隨行自走式果園割草機的設計與試驗研究

王鵬飛，劉俊峰，高　迎，李建平，劉洪杰

(1.河北農業大學 機電工程學院，河北 保定　071001；2.長城汽車股份有限公司，河北 保定　071000)

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隨行自走式果園割草機的設計與試驗研究

王鵬飛1，劉俊峰1，高迎2，李建平1，劉洪杰1

(1.河北農業大學 機電工程學院，河北 保定071001；2.長城汽車股份有限公司，河北 保定071000)

摘要：針對北方山地中小型矮砧密植蘋果園生草制管理中所面臨的果園地形復雜及割草作業量大等問題，設計開發了隨行自走式果園割草機。該機采用雙離合結構，能夠實現機具行走與割草作業分別控制。手動控制行走離合可以實現操作人員隨行，降低了勞動強度。該機設計割幅為60cm，割茬高度可在5~10cm范圍內調節，正常工作速度為3~5km/h。田間試驗結果表明：該型割草機工作性能良好，單位區域內雜草撕裂率0.47%，漏割率1.50%，雜草碎段區域平均長度79.39mm，碎草性能較好，工作效率可達0.5hm2/h。該機結構設計合理，割草作業質量能夠滿足農藝要求，為我國中小型果園生草制管理作業提供了技術支持。

關鍵詞：蘋果園；生草制；山地；雙離合；矮砧密植；割草機

0引言

蘋果在我國有悠久的培育歷史，是人們比較喜歡的水果之一。果園生草是果園土壤管理的一種方法，指在果園的行間、株間種植多年生草;其不被收獲，刈割后覆蓋在樹下或行間，是有效保護果園土壤的一種方法。果園生草覆蓋可以顯著改善果園生態條件，提高土壤有機質含量和理化性狀，具有蓄水保墑、培肥地力、減少水土流失及調節微生態系統環境等功能[1-3]。

果園割草是果園管理的一項重要作業，為合理生草，一年需割多次，用工量多，勞動強度大。目前，應用于割草作業的機具較多，常見的機力割草機有乘坐式、懸掛式、手推式和背負式[4]；但大多用于牧草收割或草坪管理，能夠適應山地果園復雜的割草機較少。針對此問題，對山地中小型矮砧密植蘋果園生草制管理環節進行了技術調研，根據蘋果樹培育專家提出的蘋果園割草農藝要求，設計開發了隨行自走式果園割草機。隨行自走式果園割草機是山地中小型果園完成行間割草作業的一種機具，可以有效提高果園生草制管理中的農事作業效率，降低勞動成本。

1整機方案設計

1.1　工作原理

隨行自走式果園割草機由發動機、機架、變速箱、刀盤、切割刀、割刀離合、行走離合、驅動輪及割茬調節系統等組成，如圖1所示。工作時，發動機分別為割草機行走系統和切割裝置提供動力。發動機動力經變速箱傳遞給驅動輪來驅動機具前行；當割刀離合結合后，皮帶張緊，發動機部分動力經皮帶傳輸給切割器刀軸，刀軸帶動切割刀高速旋轉實現對雜草的切割作業。

1.2　農藝要求及設計參數

為適應機械作業，矮砧密植型蘋果園采用寬行窄株式栽培的栽培模式，樹型大都是自由仿錘形，株、行距大多為(1.5~2.0)m×(3.5~4)m。果樹成齡結果后，通過人工控制側枝的枝展程度，行間通道可保持1.5~2m，行間自然或人工生草的幅寬2~2.5m。果園割草作業對割草機的農藝要求是：能把行間的草全部割下來，割茬整齊，割茬在50mm以上。果園割草作業還要求機具的通過性好，仿形能力強，安全可靠[5]。據此該機設計參數為：

作業方式：隨行自走式

切割器類型：圓盤回轉式

割刀片數/片：2

作業速度/km·h-1：3~5

作業幅寬/cm：60

割茬高度/mm：50~100可調

配套動力/kW：4.78

1.前輪　2.機罩　3.割刀離合　4.發動機　5.扶手　6.行走離合　7.檔桿　8.割茬高度調節桿　9.機架　10.驅動輪　11.割刀

2主要參數確定及關鍵部件設計

2.1　割刀轉速確定

隨行自走式果園割草機割刀采用直線型結構，材料為優質65Mn鋼板，刀口經高頻局部淬火、中溫回火處理，表面制備了耐磨性能優異的ZnCN/Fe金屬陶瓷復合涂層[6]。割刀形狀以及與刀盤安裝尺寸如圖2所示。

(a)　割刀結構

(b)　割刀與刀盤安裝

圓盤式切割器的割刀轉速是根據切割速度要求而確定的。由于旋轉式割草機的刀片銷接在刀盤上，為了使刀片工作穩定，切割速度應大于最低極限速度30 m/s，一般為50~90 m/s，多為65~80m/s[7]。割刀運動軌跡及瞬時切割速度分析如圖3所示。

(a)　割刀運動軌跡

(b)　瞬時切割速度分析

圖3中，因刀片內端a處圓周速度最低，故應以該點為基準確定割刀應有的速度。割刀任一點速度均為刀片圓周速度與機器前進速度的合速度，故a點速度為

由上式可見，當ωt+β=π+2kπ，k=0,1,2,…，n時，va最小，即

vamin=rω-vm

式中n—刀盤轉速；

β—刀片內外端點對盤心連線夾角(直線型割刀，此處β=0)；

vd—刀處應有的切割速度(m/s)，取vd=65m/s；

vm—機器前進速度(m/s)，取vm=0.97m/s；

r—刀片內端半徑(m)， r=0. 25m。

代入數據可得

圓整后割刀轉速取n3=n=2 500r/min。

2.2　割茬高度調節機構的設計

常用割草機割茬高度調節方式有四輪分體調高機構、一體調高、內置調高和擺臂式調節方式[8]。山地果園地形復雜，割茬高度調節頻繁，上述方式結構復雜，機構頻繁調節較困難。為此，設計一種基于平行四連桿機構，通過對刀盤高度進行調整來實現割茬高度調節的割茬高度調節機構，如圖4所示。通過旋轉Y軸上高度調節手柄，帶動由X軸方向連桿、刀盤和兩拉桿組成的平行四連桿機構運動，實現刀盤位置的上下調整。該機構能夠在割草機靜止或作業過程中完成割茬高度的調節，可控制割茬高度在5~10cm，結構簡單，操控方便。

