HXJ-1型棗樹修剪機的研制

張琦峰,鐘 波,孫盛剛,秦喜田,劉學峰,劉學串

(1.山東農業機械科學研究院,濟南 250100;2.山東雙佳農裝科技有限公司,濟南 250100)

0 引言

紅棗是我國特色林果經濟作物[1],在我國分布廣泛,自東北南部至華南、西南,西北到新疆均有種植,且以黃河中下游、華北平原栽培最為普遍[2]。棗樹修剪可分為老樹復壯修剪、幼樹整形修剪和盛果期修剪[3]。老樹復壯修剪主要對其衰老枝進行復壯更新,老棗樹棗頭枝殘缺不齊,棗股稀少,坐果率低,根據其衰老程度進行復壯修剪,可以使其萌發健壯分枝,形成新樹冠,大幅提高棗果產量。研究表明,通過棗樹復壯修剪可以使棗果產量增加25%以上[4]。幼樹整形修剪的目的是形成合理的樹形結構和樹冠形狀,棗頭枝的生長大致呈之字形螺旋均布,適宜棗樹的樹形較多,密植情況下多選用紡錘形或雙主枝開心形,這兩種樹形樹冠通風透光性好,大小適宜,樹形結構層次分明。盛果期修剪的則主要修剪密擠枝及徒長枝等,防止樹冠紊亂,合理調節營養生長和結果生長。目前,國內的棗園仍然以人工手持修枝剪進行單枝修剪為主,輔以梯子、凳子等簡易工具,不僅修剪效率低,而且操作不便,同時具有一定的危險性。發達國家果樹機械化修剪技術的研究于20世紀60年代已經開始,目前其生產效率比人工提高5～10倍[5-7]。隨著我國紅棗種植面積增大和現代化棗園的不斷出現,傳統的人工管理方式已經遠遠不能滿足發展需求。棗樹機械化修剪技術結合了農機與農藝特點,在棗樹統一樹形、增加棗果產量及減低生產成本等方面有重要意義。為此,筆者研發了一種棗樹修剪機,以提高修剪質量和效率,推動棗園全程機械化管理。

1 整機結構及工作過程

1.1 整機結構及特點

HXJ-1型棗樹修剪機主要由仿形機架總成、修剪總成、棗吊去除總成和液壓系統等組成,如圖1所示。

1.仿形機架總成 2.修剪總成 3.棗吊去除總成 4液壓系統圖1 HXJ-1型棗樹修剪機Fig.1 HXJ-1 jujube tree prunner。

該機具有良好的仿形性,工作環境適應性強,結合農藝要求,具備棗吊去除功能,基本修剪作業工作穩定,結構簡單,便于安裝操作。

1.2 工作原理

HXJ-1型棗樹修剪機以拖拉機為配套動力,懸掛安裝于拖拉機前配重位置,設置單獨油箱,以拖拉機的PTO后動力輸出作為主要驅動動力,配合齒輪泵提取液壓油,在電磁閥組的控制下完成相關作業。工作時,修剪機側置于拖拉機一側,在液壓油缸的牽引下完成仿形機架調整以控制樹形,安裝在仿形機架上的修剪裝置分別對棗樹的左、右兩側和上側進行統一修剪[8-9];棗吊去除總成對修剪過的棗枝進行擊打,利用棗樹落果性的特點去除棗吊。

2 主要結構設計

2.1 仿形機架的設計

依據合理密植要求對棗樹進行修剪,使樹高小于行距。依據棗樹品種不同,一般行距為3m和4m,紡錘形樹體樹高通常控制在2.5m,其定干高度一般80～100cm。在進行機架設計時,應充分滿足農藝需求,重點考慮機架的仿形性[10-12]。

HXJ-1型棗樹修剪機的仿形機架主要有主干機架和掛接機架組成:主干機架呈倒L型,用于連接拖拉機及將修剪機置于拖拉機一側,通過主干機架部件間的銷軸可以調整修剪機與地面及拖拉機之間的距離和角度;掛接機架用來安裝修剪總成并使之與主干機架連接,通過調節掛接位置及牙嵌式離合器,可以靈活地改變修剪形狀,使設備具有有較高的仿形性。仿形機架總成如圖2所示。

1.主干機架 2.掛接機架 3.牙嵌式離合器 4.轉軸圖2 仿形機架總成Fig.2 Copying frame assembly。

2.2 修剪總成的設計

目前,國內外普遍采用的果樹修剪方式是整株幾何修剪[13],修剪器統一去除作業過程中阻礙設備通過的枝條。常見的果樹修剪器有往復割刀式修剪器、轉刀式修剪器及圓盤鋸式修剪器[14]。

HXJ-1型棗樹修剪機的修剪器采用圓盤鋸式修剪器,特點是不需要慣性力平衡,不容易堵塞,割下的枝條拋撒形狀均勻,方便收集,適應中、高速聯合作業[15-16]。修剪器分為左右兩側及上側,每側的結構及工作原理類似,主要由護罩、液壓馬達、傳動總成、圓盤鋸及支撐桿等組成,如圖3所示。

1.護罩 2.液壓馬達 3.傳動總成 4.圓盤鋸 5.支撐桿圖3 修剪總成Fig.3 The clamping and feeding device。

2.2.1 圓盤鋸

對圓盤鋸進行運動分析,如圖4所示。

圖4 圓盤鋸運動分析圖Fig.4 Motion analysis diagram of disc saw。

圖4中,圓盤鋸繞O點勻速轉動,同時隨設備整體以速度U水平前進,任意取鋸齒頂端a、b兩點,則a、b兩點的軌跡方程為

(1)

(2)

其中,R為圓盤鋸半徑,β為aO與bO的夾角,ω為角速度。

當a點轉過π/2時,則

(3)

