王 磊，張 斌，張宏文，李光耀，郭世龍，劉秀每

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆林果業(yè)的快速發(fā)展為農(nóng)業(yè)機械的快速發(fā)展提供了良好平臺。果園中耕除草作業(yè)是土壤管理的基本環(huán)節(jié)，也是必不可少的環(huán)節(jié)之一。果園通過中耕除草作業(yè)具有許多優(yōu)點：①有效改善土壤環(huán)境；②土壤結構得到改善，有利于土壤有機質(zhì)的含量增加；③增加土壤水分的滲入；④提高土壤水分利用率；⑤降低生產(chǎn)成本，增加農(nóng)民收入[1]。

實踐證明：果園經(jīng)過中耕除草作業(yè)之后，土壤中水分的蒸發(fā)減少了15% 左右，土壤有效持水約增加了33%[2]，不僅可保護地表層，且對耕地物理、化學性能起到了有效作用，為果樹的生長發(fā)育、增加林果產(chǎn)量、提高農(nóng)民收入提供了有利條件。

我國對林果間的中耕除草作業(yè)主要采用旋耕機、彈齒耙等機械，這些機械具有較強的切土能力和較好的碎土能力，作業(yè)時不必擔心會對土壤深層結構造成破壞，且作業(yè)之后地表比較平整、松碎，達到了精耕細作的農(nóng)業(yè)要求[3]。但是，果園中耕除草作業(yè)和普通大田作業(yè)截然不同，在普通大田中作業(yè)時，機具可以寬幅、循環(huán)作業(yè)，而不必考慮作物對中耕機械的影響；在果園中作業(yè)時，果樹則成了中耕機械前進的障礙物。由于果樹對機具的影響，通用彈齒耙、旋耕機[4]在林果間作業(yè)時，有時為了避讓果樹根莖，造成果園中株距之間的區(qū)域無法耕作，形成了漏耕現(xiàn)象，需要人工進行二次作業(yè)，增加了勞動成本，降低了勞動生產(chǎn)率。根據(jù)以上問題，現(xiàn)在農(nóng)民大多選用微耕機進行果園作業(yè)[5]，因為微耕機可以通過一次耕作完成對果樹株間、行間作業(yè)；但是，目前的微耕機比較笨重，操作比較困難，且勞動強度非常大、耕作質(zhì)量相對較差，耕作效率較低[6]，需要投入大量的人力物力，不適應在新疆果園中作業(yè)，反而制約了新疆林果業(yè)機械化作業(yè)發(fā)展的速度。

實現(xiàn)果園精確作業(yè)的自動讓樹除草機械在我國處于剛起步階段，且投入市場的相關機型非常少。因此，設計一種能與新疆果園種植模式相適應的果園株間自動讓樹裝置，對減少人力和物力資源的浪費、提高勞動生產(chǎn)率和果園機械化作業(yè)水平、實現(xiàn)新疆果園生產(chǎn)機械化具有現(xiàn)實意義。

1 整機結構與參數(shù)

1.1 整機機構

果園株間除草機由讓樹裝置、彈齒耙、動力系統(tǒng)、主梁、調(diào)節(jié)彈簧及刀托等組成，如圖1所示。行間除草裝置彈齒耙分為前后兩組，分別安裝在主機架前后的兩個主梁上，并借助于機架主梁、螺栓及彈簧拉桿固定到機架上；株間除草裝置安裝于機架的一側，也可同時安裝在機架的兩側，主要用于除去株間雜草，這是一般除草機械所不具有的；機械感應觸桿由鋼筋折彎所制，作用是測量除草刀具與果樹之間的距離，從而控制液壓閥進行換向，保證除草刀具能夠安全避開果樹或障礙物，從而保證除草刀具能夠快速、高效的果園作業(yè)。

1.讓樹裝置 2.彈齒耙 3.限深輪 4.懸掛架 5.前梁 6.彈簧 7.加強筋 8.主梁 9.刀托 10.V型塊

1.2 果園株間自動讓樹裝置的工作原理

果園株間除草裝置作業(yè)時，若機械感應觸桿沒接觸到果樹或者障礙物時，此時株間除草裝置寬幅作業(yè)，且液壓系統(tǒng)不工作；若機械感應觸桿接觸到果樹或者障礙物，此時機械感應觸桿受力彎曲并繞軸旋轉，在轉動過程中壓力控制閥因受力而做出響應，使液壓控制系統(tǒng)工作，進而控制液壓缸進行伸長或收縮運動，從而控制讓樹裝置沿與機具前進垂直方向旋轉，株間除草裝置改變作業(yè)路徑，避免了除草刀具損傷果樹和障礙物對刀具的磨損。當株間除草刀具讓樹工作結束后，由于機械感應觸桿所受的外力消失，機械感應觸桿將回到最初位置，作用在壓力閥上的外力減少，促使液壓系統(tǒng)控制液壓缸收縮或伸長運動；讓樹裝置避障結束后，除草裝置進行寬幅作業(yè)，如此往復循環(huán)作業(yè)。果園株間除草裝置能有效避免了自走式一般除草機械少耕、漏耕現(xiàn)象，有利于作物的生長，提高了果園全過程機械化作業(yè)效率。讓樹裝置具體工作原理如圖2所示。

