何義川，湯智輝，楊懷君，孟祥金，鄭 炫，張東超，朱站偉

(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.農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆位于北緯34°～50°之間，地處歐亞大陸腹地，光熱資源豐富，降水量少，氣候干燥，日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大，是典型的大陸性氣候。因此，該地區(qū)有利于作物糖分的合成和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累，使得新疆的葡萄天然具有含糖量高、營(yíng)養(yǎng)豐富及口感好等優(yōu)點(diǎn)。此外，新疆地區(qū)海拔比較高，空氣干燥，冬季溫度低，病蟲(chóng)害的發(fā)生率低、危害輕，非常適宜葡萄的種植，與法國(guó)波爾多、美國(guó)加利福尼亞州并稱(chēng)為世界葡萄的三大“天堂種植區(qū)”[1-3]。

近年來(lái)，新疆及兵團(tuán)依托優(yōu)勢(shì)資源，葡萄產(chǎn)業(yè)得到了快速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年新疆種植葡萄面積約14.9萬(wàn)hm2、產(chǎn)量267.58萬(wàn)t。其中，兵團(tuán)種植葡萄4.5萬(wàn)hm2，產(chǎn)量80.17萬(wàn)t[4]；2016年，新疆及兵團(tuán)葡萄產(chǎn)量約占全國(guó)葡萄產(chǎn)量的1/5[5]。與此同時(shí)，兵團(tuán)依托其高度組織化和規(guī)?；芾韮?yōu)勢(shì)，大力推動(dòng)了葡萄生產(chǎn)方式向集中連片、基地化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，并已在若干區(qū)域形成了規(guī)?；钠咸焉a(chǎn)基地。葡萄產(chǎn)業(yè)不僅是新疆及兵團(tuán)的主要經(jīng)濟(jì)作物之一，也是對(duì)集約化、規(guī)?；咝a(chǎn)技術(shù)需求最旺盛的領(lǐng)域之一。新疆地區(qū)作為目前全國(guó)葡萄種植面積和產(chǎn)量最大的省份，是未來(lái)葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展最具潛力的產(chǎn)區(qū)，在行業(yè)已確立不可替代的地位。

但是，葡萄園雜草數(shù)量多生長(zhǎng)快，爭(zhēng)奪肥水嚴(yán)重，特別是有些雜草還是病蟲(chóng)的傳播媒介和寄主，使葡萄園病蟲(chóng)害發(fā)生嚴(yán)重，從而影響果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量[6]。葡萄園人工除草勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，成本高；化學(xué)除草雖然效率高，但容易污染環(huán)境，使得葡萄殘留農(nóng)藥量大，對(duì)葡萄的品質(zhì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，對(duì)人的身體健康也造成一定的危害。因此，要采用非化學(xué)方式的除草方式來(lái)防治雜草，不但要做到環(huán)境“零污染”，且要降低除草作業(yè)成本、提高葡萄園除草作業(yè)效率和質(zhì)量。

隨著新疆兵團(tuán)特色林果區(qū)域化布局、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營(yíng)的不斷調(diào)整和優(yōu)化，葡萄產(chǎn)業(yè)將加速由數(shù)量擴(kuò)張型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變，這就必然要解決葡萄生產(chǎn)過(guò)程中行株間雜草清除的突出問(wèn)題。相比人工除草和化學(xué)除草，機(jī)械除草不但對(duì)環(huán)境無(wú)污染，而且具有對(duì)疏松土壤、提高地溫及蓄水保墑等優(yōu)點(diǎn)，因此研究一種葡萄園避障除草機(jī)是非常必要和迫切的。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程

1.1 設(shè)計(jì)原理

避障除草機(jī)前進(jìn)時(shí)，避障傳感器未碰觸到葡萄植株及障礙物時(shí)，機(jī)具進(jìn)行行間株間作業(yè)，避障系統(tǒng)不工作；當(dāng)避障傳感器觸碰到葡萄植株及障礙物時(shí)，避障系統(tǒng)開(kāi)始工作。此時(shí)，避障傳感器將信號(hào)傳遞給液壓控制系統(tǒng)進(jìn)而控制株間除草裝置沿與機(jī)具前進(jìn)垂直方向回縮，避免對(duì)葡萄植株損傷和遇到障礙物時(shí)對(duì)機(jī)具的損壞；當(dāng)越過(guò)障礙后，株間除草裝置再次伸出進(jìn)行株間除草作業(yè)，以此往復(fù)循環(huán)作業(yè)。具體的避障工作原理如圖1所示。

圖1 葡萄園避障除草機(jī)工作原理Fig.1 The working principle diagram of the vineyard obstacle avoidance weeding

1.2 總體設(shè)計(jì)