當b點轉過π/2-β時,則

(4)

保證不會發生漏剪的條件為

xa1-xb1=h

(5)

其中,h為鋸路高度。

將式(3)、式(4)帶入式(5),得

(6)

結合相關研究[17-18],確定圓盤鋸直徑355mm,刀齒數量80,圓盤鋸轉速1 800～2 000r/min。修剪總成共設置16個圓盤鋸,相鄰鋸片交錯布置,交錯長度100mm,保證不漏剪。其中,上側修剪器設置4個圓盤鋸,總長度約1 100mm;左右兩側修剪器各設置6個圓盤鋸,總長度約1 600mm。

2.2.2 支撐桿

單支撐桿剪切適用于喬木、灌木的枝條修剪。支撐桿的支撐位置確定了枝條與圓盤鋸的相對位置,按照枝條與圓盤鋸的相對位置可以將單支撐桿剪切分為3類,即上位剪切、中位剪切和下位剪切。分別對此3種情況的棗枝進行受力分析[19-20],如圖5所示。

圖5 棗枝受力分析圖Fig.5 Force analysis chart of jujube branches。

圖5中,O為圓盤鋸回轉中心;θ為剪切點與O的連線與水平方向夾角;Ft為棗枝受到圓盤鋸的切向力;Fn為支撐桿對棗枝的支撐力;Ff為棗枝受到圓盤鋸前進的壓力;F為棗枝受到的合力;τ為F與水平方向夾角。

(7)

(8)

(9)

剪切過程中,F越小則表明剪切越穩定,剪切效果越好。由式(7)～式(9)可以得出:當采用中位剪切時,F最小,棗枝近似于靜止狀態,剪切過程最穩定;采用上位剪切和下位剪切時,受力不平衡,棗枝易發生滑動,實際表現為切不斷或切不著。

2.3 棗吊去除總成

擊打去除機構通常采用旋轉軸或旋轉筒帶動若干擊打桿件對枝條產生震動或敲擊的原理實現去除作業。按照擊打桿件在旋轉軸軸向的布置形式可以分為均布式和螺旋式兩種。HXJ-1型棗樹修剪機的棗吊去除總成采用螺旋式布置,特點是旋轉軸徑向面內擊打頻率低,旋轉軸軸向面內擊打密度大,其目的在于最大范圍內去除作業區域的棗吊,而避免對同一棗枝反復擊打造成損傷。

2.3.1 棗吊去除總成結構

棗吊去除總成主要由滾筒、擊打桿、液壓馬達及仿形支架組成,如圖6所示。其滾筒高度570mm,安裝7根擊打桿,擊打桿長度480mm,擊打桿布置方式如圖7所示。

1.滾筒 2.擊打桿 3.液壓馬達 4.仿形支架圖6 棗吊去除總成Fig.6 Jujube hanging removal assembly。

圖7 擊打桿布置圖Fig.7 Hitting rod layout。

2.3.2 擊打桿運動分析

擊打桿件進行運動分析如圖8所示。

圖8 擊打桿運動分析圖Fig.8 Kinematics Analysis Diagram of Hitting Rod。

圖8中,O為旋轉軸;桿件外端點繞O點旋轉的同時隨設備整體以速度v1做勻速直線運動;θ為桿件轉過的角度;d為擊打桿長度。

對外端點構建運動方程,即

(10)

對式(1)求導得

(11)

則外端點速度V為

(12)

運用SolidWorks motion追蹤外端點運動軌跡(見圖9)[21],設置滾筒轉速為120r/min,設備前進速度為0.8m/s。圖9(a)中,單支擊打桿外端點在旋轉軸徑向面內的運動軌跡呈余擺線;圖9(b)中,棗吊去除總成整體在旋轉軸軸向面內擊打密度大,對于作業范圍內某一點的重復擊打率低,符合設計要求。

圖9 擊打桿外端點運動軌跡Fig.9 The outer endpoint motion trajectory of hitting rod。

2.4 液壓系統

HXJ-1型棗樹修剪機的液壓系統主要由動力單元、控制單元及執行單元組成[22-23]。配置單獨的油箱及齒輪泵,以解決拖拉機后動力輸出壓力不足問題。液壓系統主要由齒輪油泵及油箱、電磁閥組件、油缸及液壓馬達等組成,如圖10所示。

1.液壓泵 2.油濾器 3.動力輸出 4.電磁多路閥 5.液壓油缸 6.驅動馬達圖10 液壓系統示意圖Fig.10 Schematic diagram of hydraulic system。

3 田間性能測試

該機于2018年11-12月在山東濟南進行了田間測試,配套動力為36.75kW拖拉機。對棗枝漏剪率進行了統計,漏剪率≤10。漏剪率計算式為

(13)

其中,η為漏剪率,a為漏剪枝數,c為總枝數。

樣機技術參數如表1所示,各項技術指標符合設計要求。

表1 HXJ-1型棗樹修剪機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of 4QG-2 silage harvester。

4 結論

1)設計了一種棗樹修剪機,可對棗樹進行機械化高效修剪,配合簡單的人工內部精細修剪,可完成棗樹統一樹形及老樹復壯等作業。

2)設計了一種棗吊去除裝置,建立了棗吊擊打桿外端點運動方程,通過SolidWorks motion進行仿真模擬。結果表明:單支擊打桿外端點運動軌跡為余擺線,棗吊去除裝置整體擊打密度大,單點擊打頻率低,符合農藝需求。

3)液壓系統設計合理,功能完備,工作可靠。

4)田間試驗表明:HXJ-1型棗樹修剪機可較好地完成棗樹的高效機械化修剪作業,性能穩定可靠,各項測定值均符合要求,降低了人工勞動強度,推動了果園全程機械化管理進程。