HXJ-1型棗樹修剪機(jī)的研制

張琦峰,鐘 波,孫盛剛,秦喜田,劉學(xué)峰,劉學(xué)串

(1.山東農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院,濟(jì)南 250100;2.山東雙佳農(nóng)裝科技有限公司,濟(jì)南 250100)

0 引言

紅棗是我國特色林果經(jīng)濟(jì)作物[1],在我國分布廣泛,自東北南部至華南、西南,西北到新疆均有種植,且以黃河中下游、華北平原栽培最為普遍[2]。棗樹修剪可分為老樹復(fù)壯修剪、幼樹整形修剪和盛果期修剪[3]。老樹復(fù)壯修剪主要對(duì)其衰老枝進(jìn)行復(fù)壯更新,老棗樹棗頭枝殘缺不齊,棗股稀少,坐果率低,根據(jù)其衰老程度進(jìn)行復(fù)壯修剪,可以使其萌發(fā)健壯分枝,形成新樹冠,大幅提高棗果產(chǎn)量。研究表明,通過棗樹復(fù)壯修剪可以使棗果產(chǎn)量增加25%以上[4]。幼樹整形修剪的目的是形成合理的樹形結(jié)構(gòu)和樹冠形狀,棗頭枝的生長大致呈之字形螺旋均布,適宜棗樹的樹形較多,密植情況下多選用紡錘形或雙主枝開心形,這兩種樹形樹冠通風(fēng)透光性好,大小適宜,樹形結(jié)構(gòu)層次分明。盛果期修剪的則主要修剪密擠枝及徒長枝等,防止樹冠紊亂,合理調(diào)節(jié)營養(yǎng)生長和結(jié)果生長。目前,國內(nèi)的棗園仍然以人工手持修枝剪進(jìn)行單枝修剪為主,輔以梯子、凳子等簡(jiǎn)易工具,不僅修剪效率低,而且操作不便,同時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性。發(fā)達(dá)國家果樹機(jī)械化修剪技術(shù)的研究于20世紀(jì)60年代已經(jīng)開始,目前其生產(chǎn)效率比人工提高5～10倍[5-7]。隨著我國紅棗種植面積增大和現(xiàn)代化棗園的不斷出現(xiàn),傳統(tǒng)的人工管理方式已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足發(fā)展需求。棗樹機(jī)械化修剪技術(shù)結(jié)合了農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝特點(diǎn),在棗樹統(tǒng)一樹形、增加棗果產(chǎn)量及減低生產(chǎn)成本等方面有重要意義。為此,筆者研發(fā)了一種棗樹修剪機(jī),以提高修剪質(zhì)量和效率,推動(dòng)棗園全程機(jī)械化管理。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過程

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

HXJ-1型棗樹修剪機(jī)主要由仿形機(jī)架總成、修剪總成、棗吊去除總成和液壓系統(tǒng)等組成,如圖1所示。

1.仿形機(jī)架總成 2.修剪總成 3.棗吊去除總成 4液壓系統(tǒng)圖1 HXJ-1型棗樹修剪機(jī)Fig.1 HXJ-1 jujube tree prunner。

該機(jī)具有良好的仿形性,工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),結(jié)合農(nóng)藝要求,具備棗吊去除功能,基本修剪作業(yè)工作穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于安裝操作。

1.2 工作原理

HXJ-1型棗樹修剪機(jī)以拖拉機(jī)為配套動(dòng)力,懸掛安裝于拖拉機(jī)前配重位置,設(shè)置單獨(dú)油箱,以拖拉機(jī)的PTO后動(dòng)力輸出作為主要驅(qū)動(dòng)動(dòng)力,配合齒輪泵提取液壓油,在電磁閥組的控制下完成相關(guān)作業(yè)。工作時(shí),修剪機(jī)側(cè)置于拖拉機(jī)一側(cè),在液壓油缸的牽引下完成仿形機(jī)架調(diào)整以控制樹形,安裝在仿形機(jī)架上的修剪裝置分別對(duì)棗樹的左、右兩側(cè)和上側(cè)進(jìn)行統(tǒng)一修剪[8-9];棗吊去除總成對(duì)修剪過的棗枝進(jìn)行擊打,利用棗樹落果性的特點(diǎn)去除棗吊。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 仿形機(jī)架的設(shè)計(jì)

依據(jù)合理密植要求對(duì)棗樹進(jìn)行修剪,使樹高小于行距。依據(jù)棗樹品種不同,一般行距為3m和4m,紡錘形樹體樹高通常控制在2.5m,其定干高度一般80～100cm。在進(jìn)行機(jī)架設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)充分滿足農(nóng)藝需求,重點(diǎn)考慮機(jī)架的仿形性[10-12]。

