褚陽(yáng)陽(yáng) 汪冰清 薛金林 馬拯胞

摘要：為實(shí)現(xiàn)果園作業(yè)機(jī)械的多功能應(yīng)用，設(shè)計(jì)一款具備割草、噴藥、搬運(yùn)等功能的輪式果園多功能自主導(dǎo)航作業(yè)平臺(tái)。根據(jù)作業(yè)需求對(duì)多功能平臺(tái)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，平臺(tái)包括動(dòng)力系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、作業(yè)裝置等。根據(jù)搬運(yùn)需求計(jì)算確定整機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型；對(duì)割刀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)切削范圍和穩(wěn)定需求，計(jì)算確定割刀電機(jī)和電動(dòng)推桿的型號(hào)；根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，計(jì)算確定滿(mǎn)足噴藥噴幅的藥泵型號(hào)，并對(duì)其他關(guān)鍵部件進(jìn)行計(jì)算選型。對(duì)樣機(jī)進(jìn)行最小轉(zhuǎn)彎半徑、割草性能、噴霧性能等基本性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的平臺(tái)最小轉(zhuǎn)彎半徑為120.75 cm，滿(mǎn)足果園行間地頭良好的通過(guò)性要求；割刀轉(zhuǎn)速和高度可調(diào)，留茬高度可控制在5 cm以?xún)?nèi)，割草作業(yè)覆蓋率在91.25%以上；噴藥泵可根據(jù)車(chē)速、樹(shù)形等進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，噴霧量均勻性變異系數(shù)在8.01%以?xún)?nèi)，保證噴霧均勻的同時(shí)減少農(nóng)藥浪費(fèi)。

關(guān)鍵詞：果園機(jī)械；多功能作業(yè)；輪式平臺(tái)；自主導(dǎo)航

中圖分類(lèi)號(hào)：S224.4： S229+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2024） 02018007

收稿日期：2023年1月16日 ?修回日期：2023年4月23日

基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目（NJ2021—38）；江蘇現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目（JAST［2022］483）；南京市現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)創(chuàng)新示范項(xiàng)目（NJ［2022］07）

第一作者：褚陽(yáng)陽(yáng)，男，1996年生，山東新泰人，碩士研究生；研究方向?yàn)檗r(nóng)機(jī)裝置智能化。Email： chuyy@njau.edu.cn

通訊作者：汪冰清，女，1973年生，江蘇響水人，高級(jí)工程師；研究方向?yàn)檗r(nóng)機(jī)信息化與智能化。Email： Wangbq209@163.com

Design of a wheeled multifunction autonomous operation platform in orchard

Chu Yangyang1， Wang Bingqing2， Xue Jinlin1， Ma Zhengbao3

（1. College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210031， China; 2. Jiangsu Agricultural

Machinery Information Center， Nanjing， 210017， China; 3. Jiangsu Agricultural Machinery Development and

Application Center， Nanjing， 210017， China）

Abstract：

In order to realize the multifunctional application of orchard operation machinery， a wheeled orchard multifunctional autonomous navigation operation platform was designe with functions such as mowing， spraying and carrying was designed. The overall design of the multifunctional platform is carried out according to the operation requirements. The platform includes a power system， a walking system， a navigation system， a control system and operating devices. The selection of drive motor of the whole machine was determined according to the handling demand. The motion and dynamics of cutter were analyzed， and the model of cutter motor and electric push rod was determined according to cutting range and stability demand. According to the knowledge of fluid mechanics， the model of the pump that meets the spray width was determined by calculation， and other key components were selected by calculation. The prototype was tested on the minimum turning radius， grass cutting performance and spraying performance. The results showed that the minimum turning radius of the platform we designed is 120.75 cm， which meted the requirements of good passability between rows of orchard. The speed and height of cutter can be adjusted， the stubble height can be controlled within 5 cm， and the coverage rate of mowing operation is more than 91.25%. The spray pump can adjust the pressure according to the speed and tree shape， and the variation coefficient of spray uniformity is within 8.01%， which ensures the uniformity of spray and reduces the waste of pesticides.

