一種果園中耕避障除草機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S224.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1008-0864（2025）07-0101-10

Design and Experiment of Orchard Obstacle Avoidance Weeding Cultivator

XI Xiaobo，DING Jieyuan，ZHANG Wendi，SHI Yangjie，JIN Yifu， ZHANG Ruihong （School of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Jiangsu Yangzhou ，China）

Abstract：Anorchardobstacleavoidance inter-rowweedingcultivator was designedtoaddressthe problemofdificult weed removalbetweenthe tre trunks in the orchard，which mainly included inter-row weeding mechanism，intrarow weeding mechanism，hydraulic obstacle avoidance components，and could achieve inter-row and intra-row cultivating and weding operations.The obstacle avoidanceof the intra-row weeding mechanism was achieved by the linkage ofthe touch spring obstacle avoidancerodand the hydrauliccylinder-driven four-barlinkage mechanism. UsingEDEM software，thre-factor thre-level orthogonal simulation experimentsand operational parameter optimization were conducted with weeding wheel rotation speed，soil tillage depth and forward speed as indicators. The optimal parameter combination was found as folows：the weeding wheel rotation speed of 500r?min^-1 ，the soil tillage depth of 80 mm，and the forward speed of1.2m* s^-1 .Field experiments of the prototype were conducted，with a weed avoidance rate of 100% ，amissed tillage rate of 3.44% ，no damage，an average tillage depth of 80.9 mm，a tillage depth stability coefficient of 97.8% ，and a productivity ranging from 0.86 to 1.38hm²?h^-1 . Above results could provide reference for the design of obstacle avoidance and weeding machines in orchards.

KeyWords：orchard machinery；cultivation；intra-rowweeding；discrete element

除草作業(yè)是果園機(jī)械化管理中必不可少的一部分，現(xiàn)今除草技術(shù)分為化學(xué)除草與非化學(xué)除草?；瘜W(xué)除草具有高效便利、除草效果好等優(yōu)點(diǎn)，但長(zhǎng)期施用除草劑會(huì)對(duì)作物產(chǎn)生藥害，對(duì)環(huán)境造成污染，并且會(huì)使雜草產(chǎn)生抗藥性2-5]。非化學(xué)除草方法主要包括機(jī)械除草、熱電和激光除草、生物防治等，近年來(lái)機(jī)械除草作為替代化學(xué)除草的一種控草技術(shù)正有效開(kāi)展應(yīng)用，具有針對(duì)性強(qiáng)、環(huán)境友好兼具松土功能等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械除草在果園雜草管理中有著顯著的作用，除草作業(yè)所產(chǎn)生的碎草屑在腐爛后形成的肥料有利于果樹(shù)的生長(zhǎng)，同時(shí)所留草茬可有效防止果園土壤水分流失，對(duì)果園土壤的保護(hù)有一定作用[6-7]。

國(guó)內(nèi)外在果園除草裝備領(lǐng)域開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。陳平錄等研制了丘陵山區(qū)低矮果樹(shù)型果園的立式微耕機(jī)，設(shè)計(jì)的伸縮式耕深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)能解決山區(qū)作業(yè)耕深不穩(wěn)定的問(wèn)題。鮑秀蘭等[9]基于Y型甩刀式割草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種果園割草機(jī)器人，建立單根雜草莖稈的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)田間試驗(yàn)分析出Y型甩刀的最佳作業(yè)參數(shù)。付作立等[針對(duì)首蓿設(shè)計(jì)研發(fā)了一種新型雙圓盤(pán)式旋轉(zhuǎn)切割器，可以外置或作為自走式割草機(jī)完成割草、調(diào)質(zhì)、集草。王永爍等基于機(jī)構(gòu)往復(fù)式伸縮運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種用于清理果樹(shù)株間雜草的自動(dòng)避障除草機(jī)。德國(guó)霍恩海姆大學(xué)的研究人員研發(fā)出一種智能的電動(dòng)機(jī)器人旋轉(zhuǎn)除草機(jī)具，能夠自主地在果園和葡萄園的株間進(jìn)行雜草清除[12]。波蘭的JagodaJps研發(fā)了ZOFIA自走式除草機(jī)，通過(guò)人工操縱割草機(jī)構(gòu)與果樹(shù)之間的位置，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障；丹麥的Noremark基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)所研發(fā)的割草機(jī)能夠同時(shí)控制機(jī)具和割刀進(jìn)行橫向與縱向位移，從而在株間除草時(shí)實(shí)現(xiàn)避障[3]。上述除草機(jī)大多只能實(shí)現(xiàn)行間或株間避障除草，對(duì)于同時(shí)進(jìn)行行間和株間避障除草且適用于主干型果園的除草機(jī)的研究尚需加強(qiáng)。

