一种果园株间除草机的研制

2020-09-17李建新李文春张龙唱张宏文

新疆农机化 2020年4期

李建新，李文春，张龙唱，张宏文

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子832000；2.阿拉尔万达农机有限公司；3.新疆职业大学机械电子工程学院）

0 引言

新疆林果产业的迅速发展，对林果产业全程机械化带来了新的挑战，并为农机的发展孕育了新的土壤。伴随新疆林果业产量与规模的不断增加，大力推动林果业机械化发展、增强林果业机械化管理模式已成为推动林果业规模化营销、推动林果业持续良性发展、增加林果业综合收益的当务之急[1]。

新疆果园除草机械能较好地清除果树行间杂草，且除草技术和装备已趋于成熟。而由于在果园除草的作业过程中，果树茎秆的存在会阻碍机具的作业，对于果树株间的除草存在一定困难[2]。为此，国内外都从纯机械的株间除草机开始入手，国外得益于计算机技术和传感器技术的发展，将自动控制技术应用于株间除草，但作物识别与定位依然是研究的关键点与难点，且成本较高[3]。因此，果树株间除草是林果业降低管理成本和增产丰收的重要举措之一，研究果园株间自动避障除草机的具有一定的现实意义[4-5]。

1 果园株间除草机设计思路

在进行果园株间除草机的方案设计时，首先要明确果园株间除草机的农艺与技术要求，然后借鉴目前市场上已有的果园除草机的结构特点，根据南疆果园种植模式以及按照农业机械设计手册[6]，计算出合适的耕作幅宽，提出整机设计方案并设计各个部件的结构及尺寸。

1.1 农艺要求

中耕除草机在农作物生长初期大田中宽幅作业与在果园中除草作业有所不同。在普通大田中作业时，中耕机可以在动力机具允许的最大范围内进行大宽幅作业。同时，农作物的高度必须矮于中耕机，作业对象一般为幼苗生长期的农作物，中耕机可以根据作业对象高矮和行间距的不同通过调整工作部件的位置来实现一机多用。在果园中作业时，作业对象是盛果期的果树，树茎高而枝叶密，果树高于农机具。树茎在中耕机作业时形成障碍，机具的幅宽须根据果树的行间距进行调整，并且果树与果树之间的杂草需要单独设计一种避障除草装置。中耕机在果树株间宽幅作业，当遇到果树时需绕开果树，既不能损伤果树，又要去除树茎周围的杂草。

1.2 技术要求

中耕除草作业的技术要求重点在于清除杂草、翻耕土壤与施化肥等，这就要求中耕除草机械的除草部件性能优良且不发生杂草缠绕现象，还要作业后土壤平整，目的是降低土壤水分流失。在选用除草部件的类型时，要确保能够不破坏土层结构、不粉碎土壤。在果树的生长周期内，为了适应每次松土深度要求不同，除草机的工作部件可以根据松土深度和行距进行相应调节。并且要保证工作时除草部件性能稳定，适应土壤表面高低不平。对除草机的结构应满足以下技术要求：（1）结构简单，操作容易。（2）与拖拉机连接方便、快捷。（3）方便工作人员操纵，工作时机具性能稳定。（4）功能多样，简单转换就可以进行各类松土施肥作业。

1.3 工作幅宽的选择

根据农业机械设计手册[6]，中耕机的幅宽与配套拖拉机的动力和果树行间距有关。本文选取拖拉机型号为中国一拖有限公司生产的X 900型轮式拖拉机。用Bk表示一台中耕机的幅宽，则

式中P—拖拉机标定额定牵引力（本文取15.5×103N）；η—利用系数，取η=0.85-0.95（此处选0.9）；a—耕作深度，取a=4~6 cm（此处选5 cm）；p'—中耕比阻（N/m）根据工作类别及工作部件形式来确定，取p'=110 N/m。

根据农业机械设计手册，当估算中耕机的牵引阻力p时，可以使用以下公式：

式中e—工作部件间距（m）；m—工作部件列数。

综上所述，工作幅宽与牵引阻力的计算方法为

本文考虑到果树株间距的因素，设计株间除草机的工作幅宽为2.5 m。

2 整机结构设计及参数

2.1 结构

果园株间除草中耕机主要包括主机架、折叠装置、自激振铲柄、双翼除草铲、株间除草装置、悬挂装置。机架是除草中耕机的主要承重部分之一，在设计过程中不仅要考虑机具的强度，还需要考虑其他部件在其上面布局的合理性。由于除草中耕机上的部件较多，而且要做到可以根据不同地况进行调整，为了各部件之间的空间合理和便于拆卸，所以结构即要合理又要简单实用。本机架由两根80×80×5×1950 mm矩形方管分别作为搭载工作部件的横梁，五根80×80×5×700 mm的矩形方管来作为搭载横梁的纵梁。果园避障中耕除草机工作的环境为果园，其土壤的平整度较好。果园避障中耕除草机的重量和幅宽小，所以本机选择悬挂式的连接方式，可以更好的适应工作环境的需要。通常悬挂点的选择为，轮式拖拉机通常采用三点悬挂，履带式的拖拉机采用两点悬挂。由于果园的可通过性十分的良好，因此本文所采用的牵引机械为轮式拖拉机，连接方式为后连接三点悬挂式，整机结构如图2。