随行自走式果园割草机的设计与试验研究

王鹏飞，刘俊峰，高　迎，李建平，刘洪杰

(1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定　071001；2.长城汽车股份有限公司，河北 保定　071000)



随行自走式果园割草机的设计与试验研究

王鹏飞1，刘俊峰1，高迎2，李建平1，刘洪杰1

(1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定071001；2.长城汽车股份有限公司，河北 保定071000)

摘要：针对北方山地中小型矮砧密植苹果园生草制管理中所面临的果园地形复杂及割草作业量大等问题，设计开发了随行自走式果园割草机。该机采用双离合结构，能够实现机具行走与割草作业分别控制。手动控制行走离合可以实现操作人员随行，降低了劳动强度。该机设计割幅为60cm，割茬高度可在5~10cm范围内调节，正常工作速度为3~5km/h。田间试验结果表明：该型割草机工作性能良好，单位区域内杂草撕裂率0.47%，漏割率1.50%，杂草碎段区域平均长度79.39mm，碎草性能较好，工作效率可达0.5hm2/h。该机结构设计合理，割草作业质量能够满足农艺要求，为我国中小型果园生草制管理作业提供了技术支持。

关键词：苹果园；生草制；山地；双离合；矮砧密植；割草机

0引言

苹果在我国有悠久的培育历史，是人们比较喜欢的水果之一。果园生草是果园土壤管理的一种方法，指在果园的行间、株间种植多年生草;其不被收获，刈割后覆盖在树下或行间，是有效保护果园土壤的一种方法。果园生草覆盖可以显著改善果园生态条件，提高土壤有机质含量和理化性状，具有蓄水保墒、培肥地力、减少水土流失及调节微生态系统环境等功能[1-3]。

果园割草是果园管理的一项重要作业，为合理生草，一年需割多次，用工量多，劳动强度大。目前，应用于割草作业的机具较多，常见的机力割草机有乘坐式、悬挂式、手推式和背负式[4]；但大多用于牧草收割或草坪管理，能够适应山地果园复杂的割草机较少。针对此问题，对山地中小型矮砧密植苹果园生草制管理环节进行了技术调研，根据苹果树培育专家提出的苹果园割草农艺要求，设计开发了随行自走式果园割草机。随行自走式果园割草机是山地中小型果园完成行间割草作业的一种机具，可以有效提高果园生草制管理中的农事作业效率，降低劳动成本。

1整机方案设计

1.1　工作原理

随行自走式果园割草机由发动机、机架、变速箱、刀盘、切割刀、割刀离合、行走离合、驱动轮及割茬调节系统等组成，如图1所示。工作时，发动机分别为割草机行走系统和切割装置提供动力。发动机动力经变速箱传递给驱动轮来驱动机具前行；当割刀离合结合后，皮带张紧，发动机部分动力经皮带传输给切割器刀轴，刀轴带动切割刀高速旋转实现对杂草的切割作业。

1.2　农艺要求及设计参数

为适应机械作业，矮砧密植型苹果园采用宽行窄株式栽培的栽培模式，树型大都是自由仿锤形，株、行距大多为(1.5~2.0)m×(3.5~4)m。果树成龄结果后，通过人工控制侧枝的枝展程度，行间通道可保持1.5~2m，行间自然或人工生草的幅宽2~2.5m。果园割草作业对割草机的农艺要求是：能把行间的草全部割下来，割茬整齐，割茬在50mm以上。果园割草作业还要求机具的通过性好，仿形能力强，安全可靠[5]。据此该机设计参数为：

作业方式：随行自走式

切割器类型：圆盘回转式

割刀片数/片：2

作业速度/km·h-1：3~5

作业幅宽/cm：60

割茬高度/mm：50~100可调

配套动力/kW：4.78

1.前轮　2.机罩　3.割刀离合　4.发动机　5.扶手　6.行走离合　7.档杆　8.割茬高度调节杆　9.机架　10.驱动轮　11.割刀

2主要参数确定及关键部件设计

2.1　割刀转速确定

随行自走式果园割草机割刀采用直线型结构，材料为优质65Mn钢板，刀口经高频局部淬火、中温回火处理，表面制备了耐磨性能优异的ZnCN/Fe金属陶瓷复合涂层[6]。割刀形状以及与刀盘安装尺寸如图2所示。

(a)　割刀结构

(b)　割刀与刀盘安装

圆盘式切割器的割刀转速是根据切割速度要求而确定的。由于旋转式割草机的刀片销接在刀盘上，为了使刀片工作稳定，切割速度应大于最低极限速度30 m/s，一般为50~90 m/s，多为65~80m/s[7]。割刀运动轨迹及瞬时切割速度分析如图3所示。

(a)　割刀运动轨迹

(b)　瞬时切割速度分析

图3中，因刀片内端a处圆周速度最低，故应以该点为基准确定割刀应有的速度。割刀任一点速度均为刀片圆周速度与机器前进速度的合速度，故a点速度为

由上式可见，当ωt+β=π+2kπ，k=0,1,2,…，n时，va最小，即

vamin=rω-vm

式中n—刀盘转速；

β—刀片内外端点对盘心连线夹角(直线型割刀，此处β=0)；

vd—刀处应有的切割速度(m/s)，取vd=65m/s；

vm—机器前进速度(m/s)，取vm=0.97m/s；

r—刀片内端半径(m)， r=0. 25m。

代入数据可得

圆整后割刀转速取n3=n=2 500r/min。

2.2　割茬高度调节机构的设计

常用割草机割茬高度调节方式有四轮分体调高机构、一体调高、内置调高和摆臂式调节方式[8]。山地果园地形复杂，割茬高度调节频繁，上述方式结构复杂，机构频繁调节较困难。为此，设计一种基于平行四连杆机构，通过对刀盘高度进行调整来实现割茬高度调节的割茬高度调节机构，如图4所示。通过旋转Y轴上高度调节手柄，带动由X轴方向连杆、刀盘和两拉杆组成的平行四连杆机构运动，实现刀盘位置的上下调整。该机构能够在割草机静止或作业过程中完成割茬高度的调节，可控制割茬高度在5~10cm，结构简单，操控方便。

