濟南大學(xué)泉城學(xué)院工學(xué)院 山東蓬萊 265600

1 設(shè)計背景

蓬萊市地處北緯37°，具有得天獨厚的氣候與土壤條件，是葡萄種植的“黃金海岸”。近年來，隨著葡萄種植規(guī)模逐漸擴大，葡萄及葡萄酒產(chǎn)業(yè)已成為蓬萊四大支柱產(chǎn)業(yè)之一［1］。在蓬萊葡萄種植過程中，草害對葡萄生長影響較為嚴重。目前葡萄園的除草方式主要有人工除草、化學(xué)除草、機械除草。人工除草的主要特點是除草較為干凈，能夠除去行間及株間雜草，但是勞動強度大，除草效率低?；瘜W(xué)除草的主要特點是高效、省時省力，但容易造成土壤板結(jié)及雜草產(chǎn)生抗藥性。機械除草能夠克服人工除草與化學(xué)除草的缺點，具有效率高、環(huán)保、經(jīng)濟效益好等優(yōu)點［2］。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蓬萊市葡萄種植多采用矮化密植方式，大部分除草機械只能除去葡萄行間的雜草，卻不能除去葡萄株間的雜草［3-4］。針對蓬萊市葡萄園的種植特點，借鑒國內(nèi)外先進除草機械，筆者設(shè)計了一種新型葡萄園自動避障除草機。這一除草機能夠去除葡萄園行間與株間的雜草，可以中耕斷根，提高土壤透氣性，并能將雜草打碎還田，增強土壤肥力。

2 總體設(shè)計

如圖1所示，葡萄園自動避障除草機由萬向節(jié)伸縮傳動軸、錐齒輪換向器、液壓系統(tǒng)、臥式除草刀、立式除草刀、感應(yīng)觸桿等組成。

▲圖1 葡萄園自動避障除草機

葡萄園自動避障除草機采用標準的三點懸掛架掛在拖拉機尾端［5］，動力由拖拉機的發(fā)動機經(jīng)萬向節(jié)伸縮傳動軸傳入，通過錐齒輪換向器改變動力方向，并將動力分為兩部分。一部分動力經(jīng)皮帶傳遞至臥式除草刀，實現(xiàn)葡萄園的行間除草。另一部分動力通過液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換傳遞至液壓缸與立式除草刀，實現(xiàn)葡萄園的株間除草。當感應(yīng)觸桿碰觸到葡萄藤或水泥立柱時，會將信號傳遞至液壓系統(tǒng)，通過電磁換向閥來控制液壓缸活塞桿的伸縮，實現(xiàn)立式除草刀的自動避障功能，保證立式除草刀不損傷葡萄藤，并且能保證立式除草刀不碰撞立柱。葡萄園自動避障除草機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 葡萄園自動避障除草機主要技術(shù)參數(shù)

3 行間除草

3.1 臥式除草刀

行間除草裝置主要由錐齒輪換向器、皮帶傳動裝置、臥式除草刀組成。由臥式除草刀的旋轉(zhuǎn)切入土壤，切斷雜草根系。行間除草裝置最重要的部分是臥式除草刀。臥式除草刀主要由除草輪、除草刀片及刀軸組成，如圖2所示。除草刀片按螺旋線形式均勻分布在除草輪上，除草刀的軸向螺旋角為 30°。由于采用螺旋線形式的除草刀片，除草刀片切入土過程中由淺入深，使除草刀軸受力較為均勻，除草過程較為平穩(wěn)可靠，并且能夠減小除草刀片的磨損［6］。除草刀片采用7 mm厚的高強度鋼，經(jīng)淬火后刀刃處洛氏硬度（HRC）達到60，能夠滿足除草要求。根據(jù)蓬萊當?shù)仄咸逊N植的農(nóng)藝要求，葡萄樹行距為1.5 m左右，為避免產(chǎn)生干涉，臥式除草刀軸向長度為1 m。理論上臥式除草刀的直徑越大，除草效果越好，但功率消耗也就越大，因此，擬定臥式除草刀直徑為300 mm。

