葡萄園避障除草機的設計

何義川，湯智輝，楊懷君，孟祥金，鄭 炫，張東超，朱站偉

(1.新疆農墾科學院 機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000；3.石河子大學 機械電氣工程學院，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，該地區有利于作物糖分的合成和營養物質的積累，使得新疆的葡萄天然具有含糖量高、營養豐富及口感好等優點。此外，新疆地區海拔比較高，空氣干燥，冬季溫度低，病蟲害的發生率低、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”[1-3]。

近年來，新疆及兵團依托優勢資源，葡萄產業得到了快速的發展。據統計，2016年新疆種植葡萄面積約14.9萬hm2、產量267.58萬t。其中，兵團種植葡萄4.5萬hm2，產量80.17萬t[4]；2016年，新疆及兵團葡萄產量約占全國葡萄產量的1/5[5]。與此同時，兵團依托其高度組織化和規?；芾韮瀯?，大力推動了葡萄生產方式向集中連片、基地化生產的轉變，并已在若干區域形成了規?；钠咸焉a基地。葡萄產業不僅是新疆及兵團的主要經濟作物之一，也是對集約化、規?；咝a技術需求最旺盛的領域之一。新疆地區作為目前全國葡萄種植面積和產量最大的省份，是未來葡萄產業發展最具潛力的產區，在行業已確立不可替代的地位。

但是，葡萄園雜草數量多生長快，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，使葡萄園病蟲害發生嚴重，從而影響果實的品質和產量[6]。葡萄園人工除草勞動強度大，效率低，成本高；化學除草雖然效率高，但容易污染環境，使得葡萄殘留農藥量大，對葡萄的品質產生嚴重影響，對人的身體健康也造成一定的危害。因此，要采用非化學方式的除草方式來防治雜草，不但要做到環境“零污染”，且要降低除草作業成本、提高葡萄園除草作業效率和質量。

隨著新疆兵團特色林果區域化布局、專業化生產、產業化經營的不斷調整和優化，葡萄產業將加速由數量擴張型向質量效益型轉變，這就必然要解決葡萄生產過程中行株間雜草清除的突出問題。相比人工除草和化學除草，機械除草不但對環境無污染，而且具有對疏松土壤、提高地溫及蓄水保墑等優點，因此研究一種葡萄園避障除草機是非常必要和迫切的。

1 總體結構和工作過程

1.1 設計原理

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，避障系統不工作；當避障傳感器觸碰到葡萄植株及障礙物時，避障系統開始工作。此時，避障傳感器將信號傳遞給液壓控制系統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，以此往復循環作業。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、 鎮壓碎土裝置及液壓控制系統等組成，其結構如圖2所示。

1.機架 2.中央調節裝置 3.油缸 4.側機架 5.連接板 6.避障傳感器 7.株間除草裝置 8.鎮壓裝置 9.避障裝置 10.行間除草裝置圖2 葡萄園避障除草機結構示意圖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機架可以方便地在主機架中自由左右調節。行間除草裝置主要由4～6個“人”字鏟刀構成，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成，左右對稱分別安裝在左右兩個側機架上。碎土鎮壓裝置由螺旋鏤空的帶齒鋼板組成，通過中央調節裝置和連接板安裝在機架的后部，主要起到限深和碎土鎮壓整地的作用。

1.3 工作過程

作業時，拖拉機懸掛裝置與機架三點懸掛聯接，液壓油缸通過液壓油管與拖拉機液壓控制系統連接，整機質量由拖拉機承擔。首先，根據葡萄園不同的行間距離調節左右兩邊的側機架，使其達到合適的作業幅寬以確保與葡萄主稈不干涉；然后，根據葡萄園中耕除草的要求調節行間中耕鏟刀的高度；最后，結合中耕鏟刀的高度調節中央調節裝置控制鎮壓裝置的離地距離。

其主要技術參數如下:

外形尺寸/mm： 1 780×4 500×1 500(工作時)

1 780×2 500×1 500(運輸時)

作業幅寬/mm： 3 000～4 000(可調)

作業速度/km·h-1： ≥2

配套動力/kW： ≥40.4

純工作小時生產率/hm2·h-1： ≥0.59

2 關鍵部件設計

2.1 六邊形機架設計

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不同的行距要求，提高機具的通用性，在設計機具時將機架設計為三段式，即中間為機架主梁、左右兩邊各設計一個副機架，兩邊的副機架可以在主梁中左右移動調節作業幅寬。為了保證機具作業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構，既可以實現主副機架的連接配合，也可以保證機架的整體結構強度。其結構如圖3所示。

1.主機架 2.右副機架 3.左副機架圖3 六邊形機架結構示意圖Fig.3 Hexagon rack structure structure diagram

2.2 行間除草裝置設計

為了實現葡萄園淺層松土及切斷雜草，采用雙翼人字形鏟刀結構，兩片鏟刀翅形分布，前部略低，后部略高，鏟柄居中[7]，其結構如圖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、也可以實現株間除草的目的，設計了一種避障裝置，主要由連接機架、避障傳感器和株間除草裝置組成。在連接機架上設有轉軸，轉軸上設有感應避障傳感器，連接機架底部設有換向液壓油缸。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，當機具工作遇到障礙時，感應避障傳感器工作將信號傳遞給液壓油缸，液壓油缸控制轉軸旋轉，從而帶動株間避障除草裝置轉動與行進方向呈平行狀態，實現避障效果。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，以此往復循環作業。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 碎土鎮壓裝置設計

碎土鎮壓裝置主要由小機架、主軸和鎮壓器組成，如圖9所示。小機架通過螺栓與主軸相連接，主軸上穿裝有網紋形鎮壓器。作業時，網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.鎮壓器 2.主軸 3.小機架圖9 碎土鎮壓裝置結構示意圖Fig.9 Crushed soil and repression device structure diagram

3 田間試驗

2017年7月中旬，在新疆生產建設兵團第八師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速度和耕深作業時，碎土率都能達到90%以上，避障通過率達到100%。田間試驗結果如表1所示。

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

4 結論

葡萄園避障除草機的設計結合了當前新疆及兵團葡萄生產規?；?、標準化的發展特點，在設計內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，以及化學除草殘留農藥大、影響葡萄品質的問題。該機具可以與中小型拖拉機配套使用，提高了農戶拖拉機利用率，并可在葡萄園中方便通行，機具主梁還可以根據需求掛接不同功能耕整地部件，一機多用，操作靈活方便。