果园避障旋耕机的研究与设计

罗进军，王　斌，毕新胜，王　剑，曾小辉，明　光

(1.第一师农机技术推广站，新疆 阿拉尔　843300；2.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832003)



果园避障旋耕机的研究与设计

罗进军1，王斌2，毕新胜2，王剑2，曾小辉2，明光2

(1.第一师农机技术推广站，新疆 阿拉尔843300；2.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832003)

摘要：针对现有旋耕机果园作业时株距间的区域无法耕作、造成少耕漏耕现象，需要人工进行二次补耕的问题，将液压避障系统应用于果园作业，设计了一种果园避障旋耕机。通过理论分析与计算，确定了旋耕机各工作参数，并对各系统和主要工作部件进行了设计，进而确定了整机的结构与技术参数。该果园避障旋耕机结构简单、工作可靠，具有良好的使用价值与推广前景。

关键词：果园作业；二次补耕；避障旋耕机；避障系统

0引言

林果业是农业的一个重要分支。数据显示，2004-2012年我国果园种植面积与林果产量均得到显著增加，2012年种植面积达到1 214万hm2，林果产量达到1.51亿t[1]，均居世界第一。

伴随着现代农业的飞速发展，人工成本大幅增加，越来越多的果园已经开始使用中耕机械进行耕整地作业。目前，果园中耕一般使用旋耕机。旋耕机具有很强的切土、碎土能力，通常犁、耙作业几次才能达到的碎土效果，旋耕机一次作业就能达到，而且耕后地表平整、土壤松碎，完全可以满足精细农艺的要求。机具进地次数的减少在为农民节省费用的同时降低了能源消耗，提高了生产率，也顺应了当下大力推行的免耕、少耕的保护性耕作模式。

然而，调查发现：由于机械化、自动化水平不高，目前我国果园使用的旋耕机多为手扶式拖拉机演变而来的微耕机或其改进，果园作业工作效率偏低、劳动强度大、转向转弯困难、耕作水平差[2]。悬挂式旋耕机多与大田通用，果园作业时，为了避让果树，果树株距间的区域(大约占果园作业面积的30%)无法作业，漏耕、少耕现象严重，需要进行二次补耕，影响了作物正常生长，还易对果树根茎造成伤害。

针对以上问题，笔者在借鉴国内外现有机器与相关设计经验[3-4]的基础上，设计了一种适合果园中耕除草碎土及能有效避让果树和障碍物的果园避障旋耕机。

1整机结构与工作原理

1.1整机结构

果园避障旋耕机由机架、传动系统、旋耕刀工作部件、避障系统、耕深调节装置、悬挂装置及罩壳等组成，如图1所示。悬挂架采用标准三点悬挂方式，伸缩调幅机构采用平行四杆机构，工作部件采用横式刀轴均布多组旋耕刀片。

1.感应触杆　2.旋耕刀辊　3.机架　4.液压换向阀　5.液压油缸

1.2避障动作的实现原理

旋耕机前进作业，感应机构未碰触到果树及障碍物时机具进行宽幅作业，避障系统不工作；当机械触杆触碰到果树及障碍物后，避障系统开始动作，感应机构发出指令给液压控制系统进而控制旋耕刀工作部件沿与机具前进垂直方向回缩，改变作业路径，避免对果树损伤和遇到障碍物时对机具的损坏；当避让过程结束后，工作部件再次横向伸出，以此往复循环作业。在工作的区域上，通过控制旋耕机改变作业路径，可以实现对果树之间大田作业旋耕机无法耕作的区域进行有效耕作，防止出现少耕、漏耕现象。具体的避障工作原理如图2所示。

(a)　树前正常作业　　 　　(b)　触碰果树作业

(c)　避让果树作业　　 　　(d)　避障作业完成

2工作参数的确定

2.1机组前进速度确定

旋耕机作业时，机组前进速度的大小直接影响到旋耕机的耕作质量。研究表明：旋耕机正常作业时，在相同条件下，前进速度与耕作质量呈负相关关系[5]，因此为保证耕作质量，机组的前进速度不能太快；但前进速度过慢又会造成功率的浪费。本设计根据果园中耕作业的实际情况及有关国家标准，确定机组前进速度最高为1.39m/s ，最低为0.56m/s。

2.2旋耕速比与旋耕刀辊转速的确定

旋耕机工作时，旋耕刀片的运动轨迹是机组的前进运动与刀轴的回转运动的合成。设机组的前进速度为vm，旋耕刀片端点的圆周线速度为vp，令λ=vp/vm(称为旋耕速比)。研究表明：只有当λ>1时，旋耕刀片运动轨迹为余摆线，旋耕机才能正常工作；常用旋耕速比取λ=4～10。