本研究針對(duì)果園樹(shù)干間雜草難去除的問(wèn)題，結(jié)合果園除草作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一種包含行間除草機(jī)構(gòu)和株間除草機(jī)構(gòu)的果園中耕避障除草機(jī)，利用EDEM離散元仿真軟件對(duì)除草輪作業(yè)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，研究不同轉(zhuǎn)速、入土深度和前進(jìn)速度下的除草效果，確定除草輪的最佳工作條件，以期為除草裝備的發(fā)展提供參考。

1材料與方法

1.1除草機(jī)整體結(jié)構(gòu)

果園中耕避障除草機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、行間除草機(jī)構(gòu)、株間除草機(jī)構(gòu)、液壓避障組件、行走輪等組成。機(jī)架作為果園中耕避障除草機(jī)載體用來(lái)承載安裝各組成部件，并通過(guò)三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)連接；行間除草機(jī)構(gòu)包含5個(gè)除草單體，除草單體之間裝有除草鏟，避免漏除；株間除草機(jī)構(gòu)置于機(jī)組兩側(cè)，由液壓避障機(jī)構(gòu)和除草輪組成，除草輪由液壓馬達(dá)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，避障機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。為提高除草機(jī)的適用性，除草單體上設(shè)置彈簧緩沖機(jī)構(gòu)，起到仿地形的作用。

注：1—避障桿；2—液壓避障組件；3—機(jī)架；4—液壓閥；5—液壓馬達(dá);6—除草輪；7—除草鏟；8—擋泥板；9—彈簧緩沖機(jī)構(gòu)； ^10-鏈輪傳動(dòng)箱；11—中間齒輪箱；12—行走輪。

Note：1—Obstacleavoidancepole；—Hydraulicobstacleavoidancecomponents；3—Frame;4—Hydraulicvalve;5—Hydraulicmotor;6 Wedingwheel；7—Weedertine；8—Mudguard;9—Springbufermechansm；1—Chainwedrivebox;1—Intermediategearbox；Walking wheel.

圖1果園中耕避障除草機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of orchard obstacle avoidance weeding cultivatol

1.2 整機(jī)傳動(dòng)方案

整機(jī)與拖拉機(jī)通過(guò)三點(diǎn)懸掛連接，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸與錐齒輪箱連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸入，錐齒輪箱將動(dòng)力分別傳遞到行間除草機(jī)構(gòu)和株間除草機(jī)構(gòu)。一方面，錐齒輪箱將動(dòng)力傳遞至主傳動(dòng)軸，然后通過(guò)鏈輪傳動(dòng)箱將動(dòng)力分別傳遞至每個(gè)除草單體，由5個(gè)除草單體組成了行間除草機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)示意圖如圖2所示。另一方面，錐齒輪箱將動(dòng)力傳遞至液壓泵，分別為株間除草機(jī)構(gòu)的液壓馬達(dá)和避障機(jī)構(gòu)的液壓缸提供動(dòng)力，為實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，在油路上設(shè)置調(diào)速閥、溢流閥、換向閥、減壓閥、單向閥等元件，如圖3所示。

1.3 行間除草機(jī)構(gòu)

