果園株間除草自動避障裝置的設(shè)計與試驗

朱站偉,湯智輝,何義川,鄭 炫,張東超,楊懷君

(1.石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所,新疆 石河子 832000;3.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆果園的種植模式為密植,葡萄園種植行距為3～3.5m,株距為0.8～1.2m,由于種植行距和株距的限制,很多除草機械無法滿足果園清除雜草的要求[1]。

目前,新疆果園常用的除草方法是機械耕除,但除草不徹底,一般株間雜草需進行人工二次耕除,不僅成本較高,而且勞動強度大、工作效率低,嚴重影響和制約了果園種植業(yè)的發(fā)展。因此,科學(xué)有效地控制草害有利于實現(xiàn)果品的優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn),確保果樹的健康生長[2]。

近年來,果園除草機械持續(xù)發(fā)展,其功能和技術(shù)不斷更新,很大程度上提高了果園全程機械化作業(yè)的水平。果園除草機械解決了除草勞動強度大、效率低及人工成本高等問題,避免了雜草與果樹爭水、爭肥、爭光等[3];但是,目前果園機械化除草作業(yè)存在著株間雜草清除困難、自動化和智能化程度較低等問題。液壓系統(tǒng)依靠其獨特的技術(shù)優(yōu)勢為解決上述問題提供了支撐,采用液壓技術(shù)也成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械化的典型標志[4]。本文依據(jù)新疆果園種植模式研究出了一款與輪式拖拉機配套使用的果園避障除草機,一次作業(yè)即可完成疏松行間表層土壤、清除行間雜草、碎化土壤、平整地表等多道工序,同時能清除株間雜草、翻旋株間表層土壤。其避障除草裝置能夠?qū)崿F(xiàn)避障作業(yè),同時具有結(jié)構(gòu)簡單、控制可靠及工作性能穩(wěn)定等特點。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

果園避障除草機由機架主梁、行間除草鏟刀、液壓控制系統(tǒng)、避障除草裝置、螺旋鎮(zhèn)壓輥及液壓油散熱器等組成,如圖1所示[5]。

1.液壓油散熱器 2.行間除草鏟刀 3.機架主梁鋼板 避障除草裝置 5.犁6.除草割刀 7.避障控制器 8.螺旋鎮(zhèn)壓棍 9.方形空心型鋼

整機的行間除草鏟刀呈人字形排列,分別安裝在機架主梁的相應(yīng)鋼板上。針對不同的葡萄行距,通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)改變行間除草寬度,達到清除不同行間雜草和翻倒淺層土壤的目的。避障除草裝置安裝在機架主梁的左右兩側(cè),通過液壓控制系統(tǒng)可完成株間雜草清除和株間表層土壤疏松。螺旋鎮(zhèn)壓輥借助碎土連接板、銷和可調(diào)節(jié)的方形空心型鋼與機架主梁相連接,將淺翻后的大塊土壤破碎并將雜草掩埋,從而完成整個葡萄行、株間中耕除草過程,達到增加土壤通氣性、調(diào)節(jié)土壤水分及促使葡萄根系生長的目的[6]。

1.2 避障除草裝置工作原理

果園株間除草自動避障裝置作業(yè)過程中,避障桿沒觸碰果樹時,液壓換向閥處于右位,壓力油液從左向右流動,在液壓系統(tǒng)的作用下除草割刀寬幅作業(yè);避障桿觸碰到果樹時,避障桿受力彎曲并繞除草割刀軸旋轉(zhuǎn),在轉(zhuǎn)動過程中觸碰液壓換向閥使之做出響應(yīng),此時液壓換向閥處于左位,壓力油液在回路中從右向左流動,液壓缸隨著壓力油液的改變進行收縮運動,同時液壓系統(tǒng)固定的除草割刀軸使株間除草作業(yè)路徑發(fā)生變化,驅(qū)動除草割刀避開果樹,以免除草割刀傷及果樹。避障作業(yè)結(jié)束后,避障桿所受的外力消失,避障桿繞除草割刀軸旋轉(zhuǎn)到初始位置,此時液壓換向閥處于右位,壓力油液自左向右流動,液壓缸伸長運動,除草割刀寬幅作業(yè)。株間避障除草裝置停止作業(yè)時,液壓換向閥處于中位,液壓缸中的液壓油液在彈簧力的作用下返回油箱。果園株間避障除草裝置勞動強度低、效率高,特別適用于大規(guī)模果園株間除草作業(yè),且有利于提高果園全程機械化的發(fā)展。避障除草裝置具體工作原理如圖2所示。

