一種果園中耕避障除草機的設計與試驗

中圖分類號：S224.1 文獻標志碼：A 文章編號：1008-0864（2025）07-0101-10

Design and Experiment of Orchard Obstacle Avoidance Weeding Cultivator

XI Xiaobo，DING Jieyuan，ZHANG Wendi，SHI Yangjie，JIN Yifu， ZHANG Ruihong （School of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Jiangsu Yangzhou ，China）

Abstract：Anorchardobstacleavoidance inter-rowweedingcultivator was designedtoaddressthe problemofdificult weed removalbetweenthe tre trunks in the orchard，which mainly included inter-row weeding mechanism，intrarow weeding mechanism，hydraulic obstacle avoidance components，and could achieve inter-row and intra-row cultivating and weding operations.The obstacle avoidanceof the intra-row weeding mechanism was achieved by the linkage ofthe touch spring obstacle avoidancerodand the hydrauliccylinder-driven four-barlinkage mechanism. UsingEDEM software，thre-factor thre-level orthogonal simulation experimentsand operational parameter optimization were conducted with weeding wheel rotation speed，soil tillage depth and forward speed as indicators. The optimal parameter combination was found as folows：the weeding wheel rotation speed of 500r?min^-1 ，the soil tillage depth of 80 mm，and the forward speed of1.2m* s^-1 .Field experiments of the prototype were conducted，with a weed avoidance rate of 100% ，amissed tillage rate of 3.44% ，no damage，an average tillage depth of 80.9 mm，a tillage depth stability coefficient of 97.8% ，and a productivity ranging from 0.86 to 1.38hm²?h^-1 . Above results could provide reference for the design of obstacle avoidance and weeding machines in orchards.

KeyWords：orchard machinery；cultivation；intra-rowweeding；discrete element

除草作業(yè)是果園機械化管理中必不可少的一部分，現今除草技術分為化學除草與非化學除草。化學除草具有高效便利、除草效果好等優(yōu)點，但長期施用除草劑會對作物產生藥害，對環(huán)境造成污染，并且會使雜草產生抗藥性2-5]。非化學除草方法主要包括機械除草、熱電和激光除草、生物防治等，近年來機械除草作為替代化學除草的一種控草技術正有效開展應用，具有針對性強、環(huán)境友好兼具松土功能等優(yōu)點。機械除草在果園雜草管理中有著顯著的作用，除草作業(yè)所產生的碎草屑在腐爛后形成的肥料有利于果樹的生長，同時所留草茬可有效防止果園土壤水分流失，對果園土壤的保護有一定作用[6-7]。

國內外在果園除草裝備領域開展了相關的研究工作。陳平錄等研制了丘陵山區(qū)低矮果樹型果園的立式微耕機，設計的伸縮式耕深調節(jié)機構能解決山區(qū)作業(yè)耕深不穩(wěn)定的問題。鮑秀蘭等[9]基于Y型甩刀式割草機構設計了一種果園割草機器人，建立單根雜草莖稈的運動學模型，通過田間試驗分析出Y型甩刀的最佳作業(yè)參數。付作立等[針對首蓿設計研發(fā)了一種新型雙圓盤式旋轉切割器，可以外置或作為自走式割草機完成割草、調質、集草。王永爍等基于機構往復式伸縮運動，設計了一種用于清理果樹株間雜草的自動避障除草機。德國霍恩海姆大學的研究人員研發(fā)出一種智能的電動機器人旋轉除草機具，能夠自主地在果園和葡萄園的株間進行雜草清除[12]。波蘭的JagodaJps研發(fā)了ZOFIA自走式除草機，通過人工操縱割草機構與果樹之間的位置，初步實現了自動避障；丹麥的Noremark基于GPS導航系統所研發(fā)的割草機能夠同時控制機具和割刀進行橫向與縱向位移，從而在株間除草時實現避障[3]。上述除草機大多只能實現行間或株間避障除草，對于同時進行行間和株間避障除草且適用于主干型果園的除草機的研究尚需加強。

