楊 天,趙武云,陳伯鴻,辛尚龍,何 鵬,毛 良
(1.甘肅農業大學機電工程學院,甘肅 蘭州 730070;2.甘肅農業大學園藝學院,甘肅 蘭州 730070;3.陜西省農業機械鑒定推廣總站,陜西 西安 710000)
我國是水果生產大國,國家統計局資料顯示,截至2018年底,我國果園面積達到1 187.487萬hm2,水果產量2.57億t,種植面積與水果產量均位于世界首位[1]??傮w看,依舊保持渤海灣和黃土高原兩大優勢生產區域[2]。水果種植不僅是我國的優勢產業之一,也是勞動密集型和技術密集型產業[3]。但是我國果園機械化水平整體較低,優勢產區與非優勢產區的綜合機械化程度分別不到20%和10%,丘陵山地果園綜合機械化水平僅5.75%,不能實現較好的機械化作業,制約了果園生產力的提高[4-5]。果園除草是果園生產中的重要環節,目前我國進行除草作業的方法大體可分為藥劑除草、生物除草、人工除草和機械除草,大部分丘陵山地多為1 hm2以內的小地塊果園,作業環境復雜,仍多采用人工除草的方式,勞動強度大,工作效率低[6-9]。近年來研究表明,采用果園生草栽培技術能提高土壤穩定性,改善土壤結構,增加孔隙度,降低土壤容重,還可以增加土壤的水分入滲能力和持水能力,為果樹高效正常生長奠定基礎[10-12]。鑒于我國果園有機質偏低、風蝕和水蝕現象嚴重的狀況,大力推廣生草覆蓋技術,并提升機械化割草機控草技術,取代目前通用的清耕方法勢在必行[13-17]。
針對果園割草機近年來的發展情況和技術問題,結合筆者對于甘肅省靜寧縣國家蘋果試驗基地及當地果園割草機應用情況的實地調研,針對矮砧密植型和喬砧適植型兩種典型的果園種植模式,分析國內外目前果園割草機的發展和使用現狀,探索我國未來果園割草機的發展思路。
果園割草機對果樹行間雜草的切割功能由割草機切割裝置實現,切割裝置的工作質量和穩定性對果園割草機作業質量起決定性作用。按照切割作業方式可以將果園割草機切割裝置分為旋刀式、錘刀式和往復式等。其中旋刀式和錘刀式割草機在果園割草機中應用較為廣泛,具有割刀速度快、結構簡單、切割效率高、綠肥還田碎草效果好及能適應不同種類雜草切割等優點,不足之處是割刀轉速高,導致功率消耗較大。往復式割草機主要應用于果園雜草回收飼用,作業后割茬整齊,雜草鋪放整齊,便于農戶對已切割雜草進行收集用作飼料,該類割草機作業效率較低,且振動較大,用作綠肥還田作業時碎草效果較差。
王志強等[18]研制了一種果園行間割草機,割草機采用錘刀式切割裝置,由機架、懸掛機構、罩殼、變速箱、膠帶輪、刀座、刀軸、碎草刀和壓草輥等主要部件組成,整機工作幅寬1 300 mm,刀軸轉速1 900 r/min。該割草機選用甩刀型錘刀式碎草刀,排列方式為單螺旋線排列,相鄰刀座間距63 mm,徑向夾角72°,經田間試驗驗證,該割草機碎草作業后草段長度≤100 mm的草段占總草段數的90%以上,綠肥還田效果好,如圖1所示。

圖1 果園行間割草機Fig.1 Orchard row mower
張雯[19]研制了一種果園小型圓盤式割草機切割裝置,切割裝置由橫向切割部件和縱向切割部件組成,橫向切割部件采用單刀盤重載的設計,縱向切割部件采用圓盤式大刀片的設計。縱向切割系統的刀片最低點與橫向切割系統刀盤共面,可以防止漏割,如圖2所示。

圖2 果園小型圓盤式割草機Fig.2 Small disc orchard mower
熊永森等[13]設計的小型往復式果園割草機,割草機與主機采用單點連接,動力機通過三角膠帶傳動驅動刀片,在曲柄轉速650 r/min的速度下做往復切割運動。試驗表明,割草機結構簡單,操作方便,仿形效果好,如圖3所示。