Keywords：

orchard machinery; multifunctional operation; wheeled platform; autonomous navigation

0 引言

我國(guó)是水果生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，果樹(shù)種植面積及水果年產(chǎn)量都位于世界前列［1］。近年來(lái)，根據(jù)果園管理建設(shè)需要以及降低果園生產(chǎn)成本需求，果園機(jī)械正朝著通用化、智能化方向發(fā)展［2］，發(fā)展多功能果園生產(chǎn)管理機(jī)械是必然趨勢(shì)。

歐美等國(guó)家早在20世紀(jì)60年代后已經(jīng)開(kāi)始果園多功能作業(yè)平臺(tái)的研究［34］，英國(guó)Genie公司和澳大利亞CRENDON公司的升降采摘平臺(tái)、日本筑水農(nóng)機(jī)運(yùn)輸管理機(jī)等，這些平臺(tái)或管理機(jī)操縱性和穩(wěn)定性較好，能夠滿(mǎn)足果園采摘方面的平臺(tái)升降和果實(shí)運(yùn)輸?shù)刃枨?，法?guó)JTC viticulture公司葡萄園管理機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)旋耕、施肥、除草、噴藥、果枝修剪等功能［5］。我國(guó)在這方面研究起步較晚，2007年，新疆機(jī)械研究院研發(fā)了我國(guó)第一臺(tái)果園多功能作業(yè)機(jī)，該平臺(tái)可以完成運(yùn)輸、剪枝、采摘登高以及噴藥等工作［6］；之后，諸多學(xué)者和公司根據(jù)我國(guó)果園特點(diǎn)不斷進(jìn)行多功能平臺(tái)研究和改進(jìn)，張亞等［7］設(shè)計(jì)的果園多功能管理平臺(tái)能夠完成開(kāi)溝、施肥、施藥作業(yè)，并且設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)，可順利實(shí)現(xiàn)果園作業(yè)監(jiān)控與管理；洛陽(yáng)瑪斯特研發(fā)的履帶自走式多功能管理機(jī)，該機(jī)除運(yùn)輸外還可以進(jìn)行旋耕、植保、割草、開(kāi)溝、施肥、枝條粉碎等工作［8］；楊濤等［9］設(shè)計(jì)一款適宜丘陵地帶的微型電動(dòng)多功能行駛平臺(tái)，基本能夠適應(yīng)壕溝、坡道等場(chǎng)景。

綜上所述，目前常見(jiàn)的果園多功能作業(yè)平臺(tái)多種多樣，但是存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高、利用率低等缺點(diǎn)。本文針對(duì)果園生產(chǎn)管理需求，設(shè)計(jì)一款掛接方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)向輕便的集割草、搬運(yùn)、噴藥等功能于一體的果園多功能自主導(dǎo)航作業(yè)平臺(tái)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)化高密度果園行距一般在4～5 m，株距1～2 m，樹(shù)冠直徑1～2 m，樹(shù)高2～3 m，樹(shù)干高度0.6 m以上［10］，平臺(tái)設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化果園行間的自主導(dǎo)航、割草、噴藥、搬運(yùn)等要求，即噴藥幅寬應(yīng)在0.6～3 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑小于2 m，果園留草高度控制在10 cm左右［11］。

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

履帶式果園機(jī)械具有良好的地形適應(yīng)能力、爬坡能力強(qiáng)等，但運(yùn)行速度相對(duì)較低、功耗較大；而輪式果園機(jī)械具有速度快、牽引力大、機(jī)動(dòng)性好、可靠性高、噪聲低、對(duì)地面損害小等優(yōu)點(diǎn)［1213］。標(biāo)準(zhǔn)化果園地形平整，輪式作業(yè)可以很好地滿(mǎn)足需求。

