履带式果园除草机除草装置的设计试验*

何存财，鲁 琦，岳元满，邱进栋，李世福，万芳新

(甘肃农业大学 机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引 言

杂草对营养和水分的吸收能力较强，还会寄生病虫害，果园管理中除草问题十分突出[1-4]。近年来，随着人口老龄化问题越来越严重，劳动力资源匮乏的问题日渐突出，很多地区出现了老果园无人管理的现象，极大地影响了我国果业的发展[5-7]。传统的化学除草方式对土壤和水体造成不可修复的伤害，采用人工除草方式劳动强度较大、效率低[8]。应用机械除草方式较为环保，效率一般为人工除草的10～15 倍，可有效节约劳动力成本。我国传统果园多位于浅山丘陵地带，果园内杂草具有分布广、繁殖快和难清除等特征[9]。因此，亟需对果园除草装置进行优化设计，以提高果园管理效率、减轻工人劳动强度、提高果农的经济收入[10-13]。

针对课题组自主研发的履带式果园除草机除草装置，通过对碎草刀的受力及结构分析，确定了刀片数量及排列形式，并对影响除草率的因素进行正交试验，得到各因素水平下的最优组合，解决山地果园除草效率低的问题。

1 整机结构与工作原理

履带式果园除草机具有操控方便、转弯灵活、越障能力强、能量消耗低、适用性强等特点，是浅山丘陵地带果园除草的有力机具。课题组设计的履带式果园除草机整机三维模型如图1所示，除草工作装置结构简图如图2所示。

图1 除草机三维模型

图2 除草工作装置结构简图1.双排主动链轮 2.双排链 3.双排从动链轮 4.快速拆装架 5.除草装置连接架 6.横向位调节液压装置 7.除草刀 8.除草刀轴 9.挂接卡锁 10.深度调整液压装置 11.卡锁控制液压装置 12.单排链 13.液压连接杆 14.整体升举液压装置

作业除草装置经花键轴将动力传至除草作业装置，经单排链传至除草刀轴，从而带动除草刀工作，完成除草作业；除草工作装置由柴油发动机提供动力，经皮带传动将动力传递至除草机后部离合器，然后经双排主动链轮传递至除草工作装置。除草工作装置的升降由液压系统控制，整体升举液压装置主要调节草的留茬高度，便于在合适的区域、合理的深度进行除草。除草刀通过除草刀轴连接在除草装置连接架上，通过单排链传递动力，构成作业装置的主要部件。除草装置作为一个可移动的整体与“快速拆装架”连接，实现除草的目的。除草装置挂在快速拆装架上，并通过连接卡锁将除草装置整体连接在快速拆装架上，横向位调节液压装置用于除草装置连接位置的调节以及横向作业位置的调节。除草装置在安装架上安装完毕后，通过整体升举液压装置可调节除草装置整体的高度，通过纵向深度调节液压装置可进行深度和角度的微调。

2 碎草刀的结构及受力分析

2.1 碎草刀的结构

传统的碎草刀常见的有直型，Y型和锤爪型，如图3所示。

图3 传统碎草刀结构

直型刀的割草方式主要是砍切，在割草一侧开刃。如图3(c)所示，在实际工作中，随着机械的不断前进存在部分侧切，切割刀刃作用面积较小，切割后杂草的杆径尺寸较长，碎草效果一般，并且整个刀轴上安装的数目较多，整机能量消耗较大；Y型刀兼有砍切和滑切两种切断方式，割刀一般由两片钝角的L型刀片背靠背安装组成，在割草的一面开刃。如图3(b)所示，切断后的杂草完成二次切割的比率较高，割草效果好，但割刀自身重量较轻，分布均匀，在高速转动时受离心力作用传递到刀刃末端的力有限，不能较好地节省机械能量。

锤式刀具有较好的割草效果，主要切断方式是滑切。如图3(a)所示，对杂草的粉碎效果佳，割刀外形像梳子，对一些类似絮状的杂草具有较大的缠绕性，造成割草有轻微滞后现象，安装在刀轴上在高速转动时平稳性不好，容易造成除草刀轴的变形折弯等损伤，并且重量相对较大，能耗较高，长期使用不经济。

T型刀兼有砍切和滑切两种切断方式。生产比较方便，刀片用螺丝固定在刀架上，更换刀片非常方便，并且在高速转动过程中受离心力的作用，最终作用在刀片上的力较大，便于完成除草作业，刀片的总重量适中，高速转动过程中平稳性好，不会造成较大的能耗损失，适合长期推广使用，本机设计的T型刀如图4所示。

