果園耕耘機避讓系統的設計

李文春，陳廷官，張宏文※

（1.阿拉爾萬達農機有限公司，新疆 阿拉爾 843300；2.石河子大學機械電氣工程學院）

0　引言

2016年新疆特色林果業種植面積為165萬hm2，果實產量達到1790.88萬t，同比上一年增長了4.8%[1]，已成為全國最大的特色林果業種植區與果實銷售地。果園管理中，每年都會花費大量的財力、人力對果園進行雜草清除。由于果樹之間距離較大，有充足陽光與水分，易于滋生雜草，直接影響著果樹成活率和結果時間[2]，因此果園除草機械對果園經濟效益起到重大的作用。

我國從60年代開始研究果園除草機械[3]，經過多年的研究與試驗，在引進國外除草機的基礎上吸收改進，已經研制了不同類型的除草機，但新疆果園除草機械大多數僅能除掉果樹行間雜草，無法對株間雜草徹底清除，使果園雜草重新泛濫，降低作業效果，需要人工二次補耕，增加勞動強度。國外除草機械興起早且發展迅猛，針對其果園種植模式，研制出許多果園專用除草機械，常用的機械結構有旋轉式與立軸旋轉式[4～6]，但其種植模式與國內不同，不能直接引進推廣。

針對上述問題，在現有的果園除草機械以及設計理論基礎上[7～9]，結合新疆實際的果園種植模式以及耕作要求，設計一種可實現行間與株間全方位作業的除草設備。通過對除草方式、避讓原理以及作業速度進行分析計算，確定整機參數與結構。

1　整機結構與參數

1.1　整機結構

果園耕耘機避讓系統由耕耘機以及避讓裝置組成。耕耘機主要由懸掛架、機架、限深輪、彈齒耙等組成，避讓裝置主要由液壓系統、避讓執行機構、除草刀具、調節安裝板、觸碰桿等組成，如圖1所示。

耕耘機通過前端固定的三點懸掛機構與拖拉機相連接，一組限深輪隨機具牽引而前進，耕作動力由機具的牽引力提供，耕作部件為兩排錯開安裝在機架上的彈齒耙。裝置根據實際工作情況對耕作深度進行調節，且耕作深度最大為12cm，耕耘機主要起到清除果樹行間的雜草以及疏松土壤的作用。避讓裝置通過調節安裝板與螺栓安裝在耕耘機的兩側，液壓系統中的液壓缸與機具液壓輸出點相連，隨著機具的前進，觸碰桿通過受力來檢驗是否有果樹或者障礙物，作為避讓裝置的系統信號的輸入，控制液壓系統中的控制閥開關，使除草刀具旋轉進行除草作業與避讓，其主要作用為清除果樹株間雜草與疏松株間土壤。

1.2　工作原理

果園耕耘機避讓裝置通過機具在果樹行間直線牽引行駛作業，耕耘機采用彈簧鋼為材料的彈齒耙，共6個分為兩組錯開安裝在機架上，可保障行間耕作面積，對行間的雜草能夠有效的清除。根據實際的耕作深度要求，對限深輪與耕深調節裝置進行調節。避讓裝置與耕耘機一同前進，具有相同的前進速度。避讓裝置采用懸臂梁式的刀具進行除草作業。正常除草作業時，刀具切入淺表層土壤，在機具前進動力的帶動下，刀片上耙齒將草提起耙開，從而使草變干而枯死，此時液壓系統不工作；當觸碰桿碰到障礙物時，觸碰桿隨著轉動控制板同步轉動，作用于液壓系統的壓力控制閥上，液壓系統控制液壓缸迅速動作，驅動刀軸旋轉使刀具避開障礙物，能夠有效降低對果樹及刀具的損傷，當避讓過障礙物后，刀具再次旋轉到正常工作位置作業，以此往復循環，在刀具工作區域內，可對雜草進行全面清除，有效地降低少除、漏除等現象。

