牽引式疏花機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

周艷，潘云飛，何磊，宋龍，宋振帥，王強(qiáng)

(1. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆石河子，832000； 2. 石河子大學(xué)，新疆石河子，832003)

0 引言

隨著人們生活質(zhì)量的提高，對(duì)水果的需求增大[1]，我國(guó)果園面積呈遞增趨勢(shì)[2]，其中疏花是果園管理階段一個(gè)重要的環(huán)節(jié)[3]，需要大量的勞動(dòng)力，尤其體現(xiàn)在蘋(píng)果、桃園和梨園[4]。而疏花方式有傳統(tǒng)人工作業(yè)、化學(xué)、機(jī)械式[3]，其中以手工作業(yè)為主[5]，半自動(dòng)機(jī)械為輔?，F(xiàn)階段由于機(jī)械裝置作業(yè)效率高、成本低且適合大面積作業(yè)等優(yōu)勢(shì)，已成為該階段作業(yè)的重要發(fā)展方向[6]。如國(guó)外Martin-Gorriz等[7]設(shè)計(jì)了一種輕巧、操作簡(jiǎn)單的手持式樹(shù)冠振動(dòng)疏花器，在減少作業(yè)的同時(shí)也將成本節(jié)約了88%；Mcclure等[8]研發(fā)了一種，利用噴霧進(jìn)行疏花裝置，可以有效減少花朵數(shù)，顯著降低坐果率，增加果園產(chǎn)量；美國(guó)設(shè)計(jì)了一種拖拉機(jī)車(chē)載式梳棒疏花機(jī)，通過(guò)振動(dòng)樹(shù)冠進(jìn)行工作，可減少花朵數(shù)目，降低養(yǎng)分消耗[9]。德國(guó)Assirelli等[10]設(shè)計(jì)了一種車(chē)載柔性疏花機(jī)，利用轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)塑料條旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生的離心力擊打樹(shù)冠進(jìn)行疏花作業(yè)；國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合國(guó)外機(jī)械，針對(duì)我國(guó)果園種植模式設(shè)計(jì)了一系列疏花裝置，包括手持式、單頭式疏花裝置等，如楊洲等[11]設(shè)計(jì)了一種手持式機(jī)械柔性疏花器，該機(jī)通過(guò)調(diào)節(jié)高度和角度可以實(shí)現(xiàn)不同樹(shù)形的疏除作業(yè)；李君團(tuán)隊(duì)[12]設(shè)計(jì)了一種懸掛式電動(dòng)柔性疏花機(jī)，該機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)可以滿(mǎn)足仿形作業(yè)要求；汪強(qiáng)[13]研發(fā)了一種針對(duì)矮密蘋(píng)果栽培模式與主干形密植桃樹(shù)栽培模式的疏花裝置，確定了疏刷元件安裝組合下，疏花效果滿(mǎn)足農(nóng)藝要求；雷嘵輝等[14]設(shè)計(jì)了一種三節(jié)臂機(jī)載式疏花機(jī)，可降低梨樹(shù)的絕對(duì)坐果率。

綜上所述，我國(guó)機(jī)械化疏花裝置現(xiàn)階段仍存在許多問(wèn)題：缺少可靠的疏花工作參考資料[15]、缺少參考標(biāo)準(zhǔn)、缺少實(shí)地田間試驗(yàn)、缺少工作標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械化疏花裝置少、穩(wěn)定性低、作業(yè)內(nèi)容單一、應(yīng)用性低，無(wú)法滿(mǎn)足規(guī)?；芄麍@的作業(yè)需求，導(dǎo)致我國(guó)在自動(dòng)化與人工智能化果園疏花裝備領(lǐng)域尚處于空白。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)代果園生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)了牽引式疏花機(jī)及關(guān)鍵部件，以期為我國(guó)果園生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)的推廣應(yīng)用提供參考與借鑒。

1 牽引式疏花機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

疏花裝置整機(jī)機(jī)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)由牽引機(jī)構(gòu)和疏花裝置組成。