(a)　調節機構簡圖

(b)　調節機構三維模型

2.3　驅動橋變速箱的設計

隨行自走式割草機在作業時，行走和切割所需動力全部來自于發動機。行走系統隨行速度的實現主要靠驅動橋變速箱完成，變速箱齒輪傳動系如圖5所示。該型割草機采用立式發動機，動力經皮帶傳輸后，通過蝸桿傳遞給蝸輪1，帶動齒輪軸I轉動。擋桿滑動將齒輪3、4或齒輪2、6嚙合，帶動后輪驅動軸II轉動，驅動機組前進。在驅動軸II上設計差速器結構以方便動力分配和機具轉向操控。齒輪7、8嚙合可以實現機組倒退行駛。

(a)　齒輪系簡圖

(b)　驅動橋

在標定工況下，汽油機額定轉速n1=2 600r/min，功率P=4.78kW，動力經皮帶輪，經輸出軸傳遞給切割器，達到設計切割器切割速度v=65~80m/s(刀盤直徑d=500mm)。

由此得切割系統傳動比為

i1=n1/n2=1.04

在標準工作狀況下，經二級齒輪減速箱減速，再經輸出軸傳遞給行走裝置，達到設計果園割草機工作速度vm=3.5km/h。取驅動輪半徑為300mm。

故車軸轉速為

行走系統傳動比為

i2=n1/n3=84.14

3田間試驗

2014年9月10日，在保定市順平縣大悲鄉河北農業大學“三優”蘋果園試驗站，進行了田間割草試驗。所選蘋果園所處地形為山地，試驗田面積6 624m2，果樹種植方式為行距4m、株距1m的矮砧密植型模式，果樹種植年齡為1年，果樹單側平均枝展54.4cm。田間試驗數據(見表1)分析結果表明：該型割草機割工作性能良好，單位區域內雜草撕裂率為0.47%，漏割率1.50%，雜草碎段區域平均長度79.39mm，碎草性能較好，工作效率可達0.5hm2/h。

表1　隨行自走式果園割草機田間試驗數據

4結論

1)根據農藝作業要求和山地中小型果園環境特點，設計了隨行自走式果園割草機，降低生草制果園割草作業勞動強度，提高了經濟效益。

2)隨行自走式果園割草機的田間實驗表明：割草機作業性能穩定，割草效果良好，漏割率低，碎草效果好，能夠滿足中小型果園生草制管理作業需求。

參考文獻：

[1]方敏彥,梁慧敏,鮑榮靜，等.果園生草覆蓋研究動態及發展方向[J].浙江農業科學,2012(12):1655-1659.

[2]高方勝，王明友.生草對魯西北果園生態環境及蘋果光合特性的影響[J].北方園藝,2011(15)：73-75.

[3]熊永森,王金雙,徐中偉.小型往復式果園割草機設計[J].農機化研究,2007(6):68-69.

[4]路曉.割草機械[J].農業機械,2001(12):48.

[5]畢士成.關于果園割草機設計的幾點意見[J].北方果樹,1998(3):33.

[6]王鵬飛,劉俊峰,程小龍，等.乘坐式果園割草機割刀使用性能研究[J].農機化研究，2015，37(8):181-183.

[7]中國農業機械化科學研究院.農業機械設計手冊:下冊[K].北京:中國農業科學技術出版社, 2007：1139-1145.

[8]李建平,劉俊峰,劉洪杰，等.基于搖桿滑塊機構的割草機割茬高度機構設計[J].農機化研究，2013，35(4):96-99.

Design and Research of the Accompanying Self-propelled Mower Orchard

Wang Pengfei1, Liu Junfeng1, Gao Ying2, Li Jianping1, Liu Hongjie1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001,China; 2.Great Wall Motor Company Limited, Baoding 071000,China)

Abstract：Against the north mountain in the management of small and medium-sized dwarf anvil dense planting apple orchards sward facing the complex terrain of orchard, cut the grass down big problems, designed and developed with self-contained orchard lawn mower.This machine adopts double clutch structure, can achieve walking machine and cut the grass work control respectively.Manual control walking clutch can realize operation personnel accompanying, reduces the labor intensity.The machine design cutting length 60cm,stubble height can be adjusted within 5cm to 10cm, normal working speed is 3~5km/h, the field experiment results show that the retrofit mowing work performance is good, the unit area of weeds tear rate was 0.47%, the leakage rate cut 1.50%, weeds fragile region the average length of 79.39 mm, crushed grass performance is good, the efficiency can reach 0.5hm2 / h, the average fuel consumption of 4.75L/hm2.

Key words：apple orchard; grass system; mountain; double clutch; dwarfing close planting; mower

中圖分類號：S817.11+1

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0099-05

作者簡介：王鵬飛(1986-)，男，石家莊人，助教，(E-mail)wangpengfeia@126.com。

基金項目：國家公益性行業科研(農業)專項經費項目(201203016)；國家蘋果產業技術體系專項(CARS-28)；河北農業大學理工基金項目(LG20140103)

收稿日期：2015-08-13