朱站偉,湯智輝,何義川,鄭 炫,張東超,楊懷君

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000;2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所,新疆 石河子 832000;3.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)

0 引言

新疆果園的種植模式為密植,葡萄園種植行距為3～3.5m,株距為0.8～1.2m,由于種植行距和株距的限制,很多除草機(jī)械無(wú)法滿足果園清除雜草的要求[1]。

目前,新疆果園常用的除草方法是機(jī)械耕除,但除草不徹底,一般株間雜草需進(jìn)行人工二次耕除,不僅成本較高,而且勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低,嚴(yán)重影響和制約了果園種植業(yè)的發(fā)展。因此,科學(xué)有效地控制草害有利于實(shí)現(xiàn)果品的優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn),確保果樹(shù)的健康生長(zhǎng)[2]。

近年來(lái),果園除草機(jī)械持續(xù)發(fā)展,其功能和技術(shù)不斷更新,很大程度上提高了果園全程機(jī)械化作業(yè)的水平。果園除草機(jī)械解決了除草勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低及人工成本高等問(wèn)題,避免了雜草與果樹(shù)爭(zhēng)水、爭(zhēng)肥、爭(zhēng)光等[3];但是,目前果園機(jī)械化除草作業(yè)存在著株間雜草清除困難、自動(dòng)化和智能化程度較低等問(wèn)題。液壓系統(tǒng)依靠其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)為解決上述問(wèn)題提供了支撐,采用液壓技術(shù)也成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化的典型標(biāo)志[4]。本文依據(jù)新疆果園種植模式研究出了一款與輪式拖拉機(jī)配套使用的果園避障除草機(jī),一次作業(yè)即可完成疏松行間表層土壤、清除行間雜草、碎化土壤、平整地表等多道工序,同時(shí)能清除株間雜草、翻旋株間表層土壤。其避障除草裝置能夠?qū)崿F(xiàn)避障作業(yè),同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制可靠及工作性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

果園避障除草機(jī)由機(jī)架主梁、行間除草鏟刀、液壓控制系統(tǒng)、避障除草裝置、螺旋鎮(zhèn)壓輥及液壓油散熱器等組成,如圖1所示[5]。

1.液壓油散熱器 2.行間除草鏟刀 3.機(jī)架主梁鋼板 避障除草裝置 5.犁6.除草割刀 7.避障控制器 8.螺旋鎮(zhèn)壓棍 9.方形空心型鋼

整機(jī)的行間除草鏟刀呈人字形排列,分別安裝在機(jī)架主梁的相應(yīng)鋼板上。針對(duì)不同的葡萄行距,通過(guò)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)改變行間除草寬度,達(dá)到清除不同行間雜草和翻倒淺層土壤的目的。避障除草裝置安裝在機(jī)架主梁的左右兩側(cè),通過(guò)液壓控制系統(tǒng)可完成株間雜草清除和株間表層土壤疏松。螺旋鎮(zhèn)壓輥借助碎土連接板、銷和可調(diào)節(jié)的方形空心型鋼與機(jī)架主梁相連接,將淺翻后的大塊土壤破碎并將雜草掩埋,從而完成整個(gè)葡萄行、株間中耕除草過(guò)程,達(dá)到增加土壤通氣性、調(diào)節(jié)土壤水分及促使葡萄根系生長(zhǎng)的目的[6]。