圖1 疏花裝置整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)現(xiàn)代果園種植模式的行間距、株距、果樹(shù)種類(lèi)、樹(shù)齡并結(jié)合疏花農(nóng)藝要求，確定整機(jī)長(zhǎng)×寬×高為3 710 mm×2 242 mm×2 607 mm。

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

牽引式疏花機(jī)(圖2)由牽引機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、液壓缸、機(jī)架、液壓馬達(dá)、導(dǎo)向滑軌、轉(zhuǎn)動(dòng)軸、膠條、液壓控制系統(tǒng)組成。

圖2 疏花機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

牽引機(jī)構(gòu)與疏花機(jī)構(gòu)可拆卸連接；疏花機(jī)構(gòu)包括支撐架、底部安裝架，支撐架與底部安裝架滑動(dòng)連接，底部安裝架與牽引機(jī)構(gòu)可拆卸連接。支撐架包括前支撐架、后支撐架和第一連接架前支撐架、后支撐架和第一連接架形成U型結(jié)構(gòu)；前支撐架的端部設(shè)有前L型連接架，后支撐架的端部設(shè)有后L型連接架，前L型連接架和后L型連接架均位于支撐架1的內(nèi)側(cè)，前L型連接架或者后L型連接架與所述支撐架1的內(nèi)側(cè)滑動(dòng)連接；前L型連接架的端部固設(shè)有第一U型安裝框，后L型連接架的端部固設(shè)有第二U型安裝框，第一U型安裝框與第二U型安裝框之間安裝有疏花組件。

主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 牽引式疏花機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters of orchard caterpillar flower thinning machine

1.2 工作原理

拖拉機(jī)負(fù)責(zé)將疏花部件牽引至待作業(yè)的果園，通過(guò)第二液壓桿、第一液壓桿、第一液壓馬達(dá)和蝸桿，實(shí)現(xiàn)疏花組件水平位置及傾斜角度的調(diào)整。通過(guò)液壓馬達(dá)帶動(dòng)疏花轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，膠條在轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)下?lián)舸蚬ι系幕ǘ?，?dāng)膠條上的擊打力大于花朵的最大承受力，花朵在膠條的作用下被打掉。通過(guò)調(diào)整液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速、膠條間隔以及膠條組數(shù)，結(jié)合疏花組件的傾斜切入角度和拖拉機(jī)的行進(jìn)速度，從而達(dá)到不同的疏除效果[16]。

1.3 疏花裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

牽引式疏花裝置：底部安裝架包括前安裝架、后安裝架和第二連接架，前安裝架和后安裝架均與第二連接架固定連接形成U型結(jié)構(gòu)前安裝架位于前支撐架的下方，后安裝架位于后支撐架的下方；前安裝架和后安裝架上均安裝有滑軌，每個(gè)滑軌上均設(shè)有與其相匹配的滑塊，滑塊的頂面與相對(duì)應(yīng)的前支撐架或者后支撐架的底面固定連接，如圖3所示。

圖3 支撐架與底部安裝架結(jié)構(gòu)俯視圖

后安裝架上安裝有第一液壓馬達(dá)，且位于后支撐架的后側(cè)，后支撐架的外側(cè)面上固設(shè)有兩個(gè)蝸桿固定架，馬達(dá)輸出端連接渦輪，兩個(gè)蝸桿固定架之間固設(shè)有蝸桿，蝸桿與渦輪通過(guò)嚙合連接，渦輪固定在底部與拖拉機(jī)連接的支架上與馬達(dá)進(jìn)行齒輪連接，馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪與蝸桿連接將豎直方向上的力，通過(guò)渦輪轉(zhuǎn)成整個(gè)疏花支架水平方向上移動(dòng)的力，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 底部安裝架與支撐架之間滑動(dòng)連接結(jié)構(gòu)示意圖

牽引式疏花裝置第一連接架上設(shè)有2個(gè)安裝塊，2個(gè)安裝塊的頂部均設(shè)有連接塊，位于前側(cè)的連接塊上活動(dòng)連接有第一液壓桿，位于后側(cè)的連接塊上活動(dòng)連接有第二液壓桿，第一液壓桿與第二液壓桿的輸出端與前L型連接架的頂部活動(dòng)連接，后支撐架的內(nèi)側(cè)面上固設(shè)有滑動(dòng)導(dǎo)向軌，且與后L型連接架通過(guò)滑動(dòng)連接。