本文所設(shè)計(jì)作業(yè)平臺(tái)主要包括行走系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、作業(yè)裝置等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.割草裝置

2.電動(dòng)推桿

3.噴藥裝置

4.藥箱

5.報(bào)警裝置

6.信號(hào)接收器

7.顯示器

8.底盤(pán)總成

9.攝像頭

10.驅(qū)動(dòng)輪

整機(jī)驅(qū)動(dòng)采用蓄電池組，配套動(dòng)力為：48V-100AH，是平臺(tái)的主要?jiǎng)恿?lái)源；導(dǎo)航系統(tǒng)采用GPS與和視覺(jué)融合，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)在果園中的自主導(dǎo)航；控制系統(tǒng)是平臺(tái)的核心，是整機(jī)的大腦；作業(yè)裝置包括可拆卸的割草裝置、噴藥裝置、搬運(yùn)平臺(tái)等。分布式電驅(qū)動(dòng)形式傳動(dòng)鏈短、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率高，可以很好地簡(jiǎn)化底盤(pán)的動(dòng)力與傳動(dòng)結(jié)構(gòu)［1415］；相較于單輪胎，雙輪胎更加穩(wěn)定，與地面接觸面積更大，承重能力更強(qiáng)，延長(zhǎng)輪胎使用壽命，可以很好地減少軸距，結(jié)構(gòu)緊湊，減小轉(zhuǎn)彎半徑［1617］，因此選擇四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)（4 Wheels Independent Drive， 4WID）作為作業(yè)平臺(tái)的行駛系統(tǒng)，外側(cè)最大寬度為0.88 m，最大行駛速度為5 km/h，作用是支承整機(jī)全部質(zhì)量。

1.2 工作原理

整機(jī)在遙控裝置的作用下進(jìn)行工作，GPS和相機(jī)可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的自主導(dǎo)航，相機(jī)可以識(shí)別果園環(huán)境并做出反應(yīng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)作用下實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的前進(jìn)或后退，轉(zhuǎn)向時(shí)，兩側(cè)電機(jī)輸出不同轉(zhuǎn)速形成轉(zhuǎn)速差，平臺(tái)在內(nèi)外輪轉(zhuǎn)速差的作用下完成轉(zhuǎn)向動(dòng)作。噴藥裝置和割草裝置可拆卸，藥箱拆下時(shí)，周轉(zhuǎn)箱等可以放在載物臺(tái)完成搬運(yùn)工作。在懸掛裝置和支撐輪作用下，割草裝置可以保持穩(wěn)定，割草作業(yè)完成后，在電動(dòng)推桿的作用下，割草裝置提升，平臺(tái)可更加平穩(wěn)地行駛。

2 關(guān)鍵裝置設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

相較于燃油驅(qū)動(dòng)，電驅(qū)動(dòng)不需要機(jī)械式的傳動(dòng)部分，導(dǎo)線(xiàn)易彎折，因此電驅(qū)動(dòng)可很好的壓縮空間，減小整機(jī)體積及質(zhì)量；另一方面，電驅(qū)動(dòng)可以很好地做到節(jié)約能源，減少?gòu)U氣排放［18］，因此整機(jī)采用電驅(qū)動(dòng)方式。

平臺(tái)在果園行駛時(shí)，由于運(yùn)輸時(shí)產(chǎn)生的負(fù)載較大，當(dāng)載荷量達(dá)到目標(biāo)值300 kg時(shí)，此時(shí)電機(jī)克服載重所需驅(qū)動(dòng)力