行間除草機(jī)構(gòu)包含5個(gè)除草單體，除草單體的結(jié)構(gòu)如圖4所示。每個(gè)除草單體裝有2個(gè)除草輪，并由鏈輪驅(qū)動(dòng)，除草輪上設(shè)置6片插翅形刀齒。鏈輪箱與機(jī)架間安裝緩沖彈簧機(jī)構(gòu)連接形成仿形機(jī)構(gòu)，使得工作部件隨地面起伏而運(yùn)動(dòng)，保持作業(yè)深度。

1.4株間避障除草機(jī)構(gòu)

株間避障除草機(jī)構(gòu)如圖5所示，主要由液壓 馬達(dá)、液壓缸、緩沖彈簧、避障桿、避障連桿、調(diào)節(jié)桿、除草輪等組成。避障前，復(fù)位彈簧拉伸使避障桿處于展開(kāi)狀態(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)桿和緩沖彈簧調(diào)整除草輪的緩沖行程；避障時(shí)，樹(shù)干推動(dòng)避障桿向內(nèi)收展，液壓缸桿推動(dòng)避障連桿帶動(dòng)除草輪平移，完成避障。作業(yè)時(shí)，盡可能保證除草輪與地面距離保持在穩(wěn)定值，保證兩側(cè)除草深度的均勻性。

1.5 工作原理及技術(shù)參數(shù)

工作前，根據(jù)雜草生長(zhǎng)高度調(diào)節(jié)除草輪的安裝高度，機(jī)具兩側(cè)液壓避障裝置的液壓換向閥在復(fù)位彈簧的拉伸作用下處于正向位置，液壓避障裝置的活塞桿處于伸長(zhǎng)狀態(tài)。工作時(shí)，機(jī)具由拖拉機(jī)牽引行進(jìn)，動(dòng)力經(jīng)齒輪箱由鏈條傳遞至行間除草機(jī)構(gòu)，并驅(qū)動(dòng)除草輪旋轉(zhuǎn)完成行間除草；兩側(cè)株間除草機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)單獨(dú)控制旋轉(zhuǎn)，當(dāng)遇及樹(shù)干時(shí)激發(fā)液壓避障裝置實(shí)現(xiàn)避障。整機(jī)性能參數(shù)如表1所示。

1.6除草輪運(yùn)動(dòng)仿真試驗(yàn)

土壤顆粒的結(jié)構(gòu)形式有球形顆粒、柱狀顆粒、核狀顆粒[14]。為準(zhǔn)確描述除草輪與土壤的相互作用過(guò)程，選用球形顆粒。土壤顆?；A(chǔ)模型采用Hertz-Mindlin模型，附加模型選用bonding。采用環(huán)刀法利用泊松比公式及剪切模量公式獲取現(xiàn)場(chǎng)土壤的本征參數(shù)，導(dǎo)人EDEM軟件的材料數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，獲得土壤顆粒接觸參數(shù)的取值范圍[15]，土壤顆粒參數(shù)如表2所示。

應(yīng)用Solidworks軟件對(duì)除草單體進(jìn)行實(shí)體建模，以.STP格式導(dǎo)入EDEM軟件中。設(shè)置除草輪材料為Q235鋼，泊松比0.31，剪切模量 7.8×10¹⁰Pa ，密度為 7850kg^*m^-3 。在Solidworks創(chuàng)建 3 000mm× 4000mm×100mm （長(zhǎng) × 寬 × 高）矩形田塊并導(dǎo)入EDEM中，設(shè)置顆粒工廠尺寸 3000mm×4000mm ，以 1×10⁶ 個(gè) ?s^-1 速度生成顆粒，總量 4×10⁵ 個(gè)。圖6為除草輪-土壤離散元耕作模型，除草作業(yè)時(shí)通過(guò)除草輪擾動(dòng)土壤實(shí)現(xiàn)除草，因此可利用擾動(dòng)土壤顆粒的面積評(píng)價(jià)除草效果，采用臨界速度分割法計(jì)算除草輪對(duì)土壤顆粒擾動(dòng)的面積，提取除草輪在縱向截面和俯視圖上的擾動(dòng)面積。由于除草輪入王深度、轉(zhuǎn)速及機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)除草效果有影響，設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)表進(jìn)行仿真試驗(yàn)，如表3所示。

1.7 田間試驗(yàn)