疏花組件包括設(shè)置在第一U型安裝框上的支撐桿，該支撐架貫穿第一U型安裝框的頂面和底面，且支撐桿的頂部固設(shè)有橫向固定架，橫向固定架的一端與支撐桿的頂部固定連接，橫向固定架的另一端底部有轉(zhuǎn)動(dòng)連接轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸貫穿第二U型安裝框的頂面和底面，轉(zhuǎn)軸與第二U型安裝框的頂面和底面也為轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第二U型安裝框的底部安裝有第二液壓馬達(dá)，該馬達(dá)的輸出端與轉(zhuǎn)軸通過(guò)固定連接；轉(zhuǎn)軸上均勻設(shè)有若干連接孔，處于相同高度的連接孔有4個(gè)，且處于相同高度的4個(gè)連接孔對(duì)稱(chēng)設(shè)置，每個(gè)連接孔內(nèi)均可拆卸設(shè)有膠條，膠條均位于U型安裝框的上方。

導(dǎo)向滑軌不僅可以實(shí)現(xiàn)疏花軸的運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，使運(yùn)動(dòng)軌跡可調(diào)整，方便控制并且可以加強(qiáng)疏花軸在外界環(huán)境影響下疏花軸在路面不平的情況下保持預(yù)定的位置，起到固定的作用；且可承受疏花作業(yè)時(shí)收到的沖擊力，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 支撐架與底部安裝架結(jié)構(gòu)仰視圖

導(dǎo)向滑軌與底部支架通過(guò)螺栓固定連接。底部支架與L支架通過(guò)螺栓鉸連接可以轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)橫向螺栓也稱(chēng)為導(dǎo)向支撐桿穿過(guò)底部支架在導(dǎo)向滑軌槽中滑動(dòng)；裝置中兩個(gè)液壓馬達(dá)通過(guò)加裝換向閥可以實(shí)現(xiàn)工作的正反轉(zhuǎn)，如果不加僅只能一個(gè)方向轉(zhuǎn)，換向閥的作用就是切換A，B進(jìn)油口，通過(guò)調(diào)整進(jìn)油的連接口可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)和逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。通過(guò)液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)渦輪以及蝸桿工作方向的調(diào)整，從而帶動(dòng)支撐架往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

疏花轉(zhuǎn)軸上均勻設(shè)有若干連接孔，處于相同高度的連接孔有4個(gè)，4個(gè)連接孔對(duì)稱(chēng)設(shè)置，孔內(nèi)均可拆卸設(shè)有膠條，膠條均位于U型安裝框的上方。連接孔的直徑為5 mm?？讖綖? mm是因?yàn)槟z條直徑與轉(zhuǎn)軸固定部分的連接孔的直徑為5 mm，且連接孔為5 mm時(shí)才可以實(shí)現(xiàn)膠條的固定，滿(mǎn)足作業(yè)過(guò)程中支撐固定需求，否則膠條在工作過(guò)程中容易脫掉。疏花膠條為可調(diào)直徑，可以選直徑為2、3、4、5、6 mm等，但與轉(zhuǎn)軸連接部分一直為5 mm，轉(zhuǎn)軸四面有膠條安裝孔，可以選擇一面、兩面、三面、四面對(duì)稱(chēng)安裝或者呈90°安裝等，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)示意圖

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型

液壓缸與液壓馬達(dá)都是能量轉(zhuǎn)化裝置，將液壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)疏花轉(zhuǎn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)工作。液壓控制系統(tǒng)：由液壓泵、液壓缸、集成塊(或閥組合)液壓閥、液壓電機(jī)和液壓油箱等組成，選用具有液壓設(shè)備質(zhì)量小，可傳遞較大力、工作范圍大和工作效率高的液壓驅(qū)動(dòng)；液壓系統(tǒng)與電控系統(tǒng)結(jié)合工作，操作簡(jiǎn)單，控制便捷；液壓系統(tǒng)中設(shè)有溢流閥保護(hù)系統(tǒng)，可靠性高，安全性高；且采用專(zhuān)用液壓油節(jié)能環(huán)保[17]。

