東莞大堤堤坡草皮養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目斜邊坡自動(dòng)割草機(jī)的研制

(廣東恒源建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣東 東莞 523000)

1 工程概況

東莞大堤堤坡草皮養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目，養(yǎng)護(hù)面積1086542m2，管養(yǎng)時(shí)間36個(gè)月。由于養(yǎng)護(hù)線路長(zhǎng)、面積大、坡度陡，若采用人工進(jìn)行割草，費(fèi)用高，效率低。因此，選擇采用人工智能技術(shù)，研制現(xiàn)代化的自動(dòng)割草機(jī)機(jī)械，代替人工割草，提高施工效率。

東莞大堤位于東莞市東北部的東江下游，大堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。本次管養(yǎng)期為2016年2月1日至2019年1月31日，總管養(yǎng)年限為3年，其中包括堤坡草皮護(hù)理、大堤兩側(cè)平臺(tái)護(hù)理(由大堤沿線的堤腳往外延伸50m)、東莞大堤管理樓內(nèi)綠化管理和其他的一些堤圍常規(guī)綠化護(hù)理工作。綠化護(hù)理草皮面積達(dá)1086542m2，其中包括30°及40°堤坡草皮護(hù)理、修剪，按要求所有草皮每月修剪一次。

2 自動(dòng)割草機(jī)研制方案

該項(xiàng)目草皮修剪面積大，而且大部分為30°和40°斜邊坡，如果采用人工修整草坪，投入的人工費(fèi)用非常大，而且無(wú)法保證修整效果，并會(huì)失去最佳修剪時(shí)機(jī)。因此，從實(shí)際情況出發(fā)，為提高該項(xiàng)目堤坡草皮護(hù)理施工效率，減少人工費(fèi)用的投入，決定研究一套有效的解決方案，利用現(xiàn)代人工智能的方法，研制一臺(tái)能在斜坡段自動(dòng)修整草皮的割草機(jī)，保證在最短的時(shí)間內(nèi)將草皮修整完成。經(jīng)過(guò)討論提出了輪胎式割草機(jī)及履帶式割草機(jī)兩種設(shè)計(jì)方案。

2.1 輪胎式割草機(jī)(采用輪式驅(qū)動(dòng)+旋轉(zhuǎn)割草刀頭的方案)

輪胎式割草機(jī)主要由主骨架及行走系統(tǒng)、主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)、割草刀頭系統(tǒng)(圓盤(pán)式)及遙控系統(tǒng)4個(gè)部分組成。

a.主骨架及行走系統(tǒng)由主骨架及地面行走功能系統(tǒng)組成。主骨架為割草機(jī)的主要承重骨架，所有機(jī)件均安裝于主骨架上，行走功能系統(tǒng)包括行走減速箱及電動(dòng)馬達(dá)、輪胎等(行走機(jī)構(gòu)動(dòng)力輸出軸輸出功率1.8kW，最大牽引力3.38kN；底盤(pán)(輪式)行走速度4.6km/h，爬坡能力小于30°，輪胎規(guī)格11×7.10-5真空胎，承重400kg)。

b.主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)由主發(fā)動(dòng)機(jī)[型號(hào)：GX270柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，功率8kW，轉(zhuǎn)速3600r/min，動(dòng)力輸出軸功率8kW，油耗380g/(kW·h)，重量25Kg]、主變速箱、發(fā)電機(jī)(型號(hào)：PF-730，功率3kW，額定轉(zhuǎn)速2000r/min)、穩(wěn)壓器、蓄電池等組成。主發(fā)動(dòng)機(jī)連接變速箱及發(fā)電機(jī)，變速箱為雙比速變速箱，比速為1∶1.8/1∶5.63，分別為剪草和行走提供動(dòng)力，發(fā)電機(jī)連接穩(wěn)壓器、電動(dòng)馬達(dá)及蓄電池，由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)輪胎行走，蓄電池為補(bǔ)償電源，在主發(fā)動(dòng)機(jī)停止?fàn)顟B(tài)時(shí)割草機(jī)仍可以行走。

c.割草刀頭系統(tǒng)(圓盤(pán)式：直徑400mm×2mm，最大切割速度3680m2/h)由傳動(dòng)軸及圓盤(pán)式割草頭組成。由傳動(dòng)軸將變速箱的輸出動(dòng)力傳至圓盤(pán)式割草刀頭。

