葡萄自动避障株间除草机的设计与验证

高 强，袁向东

（1.宁夏农业机械化技术推广站，宁夏回族自治区 银川 750001；2.宁夏大学 机械工程学院，宁夏回族自治区 银川 75000）

葡萄园除草管理对于提高葡萄品质至关重要。目前，除草方法主要分为化学除草和非化学除2 种方法，长期使用化学方法除草使用会破坏生态环境，非化学除草中机械除草方法应用较广。葡萄行间除草机械目前种类较多且成熟，但葡萄株间除草需避免对葡萄主杆、枝条的损伤并能高效完成除草作业，难度较大，因此株间除草机械研究进展缓慢。

目前研究主要针对株距较大的作物，而贺兰山东麓篱架式葡萄栽培模式多且不规范，株距在500~1 000 mm，行距在2 500~3 500 mm，栽培模式主要有厂字形、独龙臂、T 形等，葡萄主杆与地面水平倾斜角度为26°~90°，第一道架丝离地高度159~700 mm，导致株间除草作业空间有限，容易伤株，加大了葡萄株间除草机械化的难度，目前，国内外研制的葡萄除草机都不能很好地进行除草作业。本文主要针对株距≥600 mm 的篱架式酿酒葡萄的株间除草问题，设计了适用贺兰山东麓酿酒葡萄多种栽培模式、可自动避障的葡萄自动避障株间除草机（以下简称除草机），并进行了田间机具性能试验和结果验证。

1 整机结构和工作原理

1.1 整机结构

葡萄自动避障株间除草机主要包括机架、限深机构、传动机构、液压系统及自动避障除草机构等。机架采用方管构件，前端焊有三点悬挂架，液压齿轮泵通过万向节与拖拉机后输出轴相连；限深机构包括地轮和地轮高度调节系统；除草机的液压系统由电磁阀组、液压齿轮泵、液压油箱、风冷器、液压马达、液压油缸和油管等组成；自动避障除草机构由避障触杆、触杆复位弹簧、拔草盘、拔草爪和除草刀等组成。其整机结构，见图1。

图1 葡萄自动避障株间除草机结构图Fig.1 Grape automatic obstacle avoidance between plant weeding machine structure drawing

1.2 工作原理

机具通过三点悬挂与拖拉机连接。作业时，驾驶员根据除草机与葡萄植株的距离，可调节宽度调节液压缸改变除草刀作业宽度以达到最佳除草位置，调节地轮高度以确保除草刀入土深度。作业时，除草刀以一定角度入土将株间杂草铲起，除草刀上方的拔草盘旋转带动拔草爪转动，在杂草被除草铲铲起的同时，拔草爪的旋转将杂草拔离。随着拖拉机的前进，当避障触杆碰到葡萄植株时，避障触杆会绕转轴旋转，控制自动避障液压缸收缩，自动避障除草机构向拖拉机行进方向反向摆动适当角度，使除草刀及拔草盘避开葡萄植株，避免对植株的损伤；避障触杆避开葡萄植株后由复位弹簧将触杆复位，使避障液压缸再次伸出带动除草刀快速复位继续除草。除草机的作业轨迹和除草区域见图2。

图2 除草机的作业轨迹和除草区域图Fig.2 Working track and weeding area map of the weeding machine

1.3 机具主要技术参数

根据贺兰山东麓篱架式葡萄栽培模式及农艺条件，葡萄自动避障株间除草机主要技术参数见表1。

表1 机具主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of machines and tools

2 避障除草装置的设计

2.1 避障触碰杆的设计

经田间反复试验、分析和总结，避障触杆在除草作业过程中，避障触杆与葡萄植株接触的长度要有1/3左右伸出，并且避障触杆与葡萄植株接触的角度阈值在12°~15°，信号采集机构接收到传感器信号传递后液压缸开始工作进行避障。因此，株间除草机避障触杆伸出部分长度在280~320 mm 时效果最好，行株间除草机避障触杆总长在850~950 mm 时效果最好，见图3。

图3 避障触杆与葡萄植株接触的角度阈值Fig.3 Angle threshold of contact between obstacle avoidance contact rod and grape plant