葡萄園避障除草機(jī)主要由機(jī)架、行間除草裝置、株間除草裝置、 鎮(zhèn)壓碎土裝置及液壓控制系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.機(jī)架 2.中央調(diào)節(jié)裝置 3.油缸 4.側(cè)機(jī)架 5.連接板 6.避障傳感器 7.株間除草裝置 8.鎮(zhèn)壓裝置 9.避障裝置 10.行間除草裝置圖2 葡萄園避障除草機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Vineyard obstacle avoidance weeding machine structure diagram

機(jī)架主梁由6mm厚的鋼板折彎焊合而成，橫截面呈六邊形，這樣有利于增加機(jī)架強(qiáng)度，同時(shí)可以保證左右兩個(gè)側(cè)機(jī)架可以方便地在主機(jī)架中自由左右調(diào)節(jié)。行間除草裝置主要由4～6個(gè)“人”字鏟刀構(gòu)成，均布在主梁的下方；株間避障除草裝置主要由避障傳感器和株間除草裝置構(gòu)成，左右對(duì)稱(chēng)分別安裝在左右兩個(gè)側(cè)機(jī)架上。碎土鎮(zhèn)壓裝置由螺旋鏤空的帶齒鋼板組成，通過(guò)中央調(diào)節(jié)裝置和連接板安裝在機(jī)架的后部，主要起到限深和碎土鎮(zhèn)壓整地的作用。

1.3 工作過(guò)程

作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)懸掛裝置與機(jī)架三點(diǎn)懸掛聯(lián)接，液壓油缸通過(guò)液壓油管與拖拉機(jī)液壓控制系統(tǒng)連接，整機(jī)質(zhì)量由拖拉機(jī)承擔(dān)。首先，根據(jù)葡萄園不同的行間距離調(diào)節(jié)左右兩邊的側(cè)機(jī)架，使其達(dá)到合適的作業(yè)幅寬以確保與葡萄主稈不干涉；然后，根據(jù)葡萄園中耕除草的要求調(diào)節(jié)行間中耕鏟刀的高度；最后，結(jié)合中耕鏟刀的高度調(diào)節(jié)中央調(diào)節(jié)裝置控制鎮(zhèn)壓裝置的離地距離。

其主要技術(shù)參數(shù)如下:

外形尺寸/mm： 1 780×4 500×1 500(工作時(shí))

1 780×2 500×1 500(運(yùn)輸時(shí))

作業(yè)幅寬/mm： 3 000～4 000(可調(diào))

作業(yè)速度/km·h-1： ≥2

配套動(dòng)力/kW： ≥40.4

純工作小時(shí)生產(chǎn)率/hm2·h-1： ≥0.59

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 六邊形機(jī)架設(shè)計(jì)

由于新疆兵團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)化葡萄園種植的行距一般是3～4m，為了使機(jī)具可以適應(yīng)不同的行距要求，提高機(jī)具的通用性，在設(shè)計(jì)機(jī)具時(shí)將機(jī)架設(shè)計(jì)為三段式，即中間為機(jī)架主梁、左右兩邊各設(shè)計(jì)一個(gè)副機(jī)架，兩邊的副機(jī)架可以在主梁中左右移動(dòng)調(diào)節(jié)作業(yè)幅寬。為了保證機(jī)具作業(yè)時(shí)可以承受較大的耕作阻力，機(jī)架采用65Mn材料的鋼板折彎成六邊形結(jié)構(gòu)，既可以實(shí)現(xiàn)主副機(jī)架的連接配合，也可以保證機(jī)架的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.主機(jī)架 2.右副機(jī)架 3.左副機(jī)架圖3 六邊形機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Hexagon rack structure structure diagram

2.2 行間除草裝置設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)葡萄園淺層松土及切斷雜草，采用雙翼人字形鏟刀結(jié)構(gòu)，兩片鏟刀翅形分布，前部略低，后部略高，鏟柄居中[7]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 人字形鏟刀三維圖Fig.4 3D model of herringbone blade

人字形鏟刀的參數(shù)主要有：翼張角2γ，碎土角β，隙角ε，如圖5所示。

人字形鏟刀工作時(shí)，切根受力分析如圖6所示。要使雜草根能沿翼刃滑動(dòng)，則必須滿足公式為

T≥F

式中T—雜草根沿刃口方向的力(N)；

F—阻止草根滑動(dòng)摩擦力(N)。

根據(jù)圖6切根受力分析可知

T=Pcosγ

式中T—雜草根沿刃口方向的力(N)；

P—前進(jìn)方向作用于雜草根的力(N)；

γ—翼張角(o)。

F=Ntgφ

式中F—阻止草根滑動(dòng)摩擦力(N)；

N—雜草根對(duì)切刀的壓力(N)；

φ—雜草根與翼刃摩擦角(°)。

N=Psinγ

式中N—雜草根對(duì)切刀的壓力(N)；

P—前進(jìn)方向作用于雜草根的力(N)；

γ—翼張角(°)。

故γ≤90°-φ，對(duì)于不同種類(lèi)作物的根系其與金屬刃口的摩擦角度是不一樣的，雜草根茬與金屬類(lèi)刃口的摩擦角大約為45°[8]。碎土角β愈大，碎土能力愈強(qiáng)，但是β太大土壤的側(cè)移量愈大，阻力愈大，取β取值不超過(guò)20°，隙角ε≤10°[9]。

