葡萄自動避障株間除草機的設(shè)計與驗證

高 強，袁向東

（1.寧夏農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣站，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750001；2.寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，寧夏回族自治區(qū) 銀川 75000）

葡萄園除草管理對于提高葡萄品質(zhì)至關(guān)重要。目前，除草方法主要分為化學(xué)除草和非化學(xué)除2 種方法，長期使用化學(xué)方法除草使用會破壞生態(tài)環(huán)境，非化學(xué)除草中機械除草方法應(yīng)用較廣。葡萄行間除草機械目前種類較多且成熟，但葡萄株間除草需避免對葡萄主桿、枝條的損傷并能高效完成除草作業(yè)，難度較大，因此株間除草機械研究進展緩慢。

目前研究主要針對株距較大的作物，而賀蘭山東麓籬架式葡萄栽培模式多且不規(guī)范，株距在500~1 000 mm，行距在2 500~3 500 mm，栽培模式主要有廠字形、獨龍臂、T 形等，葡萄主桿與地面水平傾斜角度為26°~90°，第一道架絲離地高度159~700 mm，導(dǎo)致株間除草作業(yè)空間有限，容易傷株，加大了葡萄株間除草機械化的難度，目前，國內(nèi)外研制的葡萄除草機都不能很好地進行除草作業(yè)。本文主要針對株距≥600 mm 的籬架式釀酒葡萄的株間除草問題，設(shè)計了適用賀蘭山東麓釀酒葡萄多種栽培模式、可自動避障的葡萄自動避障株間除草機（以下簡稱除草機），并進行了田間機具性能試驗和結(jié)果驗證。

1 整機結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

葡萄自動避障株間除草機主要包括機架、限深機構(gòu)、傳動機構(gòu)、液壓系統(tǒng)及自動避障除草機構(gòu)等。機架采用方管構(gòu)件，前端焊有三點懸掛架，液壓齒輪泵通過萬向節(jié)與拖拉機后輸出軸相連；限深機構(gòu)包括地輪和地輪高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)；除草機的液壓系統(tǒng)由電磁閥組、液壓齒輪泵、液壓油箱、風(fēng)冷器、液壓馬達、液壓油缸和油管等組成；自動避障除草機構(gòu)由避障觸桿、觸桿復(fù)位彈簧、拔草盤、拔草爪和除草刀等組成。其整機結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 葡萄自動避障株間除草機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Grape automatic obstacle avoidance between plant weeding machine structure drawing

1.2 工作原理

機具通過三點懸掛與拖拉機連接。作業(yè)時，駕駛員根據(jù)除草機與葡萄植株的距離，可調(diào)節(jié)寬度調(diào)節(jié)液壓缸改變除草刀作業(yè)寬度以達到最佳除草位置，調(diào)節(jié)地輪高度以確保除草刀入土深度。作業(yè)時，除草刀以一定角度入土將株間雜草鏟起，除草刀上方的拔草盤旋轉(zhuǎn)帶動拔草爪轉(zhuǎn)動，在雜草被除草鏟鏟起的同時，拔草爪的旋轉(zhuǎn)將雜草拔離。隨著拖拉機的前進，當(dāng)避障觸桿碰到葡萄植株時，避障觸桿會繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，控制自動避障液壓缸收縮，自動避障除草機構(gòu)向拖拉機行進方向反向擺動適當(dāng)角度，使除草刀及拔草盤避開葡萄植株，避免對植株的損傷；避障觸桿避開葡萄植株后由復(fù)位彈簧將觸桿復(fù)位，使避障液壓缸再次伸出帶動除草刀快速復(fù)位繼續(xù)除草。除草機的作業(yè)軌跡和除草區(qū)域見圖2。

圖2 除草機的作業(yè)軌跡和除草區(qū)域圖Fig.2 Working track and weeding area map of the weeding machine

1.3 機具主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)賀蘭山東麓籬架式葡萄栽培模式及農(nóng)藝條件，葡萄自動避障株間除草機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 機具主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of machines and tools

2 避障除草裝置的設(shè)計

2.1 避障觸碰桿的設(shè)計

經(jīng)田間反復(fù)試驗、分析和總結(jié)，避障觸桿在除草作業(yè)過程中，避障觸桿與葡萄植株接觸的長度要有1/3左右伸出，并且避障觸桿與葡萄植株接觸的角度閾值在12°~15°，信號采集機構(gòu)接收到傳感器信號傳遞后液壓缸開始工作進行避障。因此，株間除草機避障觸桿伸出部分長度在280~320 mm 時效果最好，行株間除草機避障觸桿總長在850~950 mm 時效果最好，見圖3。

圖3 避障觸桿與葡萄植株接觸的角度閾值Fig.3 Angle threshold of contact between obstacle avoidance contact rod and grape plant

