履帶式果園除草機(jī)除草裝置的設(shè)計(jì)試驗(yàn)*

何存財(cái)，魯 琦，岳元滿，邱進(jìn)棟，李世福，萬芳新

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

雜草對營養(yǎng)和水分的吸收能力較強(qiáng)，還會(huì)寄生病蟲害，果園管理中除草問題十分突出[1-4]。近年來，隨著人口老齡化問題越來越嚴(yán)重，勞動(dòng)力資源匱乏的問題日漸突出，很多地區(qū)出現(xiàn)了老果園無人管理的現(xiàn)象，極大地影響了我國果業(yè)的發(fā)展[5-7]。傳統(tǒng)的化學(xué)除草方式對土壤和水體造成不可修復(fù)的傷害，采用人工除草方式勞動(dòng)強(qiáng)度較大、效率低[8]。應(yīng)用機(jī)械除草方式較為環(huán)保，效率一般為人工除草的10～15 倍，可有效節(jié)約勞動(dòng)力成本。我國傳統(tǒng)果園多位于淺山丘陵地帶，果園內(nèi)雜草具有分布廣、繁殖快和難清除等特征[9]。因此，亟需對果園除草裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高果園管理效率、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入[10-13]。

針對課題組自主研發(fā)的履帶式果園除草機(jī)除草裝置，通過對碎草刀的受力及結(jié)構(gòu)分析，確定了刀片數(shù)量及排列形式，并對影響除草率的因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到各因素水平下的最優(yōu)組合，解決山地果園除草效率低的問題。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

履帶式果園除草機(jī)具有操控方便、轉(zhuǎn)彎靈活、越障能力強(qiáng)、能量消耗低、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，是淺山丘陵地帶果園除草的有力機(jī)具。課題組設(shè)計(jì)的履帶式果園除草機(jī)整機(jī)三維模型如圖1所示，除草工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖1 除草機(jī)三維模型

圖2 除草工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖1.雙排主動(dòng)鏈輪 2.雙排鏈 3.雙排從動(dòng)鏈輪 4.快速拆裝架 5.除草裝置連接架 6.橫向位調(diào)節(jié)液壓裝置 7.除草刀 8.除草刀軸 9.掛接卡鎖 10.深度調(diào)整液壓裝置 11.卡鎖控制液壓裝置 12.單排鏈 13.液壓連接桿 14.整體升舉液壓裝置

作業(yè)除草裝置經(jīng)花鍵軸將動(dòng)力傳至除草作業(yè)裝置，經(jīng)單排鏈傳至除草刀軸，從而帶動(dòng)除草刀工作，完成除草作業(yè)；除草工作裝置由柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)皮帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞至除草機(jī)后部離合器，然后經(jīng)雙排主動(dòng)鏈輪傳遞至除草工作裝置。除草工作裝置的升降由液壓系統(tǒng)控制，整體升舉液壓裝置主要調(diào)節(jié)草的留茬高度，便于在合適的區(qū)域、合理的深度進(jìn)行除草。除草刀通過除草刀軸連接在除草裝置連接架上，通過單排鏈傳遞動(dòng)力，構(gòu)成作業(yè)裝置的主要部件。除草裝置作為一個(gè)可移動(dòng)的整體與“快速拆裝架”連接，實(shí)現(xiàn)除草的目的。除草裝置掛在快速拆裝架上，并通過連接卡鎖將除草裝置整體連接在快速拆裝架上，橫向位調(diào)節(jié)液壓裝置用于除草裝置連接位置的調(diào)節(jié)以及橫向作業(yè)位置的調(diào)節(jié)。除草裝置在安裝架上安裝完畢后，通過整體升舉液壓裝置可調(diào)節(jié)除草裝置整體的高度，通過縱向深度調(diào)節(jié)液壓裝置可進(jìn)行深度和角度的微調(diào)。