圖2 避障工作原理圖

1.3 避障除草裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

避障除草裝置由機架、除草割刀軸、感應(yīng)避障桿和除草割刀等組成,主要用于清除株間雜草和疏松表層土壤,如圖3所示。除草割刀軸一端由液壓系統(tǒng)固定并通過軸承支撐,另一端與除草割刀鉸接。除草割刀軸與機架之間設(shè)有復(fù)位扭簧,復(fù)位扭簧的兩端分別固定在除草割刀軸和機架上,感應(yīng)避障桿觸碰到果樹時驅(qū)動液壓閥換向,變化的液壓回路控制液壓缸伸縮,從而控制除草割刀軸驅(qū)動除草割刀避開果樹,保證除草割刀可以快速、高效地完成果園株間的雜草清除作業(yè)[7]。

1.機架 2.矩形空心鋼 3.犁臂 4.犁 5.連接圓盤 6.除草割刀軸 7.除草割刀A 8.抖動鏟 9.避障桿 10.除草割刀B 11.避障控制器 12.液壓缸

2 自動避障裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 液壓系統(tǒng)的工況概述

果園株間自動避障裝置在果園中作業(yè)時,要求避障桿觸碰果樹或障礙物時避障桿受力彎曲并繞除草割刀軸旋轉(zhuǎn);在轉(zhuǎn)動過程中,觸碰液壓系統(tǒng)的電磁換向閥,并使之做出響應(yīng),壓力油液在液壓閥的控制下自右向左流動,液壓缸隨著壓力油液的改變而進行收縮運動。避障作業(yè)結(jié)束之后,避障桿所受外力消失,避障桿繞除草割刀軸旋轉(zhuǎn)到最初位置,壓力油液自左向右流動,液壓缸隨著壓力油液的改變而進行伸長運動[8]。果園株間自動避障裝置作業(yè)時,要求液壓缸始終處于伸出狀態(tài)。

2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理

1)株間避障時,避障桿受力彎曲,三位四通電磁換向閥3處于左位,液壓回路進油、回油。①進油:壓力油液由液壓泵至三位四通電磁換向閥,通過平衡閥充滿彈簧回程液壓缸的右側(cè),液壓缸做收縮運動,此時除草割刀避開果樹;②回油:彈簧回程液壓缸右側(cè)的壓力油液回到油箱。

2)寬幅作業(yè)時,避障桿不受力,三位四通電磁換向閥3處于右位,液壓回路進油、回油。①進油:壓力油液由液壓泵至三位四通電磁換向閥,充滿彈簧回程液壓缸的左側(cè),液壓缸作伸長運動,此時除草割刀寬幅作業(yè);②回油:彈簧回程液壓缸右側(cè)的壓力油液至平衡閥回到油箱。

3)停止工作時,三位四通電磁換向閥3處于中位?；赜?彈簧回程液壓缸右側(cè)的壓力油液在彈簧力的作用下回到油箱[9]。

液壓系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

1.直動溢流閥 2.液位器 3.三位四通電磁換向閥 4.彈簧回程液壓缸 5.平衡閥 6.液壓泵 7.過濾器 8.油箱

2.3 虛擬模型的構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)液壓系統(tǒng)的原理圖,利用AMESim軟件構(gòu)建果園株間除草自動避障裝置液壓系統(tǒng)的仿真模型[10],如圖5所示。子模型和模型參數(shù)如表1、表2所示。

1.液壓油 2.方波 3.增益 4.馬達

表1 子模型Table 1 The submodels

表2 模型參數(shù)Table 2 The paraneters of the submodels

2.4 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)過軟件AMESim求解器運算之后,可以得到液壓回路的脈寬調(diào)節(jié)信號。液壓缸右腔流量、速度、位移曲線[11]如圖6～圖9所示。

圖6 脈寬調(diào)節(jié)信號圖

圖7 液壓缸流量曲線圖

圖8 液壓缸速度曲線圖

圖9 液壓缸位移曲線圖

由圖6可知:液壓缸起始為收縮狀態(tài),在0～0.32s時間段為株間避障過程;由圖7可知:液壓缸的平均流量為7.88L/min;由圖8可知:液壓缸的平均速度為0.45m/s;由圖7與圖8可知: 避障所需時間為0.32s;由圖9可知:液壓缸的位移在0.32s時達到最大,最大位移為0.15m,0.32～0.66s時間段為株間除草過程。株間除草過程中,液壓缸的位移曲線較為平滑,無明顯波動,避免了液壓缸活塞與底座的碰撞,說明液壓缸工作行程的合理性與液壓系統(tǒng)虛擬模型建立的正確性。