2.2 除草裝置的設(shè)計

為獲得更好的株間除草效果，結(jié)合雜草特性，設(shè)計了一種帶有拔離功能的除草裝置。該裝置主要由液壓馬達、除草刀、拔草盤、避障裝置等組成。作業(yè)過程中，拖拉機沿葡萄行方向前進帶動除草機行進，除草刀以一定角度入土將株間雜草鏟起，液壓系統(tǒng)控制拔草盤的液壓馬達旋轉(zhuǎn)，從而帶動拔草爪旋轉(zhuǎn)，雜草被除草刀鏟起的同時，由旋轉(zhuǎn)的拔草爪將雜草拔離，達到除草的目的。除草裝置結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 除草裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the weeding device

3 田間試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗概述

田間試驗于2022年8月23日—8月29日進行，地點在寧夏紅寺堡酒莊葡萄種植基地和青銅峽市馬蘭花酒莊葡萄種植基地。試驗采用實測數(shù)據(jù)，試驗地土壤質(zhì)地為灰鈣土，葡萄栽培模式為“廠”字形，行距3.5 m，平均株距701 mm，株間平均雜草密度103 株/m2，雜草主要為灰條草和苦苦菜，最大雜草直徑10 mm。配套拖拉機東風(fēng)804。

試驗用儀器：土壤堅實度儀、土壤水分測定儀、數(shù)顯溫濕度表、PC100B 秒表、50 m 鋼卷尺、1 000 mm 鋼直尺等（均檢定合格，在檢定周期內(nèi)）。

3.2 試驗?zāi)康?/h3>

驗證除草機能否按照性能設(shè)計指標(biāo)要求完成田間作業(yè)；驗證除草機的自動避障效果和傷株情況。

3.3 試驗條件

按T/NXJX 022——2021《葡萄行株間除（割）草機》規(guī)定，試驗地應(yīng)符合葡萄株間除草機的適用范圍，其中葡萄栽培行距≥3 m、株距≥600 mm，試驗地塊應(yīng)平坦，土壤類型及大小應(yīng)具有一定的代表性。

按GB/T 5262——2008《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法》規(guī)定，開展試驗地田間調(diào)查。采用五點取樣法選取5 點測定土壤含水率、土壤堅實度，環(huán)境溫濕度，取平均值，并記錄土壤類型、葡萄種植模式等。行株間雜草調(diào)查，在試驗地內(nèi)隨機選擇9個株距符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求的取樣點，每點長為相鄰兩植株間中心連線長度，寬為沿連線水平方向兩邊各延長25 cm，測定每個點面積內(nèi)雜草的數(shù)量，取平均值為株間除草前株間草。檢查校正測量器具，試驗樣機和配套拖拉機的技術(shù)狀態(tài)應(yīng)符合說明書要求。

試驗地條件及田間調(diào)查結(jié)果見表2。

表2 試驗地條件及田間調(diào)查結(jié)果Tab.2 Experimental site conditions and field investigation results

3.4 試驗方法

株間除草率的測定：取測區(qū)長150 m，兩端穩(wěn)定區(qū)10 m。除草機在使用說明書規(guī)定的作業(yè)速度下作業(yè)，以同一行葡萄往返除草1次為1個作業(yè)行程，共作業(yè)3個行程。每行程隨機選3個測點，測定每個點面積內(nèi)未切除雜草數(shù)量（測定方法同株間除草前株間草測定方法），取9個點未除雜草的平均值作為株間除草后的未除雜草數(shù)量。按式（1）計算除草率。

式中：C——株間除草率，%；Wq——作業(yè)前9 點株間平均雜草數(shù)量，個；Wh——作業(yè)后9 點株間平均未除凈雜草數(shù)量，個。

傷株率的測定：與除草率測定同時進行，測定每行程內(nèi)的葡萄株總數(shù)和損傷葡萄株數(shù)，按式（2）計算傷株率。

式中：S——傷株率；MS——測定長度內(nèi)損傷株數(shù)，個；MZ——測定長度內(nèi)總株數(shù)，個。

純工作小時生產(chǎn)率（作業(yè)速度）的測定：與除草率測定同時進行，記錄除草機作業(yè)1 個行程所用的時間，按式（3）計算純工作小時生產(chǎn)率（作業(yè)速度）。

式中：V——純工作小時生產(chǎn)率，m/h；L——除草機作業(yè)1個行程所行駛的長度，m；T——除草機作業(yè)1個行程所用時間，s。

通過試驗，測得不同組相同作業(yè)條件下的作業(yè)除草率見表3。傷株率和純工作小時生產(chǎn)率見表4。

表3 除草率試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Except for sloppy test data

表4 “傷株率與純工作小時生產(chǎn)率”試驗數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of"plant injury rate and net working hour productivity"

4 結(jié)論

本文針對寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄株間除草問題設(shè)計的葡萄自動避障株間除草機，田間試驗表明，株間除草率為85.8%，株間傷株率為0.37%，工作效率為2 104 m/h，達到設(shè)計要求。本研究為后續(xù)籬架式葡萄自動避障株間除草機的優(yōu)化提供了參考。