果园耕耘机避让系统的设计

李文春，陈廷官，张宏文※

（1.阿拉尔万达农机有限公司，新疆 阿拉尔 843300；2.石河子大学机械电气工程学院）

0　引言

2016年新疆特色林果业种植面积为165万hm2，果实产量达到1790.88万t，同比上一年增长了4.8%[1]，已成为全国最大的特色林果业种植区与果实销售地。果园管理中，每年都会花费大量的财力、人力对果园进行杂草清除。由于果树之间距离较大，有充足阳光与水分，易于滋生杂草，直接影响着果树成活率和结果时间[2]，因此果园除草机械对果园经济效益起到重大的作用。

我国从60年代开始研究果园除草机械[3]，经过多年的研究与试验，在引进国外除草机的基础上吸收改进，已经研制了不同类型的除草机，但新疆果园除草机械大多数仅能除掉果树行间杂草，无法对株间杂草彻底清除，使果园杂草重新泛滥，降低作业效果，需要人工二次补耕，增加劳动强度。国外除草机械兴起早且发展迅猛，针对其果园种植模式，研制出许多果园专用除草机械，常用的机械结构有旋转式与立轴旋转式[4～6]，但其种植模式与国内不同，不能直接引进推广。

针对上述问题，在现有的果园除草机械以及设计理论基础上[7～9]，结合新疆实际的果园种植模式以及耕作要求，设计一种可实现行间与株间全方位作业的除草设备。通过对除草方式、避让原理以及作业速度进行分析计算，确定整机参数与结构。

1　整机结构与参数

1.1　整机结构

果园耕耘机避让系统由耕耘机以及避让装置组成。耕耘机主要由悬挂架、机架、限深轮、弹齿耙等组成，避让装置主要由液压系统、避让执行机构、除草刀具、调节安装板、触碰杆等组成，如图1所示。

耕耘机通过前端固定的三点悬挂机构与拖拉机相连接，一组限深轮随机具牵引而前进，耕作动力由机具的牵引力提供，耕作部件为两排错开安装在机架上的弹齿耙。装置根据实际工作情况对耕作深度进行调节，且耕作深度最大为12cm，耕耘机主要起到清除果树行间的杂草以及疏松土壤的作用。避让装置通过调节安装板与螺栓安装在耕耘机的两侧，液压系统中的液压缸与机具液压输出点相连，随着机具的前进，触碰杆通过受力来检验是否有果树或者障碍物，作为避让装置的系统信号的输入，控制液压系统中的控制阀开关，使除草刀具旋转进行除草作业与避让，其主要作用为清除果树株间杂草与疏松株间土壤。

1.2　工作原理

果园耕耘机避让装置通过机具在果树行间直线牵引行驶作业，耕耘机采用弹簧钢为材料的弹齿耙，共6个分为两组错开安装在机架上，可保障行间耕作面积，对行间的杂草能够有效的清除。根据实际的耕作深度要求，对限深轮与耕深调节装置进行调节。避让装置与耕耘机一同前进，具有相同的前进速度。避让装置采用悬臂梁式的刀具进行除草作业。正常除草作业时，刀具切入浅表层土壤，在机具前进动力的带动下，刀片上耙齿将草提起耙开，从而使草变干而枯死，此时液压系统不工作；当触碰杆碰到障碍物时，触碰杆随着转动控制板同步转动，作用于液压系统的压力控制阀上，液压系统控制液压缸迅速动作，驱动刀轴旋转使刀具避开障碍物，能够有效降低对果树及刀具的损伤，当避让过障碍物后，刀具再次旋转到正常工作位置作业，以此往复循环，在刀具工作区域内，可对杂草进行全面清除，有效地降低少除、漏除等现象。

1.3　主要技术参数

外形尺寸（mm）1 910×1 760×1 300

配套动力（kW）9.8～17.6

牵引方式三点悬挂

工作幅宽（cm）160

耕作深度（cm）6～10

作业速度（km/h）2～6

刀具旋转线速度（m/s）0.55～1.39

液压缸工作压力（MPa）12

液压油流量（L/min）7～10

2　关键零部件的设计

2.1　避让装置调节机构设计

调节机构是避让装置的核心零部件之一，它主要由固定板、调节机构安装板、液压缸、合页、销轴等组成，主要作用为调节刀具的入土角，并起到固定安装的作用。固定板将避让装置固定连接在耕耘机的两侧，调节机构安装板将调节机构机架与固定板联接在一起。为更好的满足耕作要求，适应不同含水量、坚实度以及抗剪强度的土壤，刀具的入土角需要不断的调节。设计应满足以下要求：

（1）具有安装固定与可调节刀具的入土角的作用；

（2）保证耕作时装置的结构稳定性，减少机具振动；

（3）能够起到良好的安装固定作用。

2.2　调节机构机架设计

调节机构机架主要由上水平板、下水平板、U形调节卡套等组成，它是避让装置的驱动元件与执行元件安装的机架，具有固定支持作用。U形调节卡套还可添加一个附加犁，增加除草碎土效果。设计应满足以下要求：

（1）能较好的与调节机构相连接，且稳定性好；

（2）便于刀轴与液压缸的安装连接；

（3）结构简单，易安装拆卸，方便维修。

3　试验分析及结论

在石河子农场进行田间试验，试验对象为生长2年的苹果树果园。经理论分析研究可知，对果园耕耘机避让系统作业性能影响最大的因素为机组前进速度，因此为了得到其正常工作速度范围，需测定漏耕率与避让通过率能否满足并达到除草机设计要求与国家相应的标准。本试验选取农用配套拖拉机X804，采用中低速6个档位进行田间试验，作业后测量计算耕深、漏耕率以及避让通过率等性能指标，其中最低速、正常工作速度与最低速试验结果如表1所示。

表1　避让系统在不同作业速度下的性能指标

田间试验表明：果园耕耘机避让系统的正常作业速度为2～6 km/h时，株间除草避让系统避让在满足耕作深度的条件下，果树通过率可达到100%，且漏耕率最大为5.26%，平均植被覆盖率达到95.43%，其各项性能指标均能达到国家标准与设计标准，可以满足果园作业的要求，为今后果园机械的发展提供理论参考。

参考文献：

[1]新疆维吾尔自治区2016年国民经济和社会发展统计公报[R].2016.

[2]晋图强.果园杂草的常见种类和综合控制[J].果农之友，2014.

[3]李江国，刘占良，张晋国，等.国内外田间机械除草技术研究现状[J].农机化研究，2006（10）：14～16.

[4]V.S.Saimbhi,D.S.Wadhwa,P.S Grewal.Development of a Rotary Tiller Blade using Three-dimensional Computer Graphics[J].BiosystemsEngineering,2004,Vol.89(1),47～58.

[5]Takashi Kataoka.Soil blade dynamics in reverse rotational rotary tillage[J].Journal of Terra-mechanics,Volume 39,Issue 2,2002(4),95～113.

[6]V.M.Salokhe.Effectofrotationdirectionofarotarytillerondraft and power requirements in a Bangkok clay soil[J].Journal of Terramechanics,Vol.39,2002(10),195～205.

[7]李文春，毕新胜，吴雪璐等.果园弹齿耙[P].新疆：CN203327487U,2013-12-11.

[8]唐存干，时忠明，俞先仁.一种杆触式侧移避让旋耕机[P].江苏：CN104718814A，2015-06-24.

[9]陈军，慕军营，刘斐等.一种果园智能化全方位机械除草机[P].陕西：CN103329653A，2013-10-02.