1.7.1避障成功率通過(guò)多次完成避障動(dòng)作，記錄避障成功樹(shù)木的數(shù)量與果樹(shù)總數(shù)的比值來(lái)評(píng)估避障性能。避障成功率計(jì)算公式如下[7]

式中， w₁ 為避障成功率； k₁ 為避障成功樹(shù)木的數(shù)量； k₂ 為果樹(shù)總數(shù)目。

1.7.2損傷率損傷率檢測(cè)主要基于避障桿觸碰果樹(shù)留下的痕跡，其計(jì)算公式如下。

式中， w₂ 為損傷率； S₁ 為擦傷的果樹(shù)樹(shù)木。

1.7.3漏耕率漏耕率是評(píng)價(jià)避障除草機(jī)性能的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下。

式中， w₃ 為漏耕率； A₁ 為實(shí)際耕作面積， m²;A₂ 為去除樹(shù)干后的土地面積， m² 。

1.7.4耕深穩(wěn)定性耕深對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)、通氣性、保水性和肥力等都有影響，穩(wěn)定的耕作深度可以保證土壤質(zhì)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力的持續(xù)性。參考GB/T5668—2017《旋耕機(jī)》18的方法進(jìn)行測(cè)算。

U=1-V

式中， s 為標(biāo)準(zhǔn)差； V 為變異系數(shù)； U 為耕深穩(wěn)定性系數(shù)； a_i 為耕深測(cè)量值， mm;a_o 為耕深平均值， mm;n 為耕深測(cè)量次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1除草輪運(yùn)動(dòng)與整機(jī)配套動(dòng)力分析

除草輪自身做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并隨機(jī)組行進(jìn)做直線運(yùn)動(dòng)。建立如圖7所示坐標(biāo)系，以除草輪旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)， X 軸正方向?yàn)槌葺喌男羞M(jìn)方向，Y軸正方向?yàn)樨Q直向下，除草輪端點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)軌跡可分解到XY方向。

M點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)可分解為水平方向的直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的周期性運(yùn)動(dòng)， M 點(diǎn)的位置可表示如下。

式中， R 為除草輪刀齒回轉(zhuǎn)輪半徑， mm;v_m 為除草機(jī)行進(jìn)速度， m?s^-1;n 為除草輪轉(zhuǎn)速， r?min^-1 Φ_t 為時(shí)間，s。

M 點(diǎn)在 X 軸的分速度 （v_x） 和Y軸的分速度 （v_y） 計(jì)算公式如下。

M 點(diǎn)的絕對(duì)速度 （v_M） 如下。

式中， v_o=Rω 是 M 點(diǎn)的圓周線速度，令 λ=v₀/v_m= Rω/v_m ，可得下式。

v_x=v_m-Rωsinωt=v_m（1-λsinωt）

實(shí)際除草過(guò)程中，除草齒深入土壤并將雜草根系拔離地面，需要滿(mǎn)足 λgt;1^[19] ，即 v_xlt;0 。此時(shí)刀齒運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線，除草輪深入土壤，刀齒將土壤中的雜草根系切碎翻出地面，完成一個(gè)除草周期。由圖7可知，除草輪上刀齒端點(diǎn)開(kāi)始接觸土壤時(shí)，其縱坐標(biāo)表示如下。

y=R-d=Rsinωt

式中， d 為入土深度， mm 。

將式（12）代入式（11）得下式。

除草輪正常工作需滿(mǎn)足 λgt;1?v_xlt;0 ，則有下式。

為保證除草效果，應(yīng)滿(mǎn)足除草輪周長(zhǎng)大于雜草高度，即滿(mǎn)足如下關(guān)系。

2πR?L

式中， L 為雜草高度， mm ○

根據(jù)調(diào)研，雜草高度一般小于 1000mm ，則需滿(mǎn)足除草輪半徑 R≥159.2mm 。我國(guó)果園種植行寬大多在 2500～3200mm ，本研究設(shè)計(jì)的除草輪半徑 185mm 寬度 200mm ，整機(jī)工作幅寬3000mm ，滿(mǎn)足工作需要。除草輪由液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速參考旋耕機(jī)旱地作業(yè)參數(shù)，因此設(shè)計(jì)除草輪工作轉(zhuǎn)速 250～500r?min^-1 。將上述參數(shù)帶入式（15）得到 v_m?5.3m^?s^-1 ，一般拖拉機(jī)都能滿(mǎn)足此速度條件。除草作業(yè)時(shí)有一定的耕深，除草機(jī)功耗參照旋耕機(jī)功耗的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)[20]。