HXJ-1型棗樹修剪機(jī)的仿形機(jī)架主要有主干機(jī)架和掛接機(jī)架組成:主干機(jī)架呈倒L型,用于連接拖拉機(jī)及將修剪機(jī)置于拖拉機(jī)一側(cè),通過主干機(jī)架部件間的銷軸可以調(diào)整修剪機(jī)與地面及拖拉機(jī)之間的距離和角度;掛接機(jī)架用來安裝修剪總成并使之與主干機(jī)架連接,通過調(diào)節(jié)掛接位置及牙嵌式離合器,可以靈活地改變修剪形狀,使設(shè)備具有有較高的仿形性。仿形機(jī)架總成如圖2所示。

1.主干機(jī)架 2.掛接機(jī)架 3.牙嵌式離合器 4.轉(zhuǎn)軸圖2 仿形機(jī)架總成Fig.2 Copying frame assembly。

2.2 修剪總成的設(shè)計(jì)

目前,國內(nèi)外普遍采用的果樹修剪方式是整株幾何修剪[13],修剪器統(tǒng)一去除作業(yè)過程中阻礙設(shè)備通過的枝條。常見的果樹修剪器有往復(fù)割刀式修剪器、轉(zhuǎn)刀式修剪器及圓盤鋸式修剪器[14]。

HXJ-1型棗樹修剪機(jī)的修剪器采用圓盤鋸式修剪器,特點(diǎn)是不需要慣性力平衡,不容易堵塞,割下的枝條拋撒形狀均勻,方便收集,適應(yīng)中、高速聯(lián)合作業(yè)[15-16]。修剪器分為左右兩側(cè)及上側(cè),每側(cè)的結(jié)構(gòu)及工作原理類似,主要由護(hù)罩、液壓馬達(dá)、傳動(dòng)總成、圓盤鋸及支撐桿等組成,如圖3所示。

1.護(hù)罩 2.液壓馬達(dá) 3.傳動(dòng)總成 4.圓盤鋸 5.支撐桿圖3 修剪總成Fig.3 The clamping and feeding device。

2.2.1 圓盤鋸

對(duì)圓盤鋸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,如圖4所示。

圖4 圓盤鋸運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.4 Motion analysis diagram of disc saw。

圖4中,圓盤鋸繞O點(diǎn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)隨設(shè)備整體以速度U水平前進(jìn),任意取鋸齒頂端a、b兩點(diǎn),則a、b兩點(diǎn)的軌跡方程為

(1)

(2)

其中,R為圓盤鋸半徑,β為aO與bO的夾角,ω為角速度。

當(dāng)a點(diǎn)轉(zhuǎn)過π/2時(shí),則

(3)

當(dāng)b點(diǎn)轉(zhuǎn)過π/2-β時(shí),則

(4)

保證不會(huì)發(fā)生漏剪的條件為

xa1-xb1=h

(5)

其中,h為鋸路高度。

將式(3)、式(4)帶入式(5),得

(6)

結(jié)合相關(guān)研究[17-18],確定圓盤鋸直徑355mm,刀齒數(shù)量80,圓盤鋸轉(zhuǎn)速1 800～2 000r/min。修剪總成共設(shè)置16個(gè)圓盤鋸,相鄰鋸片交錯(cuò)布置,交錯(cuò)長度100mm,保證不漏剪。其中,上側(cè)修剪器設(shè)置4個(gè)圓盤鋸,總長度約1 100mm;左右兩側(cè)修剪器各設(shè)置6個(gè)圓盤鋸,總長度約1 600mm。

2.2.2 支撐桿

單支撐桿剪切適用于喬木、灌木的枝條修剪。支撐桿的支撐位置確定了枝條與圓盤鋸的相對(duì)位置,按照枝條與圓盤鋸的相對(duì)位置可以將單支撐桿剪切分為3類,即上位剪切、中位剪切和下位剪切。分別對(duì)此3種情況的棗枝進(jìn)行受力分析[19-20],如圖5所示。

圖5 棗枝受力分析圖Fig.5 Force analysis chart of jujube branches。

圖5中,O為圓盤鋸回轉(zhuǎn)中心;θ為剪切點(diǎn)與O的連線與水平方向夾角;Ft為棗枝受到圓盤鋸的切向力;Fn為支撐桿對(duì)棗枝的支撐力;Ff為棗枝受到圓盤鋸前進(jìn)的壓力;F為棗枝受到的合力;τ為F與水平方向夾角。

(7)

(8)

(9)

剪切過程中,F越小則表明剪切越穩(wěn)定,剪切效果越好。由式(7)～式(9)可以得出:當(dāng)采用中位剪切時(shí),F最小,棗枝近似于靜止?fàn)顟B(tài),剪切過程最穩(wěn)定;采用上位剪切和下位剪切時(shí),受力不平衡,棗枝易發(fā)生滑動(dòng),實(shí)際表現(xiàn)為切不斷或切不著。