Ft≥μG

（1）

式中：

Ft——車(chē)輪驅(qū)動(dòng)力，N；

μ——

輪胎與地面的靜摩擦因數(shù)，取μ=0.7；

G——整機(jī)滿(mǎn)載質(zhì)量，N。

此時(shí)驅(qū)動(dòng)力應(yīng)為4 550 N。

當(dāng)車(chē)輛行駛在地面上時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力

Ft=ηT0R

（2）

T0=9 550×P0n

（3）

式中：

P0——電機(jī)輸出功率，kW；

T0——電機(jī)輸出扭矩，N·m；

n——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

R——驅(qū)動(dòng)輪半徑，m；

η——傳動(dòng)效率，取為0.9。

因此在滿(mǎn)載行駛時(shí)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力至少應(yīng)為7 kW。

為滿(mǎn)足作業(yè)平臺(tái)行駛和運(yùn)輸需求，選用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩為1 282 N·m，最終選定TKM38B-30-80B14電機(jī)，最大輸出功率為7.5 kW，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為KYDBL48150-1E。

2.2 割草部件設(shè)計(jì)

果園內(nèi)雜草在一定程度上可以起到保水保溫、補(bǔ)充有機(jī)養(yǎng)分的作用，考慮到實(shí)際生產(chǎn)，果園雜草不完全清除，而是采用割草確保將雜草控制在一定高度內(nèi)。割草裝置由外殼、割刀、懸掛裝置、支撐輪、電機(jī)等組成，如圖2所示。外殼后側(cè)板空缺安裝保護(hù)罩，內(nèi)部包含兩個(gè)旋割刀，懸掛裝置兩側(cè)支撐臂分別與主機(jī)鉸接，提升臂直接使用電動(dòng)推桿與主機(jī)鉸接，在電動(dòng)推桿的作用下，割草部件可以進(jìn)行提升和下降。旋耕割刀錯(cuò)位安裝，保證割幅的同時(shí)使結(jié)構(gòu)更加緊湊、減小裝置質(zhì)量，兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，減小機(jī)械阻力，保證了作業(yè)效率。割刀高度根據(jù)割草高度和果園地形需要，可通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓對(duì)支撐輪進(jìn)行調(diào)節(jié)，改善割草效果。

1.保護(hù)罩

2.外殼

3.割刀裝置電路總成

4.割刀驅(qū)動(dòng)電機(jī)

5.高度調(diào)節(jié)裝置

6.支承輪

2.2.1 割刀轉(zhuǎn)速計(jì)算

為保證割刀穩(wěn)定工作，選取割刀刀頭處對(duì)割刀進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，如圖3所示。

平臺(tái)行駛時(shí)，在割刀刀頭處，其位移隨其轉(zhuǎn)速和行駛速度的變化為

x=r（1－cosωt）

y=vt+rsinωt

（4）

式中：

r——割刀割幅半徑，m；

v——平臺(tái)行駛速度，m/s；

ω——割刀角速度，rad/s。

對(duì)時(shí)間t進(jìn)行微分求出其速度

vx=ωrsinωt

vy=v+ωrcosωt

（5）

對(duì)速度進(jìn)行合成求出刀頭的絕對(duì)速度

va=vx2+vy2=ω2r2+v2+2vωrcosωt

（6）

當(dāng)cosωt最小，即cosωt為-1時(shí)，速度最小，此時(shí)割刀刀頭切向速度與行進(jìn)速度共線(xiàn)反向。為保證割刀作業(yè)穩(wěn)定，無(wú)支撐的割刀切削線(xiàn)速度應(yīng)保持在40～80 m/s［19］，取平臺(tái)以最大速度勻速行駛，v=5 km/h，刀頭處線(xiàn)速度最小處設(shè)置為不超過(guò)40 m/s。按照切削穩(wěn)定、保證切削范圍的要求，設(shè)計(jì)機(jī)械在行間行走至少可以覆蓋果園行間距的一半，初步設(shè)定割幅范圍600 mm，求出電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)大于1 229 r/min，因此本設(shè)計(jì)采用的電機(jī)轉(zhuǎn)速有1 500 r/min和2 500 r/min兩個(gè)擋位。