(a)　调节机构简图

(b)　调节机构三维模型

2.3　驱动桥变速箱的设计

随行自走式割草机在作业时，行走和切割所需动力全部来自于发动机。行走系统随行速度的实现主要靠驱动桥变速箱完成，变速箱齿轮传动系如图5所示。该型割草机采用立式发动机，动力经皮带传输后，通过蜗杆传递给蜗轮1，带动齿轮轴I转动。挡杆滑动将齿轮3、4或齿轮2、6啮合，带动后轮驱动轴II转动，驱动机组前进。在驱动轴II上设计差速器结构以方便动力分配和机具转向操控。齿轮7、8啮合可以实现机组倒退行驶。

(a)　齿轮系简图

(b)　驱动桥

在标定工况下，汽油机额定转速n1=2 600r/min，功率P=4.78kW，动力经皮带轮，经输出轴传递给切割器，达到设计切割器切割速度v=65~80m/s(刀盘直径d=500mm)。

由此得切割系统传动比为

i1=n1/n2=1.04

在标准工作状况下，经二级齿轮减速箱减速，再经输出轴传递给行走装置，达到设计果园割草机工作速度vm=3.5km/h。取驱动轮半径为300mm。

故车轴转速为

行走系统传动比为

i2=n1/n3=84.14

3田间试验

2014年9月10日，在保定市顺平县大悲乡河北农业大学“三优”苹果园试验站，进行了田间割草试验。所选苹果园所处地形为山地，试验田面积6 624m2，果树种植方式为行距4m、株距1m的矮砧密植型模式，果树种植年龄为1年，果树单侧平均枝展54.4cm。田间试验数据(见表1)分析结果表明：该型割草机割工作性能良好，单位区域内杂草撕裂率为0.47%，漏割率1.50%，杂草碎段区域平均长度79.39mm，碎草性能较好，工作效率可达0.5hm2/h。

表1　随行自走式果园割草机田间试验数据

4结论

1)根据农艺作业要求和山地中小型果园环境特点，设计了随行自走式果园割草机，降低生草制果园割草作业劳动强度，提高了经济效益。

2)随行自走式果园割草机的田间实验表明：割草机作业性能稳定，割草效果良好，漏割率低，碎草效果好，能够满足中小型果园生草制管理作业需求。

参考文献：

[1]方敏彦,梁慧敏,鲍荣静，等.果园生草覆盖研究动态及发展方向[J].浙江农业科学,2012(12):1655-1659.

[2]高方胜，王明友.生草对鲁西北果园生态环境及苹果光合特性的影响[J].北方园艺,2011(15)：73-75.

[3]熊永森,王金双,徐中伟.小型往复式果园割草机设计[J].农机化研究,2007(6):68-69.

[4]路晓.割草机械[J].农业机械,2001(12):48.

[5]毕士成.关于果园割草机设计的几点意见[J].北方果树,1998(3):33.

[6]王鹏飞,刘俊峰,程小龙，等.乘坐式果园割草机割刀使用性能研究[J].农机化研究，2015，37(8):181-183.

[7]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册:下册[K].北京:中国农业科学技术出版社, 2007：1139-1145.

[8]李建平,刘俊峰,刘洪杰，等.基于摇杆滑块机构的割草机割茬高度机构设计[J].农机化研究，2013，35(4):96-99.

Design and Research of the Accompanying Self-propelled Mower Orchard

Wang Pengfei1, Liu Junfeng1, Gao Ying2, Li Jianping1, Liu Hongjie1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001,China; 2.Great Wall Motor Company Limited, Baoding 071000,China)

Abstract：Against the north mountain in the management of small and medium-sized dwarf anvil dense planting apple orchards sward facing the complex terrain of orchard, cut the grass down big problems, designed and developed with self-contained orchard lawn mower.This machine adopts double clutch structure, can achieve walking machine and cut the grass work control respectively.Manual control walking clutch can realize operation personnel accompanying, reduces the labor intensity.The machine design cutting length 60cm,stubble height can be adjusted within 5cm to 10cm, normal working speed is 3~5km/h, the field experiment results show that the retrofit mowing work performance is good, the unit area of weeds tear rate was 0.47%, the leakage rate cut 1.50%, weeds fragile region the average length of 79.39 mm, crushed grass performance is good, the efficiency can reach 0.5hm2 / h, the average fuel consumption of 4.75L/hm2.

Key words：apple orchard; grass system; mountain; double clutch; dwarfing close planting; mower

中图分类号：S817.11+1

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0099-05

作者简介：王鹏飞(1986-)，男，石家庄人，助教，(E-mail)wangpengfeia@126.com。

基金项目：国家公益性行业科研(农业)专项经费项目(201203016)；国家苹果产业技术体系专项(CARS-28)；河北农业大学理工基金项目(LG20140103)

收稿日期：2015-08-13