2 碎草刀的結(jié)構(gòu)及受力分析

2.1 碎草刀的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的碎草刀常見的有直型，Y型和錘爪型，如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)碎草刀結(jié)構(gòu)

直型刀的割草方式主要是砍切，在割草一側(cè)開刃。如圖3(c)所示，在實(shí)際工作中，隨著機(jī)械的不斷前進(jìn)存在部分側(cè)切，切割刀刃作用面積較小，切割后雜草的桿徑尺寸較長，碎草效果一般，并且整個(gè)刀軸上安裝的數(shù)目較多，整機(jī)能量消耗較大；Y型刀兼有砍切和滑切兩種切斷方式，割刀一般由兩片鈍角的L型刀片背靠背安裝組成，在割草的一面開刃。如圖3(b)所示，切斷后的雜草完成二次切割的比率較高，割草效果好，但割刀自身重量較輕，分布均勻，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受離心力作用傳遞到刀刃末端的力有限，不能較好地節(jié)省機(jī)械能量。

錘式刀具有較好的割草效果，主要切斷方式是滑切。如圖3(a)所示，對雜草的粉碎效果佳，割刀外形像梳子，對一些類似絮狀的雜草具有較大的纏繞性，造成割草有輕微滯后現(xiàn)象，安裝在刀軸上在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)平穩(wěn)性不好，容易造成除草刀軸的變形折彎等損傷，并且重量相對較大，能耗較高，長期使用不經(jīng)濟(jì)。

T型刀兼有砍切和滑切兩種切斷方式。生產(chǎn)比較方便，刀片用螺絲固定在刀架上，更換刀片非常方便，并且在高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受離心力的作用，最終作用在刀片上的力較大，便于完成除草作業(yè)，刀片的總重量適中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)過程中平穩(wěn)性好，不會(huì)造成較大的能耗損失，適合長期推廣使用，本機(jī)設(shè)計(jì)的T型刀如圖4所示。

圖4 T型刀的三維圖 圖5 碎草刀排列方式 1.刀座 2.刀軸 3.碎草刀

2.2 碎草刀數(shù)量和排列形式

刀片通常有對稱式、單螺旋、雙螺旋等幾種方式，無論采用哪一種排列方式，總要滿足刀軸受力平衡、旋轉(zhuǎn)安全平穩(wěn)、工作可靠高效。根據(jù)查閱資料可知，在刀軸徑向排列方式中，相鄰兩個(gè)刀片的夾角應(yīng)大于60°，因此，根據(jù)本除草機(jī)的刀軸長度設(shè)計(jì)，將相鄰兩刀片徑向夾角確定為72°，碎草刀的排列方式如圖5所示。

由式(1)可以確定出刀片的數(shù)量：

N=CL

(1)

式中：N為刀片的總數(shù)；C為刀片的安裝密度；L為刀軸的長度。

通過查閱資料可知，T型刀片的安裝密度為0.02片/mm，刀軸長度為1 000 mm，因此，可以確定刀片總數(shù)為20片，分為10組安裝。

設(shè)計(jì)該刀片的長度尺寸為110 mm，在刀軸上按照軸向排列，刀軸用來支撐割草刀具體作業(yè)部分的總長度為1 000 mm，第一個(gè)刀座與最后一個(gè)刀座的間距尺寸為890 mm，平均兩個(gè)刀座之間的距離約為98 mm，徑向兩組刀片之間的重復(fù)距離為23 mm，滿足除草過程中不漏的要求，適當(dāng)?shù)闹貜?fù)有利于刀具對雜草的二次切割，可以增強(qiáng)雜草的粉碎效果。

采用雙螺旋的排列方式，將20個(gè)刀片均勻地排列在刀軸上，在軸向平面內(nèi)，兩組刀片對稱分布，有利于刀軸在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)保持較好的平穩(wěn)性。