2.1 液壓缸設(shè)計(jì)與選型

根據(jù)農(nóng)藝作業(yè)要求，采用雙作用活塞桿液壓缸，分別在缸體的上部和下部設(shè)有進(jìn)油口，活塞桿、液壓缸頂端和低端，通過(guò)鉸連接安裝在U型連接塊上。

1) 首先計(jì)算液壓系統(tǒng)的負(fù)載力，整個(gè)疏花裝置質(zhì)量總重為100 kg，根據(jù)疏花裝置質(zhì)量大小計(jì)算雙作用液壓缸的負(fù)載力。

Fty=Ftz+Ftf+Ftg

(1)

式中：Fty——額定速度作業(yè)過(guò)程中滿(mǎn)載時(shí)液壓缸的總阻力；

Ftz——雙作用液壓缸受到的載荷，N；

Ftf——摩擦力，N；

Ftg——慣性力，N。

根據(jù)疏花機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)受到?jīng)_擊力較小，雙作用液壓缸載荷取1 000 N；摩擦系數(shù)為0.15，因此摩擦力Ftf=1 000×0.15=150 N。

根據(jù)牛頓第二定律在慣性系中其力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

Ftg=ma=1 000 N

(2)

式中：m——物體的質(zhì)量；

a——物體的加速度。

由此可知液壓缸總負(fù)載Fty=1 000+150+1 000=2 150 N。

由《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》可知當(dāng)負(fù)載在1.6～2.5 kN時(shí)，選用液壓缸的工作壓力為P=6.3 MPa[16]。

2) 損失量。由設(shè)計(jì)手冊(cè)得知因考慮油泵出口管路到油缸間管路的損失量為0.9 MPa，則實(shí)際壓力pa=6.3-0.9=5.4 MPa。

3) 由式(3)計(jì)算液壓缸的內(nèi)徑D=21.39 mm，隨后根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，選取液壓缸的內(nèi)徑D為25 mm。

(3)

式中：D——液壓缸的內(nèi)徑，m；

F——工作負(fù)載，N；

η——工作效率，取0.95。

4) 活塞桿直徑。液壓缸活塞桿在液壓系統(tǒng)扮演了一個(gè)重要角色，是支持活塞做功的連接部件，主要作用是傳遞扭矩、承受載荷?；咎卣魇羌?xì)長(zhǎng)軸加工，可以影響整個(gè)裝置的可靠性。根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)活塞桿進(jìn)行計(jì)算，因疏花裝置液壓系統(tǒng)的負(fù)載壓力≤10 MPa，可知液壓缸速比φ=1.33，由活塞桿設(shè)計(jì)公式(4)可求得活塞桿直徑d=12.45 mm，根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)可知當(dāng)活塞桿直徑為12.45 mm時(shí)，取活塞桿直徑d=13 mm。

(4)

5) 導(dǎo)向套長(zhǎng)度，導(dǎo)向套是支撐活塞桿，該零件的材料應(yīng)具有耐磨損、配合精度高、摩擦力小且有良好的抗震動(dòng)、沖擊力與彎曲力。最小導(dǎo)向距離是指活塞桿工作到極限位置時(shí)，活塞載荷面的中點(diǎn)到導(dǎo)向套運(yùn)動(dòng)面的中點(diǎn)的距離[16]。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，導(dǎo)向距離應(yīng)滿(mǎn)足式(5)。

(5)

式中：L——液壓缸最大工作行程，L=800 mm。

可得Hth≥52.5 mm，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知當(dāng)Hth≥52.5 mm時(shí)，符合的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為60 mm。