N=0.1K_λdv_?mB

式中， K_λ 為旋耕比阻， N?cm^-2 ，參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》取值 11.129N?cm^-2;d 為耕深， mm;v_m 為機(jī)具行進(jìn)速度， m?s^-1;B 為耕寬， mm 。

根據(jù)上式計(jì)算，所需動(dòng)力配套拖拉機(jī)最小動(dòng)力需求為 N=50.74kW ，則選擇70馬力拖拉機(jī)可完成配套作業(yè)。

2.2避障機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與參數(shù)設(shè)計(jì)

在避障過(guò)程中，株間除草輪始終保持旋轉(zhuǎn)，通過(guò)SolidworksMotion模塊完成液壓避障機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，選取除草輪上的4點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡分析，形成圖8所示的避障除草軌跡，其在避障過(guò)程時(shí)樹(shù)干側(cè)部的雜草可被去除。若株間除草輪在避障過(guò)程中停止旋轉(zhuǎn)，則樹(shù)干一側(cè)會(huì)產(chǎn)生漏除，這不利于提高機(jī)具的除草效率。通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)將株間除草機(jī)構(gòu)和機(jī)架連接，當(dāng)株間除草輪處于正常作業(yè)狀態(tài)和完全收縮狀態(tài)時(shí)，其與行間除草機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生干擾，如圖9所示。

避障桿選用觸式彈簧桿，避障桿繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)樹(shù)干進(jìn)行仿形，避障桿長(zhǎng)度應(yīng)大于其在避障過(guò)程中與樹(shù)干接觸的滑行距離（一般不超過(guò)樹(shù)干圓周長(zhǎng)的一半），因此避障桿設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為 1200mm 。機(jī)具行進(jìn)時(shí)應(yīng)對(duì)果樹(shù)進(jìn)行避讓?zhuān)瑸榇_保除草輪不與機(jī)具發(fā)生碰撞，在避障除草時(shí)間 （t₀） 內(nèi)，株間除草輪平移H 的距離。平行四桿機(jī)構(gòu) ABCD 從起始位置，運(yùn)動(dòng)到AB'C ^′D 狀態(tài)，如圖10所示。

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，樹(shù)干到除草輪的距離 （M₀） 應(yīng)大于避障時(shí)間 （t₀） 內(nèi)機(jī)具行進(jìn)距離，如下式。

2.3除草輪-土壤顆粒翻埋運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果分析

由表4除草輪-土壤顆粒翻埋運(yùn)動(dòng)仿真的正交試驗(yàn)結(jié)果可知，人土深度的增加會(huì)導(dǎo)致土壤擾動(dòng)表面積的增加，增加趨勢(shì)較?。粰C(jī)具行進(jìn)速度的增加會(huì)使土壤擾動(dòng)表面積減小，減小趨勢(shì)較小。極差分析顯示，除草輪轉(zhuǎn)速對(duì)土壤擾動(dòng)面積的影響最大，轉(zhuǎn)速為 150r?min^-1 時(shí)對(duì)土壤擾動(dòng)最小，轉(zhuǎn)速為 500r?min^-1 時(shí)最大；機(jī)具前進(jìn)速度的增加會(huì)使除草輪對(duì)土壤擾動(dòng)逐漸減小，選擇適宜的前進(jìn)速度尤為重要。各因素對(duì)除草擾動(dòng)面積的影響依次為：除草輪轉(zhuǎn)速 gt; 除草輪入土深度 gt; 機(jī)具前進(jìn)速度。最優(yōu)工作參數(shù)為：除草輪入土深度 80mm 、除草輪轉(zhuǎn)速 500r?min^-1 、機(jī)具前進(jìn)速度 1.2m?s^-1 。