由旋耕机耕深a计算公式得

(1)

式中a—耕深(cm)；

R—刀辊回转半径(mm)。

耕深a取设计最大值20cm，R取标准245mm。计算得：λ>5.4，初取λ=6。

根据刀片切土进距s(cm)计算公式得

(2)

沟底突起高度hc(cm)计算公式为

(3)

式中Z—同一旋转平面内刀片数，设计取6。

计算得，s=4.3cm，hc=0.134cm，均满足果园中耕作业技术要求，λ设计合理。

由设计机组前进速度vm和旋耕速比λ计算得：vp=3.36～8.34 m/s，取vp=5.4m/s。

由公式得

vp=R·2πn

(4)

式中n—旋耕刀辊转速(r/min)，计算得n=210。

2.3耕作幅宽的确定

根据配套拖拉机的额定功率N(kW)，按经验公式，估算出耕幅B(m)的范围有

(5)

式中B—耕幅(m)；

Kλ—旋耕比阻(N/cm2)，Kλ=KgK1K2K3K4；

K1—耕深修正系数；

K2—土壤含水率修正系数；

K3—碎茬植被修正系数；

K4—作业方式修正系数。

基于旋耕机组的作业方式和工作条件，参照《农业机械设计手册》[6]，选取Kg=12N/cm2，K1=1.0，K2=0.95，K3=1.0，K4=0.66。代入式(4)计算得Kλ=7.524N/cm2。

设计旋耕机的配套动力为36～59kW，取最小功率36kW，计算得B=1.72m，考虑到果园种植模式和国家标准中旋耕机的耕幅系列，选取B=170cm。

3各分系统及主要工作部件的设计

3.1动力传输系统的设计

果园旋耕机的工作对象为多年生植物，作业部位主要为树冠下面部分。因此，果园避障旋耕机采用旋耕刀组偏置安装，传动系统(见图3)采用侧边传动的方式以平衡机身质量对机架产生的扭矩。拖拉机后动力输出轴经万向节伸缩传动轴传递动力到中间齿轮箱进行分配：一路动力经过侧边传动，驱动水平横轴式刀轴工作；另一路动力分配至液压控制系统，驱动液压动力元件工作。中间齿轮箱采用锥齿轮传动，齿轮齿数可以根据果园作业的不同要求来更换以改变传动比，从而改变刀轴和液压泵的工作转速。侧边传动箱采取直齿轮传动方式，传动可靠，传动比稳定。

设拖拉机后动力输出轴转速为n1，液压泵转速为n2，旋耕刀轴转速为n3。基于果园作业时液压系统负载要求和旋耕刀辊转速要求，设计两传动比，则液压控制系统传动比为i1=n1/n2=0.36，机械传动系统传动比为i2=n1/n3=2.57。参照机械设计手册[7]，选取合适的齿轮模数，确定两箱齿轮参数如表1所示。

图3　避障旋耕机动力传输系统

齿数模数中间锥齿轮传动箱Z1=21Z2=32Z3=59m1=2侧边直齿轮箱Z4=30Z5=92Z6=52m2=3

3.2避障系统的设计

果园避障旋耕机避障系统由感应机构(选用机械触杆的形式，由钢筋折弯形成，主要用来测量机架与植株间的距离，进而控制液压阀换向，要求弹性与刚性较强，选用60Si2CrA、液压控制系统[8](包括液压油箱、液压缸、液压换向阀、液压油泵、滤清器等，主要用来控制液压缸的伸长与收缩和避障执行机构(选用平行四杆机构，具有良好的仿形能力，用来驱动整个机架摆动以躲避树干或障碍物)等组成，如图4所示。旋耕机在果园中作业时，机械触杆感应到障碍物后，控制液压控制系统液压阀块的油路通断，进而控制液压缸的动作；驱动机架上的平行四杆机构摆动，由平行四杆机构带动旋耕作业部件水平横向移动并规避树干及障碍物。

3.3主要工作部件旋耕刀辊的设计

旋耕刀辊是旋耕机的主要工作部件，由刀轴、刀片和刀盘等组成。刀轴的设计选用无缝钢管。轴的两端焊有轴头，一端用来与侧边传动系统连接，另一端用来与支承机架连接。刀轴上焊有刀盘，刀盘沿外周设有间距相等的孔位，可以根据果园作业的不同要求安装相应刀片。按结构形式的不同，旋耕刀片可以分为3种：凿形刀、直角刀和弯刀。直角刀的正面和侧面都有刃口，呈直线型，弯曲部分夹角≥90°。工作时，正面刃口先与土壤接触，然后依次到刀片根部，该刀片刀身宽、刚度好、碎土能力强，适于旱田碎土。本设计应用于果园中耕除草，选用直角刀。根据果园作业对耕深及碎土效果等要求，参照国家标准[9-10]与农业机械设计手册，设计旋耕刀辊结构及各部件尺寸参数，如图5所示。