2.2 除草装置的设计

为获得更好的株间除草效果，结合杂草特性，设计了一种带有拔离功能的除草装置。该装置主要由液压马达、除草刀、拔草盘、避障装置等组成。作业过程中，拖拉机沿葡萄行方向前进带动除草机行进，除草刀以一定角度入土将株间杂草铲起，液压系统控制拔草盘的液压马达旋转，从而带动拔草爪旋转，杂草被除草刀铲起的同时，由旋转的拔草爪将杂草拔离，达到除草的目的。除草装置结构见图4。

图4 除草装置示意图Fig.4 Schematic diagram of the weeding device

3 田间试验与结果分析

3.1 试验概述

田间试验于2022年8月23日—8月29日进行，地点在宁夏红寺堡酒庄葡萄种植基地和青铜峡市马兰花酒庄葡萄种植基地。试验采用实测数据，试验地土壤质地为灰钙土，葡萄栽培模式为“厂”字形，行距3.5 m，平均株距701 mm，株间平均杂草密度103 株/m2，杂草主要为灰条草和苦苦菜，最大杂草直径10 mm。配套拖拉机东风804。

试验用仪器：土壤坚实度仪、土壤水分测定仪、数显温湿度表、PC100B 秒表、50 m 钢卷尺、1 000 mm 钢直尺等（均检定合格，在检定周期内）。

3.2 试验目的

验证除草机能否按照性能设计指标要求完成田间作业；验证除草机的自动避障效果和伤株情况。

3.3 试验条件

按T/NXJX 022——2021《葡萄行株间除（割）草机》规定，试验地应符合葡萄株间除草机的适用范围，其中葡萄栽培行距≥3 m、株距≥600 mm，试验地块应平坦，土壤类型及大小应具有一定的代表性。

按GB/T 5262——2008《农业机械试验条件测定方法》规定，开展试验地田间调查。采用五点取样法选取5 点测定土壤含水率、土壤坚实度，环境温湿度，取平均值，并记录土壤类型、葡萄种植模式等。行株间杂草调查，在试验地内随机选择9个株距符合当地农艺要求的取样点，每点长为相邻两植株间中心连线长度，宽为沿连线水平方向两边各延长25 cm，测定每个点面积内杂草的数量，取平均值为株间除草前株间草。检查校正测量器具，试验样机和配套拖拉机的技术状态应符合说明书要求。

试验地条件及田间调查结果见表2。

表2 试验地条件及田间调查结果Tab.2 Experimental site conditions and field investigation results

3.4 试验方法

株间除草率的测定：取测区长150 m，两端稳定区10 m。除草机在使用说明书规定的作业速度下作业，以同一行葡萄往返除草1次为1个作业行程，共作业3个行程。每行程随机选3个测点，测定每个点面积内未切除杂草数量（测定方法同株间除草前株间草测定方法），取9个点未除杂草的平均值作为株间除草后的未除杂草数量。按式（1）计算除草率。

式中：C——株间除草率，%；Wq——作业前9 点株间平均杂草数量，个；Wh——作业后9 点株间平均未除净杂草数量，个。

伤株率的测定：与除草率测定同时进行，测定每行程内的葡萄株总数和损伤葡萄株数，按式（2）计算伤株率。

式中：S——伤株率；MS——测定长度内损伤株数，个；MZ——测定长度内总株数，个。

纯工作小时生产率（作业速度）的测定：与除草率测定同时进行，记录除草机作业1 个行程所用的时间，按式（3）计算纯工作小时生产率（作业速度）。

式中：V——纯工作小时生产率，m/h；L——除草机作业1个行程所行驶的长度，m；T——除草机作业1个行程所用时间，s。

通过试验，测得不同组相同作业条件下的作业除草率见表3。伤株率和纯工作小时生产率见表4。

表3 除草率试验数据Tab.3 Except for sloppy test data

表4 “伤株率与纯工作小时生产率”试验数据Tab.4 Test data of"plant injury rate and net working hour productivity"

4 结论

本文针对宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄株间除草问题设计的葡萄自动避障株间除草机，田间试验表明，株间除草率为85.8%，株间伤株率为0.37%，工作效率为2 104 m/h，达到设计要求。本研究为后续篱架式葡萄自动避障株间除草机的优化提供了参考。