2.2.2 電動(dòng)推桿選型

為選擇合適的電動(dòng)推桿以保證所掛接裝置的平穩(wěn)提升，將割草部件簡(jiǎn)化為如圖4所示的模型，并對(duì)其進(jìn)行受力分析。由圖4（a）可知，當(dāng)電動(dòng)推桿恰好可以提升裝置時(shí)，輪1受到地面的力為0，此時(shí)作用在割草部件上的力平衡和力矩平衡方程

Tcosα=Fcosθ

N+Fsinθ=Tsinα+G0

Fsinθ·s+Tsinα·L=N（L+l）

（7）

式中：

F——電動(dòng)推桿對(duì)裝置的力，N；

T——支撐臂對(duì)裝置的力，N；

N——地面對(duì)裝置的支撐力，N；

G0——割草裝置質(zhì)量，N；

L、s——

電動(dòng)推桿鉸點(diǎn)、支撐臂鉸點(diǎn)與質(zhì)心的水平距離，m；

l——

支撐輪地面觸點(diǎn)與裝置前壁的水平距離，m；

α、θ——

提升桿、電動(dòng)推桿和水平面的夾角，（°）。

（a） 割草裝置剛好抬起

（b） 割草部件完全抬起

求解方程組，電動(dòng)推桿對(duì)裝置的力

F=G0（L+l）（L+l+s）sinθ－lcosθtanα

（8）

由圖4（b）可知，當(dāng)裝置完全離地且處于平衡狀態(tài)，地面對(duì)裝置不存在作用力，此時(shí)求解得電動(dòng)推桿對(duì)裝置的力

F=G0·cosα0sin（θ0－α0）

（9）

將其外形尺寸代入相關(guān)參數(shù)，s=l=0.2 m，L=0.6 m，靜止?fàn)顟B(tài)下，α≈35°，θ≈30°，被抬起后，α0≈22°，θ0≈20°。計(jì)算得出電動(dòng)推桿力應(yīng)在3 332 N以上，為保證其工作穩(wěn)定，選擇采用LV5000電動(dòng)推桿，其推力5 000 N，工作電壓為24 V，速度為25 mm/s，行程為300 mm。

2.3 噴藥裝置設(shè)計(jì)

噴藥裝置由藥箱、藥泵、電磁閥、噴桿及噴頭組成，如圖5所示?？刹鹦端幭浒惭b在載物臺(tái)上，藥箱內(nèi)裝有液位傳感器，當(dāng)液面低于一定程度時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警停止噴藥并記錄工作點(diǎn)位。噴桿位于藥箱后部?jī)蓚?cè)，每側(cè)安裝4個(gè)噴頭，噴頭仰角由上至下依次減小，以保證噴霧對(duì)樹(shù)冠全覆蓋。

1.噴桿

2.噴頭

3.藥泵

4.載物臺(tái)

根據(jù)伯努利方程，藥液在藥泵出口和噴嘴處的速度、壓力等關(guān)系為

p0+ρgh0+12ρv02=∑4i=1pi+ρghi+12ρvi2+Δpw

（10）

式中：

p0、pi——

藥泵出口、噴頭處的藥液壓力，Pa；

ρ——藥液密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h0、hi——

藥泵出口、噴頭處的藥液高度，m；

v0、vi——

藥泵出口、噴頭處的藥液流速，m/s；

Δpw——管道壓力損失，Pa。

Δpw=Δpf+Δpr

（11）

Δpf=λl0dρv-22

（12）

Δpr=ξρv-22

（13）

式中：

Δpf——

沿程壓力損失，Pa;