1.2 避障除草裝置工作原理

果園株間除草自動(dòng)避障裝置作業(yè)過(guò)程中,避障桿沒(méi)觸碰果樹(shù)時(shí),液壓換向閥處于右位,壓力油液從左向右流動(dòng),在液壓系統(tǒng)的作用下除草割刀寬幅作業(yè);避障桿觸碰到果樹(shù)時(shí),避障桿受力彎曲并繞除草割刀軸旋轉(zhuǎn),在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中觸碰液壓換向閥使之做出響應(yīng),此時(shí)液壓換向閥處于左位,壓力油液在回路中從右向左流動(dòng),液壓缸隨著壓力油液的改變進(jìn)行收縮運(yùn)動(dòng),同時(shí)液壓系統(tǒng)固定的除草割刀軸使株間除草作業(yè)路徑發(fā)生變化,驅(qū)動(dòng)除草割刀避開(kāi)果樹(shù),以免除草割刀傷及果樹(shù)。避障作業(yè)結(jié)束后,避障桿所受的外力消失,避障桿繞除草割刀軸旋轉(zhuǎn)到初始位置,此時(shí)液壓換向閥處于右位,壓力油液自左向右流動(dòng),液壓缸伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng),除草割刀寬幅作業(yè)。株間避障除草裝置停止作業(yè)時(shí),液壓換向閥處于中位,液壓缸中的液壓油液在彈簧力的作用下返回油箱。果園株間避障除草裝置勞動(dòng)強(qiáng)度低、效率高,特別適用于大規(guī)模果園株間除草作業(yè),且有利于提高果園全程機(jī)械化的發(fā)展。避障除草裝置具體工作原理如圖2所示。

圖2 避障工作原理圖

1.3 避障除草裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

避障除草裝置由機(jī)架、除草割刀軸、感應(yīng)避障桿和除草割刀等組成,主要用于清除株間雜草和疏松表層土壤,如圖3所示。除草割刀軸一端由液壓系統(tǒng)固定并通過(guò)軸承支撐,另一端與除草割刀鉸接。除草割刀軸與機(jī)架之間設(shè)有復(fù)位扭簧,復(fù)位扭簧的兩端分別固定在除草割刀軸和機(jī)架上,感應(yīng)避障桿觸碰到果樹(shù)時(shí)驅(qū)動(dòng)液壓閥換向,變化的液壓回路控制液壓缸伸縮,從而控制除草割刀軸驅(qū)動(dòng)除草割刀避開(kāi)果樹(shù),保證除草割刀可以快速、高效地完成果園株間的雜草清除作業(yè)[7]。

1.機(jī)架 2.矩形空心鋼 3.犁臂 4.犁 5.連接圓盤(pán) 6.除草割刀軸 7.除草割刀A 8.抖動(dòng)鏟 9.避障桿 10.除草割刀B 11.避障控制器 12.液壓缸

2 自動(dòng)避障裝置液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)的工況概述

果園株間自動(dòng)避障裝置在果園中作業(yè)時(shí),要求避障桿觸碰果樹(shù)或障礙物時(shí)避障桿受力彎曲并繞除草割刀軸旋轉(zhuǎn);在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中,觸碰液壓系統(tǒng)的電磁換向閥,并使之做出響應(yīng),壓力油液在液壓閥的控制下自右向左流動(dòng),液壓缸隨著壓力油液的改變而進(jìn)行收縮運(yùn)動(dòng)。避障作業(yè)結(jié)束之后,避障桿所受外力消失,避障桿繞除草割刀軸旋轉(zhuǎn)到最初位置,壓力油液自左向右流動(dòng),液壓缸隨著壓力油液的改變而進(jìn)行伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)[8]。果園株間自動(dòng)避障裝置作業(yè)時(shí),要求液壓缸始終處于伸出狀態(tài)。

2.2 液壓系統(tǒng)的工作原理

1)株間避障時(shí),避障桿受力彎曲,三位四通電磁換向閥3處于左位,液壓回路進(jìn)油、回油。①進(jìn)油:壓力油液由液壓泵至三位四通電磁換向閥,通過(guò)平衡閥充滿彈簧回程液壓缸的右側(cè),液壓缸做收縮運(yùn)動(dòng),此時(shí)除草割刀避開(kāi)果樹(shù);②回油:彈簧回程液壓缸右側(cè)的壓力油液回到油箱。

2)寬幅作業(yè)時(shí),避障桿不受力,三位四通電磁換向閥3處于右位,液壓回路進(jìn)油、回油。①進(jìn)油:壓力油液由液壓泵至三位四通電磁換向閥,充滿彈簧回程液壓缸的左側(cè),液壓缸作伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng),此時(shí)除草割刀寬幅作業(yè);②回油:彈簧回程液壓缸右側(cè)的壓力油液至平衡閥回到油箱。