6) 為了防止設(shè)備活塞桿受到較大的軸向力，發(fā)生變形彎曲，導(dǎo)致液壓缸無(wú)法正常工作[18]，需校驗(yàn)活塞桿的穩(wěn)定性。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知活塞桿行程與活塞桿直徑之比>10時(shí)，需對(duì)活塞桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核。疏花裝置液壓缸的活塞桿行程為800 mm，直徑為25 mm，行程與直徑之比為32(>10)，需進(jìn)行穩(wěn)定性校驗(yàn)。根據(jù)式(6)進(jìn)行校驗(yàn)。

(6)

式中：Fkmax——液壓缸的最大推力，N；

Fk——液壓缸的臨界載荷，N；

Nkh——穩(wěn)定安全系數(shù)，取2～4。

臨界載荷Fk與活塞桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、材料、橫截面形狀和液壓缸的安裝方式有關(guān)。

(7)

式中：nkh——兩邊安裝形式系數(shù)，鉸連接，選取nkh=3；

EP——材料的彈性模量，由選型手冊(cè)可知EP=2.1×103N/m2；

JP——活塞桿得截面轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

(8)

由式(8)計(jì)算可得JP=1 401.27 kg·m2。代入式(7)得Fk=77 369 385.47 N。代入式(6)中得Fkmax≤19 342 346.36 N，綜上所述可知該液壓缸活塞桿的穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 液壓泵選型

液壓泵和電機(jī)組成了液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分，確定液壓泵最大工作壓力，液壓泵的公稱(chēng)壓力pth與選擇的液壓缸的公稱(chēng)壓力p相等，其值為6.3 MPa。

液壓泵工作的最大壓力

pp=p+∑ΔP

(9)

式中： ∑ΔP——液壓泵出口到入口過(guò)程的管路損失，∑ΔP=0.5 MPa。

計(jì)算可得pp=pth+∑ΔP=6.3+0.5=6.8 MPa。因此選用CB-B11齒輪泵，其額定壓力為6.8 MPa；選用1 450 r/min電機(jī)，通過(guò)溢流、節(jié)流完成該機(jī)工作。設(shè)備中多個(gè)液壓缸同時(shí)工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)輸出流量

qh≥kh×∑qv

(10)

式中：kh——液壓系統(tǒng)泄露修正系數(shù)，取1.1～1.3；

∑qv——全部裝置一起工作時(shí)液壓缸的總流量，L/min。

已知活塞桿工作行程L=800 mm，橫移一次時(shí)間為20 s，可知最大行程的速度Vh=40 mm/s。

(11)

因此qv=19 625 mm3/s，∑qv=2qv=39 250 mm3/s，qh≥kh×∑qv=47 100 mm3/s=2 826 L/min。

2.3 液壓電機(jī)選型

由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得知電機(jī)功率

(12)

式中：qh——液壓泵的輸出流量，L/s；

ηb——泵體總效率，由手冊(cè)得知齒輪泵0.6～0.7。

由此可得Ph=25.434 kW，根據(jù)選型手冊(cè)選取Y63M2-4電機(jī)。

2.4 液壓馬達(dá)選型

根據(jù)該設(shè)備的作業(yè)環(huán)境以及作業(yè)內(nèi)容可知，本裝置需結(jié)構(gòu)緊湊、外形尺寸小、運(yùn)動(dòng)震動(dòng)小、工作平穩(wěn)、噪聲小和負(fù)載轉(zhuǎn)矩較小的液壓馬達(dá)。綜上所述，選型號(hào)為M2，額定壓力為5.5 MPa的液壓馬達(dá)，如表2所示。