2.3 棗吊去除總成

擊打去除機(jī)構(gòu)通常采用旋轉(zhuǎn)軸或旋轉(zhuǎn)筒帶動(dòng)若干擊打桿件對(duì)枝條產(chǎn)生震動(dòng)或敲擊的原理實(shí)現(xiàn)去除作業(yè)。按照擊打桿件在旋轉(zhuǎn)軸軸向的布置形式可以分為均布式和螺旋式兩種。HXJ-1型棗樹修剪機(jī)的棗吊去除總成采用螺旋式布置,特點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)軸徑向面內(nèi)擊打頻率低,旋轉(zhuǎn)軸軸向面內(nèi)擊打密度大,其目的在于最大范圍內(nèi)去除作業(yè)區(qū)域的棗吊,而避免對(duì)同一棗枝反復(fù)擊打造成損傷。

2.3.1 棗吊去除總成結(jié)構(gòu)

棗吊去除總成主要由滾筒、擊打桿、液壓馬達(dá)及仿形支架組成,如圖6所示。其滾筒高度570mm,安裝7根擊打桿,擊打桿長度480mm,擊打桿布置方式如圖7所示。

1.滾筒 2.擊打桿 3.液壓馬達(dá) 4.仿形支架圖6 棗吊去除總成Fig.6 Jujube hanging removal assembly。

圖7 擊打桿布置圖Fig.7 Hitting rod layout。

2.3.2 擊打桿運(yùn)動(dòng)分析

擊打桿件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析如圖8所示。

圖8 擊打桿運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.8 Kinematics Analysis Diagram of Hitting Rod。

圖8中,O為旋轉(zhuǎn)軸;桿件外端點(diǎn)繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)隨設(shè)備整體以速度v1做勻速直線運(yùn)動(dòng);θ為桿件轉(zhuǎn)過的角度;d為擊打桿長度。

對(duì)外端點(diǎn)構(gòu)建運(yùn)動(dòng)方程,即

(10)

對(duì)式(1)求導(dǎo)得

(11)

則外端點(diǎn)速度V為

(12)

運(yùn)用SolidWorks motion追蹤外端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡(見圖9)[21],設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速為120r/min,設(shè)備前進(jìn)速度為0.8m/s。圖9(a)中,單支擊打桿外端點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸徑向面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈余擺線;圖9(b)中,棗吊去除總成整體在旋轉(zhuǎn)軸軸向面內(nèi)擊打密度大,對(duì)于作業(yè)范圍內(nèi)某一點(diǎn)的重復(fù)擊打率低,符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 擊打桿外端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.9 The outer endpoint motion trajectory of hitting rod。

2.4 液壓系統(tǒng)

HXJ-1型棗樹修剪機(jī)的液壓系統(tǒng)主要由動(dòng)力單元、控制單元及執(zhí)行單元組成[22-23]。配置單獨(dú)的油箱及齒輪泵,以解決拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出壓力不足問題。液壓系統(tǒng)主要由齒輪油泵及油箱、電磁閥組件、油缸及液壓馬達(dá)等組成,如圖10所示。

1.液壓泵 2.油濾器 3.動(dòng)力輸出 4.電磁多路閥 5.液壓油缸 6.驅(qū)動(dòng)馬達(dá)圖10 液壓系統(tǒng)示意圖Fig.10 Schematic diagram of hydraulic system。

3 田間性能測(cè)試

該機(jī)于2018年11-12月在山東濟(jì)南進(jìn)行了田間測(cè)試,配套動(dòng)力為36.75kW拖拉機(jī)。對(duì)棗枝漏剪率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),漏剪率≤10。漏剪率計(jì)算式為

(13)

其中,η為漏剪率,a為漏剪枝數(shù),c為總枝數(shù)。

樣機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

表1 HXJ-1型棗樹修剪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of 4QG-2 silage harvester。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種棗樹修剪機(jī),可對(duì)棗樹進(jìn)行機(jī)械化高效修剪,配合簡(jiǎn)單的人工內(nèi)部精細(xì)修剪,可完成棗樹統(tǒng)一樹形及老樹復(fù)壯等作業(yè)。

2)設(shè)計(jì)了一種棗吊去除裝置,建立了棗吊擊打桿外端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程,通過SolidWorks motion進(jìn)行仿真模擬。結(jié)果表明:單支擊打桿外端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線,棗吊去除裝置整體擊打密度大,單點(diǎn)擊打頻率低,符合農(nóng)藝需求。

3)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,功能完備,工作可靠。

4)田間試驗(yàn)表明:HXJ-1型棗樹修剪機(jī)可較好地完成棗樹的高效機(jī)械化修剪作業(yè),性能穩(wěn)定可靠,各項(xiàng)測(cè)定值均符合要求,降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度,推動(dòng)了果園全程機(jī)械化管理進(jìn)程。