圖3 小型往復式果園割草機Fig.3 Small reciprocating orchard mower
果園割草機由于行走系統不同可分為牽引式和自走式兩種,其中自走式割草機又可分為輪式和履帶式兩種。牽引式果園割草機由拖拉機牽引作業,一般采用三點懸掛方式安裝于拖拉機后方,由拖拉機提供動力,此類割草機割幅較大、質量大、功耗大且作業效率高。自走式割草機由駕駛人員乘坐或手扶進行割草作業,是未來割草機行走系統的發展趨勢。自走式割草機工作不依賴拖拉機,整機質量小,靈活性好。輪式割草機可以實現平原地區各類型果園的高效割草作業。履帶式割草機可以完成丘陵山地地區坡度較大、作業環境較復雜的果園割草作業。
王鵬飛等[20]設計的隨行自走式割草機,整機由發動機、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。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,行走系統驅動割草機行走,速度變化依靠驅動橋完成。割草機作業速度3~5 km/h,作業幅寬600 mm。田間試驗表明,該割草機工作性能良好,雜草撕裂率0.47%,漏割率1.50%,雜草碎段區域平均長度79.39 mm,碎草性能較好,工作效率達0.5 hm2/h。整機結構如圖4所示。
高巧明等[21]設計了一種全履帶模塊化無人農用動力底盤,整機高度1 200 mm,可通過4點螺栓固定割草機進行果園割草作業。該行走系統最小離地間隙410 mm,接近角與離去角達到45°和30°,作業幅寬1 300 mm,可通過電動機械雙功率差速轉向機構實現整機360°原地轉向,適用于丘陵山地果園割草作業,但由于動力底盤高度過高,導致部分喬砧果園無法作業。整機結構如圖5所示。
割草機仿形裝置的作用是保證割草機通過性的同時保持割茬高度均勻,防止割刀碰觸地面雜物出現損壞,保證割草機高效作業。我國割草機仿形裝置的設計研究起步較晚,同時我國果園多分布于丘陵山地,地況較復雜,更需要可靠的仿形裝置來保障割草機的安全作業。

1.前輪 2.機罩 3.割刀離合 4.發動機 5.扶手 6.行走離合 7.擋桿 8.割茬高度調節桿 9.機架 10.驅動輪 11.割刀 12.排草口 13.刀盤 14.刀罩圖4 隨行自走式割草機Fig.4 Walking lawn mower

1.前置屬具 2.前置屬具調節液壓缸 3.液壓快接頭 4.左右轉擋位 5.前進倒退擋位 6.高低速擋位 7.基架橫梁液壓缸升降擋位 8.制動擋位 9.后懸掛調節液壓缸 10.PTO 11.差速轉向機構 12.基架橫梁液壓缸圖5 全履帶模塊化無人農用動力底盤Fig.5 Full track modular unmanned agricultural power chassis
鄔備等[22]研制了一種小型自走式割草機仿形裝置,通過對滑掌、連桿臂、浮動彈簧和提升液壓缸等部件的運動學分析與仿真,通過田間試驗驗證了在同等工作條件下,應用仿形裝置的割草機割茬高度降低了7%,工作速度提高了75%,如圖6所示。