表2 液壓馬達(dá)參數(shù)Tab. 2 Hydraulic motor parameters

2.5 液壓系統(tǒng)工作原理

牽引式疏花機(jī)有兩個(gè)鉸連接的液壓缸活塞桿，通過(guò)伸出與收縮來(lái)完成疏花轉(zhuǎn)動(dòng)軸的方向調(diào)整，如圖7為液壓缸系統(tǒng)原理圖[19]。疏花部件調(diào)整角度時(shí)，液壓系統(tǒng)的液壓泵開(kāi)始工作，通過(guò)計(jì)算作業(yè)環(huán)境和工作負(fù)載下，設(shè)定液壓系統(tǒng)的最高壓力，可調(diào)節(jié)流量控制閥。調(diào)整液壓油的流量大小，改變根據(jù)馬達(dá)轉(zhuǎn)速、機(jī)架位置、疏花軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)，隨后四個(gè)三位四通換向閥開(kāi)始工作(三位四通閥可處于左或右導(dǎo)通狀態(tài))，液壓油液流入換向閥之后經(jīng)過(guò)分流集成閥分流到待工作的液壓缸任何一側(cè)，推動(dòng)液壓缸活塞桿進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)疏花部件工作調(diào)整到極限位置時(shí)，換向閥切換到中間位置。液壓泵卸荷，液壓缸的活塞桿停止伸出或者伸縮。液壓油液流入換向閥之后經(jīng)過(guò)分流集成閥分流到待工作的液壓馬達(dá)時(shí)，該液壓系統(tǒng)可以分別控制兩個(gè)馬達(dá)單獨(dú)工作實(shí)現(xiàn)機(jī)架和轉(zhuǎn)軸的作業(yè)參數(shù)調(diào)整，其中溢流閥是安全閥，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

該液壓系統(tǒng)中幾個(gè)子回路并聯(lián)，在工作過(guò)程中泵承受的壓力小，在作業(yè)的時(shí)候可以同時(shí)動(dòng)作也可單個(gè)動(dòng)作。當(dāng)疏花機(jī)停止工作時(shí)，壓力升高作用到壓力繼電器的動(dòng)作壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，電磁閥6通電，溢流閥溢流泵卸荷。馬達(dá)正反轉(zhuǎn)都可調(diào)速，在該機(jī)工作過(guò)程中兩個(gè)液壓缸一般不用調(diào)速，如果需要調(diào)整液壓缸，可以通過(guò)設(shè)備中的手把控制開(kāi)口控制流量調(diào)速。系統(tǒng)中并聯(lián)回路子回路壓力相等，動(dòng)作回路的各流量和等于泵的流量，如果多個(gè)子回路同時(shí)動(dòng)作的話，會(huì)影響到速度[20]，如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)原理圖

3 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證牽引式疏花機(jī)田間作業(yè)的疏除效果、液壓缸以及液壓馬達(dá)工作的設(shè)計(jì)與選型是否合理，于2021年4月中下旬在山東棲霞市蘋(píng)果現(xiàn)代矮砧集約栽培示范基地進(jìn)行試驗(yàn)。

3.1 材料與方法

試驗(yàn)果園種植為三年到五年蘋(píng)果樹(shù)，果園果樹(shù)為紡錘形，行間距為3 000 mm，株距為2 000 mm，樹(shù)高2 500 mm，單側(cè)樹(shù)枝長(zhǎng)900～1 200 mm，樹(shù)枝離地最低距離600～900 mm，最高樹(shù)枝離地距離2 100～2 400 mm。

作業(yè)前要進(jìn)行疏花機(jī)調(diào)試，保證各個(gè)機(jī)構(gòu)正常平穩(wěn)工作。通過(guò)轉(zhuǎn)速儀對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行測(cè)試，確保疏花軸達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速，保證試驗(yàn)正常進(jìn)行；在測(cè)試果園內(nèi)任意選定3個(gè)樣本采集點(diǎn)，采集區(qū)尺寸為2 000 mm，由試驗(yàn)人員采集疏花作業(yè)前的蘋(píng)果花朵數(shù)，記錄每組數(shù)值，其效果如圖8所示。

(a) 疏花作業(yè)前 (b) 疏花作業(yè)后

待疏花機(jī)作業(yè)后，分別記錄試驗(yàn)前布置的3個(gè)測(cè)試點(diǎn)的蘋(píng)果花朵數(shù)及疏除數(shù)值，由式(13)計(jì)算疏除率C。

(13)

式中：a——疏花機(jī)作業(yè)前的蘋(píng)果花朵數(shù)；

b——疏花機(jī)作業(yè)后的蘋(píng)果花朵數(shù)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