1.3　主要技術參數

外形尺寸（mm）1 910×1 760×1 300

配套動力（kW）9.8～17.6

牽引方式三點懸掛

工作幅寬（cm）160

耕作深度（cm）6～10

作業速度（km/h）2～6

刀具旋轉線速度（m/s）0.55～1.39

液壓缸工作壓力（MPa）12

液壓油流量（L/min）7～10

2　關鍵零部件的設計

2.1　避讓裝置調節機構設計

調節機構是避讓裝置的核心零部件之一，它主要由固定板、調節機構安裝板、液壓缸、合頁、銷軸等組成，主要作用為調節刀具的入土角，并起到固定安裝的作用。固定板將避讓裝置固定連接在耕耘機的兩側，調節機構安裝板將調節機構機架與固定板聯接在一起。為更好的滿足耕作要求，適應不同含水量、堅實度以及抗剪強度的土壤，刀具的入土角需要不斷的調節。設計應滿足以下要求：

（1）具有安裝固定與可調節刀具的入土角的作用；

（2）保證耕作時裝置的結構穩定性，減少機具振動；

（3）能夠起到良好的安裝固定作用。

2.2　調節機構機架設計

調節機構機架主要由上水平板、下水平板、U形調節卡套等組成，它是避讓裝置的驅動元件與執行元件安裝的機架，具有固定支持作用。U形調節卡套還可添加一個附加犁，增加除草碎土效果。設計應滿足以下要求：

（1）能較好的與調節機構相連接，且穩定性好；

（2）便于刀軸與液壓缸的安裝連接；

（3）結構簡單，易安裝拆卸，方便維修。

3　試驗分析及結論

在石河子農場進行田間試驗，試驗對象為生長2年的蘋果樹果園。經理論分析研究可知，對果園耕耘機避讓系統作業性能影響最大的因素為機組前進速度，因此為了得到其正常工作速度范圍，需測定漏耕率與避讓通過率能否滿足并達到除草機設計要求與國家相應的標準。本試驗選取農用配套拖拉機X804，采用中低速6個檔位進行田間試驗，作業后測量計算耕深、漏耕率以及避讓通過率等性能指標，其中最低速、正常工作速度與最低速試驗結果如表1所示。

表1　避讓系統在不同作業速度下的性能指標

田間試驗表明：果園耕耘機避讓系統的正常作業速度為2～6 km/h時，株間除草避讓系統避讓在滿足耕作深度的條件下，果樹通過率可達到100%，且漏耕率最大為5.26%，平均植被覆蓋率達到95.43%，其各項性能指標均能達到國家標準與設計標準，可以滿足果園作業的要求，為今后果園機械的發展提供理論參考。

參考文獻：

[1]新疆維吾爾自治區2016年國民經濟和社會發展統計公報[R].2016.

[2]晉圖強.果園雜草的常見種類和綜合控制[J].果農之友，2014.

[3]李江國，劉占良，張晉國，等.國內外田間機械除草技術研究現狀[J].農機化研究，2006（10）：14～16.

[4]V.S.Saimbhi,D.S.Wadhwa,P.S Grewal.Development of a Rotary Tiller Blade using Three-dimensional Computer Graphics[J].BiosystemsEngineering,2004,Vol.89(1),47～58.

[5]Takashi Kataoka.Soil blade dynamics in reverse rotational rotary tillage[J].Journal of Terra-mechanics,Volume 39,Issue 2,2002(4),95～113.

[6]V.M.Salokhe.Effectofrotationdirectionofarotarytillerondraft and power requirements in a Bangkok clay soil[J].Journal of Terramechanics,Vol.39,2002(10),195～205.

[7]李文春，畢新勝，吳雪璐等.果園彈齒耙[P].新疆：CN203327487U,2013-12-11.

[8]唐存干，時忠明，俞先仁.一種桿觸式側移避讓旋耕機[P].江蘇：CN104718814A，2015-06-24.

[9]陳軍，慕軍營，劉斐等.一種果園智能化全方位機械除草機[P].陜西：CN103329653A，2013-10-02.