiàn)主副機架的連接配合，也可以保證機架的整體結(jié)構(gòu)強度。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.主機架 2.右副機架 3.左副機架圖3 六邊形機架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Hexagon rack structure structure diagram

2.2 行間除草裝置設(shè)計

為了實現(xiàn)葡萄園淺層松土及切斷雜草，采用雙翼人字形鏟刀結(jié)構(gòu)，兩片鏟刀翅形分布，前部略低，后部略高，鏟柄居中[7]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 人字形鏟刀三維圖Fig.4 3D model of herringbone blade

人字形鏟刀的參數(shù)主要有：翼張角2γ，碎土角β，隙角ε，如圖5所示。

人字形鏟刀工作時，切根受力分析如圖6所示。要使雜草根能沿翼刃滑動，則必須滿足公式為

T≥F

式中T—雜草根沿刃口方向的力(N)；

F—阻止草根滑動摩擦力(N)。

根據(jù)圖6切根受力分析可知

T=Pcosγ

式中T—雜草根沿刃口方向的力(N)；

P—前進方向作用于雜草根的力(N)；

γ—翼張角(o)。

F=Ntgφ

式中F—阻止草根滑動摩擦力(N)；

N—雜草根對切刀的壓力(N)；

φ—雜草根與翼刃摩擦角(°)。

N=Psinγ

式中N—雜草根對切刀的壓力(N)；

P—前進方向作用于雜草根的力(N)；

γ—翼張角(°)。

故γ≤90°-φ，對于不同種類作物的根系其與金屬刃口的摩擦角度是不一樣的，雜草根茬與金屬類刃口的摩擦角大約為45°[8]。碎土角β愈大，碎土能力愈強，但是β太大土壤的側(cè)移量愈大，阻力愈大，取β取值不超過20°，隙角ε≤10°[9]。

1.左切刀 2.鏟柄 3.右切刀圖5 人字形鏟刀主要參數(shù)示意圖Fig.5 The diagram of main parameters of herringbone blade

圖6 切根受力分析圖Fig.6 Force analysis of cut

2.3 避障除草裝置設(shè)計

為了達到機具前進過程中既可以完成葡萄園行間除草、也可以實現(xiàn)株間除草的目的，設(shè)計了一種避障裝置，主要由連接機架、避障傳感器和株間除草裝置組成。在連接機架上設(shè)有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上設(shè)有感應(yīng)避障傳感器，連接機架底部設(shè)有換向液壓油缸。避障除草裝置工作向前行進時，株間除草裝置與行進方向呈垂直狀態(tài)，當機具工作遇到障礙時，感應(yīng)避障傳感器工作將信號傳遞給液壓油缸，液壓油缸控制轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動株間避障除草裝置轉(zhuǎn)動與行進方向呈平行狀態(tài)，實現(xiàn)避障效果。當越過障礙后，株間除草裝置再次伸出與行進方向呈垂直狀態(tài)，以此往復(fù)循環(huán)作業(yè)。具體的避障除草工作原理如圖7、圖8所示。

1.株間除草裝置 2.避障傳感器 3.連接機架圖7 避障割草裝置展開示意圖Fig.7 The spread out structure diagram of obstacle avoidance mowing device

1.株間除草裝置 2.避障傳感器 3.連接機架圖8 避障割草裝置避障示意圖Fig.8 The avoidance structure diagram of obstacle avoidance mowing device

2.4 碎土鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計

碎土鎮(zhèn)壓裝置主要由小機架、主軸和鎮(zhèn)壓器組成，如圖9所示。小機架通過螺栓與主軸相連接，主軸上穿裝有網(wǎng)紋形鎮(zhèn)壓器。作業(yè)時，網(wǎng)狀突起深入土中將次表層土壤壓實，在地表形成松軟的呈網(wǎng)狀花紋的覆蓋層，達到上松下實的要求，并有一定的碎土效果。碎土鎮(zhèn)壓器的主要作用是將中耕除草后的土壤壓碎、壓緊耕作層、平整土地，使得土壤松實并存，具有良好的保墑作用。

1.鎮(zhèn)壓器 2.主軸 3.小機架圖9 碎土鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Crushed soil and repression device structure diagram

3 田間試驗

2017年7月中旬，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第八師152團葡萄園進行了葡萄園株間避障除草機田間驗證試驗，配套動力為40.4kW拖拉機，如圖10所示。

通過試驗，測得葡萄園株間避障除草機在不同的作業(yè)速度和耕深作業(yè)時，碎土率都能達到90%以上，避障通過率達到100%。田間試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同作業(yè)速度機具作業(yè)性能指標Table 1 The performance index by obstacle avoidance weeding machine farming on different operating speed

4 結(jié)論

葡萄園避障除草機的設(shè)計結(jié)合了當前新疆及兵團葡萄生產(chǎn)規(guī)?；藴驶陌l(fā)展特點，在設(shè)計內(nèi)容上重點解決了當前葡萄園人工除草勞動強度大、費時費力，以及化學(xué)除草殘留農(nóng)藥大、影響葡萄品質(zhì)的問題。該機具可以與中小型拖拉機配套使用，提高了農(nóng)戶拖拉機利用率，并可在葡萄園中方便通行，機具主梁還可以根據(jù)需求掛接不同功能耕整地部件，一機多用，操作靈活方便。