圖6 小型自走式割草機Fig.6 Small self-propelled lawn mower
荊龍龍[23]研制了一種山地果園仿形割草機的仿形機構,由多個仿形單體構成,每個仿形單體由機架、仿形架、軟軸、地形輪、刀盤和刀盤軸等組成。各仿形單體的仿形架長短不同。割草機作業時,仿形輪在移動過程中實時感知地面起伏變化,將地面高低起伏的變化信號傳遞給仿形架,使得仿形架在鉸接點處不斷作擺動運動,并調節切割裝置高度進行仿形割草,通過動力學仿真驗證,仿形機構上的切割裝置前后端點均不與地面發生碰撞,仿形機構設計合理,如圖7所示。
1.4.1 避障技術
避障技術能夠使割草機一次性完成果樹行間與株間割草作業,同時防止割草機碰撞果樹導致果樹受傷及機具損壞,割草機避障技術的有效應用能較好地提升割草作業效率、保護果樹及機具作業安全。
賈耀文[24]設計了多功能果園避障割草機,其避障裝置由電動推桿和轉向連桿組成。割草作業時,當激光掃描儀檢測到樹干時,避障電動推桿伸長,左右側刀盤繞定軸逆時針旋轉,避開果樹枝干,通過枝干后,避障電動推桿收縮,左右側刀盤快速繞定軸順時針旋轉,左右側刀盤繼續除去樹干間雜草,避障完成。左右側避障刀盤根據不同的果園種植模式,可以實現變幅值除草和避障除草。避障裝置如圖8所示。
尹宏超[25]基于模糊控制設計了割草機避障系統,進行了前伸式機械避障機構的方案設計。在考慮機械干涉等問題的前提下,弧形臂長度設計為1 000 mm,前伸400 mm,水平中心距離地面200 mm,試驗表明,所設計的機械避障機構在觸碰到障礙物后能及時進行位置回復,卡頓率僅為10%,弧形臂旋轉后回位效果較好,誤差<5°,對障礙物的探測效果良好,如圖9所示。

1.除草電機 2.轉向連桿 3.固定刀盤蓋 4.電動推桿 5.避障刀盤蓋圖8 割草機避障裝置Fig.8 Obstacle avoidance device for lawn mowers

圖9 小型自動避障割草機Fig.9 Small automatic obstacle avoidance mower
陳凱等[26]進行了果園自動避障割草機前架設計與仿真,基于激光雷達實現非接觸式避障割草算法,并基于算法設計了避障前架和非接觸式自動避障割草機。
1.4.2 導航及自動識別技術
導航技術及自動識別技術是網絡信息技術應用于果園割草機的產物,可以使割草機作業更加智能化及自動化,未來實現無人化割草作業,大大減輕勞動力短缺帶來的各種問題,使得果園割草作業向高效、智能化方向快速發展。
艾永平等[27]進行了基于機器視覺的割草系統青草識別研究,該研究利用SSD算法模型賦予割草機機器視覺,割草機系統能自動識別青草在圖片中的坐標,然后將青草在圖片中的位置坐標用算法映射為現實青草所在位置坐標,割草機再進行自動除草,如圖10所示。

圖10 青草識別割草機Fig.10 Grass identification mower
國外早在20世紀40年代就開始進行果園割草機的研究制造,經過幾十年更新換代,現已發展成集自動化、智能化和現代信息技術于一體的果園割草機,同時農機農藝融合問題得到解決,使得果園專用割草機能夠很好適應果園機械化除草要求[29-30]。果園割草機根據其工作方式可以分為牽引式(牽引式、懸掛式和半懸掛式)和自走式(乘坐、手扶)兩種。根據不同的使用需求可選擇不同種類的割草機,牽引式割草機適用于平原地區矮砧密植型果園,功率大,割幅寬,作業高效,但由于作業過程需要拖拉機牽引導致轉彎半徑較大,需要較寬的果樹行距與轉向空間。自走式割草機適用于丘陵山地割草作業,此類機型整機輕便、靈活,爬坡越障及頻繁轉場能力更強,但割幅較小,作業效率相對較低。
歐美等國家地勢平坦,采用矮砧密植型果園種植模式,此種模式果樹行距能夠達到3.5 m左右,對應此種作業條件,牽引式割草機能夠高效完成行間割草作業。如471/488/499/1465型割草機,均可選配可調節角度的刀片保護裝置,防止割草機堵塞,自動化程度高,操作方便,結實耐用,可切割潮濕雜草[30]。630型割草壓扁機如圖11所示,割幅3 m,切割角度、割茬高度均可液壓調節,作為牧草收割機的同時亦能實現矮砧密植型果園的割草作業,同時可以實現綠肥還田功能,還可收割果園雜草作為青飼使用。H7220/7230型圓盤式割草壓扁機能在2°~10°范圍內調節割草機切割角度以實現不平坦地塊割草作業,配套切割器所裝配的圓盤驅動轂能吸收作業中撞機導致的機具振動,保證作業安全,最高作業速度可達14.5 km/h。牽引式割草機多為牧草收割機改進而成,具有結實耐用、切割角度方便調整和作業效率高等優勢,但由于需要拖拉機牽引作業,導致該類割草機轉彎半徑大,靈活性較差。國外部分牽引式果園割草機主要技術參數如表1所示。