d.遙控系統(tǒng)由接收器和發(fā)送器組成。接收器安裝于割草機(jī)上，由集成電路板系統(tǒng)組成并控制割草機(jī)的行走速度和割草速率；發(fā)送器為單體遙控器，可遠(yuǎn)程控制割草機(jī)的各種運(yùn)行操作(遙控系統(tǒng)天線特性阻抗75Ω，遙控傳輸距離500m，傳輸功能:發(fā)電機(jī)啟停與調(diào)速/前/后/左/右)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輪胎式割草機(jī)結(jié)構(gòu)雖然合理，但可靠性較低，且輪胎式行走系統(tǒng)無(wú)法越過(guò)坑洼地坪面，容易沉機(jī)，不能自撥，主發(fā)動(dòng)機(jī)為柴電混合，雖節(jié)能卻不環(huán)保；系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)、替換方便，割草機(jī)整體制造時(shí)間短，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)的安裝調(diào)試。

2.2 履帶式割草機(jī)(采用履帶式驅(qū)動(dòng)+往復(fù)式割草刀頭的方案)

履帶式割草機(jī)主要由主骨架及行走系統(tǒng)、主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)、割草刀頭系統(tǒng)(往復(fù)式)及遙控系統(tǒng)4個(gè)部分組成，見(jiàn)圖1。

圖1 履帶式割草機(jī)總裝外形設(shè)計(jì)

a.主骨架及行走系統(tǒng)由主骨架及地面行走功能系統(tǒng)組成。主骨架為割草機(jī)的主要承重骨架，所有機(jī)件均安裝于主骨架上，行走功能系統(tǒng)包括行走減速箱及電動(dòng)馬達(dá)、履帶、驅(qū)動(dòng)輪/從動(dòng)輪等(行走機(jī)構(gòu)動(dòng)力輸出軸輸出功率1.8kW，最大牽引力4.2kN；底盤(pán)(履帶式)行走速度4.2km/h，履帶接地長(zhǎng)600mm，履帶寬度130mm，爬坡能力小于等于40°)。

b.主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)由主發(fā)動(dòng)機(jī)[型號(hào)：SV480汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，功率16kW，轉(zhuǎn)速3600r/min，動(dòng)力輸出軸功率11.9kW，油耗300g/(kW·h)，重量20kg]、主變速箱、發(fā)電機(jī)(型號(hào)：PF-730，功率3kW，額定轉(zhuǎn)速2000r/min)、穩(wěn)壓器、蓄電池等組成。主發(fā)動(dòng)機(jī)連接變速箱及發(fā)電機(jī)，變速箱為雙比速變速箱，比速為1∶1.8/1∶5.63，分別為剪草和行走提供動(dòng)力，發(fā)電機(jī)連接穩(wěn)壓器、電動(dòng)馬達(dá)及蓄電池，由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)輪胎行走，蓄電池為補(bǔ)償電源，在主發(fā)動(dòng)機(jī)停止?fàn)顟B(tài)時(shí)割草機(jī)仍可以行走。

c.割草刀頭系統(tǒng)(往復(fù)式)由傳動(dòng)軸及往復(fù)式割草頭組成。由傳動(dòng)軸將變速箱的輸出動(dòng)力傳至往復(fù)式割草刀頭(最大切割速度5040m2/h，長(zhǎng)度1200mm，刀齒切合頻率3.5回合/s，切割標(biāo)準(zhǔn)小于15mm)。

d.遙控系統(tǒng)由接收器及發(fā)送器組成。接收器安裝于割草機(jī)上，由集成電路板系統(tǒng)組成并控制割草機(jī)的行走速度和割草速率；發(fā)送器為單體遙控器，可遠(yuǎn)程控制割草機(jī)的各種運(yùn)行操作(遙控系統(tǒng)天線特性阻抗75Ω，遙控傳輸距離500m，傳輸功能:發(fā)電機(jī)啟停與調(diào)速/前/后/左/右)。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)履帶式割草機(jī)結(jié)構(gòu)合理、可靠性高，采用履帶式行走系統(tǒng)可越過(guò)面寬直徑小于等于400mm的坑道地坪面，不容易沉機(jī)，自拔能力強(qiáng)，系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)、替換方便，且主發(fā)動(dòng)機(jī)為汽電混合，節(jié)能環(huán)保，割草機(jī)整體制造時(shí)間短，能在較短的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)的安裝調(diào)試。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，履帶式割草機(jī)的使用功能比輪胎式割草機(jī)更為可行。輪胎式割草機(jī)外觀完整、美觀大方、體積小，但不夠堅(jiān)固密實(shí)，無(wú)法越過(guò)坑洼地坪面，容易沉機(jī)，不能自拔，結(jié)構(gòu)雖然合理，但可靠性低。履帶式割草機(jī)外觀完整、美觀大方、體積小，外觀結(jié)構(gòu)與一輛小型坦克戰(zhàn)車相同，堅(jiān)固密實(shí)，可越過(guò)面寬直徑小于等于400mm的坑道地坪面，不容易沉機(jī)，自拔能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)合理、可靠性高。