2.3 碎草刀的受力

除草機(jī)的T型碎草甩刀在離心力的作用下做高速轉(zhuǎn)動(dòng)，受力分析如圖6所示。

圖6 甩刀受力分析

由式(2)得作用在甩刀螺栓的受力平衡方程:

FL2cosθ=mgL3sinθ+mω12R1L3sinθ

(2)

整理得：

式中：θ為甩刀片的偏轉(zhuǎn)角度；F為甩刀所受的阻力，N；m為甩刀的質(zhì)量，kg；L3為螺栓中心到甩刀重心的距離，mm；L2為螺栓中心到甩刀刀端的距離，mm；ω1為刀軸的角速度，rad/s；R1為刀軸中心到甩刀重心的距離，mm。

碎草刀的理想碎草方式為，刀片與地面相切，留茬高度為0，碎草刀在工作過程中受雜草的反作用力，作用點(diǎn)為刀片前部，根據(jù)查閱資料可知，工作轉(zhuǎn)角θ越大，越不利于雜草的粉碎，增大甩刀的質(zhì)量和增加轉(zhuǎn)軸的角速度都可以減小工作轉(zhuǎn)角θ。因此，在充分考慮碎草刀刀軸的強(qiáng)度和碎草刀的轉(zhuǎn)速合理的前提下，將工作轉(zhuǎn)角確定為30°。

由計(jì)算可得：甩刀的質(zhì)量為0.758 kg，刀軸中心到碎草刀重心位置的距離R1為95 mm，連接碎草刀的螺栓中心離碎草刀重心位置距離L3為65 mm，連接碎草刀的螺栓中心距離碎草刀刀軸端的距離L2為80 mm，刀軸的角速度為204 rad/s，最終作用在碎草刀上的力為266 N。

3 試 驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)

履帶式果園除草機(jī)的設(shè)計(jì)目的是將果園內(nèi)的雜草切除并粉碎后平鋪在地面上，為果園管理提供必要的幫助，提高機(jī)械運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。確定除草率C為評價(jià)指標(biāo)，定義如式(3)所示：

(3)

式中：QZ為面積內(nèi)總的草數(shù)，株；QS為單位面積內(nèi)剩余的草數(shù)，株；C為除草率，%。

3.2 試驗(yàn)因素與水平

由前面的分析可知，整機(jī)的除草效果受碎草刀的轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)半徑、碎草刀的類型和整機(jī)的前進(jìn)速度等主要因素決定。經(jīng)前面的分析設(shè)計(jì)，碎草刀的旋轉(zhuǎn)半徑已經(jīng)確定，因此只考慮碎草刀的轉(zhuǎn)速、碎草刀的類型和整機(jī)前進(jìn)速度等因素對整機(jī)作業(yè)效果的影響，各因素水平如表1所列，正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所列。

表1 因素水平表

表2 正交分析表

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表2正交試驗(yàn)的極差分析可知，各因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響大小的順序依次為碎草刀形狀A(yù)，刀軸轉(zhuǎn)速B和前進(jìn)速度C。最佳的因素水平組合為A3B2C2，即碎草刀形狀為T型，刀軸轉(zhuǎn)速為1 900 r/min，前進(jìn)速度為0.4 m/s，在此參數(shù)組合下，可獲得最佳的除草效率。

4 結(jié) 論

(1) 針對山地果園除草的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種履帶式果園除草機(jī)除草裝置，確定了碎草刀刀片的結(jié)構(gòu)、數(shù)量及排列形式，并對刀片進(jìn)行了受力分析

(2) 通過正交試驗(yàn)，確定在滿足碎草率要求前提下，碎草裝置的最佳參數(shù)組合為刀片形狀T型，刀軸轉(zhuǎn)速1 900 r/min，前進(jìn)速度0.4 m/s，此時(shí)除草裝置的工作效率最高。

(3) 該研究對于提高果園除草工作效率具有重要意義，可為履帶式果園除草機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及改進(jìn)提供理論依據(jù)。