一種果園株間除草機的研制

李建新，李文春，張龍唱，張宏文

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子832000；2.阿拉爾萬達農機有限公司；3.新疆職業大學機械電子工程學院）

0 引言

新疆林果產業的迅速發展，對林果產業全程機械化帶來了新的挑戰，并為農機的發展孕育了新的土壤。伴隨新疆林果業產量與規模的不斷增加，大力推動林果業機械化發展、增強林果業機械化管理模式已成為推動林果業規?；癄I銷、推動林果業持續良性發展、增加林果業綜合收益的當務之急[1]。

新疆果園除草機械能較好地清除果樹行間雜草，且除草技術和裝備已趨于成熟。而由于在果園除草的作業過程中，果樹莖稈的存在會阻礙機具的作業，對于果樹株間的除草存在一定困難[2]。為此，國內外都從純機械的株間除草機開始入手，國外得益于計算機技術和傳感器技術的發展，將自動控制技術應用于株間除草，但作物識別與定位依然是研究的關鍵點與難點，且成本較高[3]。因此，果樹株間除草是林果業降低管理成本和增產豐收的重要舉措之一，研究果園株間自動避障除草機的具有一定的現實意義[4-5]。

1 果園株間除草機設計思路

在進行果園株間除草機的方案設計時，首先要明確果園株間除草機的農藝與技術要求，然后借鑒目前市場上已有的果園除草機的結構特點，根據南疆果園種植模式以及按照農業機械設計手冊[6]，計算出合適的耕作幅寬，提出整機設計方案并設計各個部件的結構及尺寸。

1.1 農藝要求

中耕除草機在農作物生長初期大田中寬幅作業與在果園中除草作業有所不同。在普通大田中作業時，中耕機可以在動力機具允許的最大范圍內進行大寬幅作業。同時，農作物的高度必須矮于中耕機，作業對象一般為幼苗生長期的農作物，中耕機可以根據作業對象高矮和行間距的不同通過調整工作部件的位置來實現一機多用。在果園中作業時，作業對象是盛果期的果樹，樹莖高而枝葉密，果樹高于農機具。樹莖在中耕機作業時形成障礙，機具的幅寬須根據果樹的行間距進行調整，并且果樹與果樹之間的雜草需要單獨設計一種避障除草裝置。中耕機在果樹株間寬幅作業，當遇到果樹時需繞開果樹，既不能損傷果樹，又要去除樹莖周圍的雜草。

1.2 技術要求

中耕除草作業的技術要求重點在于清除雜草、翻耕土壤與施化肥等，這就要求中耕除草機械的除草部件性能優良且不發生雜草纏繞現象，還要作業后土壤平整，目的是降低土壤水分流失。在選用除草部件的類型時，要確保能夠不破壞土層結構、不粉碎土壤。在果樹的生長周期內，為了適應每次松土深度要求不同，除草機的工作部件可以根據松土深度和行距進行相應調節。并且要保證工作時除草部件性能穩定，適應土壤表面高低不平。對除草機的結構應滿足以下技術要求：（1）結構簡單，操作容易。（2）與拖拉機連接方便、快捷。（3）方便工作人員操縱，工作時機具性能穩定。（4）功能多樣，簡單轉換就可以進行各類松土施肥作業。

1.3 工作幅寬的選擇

根據農業機械設計手冊[6]，中耕機的幅寬與配套拖拉機的動力和果樹行間距有關。本文選取拖拉機型號為中國一拖有限公司生產的X 900型輪式拖拉機。用Bk表示一臺中耕機的幅寬，則

式中P—拖拉機標定額定牽引力（本文取15.5×103N）；η—利用系數，取η=0.85-0.95（此處選0.9）；a—耕作深度，取a=4~6 cm（此處選5 cm）；p'—中耕比阻（N/m）根據工作類別及工作部件形式來確定，取p'=110 N/m。

根據農業機械設計手冊，當估算中耕機的牽引阻力p時，可以使用以下公式：

式中e—工作部件間距（m）；m—工作部件列數。

綜上所述，工作幅寬與牽引阻力的計算方法為

本文考慮到果樹株間距的因素，設計株間除草機的工作幅寬為2.5 m。

2 整機結構設計及參數

2.1 結構

果園株間除草中耕機主要包括主機架、折疊裝置、自激振鏟柄、雙翼除草鏟、株間除草裝置、懸掛裝置。機架是除草中耕機的主要承重部分之一，在設計過程中不僅要考慮機具的強度，還需要考慮其他部件在其上面布局的合理性。由于除草中耕機上的部件較多，而且要做到可以根據不同地況進行調整，為了各部件之間的空間合理和便于拆卸，所以結構即要合理又要簡單實用。本機架由兩根80×80×5×1950 mm矩形方管分別作為搭載工作部件的橫梁，五根80×80×5×700 mm的矩形方管來作為搭載橫梁的縱梁。果園避障中耕除草機工作的環境為果園，其土壤的平整度較好。果園避障中耕除草機的重量和幅寬小，所以本機選擇懸掛式的連接方式，可以更好的適應工作環境的需要。通常懸掛點的選擇為，輪式拖拉機通常采用三點懸掛，履帶式的拖拉機采用兩點懸掛。由于果園的可通過性十分的良好，因此本文所采用的牽引機械為輪式拖拉機，連接方式為后連接三點懸掛式，整機結構如圖2。

2.2 主要技術參數

3 試驗及分析

在圖木舒克市果園農場進行田間試驗，試驗對象為盛果期蘋果樹果園，本次試驗選取農用輪式拖拉機X900，采用中低速5個檔位進行試驗，作業后計算入土深度，漏耕率以及避讓通過率3項性能指標，其中采用不同檔位的4種速度進行試驗，結果如表1。

表1 果園株間除草機在不同作業速度下的性能指標

試驗結果表明，果園株間除草機的最佳作業速度范圍為2～5 km/h，株間除草機的避讓系統在滿足入土深度的條件下，果樹通過率可以達到100%，且漏耕率最大為3.1%，其各項性能指標均能達到設計標準，可以滿足果園作業要求，為今后果園機械的發展提供理論參考。