(a)　机械触杆结构

(b)　液压控制原理图

图5　旋耕刀辊结构及参数

3.4附件的设计

3.4.1万向节伸缩传动轴的设计

旋耕机果园作业时承受的载荷随时间而改变，工作环境十分恶劣，因此万向节伸缩传动轴的关键部件—十字轴应具有足够的强度和可靠性。本设计选用载重卡车用十字轴总成。按标准规定的安全技术要求，其外部设计有塑料防护罩。果园避障旋耕机的耕幅为170cm，选用CA-10B型汽车十字轴总成。

3.4.2耕深调节装置的设计

果园避障旋耕机与拖拉机的联接采用标准三点悬挂方式，机组的耕深调节采用高度调节的方法，具体通过安装限深装置实现。因限深滑靴具有结构简单、易于调节、工作可靠的特点，因此本设计采用一组限深滑靴作为耕深调节装置。

4整机参数的确定

整合各系统、工作部件之间的结构关系，通过理论分析计算，最终获得果园避障旋耕机的工作和技术参数，并通过三维设计软件获得果园避障旋耕机虚拟样机，如图6所示。

图6　果园避障旋耕机虚拟样机

整机参数：外形尺寸为1 900mm×900mm×950mm；质量为540kg；配套动力为36～59kW；耕幅为170cm； 耕深为12～20cm； 耕深稳定性>85%；切土节距<10cm；允许沟底凸起高度<6cm；碎土率>85%；无漏耕现象。

5结论

普通大田作业旋耕机在果园内工作时，果树株距间约30%的区域无法耕作，需要人工进行二次补耕；而果园避障旋耕机可以实现一次性作业，工作效率与普通大田作业旋耕机相当。其节省下来的劳动力又可用于农忙季节其它农作物的生产管理。由此可以看出：果园避障旋耕机不仅能够最大限度降低劳动力成本，减少工作人员的劳动强度，而且还可以缩短果园耕作周期，具有良好的经济使用价值与推广前景。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2013[M].北京：中国统计出版社,2014.

[2]刘小伟.双辊秸秆还田旋耕机的研制开发[D].北京:中国农业大学,2000.

[3]唐存干,时忠明,俞先仁.一种杆触式侧移避让旋耕机：中国，CN203608527U[P].2014-05-28.

[4]毕新胜,查鑫宇,高小军,等.一种果园旋耕机:中国，CN203537758U[P].2014-04-16.

[5]李宝筏.农业机械学[M].北京:中国农业出版社,2011.

[6]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[K].北京：中国农业科学技术出版社,2007.

[7]成大先.机械设计手册[K].北京:化学工业出版社,2008.

[8]毕新胜.液压与气压传动[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.

[9]中国机械工业联合会.GB/T 5668-2008旋耕机[S].北京:中国标准出版社,2008.

[10]中国机械工业联合会.GB/T 5669-2008旋耕机械 刀和刀座[S].北京:中国标准出版社,2008.

Research and Design of an Orchard Obstacle Avoidance Rotary Cultivator

Luo Jinjun1, Wang Bin2, Bi Xinsheng2, Wang Jian2, Zeng Xiaohui2, Ming Guang2

(1.Division of Agricultural Machinery Technology Extending Stations, Alar 843300, China；2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China)

Abstract：Aiming at the problem of reduced and leakage tillage when commonly used rotary cultivator worked in the orchard can’t work in the area between the trees and need secondary repair tillage. Puthydraulic obstacle avoidance system to the orchard farming and design an orchard obstacle avoidance rotary cultivator. Through theoretical analysis and calculation, the working parameters of the rotary cultivator was determined, each system and main working parts were designed, then the structure and technical parameters of the machine were determined.The orchard avoidance rotary tiller is simple but reliable, has good economic value and promotion prospects.

Key words：orchard work; secondary tillage； obstacle avoidance rotary cultivator; obstacle avoidance system

文章编号：1003-188X(2016)01-0138-04

中图分类号：S222.3

文献标识码：A

作者简介：罗进军(1974- )，男，河南西平人，高级工程师，(E-mail)a13899253859@163.com。通讯作者：王斌(1990- )，男，山西襄汾人，硕士研究生，(E-mail)812278975@qq.com。

基金项目：农业科技成果转化资金项目(2014G41000009)

收稿日期：2015-01-13