2.4 田間試驗(yàn)結(jié)果分析

田間試驗(yàn)在最優(yōu)工作參數(shù)下進(jìn)行，設(shè)置除草輪入土深度 80mm 、除草輪轉(zhuǎn)速 500r?min^-1 、機(jī)具前進(jìn)速度 1.2m?s^-1 。評(píng)估避障完成的條件，包括避障桿回收范圍內(nèi)的動(dòng)作次數(shù)、觸及的樹(shù)干損傷情況和除草作業(yè)時(shí)的漏耕情況。避障過(guò)程中，避障桿會(huì)觸及樹(shù)干，機(jī)具行進(jìn)速度對(duì)避障動(dòng)作能否成功有一定影響，為此選取 1.2，1.4，1.6m?s^-1 共3組參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，由表5可知，避障成功率為100% 。由于避障桿是在復(fù)位彈簧的拉力下完成回位，為避免避障作業(yè)過(guò)程中對(duì)樹(shù)干造成損傷，復(fù)位彈簧應(yīng)選擇合適的彈性系數(shù)，試驗(yàn)時(shí)分別選取彈性系數(shù)20和 30N?mm^-1 的彈簧進(jìn)行測(cè)試，由表6可知，回位彈簧彈性系數(shù)為 20N?mm^-1 時(shí)的損傷率為 0% 。選取彈性系數(shù)低的復(fù)位彈簧，雖然能滿(mǎn)足低損傷要求，但會(huì)使避障桿過(guò)于靈敏而過(guò)早回位影響除草效果，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)回位彈簧低于彈性系數(shù) 20N?mm^-1 時(shí)，易發(fā)生無(wú)效避障。漏耕對(duì)于除草機(jī)的除草效果和作業(yè)效率有很大影響，由表7可知，平均漏耕率為 3.44% 。由表8可知，機(jī)具的平均耕深為 80.9mm ，耕深穩(wěn)定性系數(shù)為 97.8% ，滿(mǎn)足GB/T 5668-2017^[18] 中所規(guī)定的耕深穩(wěn)定性系數(shù)大于 85% 的要求。在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)機(jī)具的生產(chǎn)效率進(jìn)行測(cè)算，根據(jù)作業(yè)速率不同，其生產(chǎn)率為 0.86～1.38hm²?h^-1

3討論

果園除草作業(yè)主要包括行間和株間作業(yè)，除草機(jī)需要同時(shí)具備2種作業(yè)方式，根據(jù)作業(yè)場(chǎng)景能夠靈活切換作業(yè)模式，并且2種作業(yè)模式之間不產(chǎn)生干擾。有學(xué)者對(duì)除草機(jī)的最佳工作參數(shù)[22]力學(xué)性能[2]、除草效率[24]等進(jìn)行研究，除了上述的研究方向，需要更加深入研究行間和株間作業(yè)模式的轉(zhuǎn)換方法、避障機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案和作業(yè)原理。

表7漏耕率測(cè)試結(jié)果Table7Missedtillage rate test results

表8耕深測(cè)試結(jié)果Table 8Tillage depth test results

本研究設(shè)計(jì)了一種果園中耕避障除草機(jī)，該機(jī)具可同時(shí)實(shí)現(xiàn)果園行間和株間除草作業(yè)，通過(guò)觸式彈簧避障桿聯(lián)動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)株間除草機(jī)構(gòu)的避障。利用EDEM軟件對(duì)除草部件進(jìn)行仿真試驗(yàn)與工作參數(shù)優(yōu)化，其最佳工作參數(shù)為：除草輪轉(zhuǎn)速 500r?min^-1 ，人土深度 80mm 前進(jìn)速度 1.2m?s^-1 。田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，該除草機(jī)能實(shí)現(xiàn)果園行間和株間的除草作業(yè)，且避障避障成功率達(dá) 100% 。通過(guò)對(duì)除草輪工作情況作離散元仿真研究，得到了較為可靠的理論參數(shù)，為除草機(jī)田間試驗(yàn)提供理論基礎(chǔ)。影響避障除草機(jī)作業(yè)效果的因素較多，如除草輪的材料屬性、除草輪纏草問(wèn)題等。避障的方式除了機(jī)械接觸式，未來(lái)可應(yīng)用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)非接觸式的避障機(jī)構(gòu)。本研究將除草輪作業(yè)情況類(lèi)比旋耕機(jī)進(jìn)行研究，但實(shí)際除草輪工作情況更復(fù)雜，后期應(yīng)對(duì)除草輪各種作業(yè)情況分類(lèi)探討，建立更加接近實(shí)際情況的作業(yè)模型。