圖11 630型割草壓扁機Fig.11 630 mower-crusher

表1 國外部分牽引式果園割草機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of some foreign traction orchard mowers
自走式割草機如圖12中的8800A型五聯旋刀割草機,整機機身寬度2.18 m,割幅2 230 mm,動力強勁,5個可調節刀盤使其擁有很強的地形適應能力,同時具有強大的爬坡越障能力。GTM1350EVO型乘坐自走式割草機輕巧靈活,能實現速度的無級調節,結構簡單,操作方便,比較適用于草坪的割草作業,但果園環境復雜,該割草機割刀結構、材料不適用于果園割草作業[31]。9GZ-221型果園乘坐割草機具有速度快、作業通過性強和效率高的優點[9]。CG101型手扶履帶式割草機,機械寬度1 m,高度1.05 m,割幅800 mm,采用錘片式割刀,具有良好的割草性能,如圖13所示。自走式割草機由于整機體積較小,轉向靈活,在果園內通過性和適用性較強。

圖12 8800A型五聯旋刀割草機Fig.12 8800A Five spin lawn mower

圖13 CG101型手扶履帶式割草機Fig.13 CG101 walking crawler mower
國外部分自走式果園割草機主要技術參數如表2所示。

表2 國外部分自走式果園割草機主要技術參數Tab.2 Main technical parameters of some self-propelled orchard mowers abroad
目前采用矮砧密植的新果園,由于果樹行距較大,建園初期在地頭留有機器轉向空間,用牽引式割草機或乘坐式割草機便能輕松高效地完成果園割草作業。同時,帶有自動避障裝置的果園割草機已逐漸投入使用。長期以來,由于受大田主糧種植模式的影響,我國果園種植多集中在丘陵山地,現存大量的喬砧適植老果園仍采用清耕作業模式,對此種種植模式的果園專用除草機械的使用和研發重視程度較低[31-33]。近年來,我國在推行生草覆蓋技術的過程中,國內的喬砧適植型果園割草機也迅速發展起來,出現了一些符合使用需求的自走式割草機、多功能田園管理機及小型背負式割草機[34-35]。
牽引式割草機主要由牧草收獲機械改進而成,近年來,逐漸出現了針對果園的相關產品[36]。如河北農業大學研發的3GC系列拖拉機后懸掛正置式、偏置式和調幅式割草機,針對矮砧密植型果園,可選割草幅寬1 200~2 100 mm;針對壟面草體切割困難的問題,采用兼顧平地、壟面割草功能的設計,主盤切割行間草體,側盤可隨壟面仿形并處理斜坡雜草,完成小行間距割草作業[37]。馬攀宇[38]設計研發的山地果園仿形割草機,切割方式采用支撐切割的甩刀式切割器,6組刀盤組合的割幅寬度1 700 mm,切割性能良好,割幅利用率92.9%。酒泉市鑄隴機械制造有限責任公司生產的9GWH-1.8型往復式割草機,動力連接方式為懸掛式,割幅1 800 mm;9GXS-1.65型旋轉式雙圓盤割草機,動力連接方式為懸掛式,割幅1 650 mm[30]。中農博遠農業裝備有限公司研制的9G/9GS/9GSP系列割草機可與22~60 kW的拖拉機配套作業,碎草可側排,切碎效果較好,其中9GS系列割草機采用雙刀盤切割結構,轉彎半徑更??;還有9GB-2.1型往復式割草機等產品。國內部分牽引式果園割草機主要技術參數如表3所示。