3)停止工作時(shí),三位四通電磁換向閥3處于中位。回油:彈簧回程液壓缸右側(cè)的壓力油液在彈簧力的作用下回到油箱[9]。

液壓系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

1.直動(dòng)溢流閥 2.液位器 3.三位四通電磁換向閥 4.彈簧回程液壓缸 5.平衡閥 6.液壓泵 7.過(guò)濾器 8.油箱

2.3 虛擬模型的構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置

根據(jù)液壓系統(tǒng)的原理圖,利用AMESim軟件構(gòu)建果園株間除草自動(dòng)避障裝置液壓系統(tǒng)的仿真模型[10],如圖5所示。子模型和模型參數(shù)如表1、表2所示。

1.液壓油 2.方波 3.增益 4.馬達(dá)

表1 子模型Table 1 The submodels

表2 模型參數(shù)Table 2 The paraneters of the submodels

2.4 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)過(guò)軟件AMESim求解器運(yùn)算之后,可以得到液壓回路的脈寬調(diào)節(jié)信號(hào)。液壓缸右腔流量、速度、位移曲線[11]如圖6～圖9所示。

圖6 脈寬調(diào)節(jié)信號(hào)圖

圖7 液壓缸流量曲線圖

圖8 液壓缸速度曲線圖

圖9 液壓缸位移曲線圖

由圖6可知:液壓缸起始為收縮狀態(tài),在0～0.32s時(shí)間段為株間避障過(guò)程;由圖7可知:液壓缸的平均流量為7.88L/min;由圖8可知:液壓缸的平均速度為0.45m/s;由圖7與圖8可知: 避障所需時(shí)間為0.32s;由圖9可知:液壓缸的位移在0.32s時(shí)達(dá)到最大,最大位移為0.15m,0.32～0.66s時(shí)間段為株間除草過(guò)程。株間除草過(guò)程中,液壓缸的位移曲線較為平滑,無(wú)明顯波動(dòng),避免了液壓缸活塞與底座的碰撞,說(shuō)明液壓缸工作行程的合理性與液壓系統(tǒng)虛擬模型建立的正確性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證果園避障除草機(jī)的作業(yè)性能,為后續(xù)的整機(jī)優(yōu)化提供理論參考,選取新疆石河子地區(qū)的512團(tuán)的葡萄園進(jìn)行果園除草試驗(yàn),動(dòng)力設(shè)備選取雷沃M554。田間試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 果園除草試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容包括果園株間除草機(jī)的碎土率、耕作深度、株間漏耕率、避障通過(guò)率和避障系統(tǒng)工作穩(wěn)定性。耕作性能評(píng)定指標(biāo)如表3所示。

表3 耕作性能評(píng)定指標(biāo)

3.1.1 碎土率的測(cè)定

螺旋鎮(zhèn)壓輥鎮(zhèn)壓過(guò)后,選定 0.5m×0.5m 的鎮(zhèn)壓地表作為碎土率的測(cè)定區(qū)域,并對(duì)測(cè)定區(qū)域土塊的大小進(jìn)行測(cè)量。將測(cè)得的土塊分為4、4～8、8cm 以上3級(jí),將小于4cm 的土塊質(zhì)量與測(cè)定區(qū)域土塊總質(zhì)量之比記為碎土率,每行程測(cè)定一點(diǎn)[12]。

3.1.2 耕深及穩(wěn)定性測(cè)定

除草機(jī)具作業(yè)過(guò)后,在其測(cè)定區(qū)域內(nèi),每?jī)蓚€(gè)平行測(cè)試點(diǎn)間隔2m且每段行程的測(cè)試點(diǎn)不少于15個(gè),其平均深度為

(1)