拖拉機(jī)前進(jìn)速度設(shè)定為4 km/h、轉(zhuǎn)動(dòng)軸的膠條轉(zhuǎn)速為300～400 r/min、膠條間隔為5 cm，開(kāi)始進(jìn)行疏花作業(yè)，作業(yè)前后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 疏花機(jī)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)值Tab. 3 Flower thinning machine field test data value

綜上所述，由此次試驗(yàn)所采集數(shù)據(jù)計(jì)算得出，該疏花機(jī)疏花率在29%～35%之間。根據(jù)我國(guó)園藝技術(shù)專(zhuān)家組要求“果實(shí)坐果量最多3個(gè)，且均勻分布在枝條上，農(nóng)藝要求疏花疏除率為30%～50%”，可知該疏花機(jī)的試驗(yàn)作業(yè)疏除率滿(mǎn)足我國(guó)農(nóng)藝要求，完成了果園疏花階段的疏花要求，減少養(yǎng)分消耗、保證果樹(shù)樹(shù)體健壯、平衡營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、調(diào)節(jié)樹(shù)體負(fù)載量，在很大程度上降低了經(jīng)濟(jì)效益。滿(mǎn)足疏花農(nóng)藝要求的工作參數(shù)組合分別為前進(jìn)速度4 km/h、膠條轉(zhuǎn)速為300～400 r/min、膠條間隔為5 cm。

試驗(yàn)表明疏花機(jī)在進(jìn)行疏除作業(yè)時(shí)，利用拖拉機(jī)移動(dòng)至待作業(yè)果園的果樹(shù)位置，根據(jù)果園實(shí)際情況，可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)液壓缸活塞桿調(diào)整，完成裝置作業(yè)位置和角度的調(diào)整；并通過(guò)調(diào)整液壓系統(tǒng)中液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，改變疏花膠條轉(zhuǎn)速與膠條的離心力大小，完成疏除作業(yè)；最后通過(guò)田間試驗(yàn)，驗(yàn)證裝置可完成果園疏花作業(yè)，并達(dá)到果園園藝要求，表明該機(jī)符合設(shè)計(jì)要求，液壓系統(tǒng)各個(gè)模塊選擇合理，能夠?qū)崿F(xiàn)果園的疏花要求。

4 結(jié)論

1) 本文針對(duì)現(xiàn)代矮化密植果園，在疏花作業(yè)階段工作量大、成本高、機(jī)械化程度低和傳統(tǒng)手工疏花效率低等一系列困難問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種牽引式疏花機(jī)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)代果園調(diào)研，隨后對(duì)適用于該種植模式及環(huán)境下的疏花裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)部件選型。確定了疏花裝置的整機(jī)尺寸為3 710 mm×2 242 mm×2 607 mm；根據(jù)疏花作業(yè)需要，對(duì)設(shè)備的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與選型，確定液壓缸內(nèi)徑為25 mm，活塞桿直徑為13 mm，最大負(fù)載為2.5 MPa，導(dǎo)向套長(zhǎng)度為17 mm，液壓泵為2.5 MPa，電機(jī)為2.5 kW。

2) 對(duì)該機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，整理并計(jì)算疏花機(jī)作業(yè)前后果樹(shù)花朵數(shù)目，可知疏花機(jī)的疏除率在29%～35%，滿(mǎn)足我國(guó)矮化密植果園的疏花農(nóng)藝要求，試驗(yàn)表明該疏花裝置可以提高果園坐果率、減少養(yǎng)分消耗、保證果樹(shù)樹(shù)體健壯、增加養(yǎng)分積累、滿(mǎn)足疏花農(nóng)藝要求。由試驗(yàn)可知在滿(mǎn)足疏花農(nóng)藝要求時(shí)，疏花機(jī)工作參數(shù)為：前進(jìn)速度4 km/h、轉(zhuǎn)動(dòng)軸的膠條轉(zhuǎn)速為300～400 r/min、膠條間隔為5 cm，試驗(yàn)表明該疏花裝置可以解決我國(guó)疏花機(jī)疏除效率低等問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，從而提高果園經(jīng)濟(jì)效益。