图4 T型刀的三维图 图5 碎草刀排列方式 1.刀座 2.刀轴 3.碎草刀

2.2 碎草刀数量和排列形式

刀片通常有对称式、单螺旋、双螺旋等几种方式，无论采用哪一种排列方式，总要满足刀轴受力平衡、旋转安全平稳、工作可靠高效。根据查阅资料可知，在刀轴径向排列方式中，相邻两个刀片的夹角应大于60°，因此，根据本除草机的刀轴长度设计，将相邻两刀片径向夹角确定为72°，碎草刀的排列方式如图5所示。

由式(1)可以确定出刀片的数量：

N=CL

(1)

式中：N为刀片的总数；C为刀片的安装密度；L为刀轴的长度。

通过查阅资料可知，T型刀片的安装密度为0.02片/mm，刀轴长度为1 000 mm，因此，可以确定刀片总数为20片，分为10组安装。

设计该刀片的长度尺寸为110 mm，在刀轴上按照轴向排列，刀轴用来支撑割草刀具体作业部分的总长度为1 000 mm，第一个刀座与最后一个刀座的间距尺寸为890 mm，平均两个刀座之间的距离约为98 mm，径向两组刀片之间的重复距离为23 mm，满足除草过程中不漏的要求，适当的重复有利于刀具对杂草的二次切割，可以增强杂草的粉碎效果。

采用双螺旋的排列方式，将20个刀片均匀地排列在刀轴上，在轴向平面内，两组刀片对称分布，有利于刀轴在高速转动时保持较好的平稳性。

2.3 碎草刀的受力

除草机的T型碎草甩刀在离心力的作用下做高速转动，受力分析如图6所示。

图6 甩刀受力分析

由式(2)得作用在甩刀螺栓的受力平衡方程:

FL2cosθ=mgL3sinθ+mω12R1L3sinθ

(2)

整理得：

式中：θ为甩刀片的偏转角度；F为甩刀所受的阻力，N；m为甩刀的质量，kg；L3为螺栓中心到甩刀重心的距离，mm；L2为螺栓中心到甩刀刀端的距离，mm；ω1为刀轴的角速度，rad/s；R1为刀轴中心到甩刀重心的距离，mm。

碎草刀的理想碎草方式为，刀片与地面相切，留茬高度为0，碎草刀在工作过程中受杂草的反作用力，作用点为刀片前部，根据查阅资料可知，工作转角θ越大，越不利于杂草的粉碎，增大甩刀的质量和增加转轴的角速度都可以减小工作转角θ。因此，在充分考虑碎草刀刀轴的强度和碎草刀的转速合理的前提下，将工作转角确定为30°。

由计算可得：甩刀的质量为0.758 kg，刀轴中心到碎草刀重心位置的距离R1为95 mm，连接碎草刀的螺栓中心离碎草刀重心位置距离L3为65 mm，连接碎草刀的螺栓中心距离碎草刀刀轴端的距离L2为80 mm，刀轴的角速度为204 rad/s，最终作用在碎草刀上的力为266 N。

3 试 验

3.1 试验指标

履带式果园除草机的设计目的是将果园内的杂草切除并粉碎后平铺在地面上，为果园管理提供必要的帮助，提高机械运行的经济性。确定除草率C为评价指标，定义如式(3)所示：

(3)

式中：QZ为面积内总的草数，株；QS为单位面积内剩余的草数，株；C为除草率，%。

3.2 试验因素与水平

由前面的分析可知，整机的除草效果受碎草刀的转速、回转半径、碎草刀的类型和整机的前进速度等主要因素决定。经前面的分析设计，碎草刀的旋转半径已经确定，因此只考虑碎草刀的转速、碎草刀的类型和整机前进速度等因素对整机作业效果的影响，各因素水平如表1所列，正交试验方案及试验数据如表2所列。

表1 因素水平表

表2 正交分析表

3.3 试验结果分析

由表2正交试验的极差分析可知，各因素对试验指标影响大小的顺序依次为碎草刀形状A，刀轴转速B和前进速度C。最佳的因素水平组合为A3B2C2，即碎草刀形状为T型，刀轴转速为1 900 r/min，前进速度为0.4 m/s，在此参数组合下，可获得最佳的除草效率。

4 结 论

(1) 针对山地果园除草的技术要求，设计了一种履带式果园除草机除草装置，确定了碎草刀刀片的结构、数量及排列形式，并对刀片进行了受力分析

(2) 通过正交试验，确定在满足碎草率要求前提下，碎草装置的最佳参数组合为刀片形状T型，刀轴转速1 900 r/min，前进速度0.4 m/s，此时除草装置的工作效率最高。

(3) 该研究对于提高果园除草工作效率具有重要意义，可为履带式果园除草机结构的优化及改进提供理论依据。