3 試驗驗證

為了驗證果園避障除草機的作業(yè)性能,為后續(xù)的整機優(yōu)化提供理論參考,選取新疆石河子地區(qū)的512團的葡萄園進行果園除草試驗,動力設(shè)備選取雷沃M554。田間試驗如圖10所示。

圖10 果園除草試驗過程

3.1 試驗內(nèi)容

試驗內(nèi)容包括果園株間除草機的碎土率、耕作深度、株間漏耕率、避障通過率和避障系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。耕作性能評定指標如表3所示。

表3 耕作性能評定指標

3.1.1 碎土率的測定

螺旋鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓過后,選定 0.5m×0.5m 的鎮(zhèn)壓地表作為碎土率的測定區(qū)域,并對測定區(qū)域土塊的大小進行測量。將測得的土塊分為4、4～8、8cm 以上3級,將小于4cm 的土塊質(zhì)量與測定區(qū)域土塊總質(zhì)量之比記為碎土率,每行程測定一點[12]。

3.1.2 耕深及穩(wěn)定性測定

除草機具作業(yè)過后,在其測定區(qū)域內(nèi),每兩個平行測試點間隔2m且每段行程的測試點不少于15個,其平均深度為

(1)

式中aj—第j個行程平均耕作深度(cm);

aji—第j個行程中第i個點的耕作深度(cm);

nj—第j個行程中總的測試點數(shù)。

行程耕作深度標準差、穩(wěn)定性系數(shù)及變異系數(shù)為

(2)

(3)

Uj=1-Vj

(4)

式中Sj—第j行程耕作深度標準差(cm);

Vji—第j行程耕作深度變異系數(shù);

Uj—第j行程耕作深度變異系數(shù)[9]。

3.1.3 漏耕率及避障通過率的測定

株間漏耕率為實際漏耕面積與測定區(qū)域總面積之比,計算公式為

(4)

A1=A2-A3

(5)

式中P1—耕作漏耕率;

A0—測試區(qū)總面積;

A1—實際漏耕面積;

A2—未耕面積;

A3—不可耕作面積[9]。

同一工作條件下,觀察果園株間自動避障通過率的狀況及避障動作完成的情況,實際避開果樹的數(shù)目和測定果樹總數(shù)目之比即為果園株間自動避障裝置的避障通過率。計算公式為

(7)

式中P2—避障通過率;

N1—實際避障數(shù)目;

N2—單行程內(nèi)果樹的總數(shù)目。

3.2 結(jié)果與分析

試驗動力機具采用雷沃M554,耕作速度為3.5km/h。

1)碎土率測定如圖11所示,測量結(jié)果如表4所示。

圖11 碎土率測定

表4 碎土率測定結(jié)果

2)耕作深度測定。每個樣本從地面到地下堅實部位為測量的深度部分,用卷尺測量并同時記錄下讀數(shù),每次選取15個樣本。耕作深度測定如圖12所示,測量結(jié)果如表5所示。由表4、表5可知:果園作業(yè)碎土率為93.68%,平均耕深a=14.65cm,耕深平均標準差S=0.90,變異性平均系數(shù)V=6.17%,穩(wěn)定性平均系數(shù)U=90.08%。

3)果園株間漏耕率及避障通過率測量結(jié)果如表6和表7所示。由表6、表7可知:果園株間除草自動避障裝置耕作時,株間平均漏耕率為4.12%,工況避障通過率100%。這說明,避障除草裝置工作性能穩(wěn)定,符合耕作性能指標。

圖12 耕作深度測定

表5 耕深性能測定結(jié)果

表6 果園漏耕率測量結(jié)果

表7 果園避障通過率測量結(jié)果

4 結(jié)論

根據(jù)新疆果園種植模式,一般的果園除草機械無法完成株間雜草清除作業(yè),容易造成少耕、漏耕等問題,需進行人工二次除草,大大增加了勞動強度,降低了勞動效率。為此,研究出了一款與輪式拖拉機配套使用的果園避障除草機,1次作業(yè)即可完成疏松行間表層土壤、清除行間雜草、碎化土壤、平整地表等多道工序,同時能清除株間雜草、翻旋株間表層土壤。試驗結(jié)果表明:果園株間自動避障裝置在3.5km/h作業(yè)速度下,碎土率為93.68%,耕作深度為14.64cm,株間漏耕率4.12%、避障通過率為100%,符合國家規(guī)定標準和設(shè)計要求,提高了勞動效率,對新疆果園實現(xiàn)全程機械化作業(yè)、提升新疆林果機械技術(shù)和林果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展水平具有重要意義。