1.左切刀 2.鏟柄 3.右切刀圖5 人字形鏟刀主要參數(shù)示意圖Fig.5 The diagram of main parameters of herringbone blade

圖6 切根受力分析圖Fig.6 Force analysis of cut

2.3 避障除草裝置設(shè)計(jì)

為了達(dá)到機(jī)具前進(jìn)過(guò)程中既可以完成葡萄園行間除草、也可以實(shí)現(xiàn)株間除草的目的，設(shè)計(jì)了一種避障裝置，主要由連接機(jī)架、避障傳感器和株間除草裝置組成。在連接機(jī)架上設(shè)有轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上設(shè)有感應(yīng)避障傳感器，連接機(jī)架底部設(shè)有換向液壓油缸。避障除草裝置工作向前行進(jìn)時(shí)，株間除草裝置與行進(jìn)方向呈垂直狀態(tài)，當(dāng)機(jī)具工作遇到障礙時(shí)，感應(yīng)避障傳感器工作將信號(hào)傳遞給液壓油缸，液壓油缸控制轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)株間避障除草裝置轉(zhuǎn)動(dòng)與行進(jìn)方向呈平行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)避障效果。當(dāng)越過(guò)障礙后，株間除草裝置再次伸出與行進(jìn)方向呈垂直狀態(tài)，以此往復(fù)循環(huán)作業(yè)。具體的避障除草工作原理如圖7、圖8所示。

1.株間除草裝置 2.避障傳感器 3.連接機(jī)架圖7 避障割草裝置展開(kāi)示意圖Fig.7 The spread out structure diagram of obstacle avoidance mowing device

1.株間除草裝置 2.避障傳感器 3.連接機(jī)架圖8 避障割草裝置避障示意圖Fig.8 The avoidance structure diagram of obstacle avoidance mowing device

2.4 碎土鎮(zhèn)壓裝置設(shè)計(jì)

碎土鎮(zhèn)壓裝置主要由小機(jī)架、主軸和鎮(zhèn)壓器組成，如圖9所示。小機(jī)架通過(guò)螺栓與主軸相連接，主軸上穿裝有網(wǎng)紋形鎮(zhèn)壓器。作業(yè)時(shí)，網(wǎng)狀突起深入土中將次表層土壤壓實(shí)，在地表形成松軟的呈網(wǎng)狀花紋的覆蓋層，達(dá)到上松下實(shí)的要求，并有一定的碎土效果。碎土鎮(zhèn)壓器的主要作用是將中耕除草后的土壤壓碎、壓緊耕作層、平整土地，使得土壤松實(shí)并存，具有良好的保墑作用。

1.鎮(zhèn)壓器 2.主軸 3.小機(jī)架圖9 碎土鎮(zhèn)壓裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Crushed soil and repression device structure diagram

3 田間試驗(yàn)

2017年7月中旬，在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師152團(tuán)葡萄園進(jìn)行了葡萄園株間避障除草機(jī)田間驗(yàn)證試驗(yàn)，配套動(dòng)力為40.4kW拖拉機(jī)，如圖10所示。

通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)得葡萄園株間避障除草機(jī)在不同的作業(yè)速度和耕深作業(yè)時(shí)，碎土率都能達(dá)到90%以上，避障通過(guò)率達(dá)到100%。田間試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同作業(yè)速度機(jī)具作業(yè)性能指標(biāo)Table 1 The performance index by obstacle avoidance weeding machine farming on different operating speed

4 結(jié)論

葡萄園避障除草機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)合了當(dāng)前新疆及兵團(tuán)葡萄生產(chǎn)規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)內(nèi)容上重點(diǎn)解決了當(dāng)前葡萄園人工除草勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，以及化學(xué)除草殘留農(nóng)藥大、影響葡萄品質(zhì)的問(wèn)題。該機(jī)具可以與中小型拖拉機(jī)配套使用，提高了農(nóng)戶(hù)拖拉機(jī)利用率，并可在葡萄園中方便通行，機(jī)具主梁還可以根據(jù)需求掛接不同功能耕整地部件，一機(jī)多用，操作靈活方便。