參考文獻(xiàn)

[1]白勇，王曉燕，胡光，等.非化學(xué)方法在農(nóng)田雜草防治中的 應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38（4）：191-196. BAIY，WANGXY，HUG，etal..Review of thedevelopment innon-chemical weedmanagement[J].Trans.Chin.Soc.Agric. Mach.，2007，38（4）： 191-196.

[2] CORDILL C，GRIFT TE.Design and testing of an intra-row

mechanical weeding machine for corn [J].Biosyst.Eng.，2011，

110（5）： 247-∠0∠.

[3]齊月，李俊生，閆冰，等.化學(xué)除草劑對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)野生 植物多樣性的影響[J].生物多樣性，2016，24（2）：228-236. QI Y，LIJS，YANB，et al..Impact of herbicides on wild plant diversityinagro-ecosystems：a review[J].Biodivers.Sci.，2016， 24（2）： 228-236.

[4] 王金峰，王金武，閆東偉，等.3SCJ-2型水田行間除草機(jī)設(shè) 計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48（6）：71-78，202. WANGJF，WANGJW，YANDW，et al..Designand experimentof 3SCJ-2 typerowweedingmachine forpaddy field [J].Trans.Chin.Soc.Agric.Mach.，2017，48（6）：71-78，202.

[5] REBICHRA，COUPERH，THURMANEM.Herbicide concentrationsintheMississippi RiverBasin-theimportance ofchloroacetanilide herbicide degradates [J]. Sci.Total Environ.，2004，321（1/2/3）：189-199.

[6] 張晉，陳偉，朱繼平，等.果園自動(dòng)避障中耕除草管理機(jī)設(shè) 計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2020，41（8）：40-49. ZHANG J，CHENW， ZHU JP，etal..Design and experiment ofautomatic obstacleavoidancecultivation weedingmanagement machine[J].J.Chin.Agric.Mech.，2020，41（8）： 40-49.

[7] 朱站偉，湯智輝，何義川，等.果園株間除草自動(dòng)避障裝置 的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（6）：147-153. ZHU Z W，TANG ZH，HEYC，et al..Design and experiment ofautomaticobstacleavoidance device forweeding between plants[J].J.Agric.Mech.Res.，2020，42（6）：147-153.

[8] 陳平錄，許靜，翟因敏，等.丘陵山區(qū)低矮樹(shù)型果園立式微 耕機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2021（2）：299-303. CHENPL，XUJ，ZHAI YM， et al..Design and experimental studyofvertical micro-cultivatorforlowtreesinhillyorchard[J]. Mach.Des.Manuf.，2021（2）：299-303.

[9]鮑秀蘭，嚴(yán)煜，毛金城，等.果園割草機(jī)器人甩刀設(shè)計(jì)與分 析[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，39（6）：136-143. BAOXL，YANY，MAOJC，etal..Designand analysesof swingingblade fororchard mowing robot[J].J.Huazhong Agric. Univ.，2020，39（6）：136-143.

[10]付作立，王德成，李衛(wèi)，等.雙圓盤(pán)式苜蓿旋轉(zhuǎn)切割器設(shè)計(jì) 與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49（增刊1）：214-220. FUZL，WANG D C，LI W，et al..Design and experiment of two-disc rotarymowerof alfalfa[J].Trans.Chin.Soc.Agric. Mach.，2018，49（S1）： 214-220.