3 制作履帶式割草機(jī)過(guò)程

根據(jù)選定的履帶式割草機(jī)方案，從主骨架及行走系統(tǒng)、主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)、割草刀頭系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)4個(gè)部分進(jìn)行制作。

a.履帶式割草機(jī)的主骨架選用鍍鋅型鋼，行走系統(tǒng)選用塑料履帶以及金屬傳動(dòng)輪、緊張輪，以達(dá)到最小離地間隙大于等于8.6cm和最高行走速度大于等于4.2km/h。由專業(yè)的焊接人員進(jìn)行焊接和安裝，安裝完成后進(jìn)行調(diào)試并驗(yàn)收。

b.履帶式割草機(jī)選用國(guó)內(nèi)知名的直流式電動(dòng)機(jī)和固體鋰蓄電池作為主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，主發(fā)動(dòng)機(jī)功率大于等于16kW，轉(zhuǎn)速達(dá)到大于等于3600r/min，行走電機(jī)的最大牽引力達(dá)到大于等于3.38kN，固體鋰蓄電池理論容量不低于3862mAh/g。

c.履帶式割草機(jī)選用國(guó)內(nèi)知名的不銹鋼且?guī)ё詣?dòng)排草功能的刀頭，以防因生銹而產(chǎn)生的自身質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)而影響項(xiàng)目施工進(jìn)度，刀頭的刀齒切合頻率達(dá)到大于等于3.5回合/s。

d.履帶式割草機(jī)采用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)選用2.4G無(wú)線傳輸遙控器，遙控傳輸距離達(dá)到大于等于500m，傳輸功能帶有發(fā)電機(jī)的啟停與調(diào)速/前/后/左/右，滿足操作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的要求。

4 研制成品結(jié)果

研制成功后，在東莞大堤堤坡草皮養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目采用斜邊坡自動(dòng)割草機(jī)，斜邊坡自動(dòng)割草機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)完整，外觀精致大方，整體效果良好，見(jiàn)圖2。結(jié)合人工智能原理，使用方便，操作簡(jiǎn)單，完全滿足了提高堤坡草皮護(hù)理施工效率，減少人工費(fèi)用的投入的要求，適合草皮護(hù)理線路長(zhǎng)、面積大、管養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)的項(xiàng)目。

履帶式割草機(jī)研制成功并投入到東莞大堤堤坡草皮養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目中，得到的社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益是非常可觀的，以經(jīng)濟(jì)效益為例，按2年管養(yǎng)期計(jì)算，共節(jié)約70.14萬(wàn)元。履帶式割草機(jī)自研制成功投入使用以來(lái)功能和主要性能運(yùn)行情況良好，并獲得了廣東省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所出具的《科技查新報(bào)告》。

圖2 履帶式割草機(jī)總裝效果圖

a.該項(xiàng)目研究的斜邊坡自動(dòng)割草機(jī)結(jié)構(gòu)合理、美觀大方，堅(jiān)固、可靠性高。

b.斜邊坡自動(dòng)割草機(jī)的爬行坡度小于等于40°，最大切割速度5040m2/h。

c.履帶式行走系統(tǒng)可越過(guò)面寬直徑小于等于400mm的坑道地坪面，不容易沉機(jī)，自拔能力強(qiáng)。

d.系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)、替換方便，主發(fā)動(dòng)機(jī)為汽電混合，節(jié)能環(huán)保。

e.該機(jī)械設(shè)備的制造時(shí)間短，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)的安裝調(diào)試，快速投入使用。

5 結(jié) 語(yǔ)

東莞大堤堤坡草皮養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目線路長(zhǎng)、面積大、管養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)，且堤坡為30°和40°的斜邊坡，如果采用人工割草費(fèi)用高、效率低，為了提高割草效率，研制了履帶式斜邊坡自動(dòng)割草機(jī)，該割草機(jī)能夠提高堤坡草皮養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目的效率，減少人力物力的投入，環(huán)保節(jié)能，并有效地解決了斜邊坡自動(dòng)割草的難題，可為類似工程提供借鑒。