本研究針對果園樹干間雜草難去除的問題，結合果園除草作業(yè)要求，設計了一種包含行間除草機構和株間除草機構的果園中耕避障除草機，利用EDEM離散元仿真軟件對除草輪作業(yè)過程進行仿真分析，研究不同轉速、入土深度和前進速度下的除草效果，確定除草輪的最佳工作條件，以期為除草裝備的發(fā)展提供參考。

1材料與方法

1.1除草機整體結構

果園中耕避障除草機整體結構如圖1所示，主要由機架、行間除草機構、株間除草機構、液壓避障組件、行走輪等組成。機架作為果園中耕避障除草機載體用來承載安裝各組成部件，并通過三點懸掛與拖拉機連接；行間除草機構包含5個除草單體，除草單體之間裝有除草鏟，避免漏除；株間除草機構置于機組兩側，由液壓避障機構和除草輪組成，除草輪由液壓馬達單獨驅動，避障機構通過液壓系統驅動。為提高除草機的適用性，除草單體上設置彈簧緩沖機構，起到仿地形的作用。

注：1—避障桿；2—液壓避障組件；3—機架；4—液壓閥；5—液壓馬達;6—除草輪；7—除草鏟；8—擋泥板；9—彈簧緩沖機構； ^10-鏈輪傳動箱；11—中間齒輪箱；12—行走輪。

Note：1—Obstacleavoidancepole；—Hydraulicobstacleavoidancecomponents；3—Frame;4—Hydraulicvalve;5—Hydraulicmotor;6 Wedingwheel；7—Weedertine；8—Mudguard;9—Springbufermechansm；1—Chainwedrivebox;1—Intermediategearbox；Walking wheel.

圖1果園中耕避障除草機整體結構Fig.1 Overall structure of orchard obstacle avoidance weeding cultivatol

1.2 整機傳動方案

整機與拖拉機通過三點懸掛連接，拖拉機動力輸出軸與錐齒輪箱連接實現動力輸入，錐齒輪箱將動力分別傳遞到行間除草機構和株間除草機構。一方面，錐齒輪箱將動力傳遞至主傳動軸，然后通過鏈輪傳動箱將動力分別傳遞至每個除草單體，由5個除草單體組成了行間除草機構，其傳動示意圖如圖2所示。另一方面，錐齒輪箱將動力傳遞至液壓泵，分別為株間除草機構的液壓馬達和避障機構的液壓缸提供動力，為實現液壓系統的穩(wěn)定工作，在油路上設置調速閥、溢流閥、換向閥、減壓閥、單向閥等元件，如圖3所示。

1.3 行間除草機構

行間除草機構包含5個除草單體，除草單體的結構如圖4所示。每個除草單體裝有2個除草輪，并由鏈輪驅動，除草輪上設置6片插翅形刀齒。鏈輪箱與機架間安裝緩沖彈簧機構連接形成仿形機構，使得工作部件隨地面起伏而運動，保持作業(yè)深度。

1.4株間避障除草機構

株間避障除草機構如圖5所示，主要由液壓 馬達、液壓缸、緩沖彈簧、避障桿、避障連桿、調節(jié)桿、除草輪等組成。避障前，復位彈簧拉伸使避障桿處于展開狀態(tài)，通過調節(jié)桿和緩沖彈簧調整除草輪的緩沖行程；避障時，樹干推動避障桿向內收展，液壓缸桿推動避障連桿帶動除草輪平移，完成避障。作業(yè)時，盡可能保證除草輪與地面距離保持在穩(wěn)定值，保證兩側除草深度的均勻性。