式中aj—第j個(gè)行程平均耕作深度(cm);

aji—第j個(gè)行程中第i個(gè)點(diǎn)的耕作深度(cm);

nj—第j個(gè)行程中總的測(cè)試點(diǎn)數(shù)。

行程耕作深度標(biāo)準(zhǔn)差、穩(wěn)定性系數(shù)及變異系數(shù)為

(2)

(3)

Uj=1-Vj

(4)

式中Sj—第j行程耕作深度標(biāo)準(zhǔn)差(cm);

Vji—第j行程耕作深度變異系數(shù);

Uj—第j行程耕作深度變異系數(shù)[9]。

3.1.3 漏耕率及避障通過(guò)率的測(cè)定

株間漏耕率為實(shí)際漏耕面積與測(cè)定區(qū)域總面積之比,計(jì)算公式為

(4)

A1=A2-A3

(5)

式中P1—耕作漏耕率;

A0—測(cè)試區(qū)總面積;

A1—實(shí)際漏耕面積;

A2—未耕面積;

A3—不可耕作面積[9]。

同一工作條件下,觀察果園株間自動(dòng)避障通過(guò)率的狀況及避障動(dòng)作完成的情況,實(shí)際避開(kāi)果樹(shù)的數(shù)目和測(cè)定果樹(shù)總數(shù)目之比即為果園株間自動(dòng)避障裝置的避障通過(guò)率。計(jì)算公式為

(7)

式中P2—避障通過(guò)率;

N1—實(shí)際避障數(shù)目;

N2—單行程內(nèi)果樹(shù)的總數(shù)目。

3.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)動(dòng)力機(jī)具采用雷沃M554,耕作速度為3.5km/h。

1)碎土率測(cè)定如圖11所示,測(cè)量結(jié)果如表4所示。

圖11 碎土率測(cè)定

表4 碎土率測(cè)定結(jié)果

2)耕作深度測(cè)定。每個(gè)樣本從地面到地下堅(jiān)實(shí)部位為測(cè)量的深度部分,用卷尺測(cè)量并同時(shí)記錄下讀數(shù),每次選取15個(gè)樣本。耕作深度測(cè)定如圖12所示,測(cè)量結(jié)果如表5所示。由表4、表5可知:果園作業(yè)碎土率為93.68%,平均耕深a=14.65cm,耕深平均標(biāo)準(zhǔn)差S=0.90,變異性平均系數(shù)V=6.17%,穩(wěn)定性平均系數(shù)U=90.08%。

3)果園株間漏耕率及避障通過(guò)率測(cè)量結(jié)果如表6和表7所示。由表6、表7可知:果園株間除草自動(dòng)避障裝置耕作時(shí),株間平均漏耕率為4.12%,工況避障通過(guò)率100%。這說(shuō)明,避障除草裝置工作性能穩(wěn)定,符合耕作性能指標(biāo)。

圖12 耕作深度測(cè)定

表5 耕深性能測(cè)定結(jié)果

表6 果園漏耕率測(cè)量結(jié)果

表7 果園避障通過(guò)率測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)論

根據(jù)新疆果園種植模式,一般的果園除草機(jī)械無(wú)法完成株間雜草清除作業(yè),容易造成少耕、漏耕等問(wèn)題,需進(jìn)行人工二次除草,大大增加了勞動(dòng)強(qiáng)度,降低了勞動(dòng)效率。為此,研究出了一款與輪式拖拉機(jī)配套使用的果園避障除草機(jī),1次作業(yè)即可完成疏松行間表層土壤、清除行間雜草、碎化土壤、平整地表等多道工序,同時(shí)能清除株間雜草、翻旋株間表層土壤。試驗(yàn)結(jié)果表明:果園株間自動(dòng)避障裝置在3.5km/h作業(yè)速度下,碎土率為93.68%,耕作深度為14.64cm,株間漏耕率4.12%、避障通過(guò)率為100%,符合國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)要求,提高了勞動(dòng)效率,對(duì)新疆果園實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化作業(yè)、提升新疆林果機(jī)械技術(shù)和林果業(yè)的可持續(xù)發(fā)展水平具有重要意義。