Δpr——

局部壓力損失，Pa；

l0——管道長(zhǎng)度，m；

d——管道直徑，m；

v-——藥液平均流速，m/s；

λ——沿程阻力系數(shù)；

ξ——局部阻力系數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)［20］，噴頭射程理論公式為

Rδ=

1Kln1+Kvicosδ1Kg+arctanKgvisinδ+

hiKg+12Kg1Kg+arctanKg

（visinδ）2

（14）

K=34Cddρa(bǔ)ρ

（15）

式中：

Rδ——噴頭射程，m；

Cd——摩擦阻力系數(shù)；

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3；

δ——噴射仰角，（°）。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化果園一般行距，整機(jī)寬度為0.88 m，因此最高處噴頭覆蓋至少為2.06 m（圖6）。藥泵型號(hào)選擇為L(zhǎng)S-535，藥泵壓力在1.5～4.4 MPa可調(diào)節(jié)，噴速可根據(jù)車(chē)速以及樹(shù)冠大小情況進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)可變量噴霧。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

圖7為果園作業(yè)平臺(tái)樣機(jī)，試驗(yàn)包括整機(jī)基本性能試驗(yàn)和作業(yè)性能試驗(yàn)，基本性能試驗(yàn)主要是最小轉(zhuǎn)彎半徑測(cè)定，作業(yè)性能試驗(yàn)包括割草性能試驗(yàn)、噴霧性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)選在南京萬(wàn)村百果園內(nèi)進(jìn)行，果園位于江蘇省南京市江寧區(qū)谷里街道石壩社區(qū)，隸屬于南京萬(wàn)村黃玉梨專(zhuān)業(yè)合作社，是較典型的標(biāo)準(zhǔn)化果園。園區(qū)陸地面積約70 hm2，主要有梨、枇杷、楊梅、草莓、火龍果以及獼猴桃等果樹(shù)。試驗(yàn)果園為梨園，每行有梨樹(shù)30棵左右，樹(shù)冠高度在0.8～2.5 m范圍內(nèi)，株間距1.5 m，行間距4.2 m。

3.2 基本性能試驗(yàn)與分析

最小轉(zhuǎn)彎半徑是評(píng)價(jià)該平臺(tái)在果園中通過(guò)性能的重要指標(biāo)［21］。試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)遙控使平臺(tái)分別完成左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，得到不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)不同運(yùn)動(dòng)軌跡上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，得到轉(zhuǎn)彎直徑，計(jì)算直徑均值進(jìn)而獲得平臺(tái)的最小轉(zhuǎn)彎半徑。

測(cè)試結(jié)果如表2所示，在不掛接機(jī)具的情況下，平臺(tái)最小轉(zhuǎn)彎半徑為120.75 cm，相較于空載狀態(tài)下其自身長(zhǎng)寬尺寸，基本可以認(rèn)定平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，說(shuō)明其在果園行間具有良好的轉(zhuǎn)向性能和通過(guò)性能。

3.3 作業(yè)性能試驗(yàn)與分析

3.3.1 割草性能測(cè)試

進(jìn)行割草性能試驗(yàn)時(shí)，設(shè)定1 500 r/min和2 500 r/min兩種割草轉(zhuǎn)速，分別調(diào)節(jié)割刀轉(zhuǎn)速和高度，記錄不同轉(zhuǎn)速和不同的留茬高度以及割刀割草作業(yè)覆蓋的面積，單位面積內(nèi)割刀覆蓋面積即為作業(yè)覆蓋率。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可知，雜草最小留茬高度在5 cm以?xún)?nèi)，單位面積內(nèi)割刀覆蓋率達(dá)到91.25%以上，當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速增加或者割刀高度降低時(shí)，割草作業(yè)覆蓋率增大。

3.3.2 噴霧性能測(cè)試

進(jìn)行噴霧性能測(cè)試時(shí)，將噴頭的噴霧量作為參考指標(biāo)，噴頭的噴霧量均勻性常用變異系數(shù)來(lái)表示［2223］。進(jìn)行噴霧量測(cè)試時(shí)，按照以下步驟：（1）在8個(gè)噴頭處加裝量筒用以收集噴頭噴出的藥液；（2）打開(kāi)噴霧裝置，噴霧1min；（3）讀取量筒內(nèi)的藥液量；（4）分別調(diào)節(jié)藥泵輸出壓力和行車(chē)速度，重復(fù)步驟（2）～步驟（4）。