1.5 工作原理及技術參數

工作前，根據雜草生長高度調節(jié)除草輪的安裝高度，機具兩側液壓避障裝置的液壓換向閥在復位彈簧的拉伸作用下處于正向位置，液壓避障裝置的活塞桿處于伸長狀態(tài)。工作時，機具由拖拉機牽引行進，動力經齒輪箱由鏈條傳遞至行間除草機構，并驅動除草輪旋轉完成行間除草；兩側株間除草機構由液壓馬達單獨控制旋轉，當遇及樹干時激發(fā)液壓避障裝置實現避障。整機性能參數如表1所示。

1.6除草輪運動仿真試驗

土壤顆粒的結構形式有球形顆粒、柱狀顆粒、核狀顆粒[14]。為準確描述除草輪與土壤的相互作用過程，選用球形顆粒。土壤顆粒基礎模型采用Hertz-Mindlin模型，附加模型選用bonding。采用環(huán)刀法利用泊松比公式及剪切模量公式獲取現場土壤的本征參數，導人EDEM軟件的材料數據庫模塊，獲得土壤顆粒接觸參數的取值范圍[15]，土壤顆粒參數如表2所示。

應用Solidworks軟件對除草單體進行實體建模，以.STP格式導入EDEM軟件中。設置除草輪材料為Q235鋼，泊松比0.31，剪切模量 7.8×10¹⁰Pa ，密度為 7850kg^*m^-3 。在Solidworks創(chuàng)建 3 000mm× 4000mm×100mm （長 × 寬 × 高）矩形田塊并導入EDEM中，設置顆粒工廠尺寸 3000mm×4000mm ，以 1×10⁶ 個 ?s^-1 速度生成顆粒，總量 4×10⁵ 個。圖6為除草輪-土壤離散元耕作模型，除草作業(yè)時通過除草輪擾動土壤實現除草，因此可利用擾動土壤顆粒的面積評價除草效果，采用臨界速度分割法計算除草輪對土壤顆粒擾動的面積，提取除草輪在縱向截面和俯視圖上的擾動面積。由于除草輪入王深度、轉速及機具行進速度對除草效果有影響，設計3因素3水平正交試驗表進行仿真試驗，如表3所示。

1.7 田間試驗

1.7.1避障成功率通過多次完成避障動作，記錄避障成功樹木的數量與果樹總數的比值來評估避障性能。避障成功率計算公式如下[7]

式中， w₁ 為避障成功率； k₁ 為避障成功樹木的數量； k₂ 為果樹總數目。

1.7.2損傷率損傷率檢測主要基于避障桿觸碰果樹留下的痕跡，其計算公式如下。

式中， w₂ 為損傷率； S₁ 為擦傷的果樹樹木。

1.7.3漏耕率漏耕率是評價避障除草機性能的重要指標，其計算公式如下。

式中， w₃ 為漏耕率； A₁ 為實際耕作面積， m²;A₂ 為去除樹干后的土地面積， m² 。

1.7.4耕深穩(wěn)定性耕深對土壤的結構、通氣性、保水性和肥力等都有影響，穩(wěn)定的耕作深度可以保證土壤質量的穩(wěn)定性和生產力的持續(xù)性。參考GB/T5668—2017《旋耕機》18的方法進行測算。

U=1-V

式中， s 為標準差； V 為變異系數； U 為耕深穩(wěn)定性系數； a_i 為耕深測量值， mm;a_o 為耕深平均值， mm;n 為耕深測量次數。

2 結果與分析

2.1除草輪運動與整機配套動力分析

除草輪自身做旋轉運動，并隨機組行進做直線運動。建立如圖7所示坐標系，以除草輪旋轉中心為坐標原點， X 軸正方向為除草輪的行進方向，Y軸正方向為豎直向下，除草輪端點M的運動軌跡可分解到XY方向。