▲圖2 臥式除草刀

3.2 運動分析

行間除草裝置進行除草時，采用順銑方式進行，即除草輪旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機輪旋轉(zhuǎn)方向相同。采用此種方式進行除草時，臥式除草刀向后下方進行切土拋土，刀軸切土的反作用力與拖拉機前進方向一致，有利于在濕軟土壤環(huán)境下通過［7］。當采用順銑方式除草時，除草刀上的各點軌跡為余擺線，即：

式中：v為拖拉機前進的速度；R為臥式除草刀回轉(zhuǎn)半徑；ω為臥式除草刀回轉(zhuǎn)角速度；t為時間。

將臥式除草刀端點處線速度與拖拉機前進速度之比定義為速比λ，即：

如圖3所示，臥式除草刀切入土壤除草時，土壤的殘余高度a與λ有關(guān)，λ取值越小，土壤的殘余高度a就越大；λ取值越大，土壤的殘余高度a就越小。行間除草的效果也與除草刀切入土壤時的土壤殘余高度a有關(guān)，殘余高度a越小，除草率就越高。因此，λ可取較大值。

▲圖3 臥式除草刀端點運動軌跡

4 株間除草

4.1 工作原理

株間除草裝置由液壓系統(tǒng)、立式除草刀、感應(yīng)觸桿、液壓缸、斜拉桿等組成。如圖4所示，株間除草裝置安裝于除草機右側(cè)邊板上，能夠去除葡萄根部的雜草。行間除草時，立式除草刀伸進兩棵葡萄樹之間進行除草，當感應(yīng)觸桿碰到植株時，液壓缸開始動作，使斜拉桿旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而使立式除草刀繞過葡萄藤進入相鄰兩棵葡萄樹根部之間進行除草。液壓缸運動靠液壓換向閥來保證，感應(yīng)觸桿負責向液壓換向閥提供信號。感應(yīng)觸桿采用柔性好的彈簧鋼材料，遇到障礙時能夠產(chǎn)生彈性變形，從而保障良好的信號傳輸［8-9］。

4.2 液壓系統(tǒng)

株間除草裝置的液壓系統(tǒng)主要由油箱、液壓缸、齒輪泵、調(diào)速閥、溢流閥、二位四通電磁閥等組成。如圖5所示。液壓系統(tǒng)齒輪泵的動力由錐齒輪換向器提供，齒輪泵為液壓系統(tǒng)提供壓力油，使液壓缸及液壓馬達產(chǎn)生動作。二位四通電磁換向閥接收來自感應(yīng)觸桿的信號，控制液壓缸活塞桿伸縮，從而實現(xiàn)立式除草刀的自 動避障功能［10］。

▲圖4 行間除草裝置

▲圖5 液壓系統(tǒng)

▲圖6 立式除草刀

4.3 立式除草刀

立式除草刀采用雙面刃刀片，刀片均勻地焊接在刀盤周圍，如圖6所示。為增強立式除草刀片的硬度，刀片經(jīng)過淬火處理，刀片外圓及端面均經(jīng)過刃磨。在行間除草的過程中，除草刀刀片的外圓刃和端面刃同時切入土壤中，切斷雜草根系。另外，立式除草刀刀盤外圈采用橡膠材料，起到保護葡萄藤的作用，防止旋轉(zhuǎn)刀盤對葡萄藤產(chǎn)生傷害。

5 結(jié)束語

根據(jù)蓬萊市葡萄園的種植特點，設(shè)計了一種葡萄園自動避障除草機。這一除草機不僅能夠有效去除葡萄園的行間雜草，而且能夠自動避開障礙物而不傷害葡萄藤，去除株間雜草。因此，這一除草機能夠有效提高勞動生產(chǎn)率，保障葡萄的正常生長，對農(nóng)民增收具有較好的現(xiàn)實意義。