表3 國內部分牽引式果園割草機主要技術參數Tab.3 Main technical parameters of some domestic traction orchard mowers
隨著果園生草覆蓋技術的推廣,與應用在矮砧密植型果園基本成型的牽引式割草機不同,果園種植集中的我國丘陵山地地區迫切需要小型自走式割草機。廣西玉柴農業裝備有限公司設計生產的GC45/225型自走割草機,由機架、發動機、離心離合器、動力軸、驅動輪組件及刀具組成。該機型發動機為汽油發動機,發動機通過離心離合器與動力軸連接。離心離合器在發動機轉速達到預設值時進行傳動,帶動割刀進行工作,并通過傳動機構與離心離合器的離合器外殼連接,以驅動割草機行走。該機型小巧輕便、工作效率高、作業效果好,但該機型只有前進擋沒有后退擋,且無動力轉向,工作時需要人工手扶作業,遇到作業環境較矮的地塊無法進入,并沒有完全降低勞動強度,無法保證全程機械化作業,如圖14所示[39]。安志輝[40]發明了一種四輪驅動的遙控割草機,包括底盤、機架、驅動輪、發動機、4個直流驅動裝置、發電機、控制器和遙控機等,4個驅動輪分別固定于對應4個直流驅動裝置的動力輸出軸上,4個直流驅動裝置由控制器分別獨立控制,該機型實現了遙控操作,并且可以自如向前、向后行走和轉向,優化路徑,割草效果較好,不足之處是機組質量較大、工作速度低、割幅小和生產制造成本較高,部分個體小果園農戶無法承擔。王鵬飛等[20]設計了隨行自走式果園割草機,該機采用雙離合機構,能夠實現機具行走與各操作分別控制,手動控制行走可以實現操作人員隨行,工作性能良好,漏割率1.5%,工作效率可達0.5 hm2/h。該機結構設計合理,但是并未真正實現隨行自走,雖然設計擁有后退擋位,但是轉向仍需人工手扶操作,并未實現真正的隨行自走式的自動化、智能化割草作業。

圖14 GC45/225型自走割草機Fig.14 GC45/225 self-propelled lawn mower
多功能田園管理機由傳統的手扶拖拉機改進升級而成,可掛載旋耕機、割草機和開溝機等多種農具,由于工作動力不足等問題,易造成漏割或割草效果不好,導致多次作業帶來額外功耗。小型背負式割草機需要人工攜帶進入果樹行間進行作業,不僅勞動強度大,而且容易傷害作業人員。國內現階段主要應用的果園割草機類型及優缺點如表4所示。
利用MCNP程序,計算了不同黑體溫度的X射線照射圓柱腔體時的電子發射參數,包括光電產額、出射電子角分布和出射電子能譜,可以為SGEMP的計算提供較為準確的電子發射信息。