M點的運動可分解為水平方向的直線運動和豎直方向的周期性運動， M 點的位置可表示如下。

式中， R 為除草輪刀齒回轉輪半徑， mm;v_m 為除草機行進速度， m?s^-1;n 為除草輪轉速， r?min^-1 Φ_t 為時間，s。

M 點在 X 軸的分速度 （v_x） 和Y軸的分速度 （v_y） 計算公式如下。

M 點的絕對速度 （v_M） 如下。

式中， v_o=Rω 是 M 點的圓周線速度，令 λ=v₀/v_m= Rω/v_m ，可得下式。

v_x=v_m-Rωsinωt=v_m（1-λsinωt）

實際除草過程中，除草齒深入土壤并將雜草根系拔離地面，需要滿足 λgt;1^[19] ，即 v_xlt;0 。此時刀齒運動軌跡為余擺線，除草輪深入土壤，刀齒將土壤中的雜草根系切碎翻出地面，完成一個除草周期。由圖7可知，除草輪上刀齒端點開始接觸土壤時，其縱坐標表示如下。

y=R-d=Rsinωt

式中， d 為入土深度， mm 。

將式（12）代入式（11）得下式。

除草輪正常工作需滿足 λgt;1?v_xlt;0 ，則有下式。

為保證除草效果，應滿足除草輪周長大于雜草高度，即滿足如下關系。

2πR?L

式中， L 為雜草高度， mm ○

根據調研，雜草高度一般小于 1000mm ，則需滿足除草輪半徑 R≥159.2mm 。我國果園種植行寬大多在 2500～3200mm ，本研究設計的除草輪半徑 185mm 寬度 200mm ，整機工作幅寬3000mm ，滿足工作需要。除草輪由液壓馬達直接驅動，轉速參考旋耕機旱地作業(yè)參數，因此設計除草輪工作轉速 250～500r?min^-1 。將上述參數帶入式（15）得到 v_m?5.3m^?s^-1 ，一般拖拉機都能滿足此速度條件。除草作業(yè)時有一定的耕深，除草機功耗參照旋耕機功耗的經驗公式進行輔助設計[20]。

N=0.1K_λdv_?mB

式中， K_λ 為旋耕比阻， N?cm^-2 ，參照《農業(yè)機械設計手冊》取值 11.129N?cm^-2;d 為耕深， mm;v_m 為機具行進速度， m?s^-1;B 為耕寬， mm 。

根據上式計算，所需動力配套拖拉機最小動力需求為 N=50.74kW ，則選擇70馬力拖拉機可完成配套作業(yè)。

2.2避障機構運動分析與參數設計

在避障過程中，株間除草輪始終保持旋轉，通過SolidworksMotion模塊完成液壓避障機構的運動仿真，選取除草輪上的4點進行運動軌跡分析，形成圖8所示的避障除草軌跡，其在避障過程時樹干側部的雜草可被去除。若株間除草輪在避障過程中停止旋轉，則樹干一側會產生漏除，這不利于提高機具的除草效率。通過四連桿機構將株間除草機構和機架連接，當株間除草輪處于正常作業(yè)狀態(tài)和完全收縮狀態(tài)時，其與行間除草機構不會發(fā)生干擾，如圖9所示。

避障桿選用觸式彈簧桿，避障桿繞固定軸轉動對樹干進行仿形，避障桿長度應大于其在避障過程中與樹干接觸的滑行距離（一般不超過樹干圓周長的一半），因此避障桿設計長度為 1200mm 。機具行進時應對果樹進行避讓，為確保除草輪不與機具發(fā)生碰撞，在避障除草時間 （t₀） 內，株間除草輪平移H 的距離。平行四桿機構 ABCD 從起始位置，運動到AB'C ^′D 狀態(tài)，如圖10所示。

在運動過程中，樹干到除草輪的距離 （M₀） 應大于避障時間 （t₀） 內機具行進距離，如下式。

2.3除草輪-土壤顆粒翻埋運動仿真結果分析

由表4除草輪-土壤顆粒翻埋運動仿真的正交試驗結果可知，人土深度的增加會導致土壤擾動表面積的增加，增加趨勢較小；機具行進速度的增加會使土壤擾動表面積減小，減小趨勢較小。極差分析顯示，除草輪轉速對土壤擾動面積的影響最大，轉速為 150r?min^-1 時對土壤擾動最小，轉速為 500r?min^-1 時最大；機具前進速度的增加會使除草輪對土壤擾動逐漸減小，選擇適宜的前進速度尤為重要。各因素對除草擾動面積的影響依次為：除草輪轉速 gt; 除草輪入土深度 gt; 機具前進速度。最優(yōu)工作參數為：除草輪入土深度 80mm 、除草輪轉速 500r?min^-1 、機具前進速度 1.2m?s^-1 。