噴霧量變異系數(shù)

CV=Sq-×100%

（16）

S=∑（qi－q-）2Ni－1

（17）

q-=∑qiNi

（18）

式中：

S——噴霧量標(biāo)準(zhǔn)差；

Ni——噴頭數(shù)量，i=1，2，…，8；

q-——

單位時(shí)間內(nèi)噴頭平均噴霧量，mL/min；

qi——

單位時(shí)間內(nèi)各噴頭的噴霧量，mL/min。

藥箱內(nèi)的藥液全部用完所耗費(fèi)時(shí)間

t0=V∑qi

（19）

式中：

V——藥箱容積，L。

因此，一個(gè)箱藥所能覆蓋株數(shù)與車(chē)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系

Nt=tv2γ

（20）

式中：

γ——樹(shù)冠半徑，m。

對(duì)平臺(tái)進(jìn)行噴霧性能測(cè)試為噴霧量測(cè)試，不同壓力下的噴藥量如表4所示。

由表4可知，在不同藥泵壓力下，1 min內(nèi)總噴霧量在［2300mL，6000mL］范圍內(nèi)，噴霧量均勻性變異系數(shù)不超過(guò)8.01%，當(dāng)藥泵噴藥壓力增大時(shí)，噴霧量增加且更加穩(wěn)定均勻。

4 結(jié)論

1） 根據(jù)果園機(jī)械通用化要求，設(shè)計(jì)一款具備割草、噴藥、搬運(yùn)等功能的輪式果園多功能自主導(dǎo)航作業(yè)平臺(tái)。進(jìn)行了多功能平臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)，并計(jì)算確定了搬運(yùn)、轉(zhuǎn)向、割草、噴藥等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)參數(shù)：平臺(tái)空載時(shí)長(zhǎng)×寬×高為1 620 mm×884 mm×1 260 mm，最大驅(qū)動(dòng)功率7.5 kW，最大行駛速度5 km/h，整機(jī)最大質(zhì)量350 kg，最大載重300 kg；電動(dòng)推桿推力5 000 N，割刀電機(jī)轉(zhuǎn)速有1 500 r/min和2 500 r/min兩個(gè)擋位可調(diào)節(jié)，割幅600 mm；藥泵壓力在1.5～4.4 MPa可調(diào)節(jié)，最高處噴藥幅度在2.06 m以上。

2） 對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了最小轉(zhuǎn)彎半徑、割草性能、噴霧性能等基本性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的平臺(tái)最小轉(zhuǎn)彎半徑為120.75 cm，在果園行間行駛具有良好的穩(wěn)定性和通過(guò)性能。設(shè)定1 500 r/min和2 500 r/min兩種割草轉(zhuǎn)速，四種不同割草高度，割草穩(wěn)定性好，留茬高度在5 cm以?xún)?nèi)，割草覆蓋率在91.25%以上，當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速增加或者割刀高度降低時(shí)，割刀作業(yè)覆蓋率增大。藥泵壓力可以根據(jù)不同車(chē)速不同樹(shù)形進(jìn)行調(diào)節(jié)，能實(shí)現(xiàn)可變量噴霧，噴霧量均勻性變異系數(shù)在8.01%以?xún)?nèi)，提高噴霧均勻性，減少農(nóng)藥浪費(fèi)。

3） 該平臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊小巧，能夠配備不同機(jī)具，可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)化果園行間的搬運(yùn)、植保等作業(yè)需求。能夠減少果園機(jī)械生產(chǎn)成本，提高果園作業(yè)效率，對(duì)推動(dòng)果園機(jī)械通用化、智能化發(fā)展具有重要意義。

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