表4 國內果園割草機主要應用類型及特點Tab.4 Main application types and characteristics of domestic orchard lawn mower
歐美等國家的果園種植模式多采用矮砧密植型,農機農藝融合基本完成,割草機作業空間相對開闊,能夠滿足大中型標準化機械除草作業。目前無論是拖拉機掛載專用割草機還是自走式割草機都能輕松完成果園內的高效割草作業,且在實現割草機械化的基礎上已經開始了信息化、自動化的研究與相關應用。日本等國家的果園種植模式多為喬砧適植型,農機農藝融合進程開始較早,根據割草機作業需求,果園行距與株距均根據割草機作業需求預留,果園管理精細,果樹離地第一主枝較高,保證了乘坐式割草機的通過性,能實現果園割草作業全程機械化。國外割草機在生產中實現了機、電、液一體化技術的綜合應用,割草機智能化技術有了長足發展,在割草機的使用便捷性和工作效率上遠遠領先國內割草機,并且在電子信息發展進程中開始了信號自動識別、自動避障和自動化作業,割草機全方位自動化作業進程已實現。
國內果園割草機研究起步較晚,近年來,隨著生草覆蓋技術推廣,割草機發展也呈現良好勢頭。由于受制于大田種糧影響,更適合于標準化機械作業的矮砧密植型果園仍在逐步推廣,位于丘陵山地地區的喬砧適植型果園仍將長期作為我國果園的主要種植模式。這導致我國在割草機研究與發展中需要同時兼顧適應兩種種植模式,國內牽引式割草機相對起步較早,品種較多,基本能夠滿足矮砧密植型果園的使用需求。國內牽引式割草機與國外產品相比,在割幅、刀盤數量和作業角度適用性方面仍有差距,同時由于功率較小導致作業效率相應較低,因此,我國果園牽引式割草機仍需繼續在技術研發和設計制造方面進一步提升。自走式割草器由于國內起步較晚,產品種類雖多,但質量與可靠性均不過關,智能化和信息化仍處在研究階段,并未投入實際生產使用,同時我國的喬砧適植型果園多集中于丘陵山地,國內已投入生產使用的割草機在丘陵山地果園中大都無法滿足惡劣的作業條件,仍需要突破相關技術瓶頸。
近年來,通過引進國外果園割草機先進技術,加強自主研發能力建設及技術升級,我國果園割草機械化水平已經顯著提高,但是,我國果園割草機械化總體水平和生產制造水平與發達國家仍有一定差距,主要體現在以下4點。
(1)農機農藝融合較差,小型自走式割草機研發滯后。兩種種植模式的果園大多在初始建園時并未考慮機械化作業需求。矮砧密植型果園會出現牽引式割草機由于割幅與行距不匹配導致多次作業的問題;喬砧適植型果園由于現有割草機體積、質量較大,果樹第一主枝離地間距過小,割草機無法進入果園作業,乘坐式小型割草機仍未得到有效應用。
(2)生產技術水平低,產品質量參差不齊,可靠性較差。割草機制造質量不達標、產品耐用性不強和功耗大使所生產的割草機在實際使用過程中出現各種質量、安全問題而影響使用,不利于割草機長遠發展。
(3)割草機作業速度與割刀工作速度不匹配導致作業質量不佳。不論是旋轉式還是往復式割刀,國內割草機仍未徹底解決機具作業速度與割刀工作速度的合理匹配問題。割草機作業速度過快將導致割草機割草作業不徹底,出現漏割;割刀工作速度過快時,在割草作業中出現重割。兩種情況都會產生額外的功耗損失。
(4)未有效應用高新技術。集成了智能化、自動化和信息化等高新技術的果園割草機在我國仍處于實驗室階段,目前國內還沒有真正具有較高智能化、自動化和信息化的果園割草機。
隨著果園生草覆蓋技術大面積的推廣,我國果園割草機取得了一定程度的發展,但在研發生產中仍有較大缺口,國內割草機在機具創新性、可靠性、通用性和智能化程度方面均遠遠落后于國外。結合上述提到的我國割草機發展存在的問題,我國未來針對矮砧密植型和喬砧適植型兩種種植模式,需保持各種類型割草機齊頭并進的發展趨勢,未來應主要針對以下方面展開研究。
(1)加強農機農藝融合建設。矮砧密植果園多位于平原地區,在建園時應保證標準化,給牽引式割草機預留作業通道。喬砧適植果園多位于丘陵山地,新建園應保證自走式割草機作業空間,加強果園種植期間的精細化管理,確保種植期作業通道暢通。對于老舊果園,應采取間伐、修枝等手段為割草機作業創造條件。
(2)提升割草機研發技術水平和生產制造水平。在未來研發制造中,牽引式割草機應充分考慮割草機割幅與果園行距的匹配問題,同時加強自動避障、割茬高度自動調節等實用功能的研發工作,提升割草機通用性和耐用性。自走式割草機應在保證割草機通過性、爬坡越障性能的同時,提升割草機耐用性,合理選擇整機材料及割刀材料,提升整機制造質量、割刀使用效果和使用壽命。
(3)在設計初期合理匹配割草機作業速度與割刀工作速度。牽引式割草機應充分考慮配套拖拉機的輸出轉速,結合自身傳動系統匹配合適的動力以實現高效作業。自走式割草機在整機設計中,應保證傳動比合理,確保發動機驅動割草機前進的同時保持一定的割刀轉速。
(4)在割草機設計、研發和制造過程中利用虛擬樣機等新技術,節約物理樣機的研發制造成本,縮短研發周期。
(5)將網絡信息技術更多應用于割草機產品中。將智能化、自動化和信息化等新興技術更快、更好地應用在割草機制造中。盡早研制出能夠自動識別、自動避障和自動規劃路徑的高效自主作業的果園專用割草機,同時加強割刀仿形等安全裝置的優化,確保割草機的工作穩定性。
隨著我國果園生草覆蓋技術的逐步推廣,對果園割草機的實用性和作業質量提出了更高的要求。研發能夠適應多種種植模式、制造水平先進、工作質量可靠和集自動化與智能化于一體的果園割草機成為未來果園機械化除草裝備的發展方向,從而更好地推進除草機械化進程。