2.4 田間試驗結果分析

田間試驗在最優(yōu)工作參數下進行，設置除草輪入土深度 80mm 、除草輪轉速 500r?min^-1 、機具前進速度 1.2m?s^-1 。評估避障完成的條件，包括避障桿回收范圍內的動作次數、觸及的樹干損傷情況和除草作業(yè)時的漏耕情況。避障過程中，避障桿會觸及樹干，機具行進速度對避障動作能否成功有一定影響，為此選取 1.2，1.4，1.6m?s^-1 共3組參數進行測試，由表5可知，避障成功率為100% 。由于避障桿是在復位彈簧的拉力下完成回位，為避免避障作業(yè)過程中對樹干造成損傷，復位彈簧應選擇合適的彈性系數，試驗時分別選取彈性系數20和 30N?mm^-1 的彈簧進行測試，由表6可知，回位彈簧彈性系數為 20N?mm^-1 時的損傷率為 0% 。選取彈性系數低的復位彈簧，雖然能滿足低損傷要求，但會使避障桿過于靈敏而過早回位影響除草效果，試驗發(fā)現，當回位彈簧低于彈性系數 20N?mm^-1 時，易發(fā)生無效避障。漏耕對于除草機的除草效果和作業(yè)效率有很大影響，由表7可知，平均漏耕率為 3.44% 。由表8可知，機具的平均耕深為 80.9mm ，耕深穩(wěn)定性系數為 97.8% ，滿足GB/T 5668-2017^[18] 中所規(guī)定的耕深穩(wěn)定性系數大于 85% 的要求。在試驗過程中對機具的生產效率進行測算，根據作業(yè)速率不同，其生產率為 0.86～1.38hm²?h^-1

3討論

果園除草作業(yè)主要包括行間和株間作業(yè)，除草機需要同時具備2種作業(yè)方式，根據作業(yè)場景能夠靈活切換作業(yè)模式，并且2種作業(yè)模式之間不產生干擾。有學者對除草機的最佳工作參數[22]力學性能[2]、除草效率[24]等進行研究，除了上述的研究方向，需要更加深入研究行間和株間作業(yè)模式的轉換方法、避障機構的傳動方案和作業(yè)原理。

表7漏耕率測試結果Table7Missedtillage rate test results

表8耕深測試結果Table 8Tillage depth test results

本研究設計了一種果園中耕避障除草機，該機具可同時實現果園行間和株間除草作業(yè)，通過觸式彈簧避障桿聯動液壓缸驅動四連桿機構，實現株間除草機構的避障。利用EDEM軟件對除草部件進行仿真試驗與工作參數優(yōu)化，其最佳工作參數為：除草輪轉速 500r?min^-1 ，人土深度 80mm 前進速度 1.2m?s^-1 。田間試驗結果顯示，該除草機能實現果園行間和株間的除草作業(yè)，且避障避障成功率達 100% 。通過對除草輪工作情況作離散元仿真研究，得到了較為可靠的理論參數，為除草機田間試驗提供理論基礎。影響避障除草機作業(yè)效果的因素較多，如除草輪的材料屬性、除草輪纏草問題等。避障的方式除了機械接觸式，未來可應用傳感器技術實現非接觸式的避障機構。本研究將除草輪作業(yè)情況類比旋耕機進行研究，但實際除草輪工作情況更復雜，后期應對除草輪各種作業(yè)情況分類探討，建立更加接近實際情況的作業(yè)模型。

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