[11］王永爍，康建明，彭強(qiáng)吉，等.果樹(shù)株間避障除草機(jī)設(shè)計(jì)與 試驗(yàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2023，53（8）：2410-2420. WANGY S，KANGJM，PENGQJ，et al..Design and experiment of obstacleavoidance weeding machine for fruit trees[J].J. Jilin Univ.（Eng.Technol.），2023，53（8）： 2410-2420.

[12]SCARFONE A，PICCHIO R，DEL GIUDICE A，et al. Semiautomatic guidance vs .manual guidance in agriculture： a comparison of work performance in wheat sowing [J/OL]. Electronics，2021，10 （7）： 825[2024-12-30]. https：//doi.org/10.3390/electronics10070825.

[13]高文杰，張鋒偉，戴飛，等.果園機(jī)械化裝備研究進(jìn)展與展 望[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2021，49（12）：9-20. GAOWJ，ZHANGFW，DAIF，etal..Research progress and prospects of orchard mechanized equipment [J].For. Mach. Woodwork.Equip.，2021，49（12）： 9-20.

[14］呂金慶，劉金妮，趙治明，等.馬鈴薯碎土整地聯(lián)合作業(yè)機(jī) 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2023，54（8）：19-29. LYU JQ，LIUJN， ZHAO Z M， et al..Design and test of key components of potato soil-crushing site preparation machine [J]. Trans.Chin.Soc.Agric.Mach.，2023，54（8）： 19-29.

[15]楊啟志，楊鑫宇，赫明勝，等.葡萄分層旋拋式清土起藤機(jī)高 效旋拋刀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38（24）：44-51. YANGQZ， YANG XY，HEMS， etal.Design and experiment of the rotary throwing knife of wine grape cleaning machie [J]. Trans.Chin. Soc. Agric.Eng.，2022，38（24）： 44-51.

[16］張帥磊.深松鏟錯(cuò)位布置對(duì)土壤擾動(dòng)影響的仿真與試驗(yàn)研 究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2018. ZHANG SL. Simulations and experiments of soil disturbance asaffected by the dislocation arrangement of subsoilers [D]. Yangling：Northwest Aamp;FUniversity，2018.

[17］崔宏偉.水田除草機(jī)自動(dòng)避苗控制系統(tǒng)研究[D].廣州：華南 農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017. CUIHW.Study on control system with automatic avoiding rice seedlingsofweeder for paddy [D].Guangzhou：South China Agricultural University，2017.

[18]丁艷，朱繼平，袁棟，等.旋耕機(jī)：GB/T5668-2017[S].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2017.

[19]李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003：1-438.

[20]朱站偉.果園株間除草自動(dòng)避障裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究 [D].石河子：石河子大學(xué)，2020. ZHU Z W.Design and experimental study of an automatic obstacle avoidance device between weeds in orchards [D]. Shihezi： Shihezi University，2020.

[21］中國(guó)農(nóng)機(jī)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科 學(xué)技術(shù)出版社，2007：1-1885.

[22]沈啟揚(yáng)，雷曉暉，馬拯胞，等.F.US-UFO型果園避障割草機(jī) 試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2021，42（10）：65-71，77. SHENQY，LEI XH，MA ZB，et al.Experimental study onF. US-UFO mower for avoiding obstacles in orchards[J].J.Chin. Agric.Mech.，2021，42（10）：65-71，77.

[23］楊毅，弋曉康，何義川，等.主干型果園株間避障割草機(jī)的 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].塔里木大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，35（4）：78-87. YANGY，YIXK，HEY C，et al.. Design and experiment of obstacle avoidance mower for trunk orchards [J].J.Tarim Univ.，2023，35（4）： 78-87.

[24]李雪軍，王鵬飛，丁順榮，等.基于虛擬正交試驗(yàn)果園壟面 割草機(jī)側(cè)刀盤(pán)切割性能分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2020， 22（9）： 113-121. LIXJ，WANGPF，DINGSR， etal..Cutting performance of side cutter head of orchard mower based on virtual orthogonal test[J].J.Agric.Sci. Technol.，2020，22（9）：113-121.