1.3 自動讓樹裝置調(diào)整機構的設計

自動讓樹裝置調(diào)整機構不僅是除草刀具的主要支撐部件，而且可通過液壓缸的伸縮來調(diào)整除草刀具的耕作深度，以適應不同地質(zhì)的土壤。除草刀具通過刀軸固定在調(diào)節(jié)機構上水平板和調(diào)節(jié)機構下水平板上，刀具安裝板由液壓缸鉸接板、調(diào)節(jié)機構安裝板、調(diào)節(jié)機構上水平板、調(diào)節(jié)機構下水平板、U型卡槽、調(diào)節(jié)機構平板、銷軸、合頁、安裝板及調(diào)整機構連接板等部件組成。株間自動讓樹裝置調(diào)整機構如3所示。本裝置設計應滿足以下要求：①結構簡單可靠，安裝方便，保證耕作質(zhì)量要求；②整體結構穩(wěn)定性能好，盡可能減少耕作過程中產(chǎn)生的機具振動；③除草刀具安裝板與機架聯(lián)接應簡單、可靠，采用1對V型夾板用螺栓固定；④除草刀具的耕作深度便于調(diào)節(jié)，以適合不同地況的耕作要求，提高了果園機械式除草效率。

圖2 讓樹工作原理圖

1.液壓缸鉸接板 2.調(diào)節(jié)機構安裝板 3.調(diào)節(jié)機構上水平板 4.調(diào)節(jié)機構下水平板 5.U型卡槽 6.調(diào)節(jié)機構平板7.銷軸 8.合頁 9.安裝板 10.調(diào)整機構連接板

2 果園株間自動讓樹裝置液壓系統(tǒng)的設計

2.1 液壓系統(tǒng)的方案設計

1)液壓缸的外載負荷分析。果園株間自動讓樹裝置在果園中耕作業(yè)時，液壓缸帶動除草刀具自動讓開果樹或障礙物，機架和自動讓樹裝置的總質(zhì)量為450kg。由于果園株間自動讓樹裝置讓樹動作時間較短，因此整個讓樹裝置過程可以看作是除草刀具做勻速旋轉進行株間除草作業(yè)。液壓缸所承受的負載主要是克服除草刀具切割土壤時所產(chǎn)生的工作阻力Ff，其計算公式為

Ff=(1+a)(Ff1+Ff2)

其中，F(xiàn)f1=μ1m1g，μ1為刀具與土壤間的摩擦因數(shù)，m1為自動讓樹裝置總質(zhì)量；Ff2=μ2m2g，μ2為土壤與土壤間的內(nèi)摩擦因數(shù)，m2為 土壤的總質(zhì)量。

2)液壓回路的方案設計。果園株間自動讓樹裝置液壓系統(tǒng)一般為農(nóng)用機械中的簡單中低壓系統(tǒng)，要求液壓缸的動作迅速且流量較大，又因為液壓閥組換向和控制精度不高，因此選用齒輪泵作為液壓系統(tǒng)的動力元件，給中低壓提供大流量的液壓油，進而完成執(zhí)行元件的動作。

3)液壓系統(tǒng)方向控制方案設計。此系統(tǒng)為中低壓系統(tǒng)且流量較大，機械感應觸桿控制液壓閥組，因此要求閥組要用機動控制，又考慮到機械感應觸桿工作形式有不碰果樹和碰到果樹兩種狀態(tài)，而相應地僅能控制液壓閥組產(chǎn)生1次執(zhí)行動作，因此本方案采用兩位兩通換向閥來滿足上述功能。

4)背壓和安全保護。為了保證株間自動讓樹裝置在進行換向時降低液壓沖擊，在回油路上設計了平衡閥來增加背壓，起保護作用，且在泵的出口設有溢流閥作為系統(tǒng)調(diào)壓與安全保護作用。

5)輔助回路方案設計。為了保證液壓油的清潔度，在液壓泵入口處設有吸油過濾器；為了更好地觀察各閥組調(diào)壓時的變化，因此在液壓泵的出口處設有壓力表。

根據(jù)上述液壓系統(tǒng)的設計，最終液壓系統(tǒng)工作流程圖如圖4所示。

2.2 液壓泵所需最大工作壓力

果園株間自動讓樹裝置的讓樹動作是液壓缸驅(qū)動液壓油缸鉸接板繞軸旋轉。在果園中耕作業(yè)時，機械感應觸桿碰到果樹或障礙物，此時彈簧卡板會觸發(fā)形成開關，液壓系統(tǒng)工作。在此過程中，液壓系統(tǒng)所需的最大壓力在自動讓樹裝置讓樹結束復位時，即為液壓缸收縮時所克服的外界負載壓力，其最大工作壓力計算公式為

Pp≥P1max+∑Δp

其中，P1max為液壓缸最大工作壓力，取P1max=17.82MPa；Σ△p為液壓管路工作過程壓力損失之和，簡單液壓系統(tǒng)為0.2～0.5MPa。

對于復雜液壓系統(tǒng)，壓力損失之和為0.5～1.5MPa。本設計液壓系統(tǒng)屬于一般簡單系統(tǒng)，因此取壓力損失之和為0.3MPa[7]。

由上式可計算出液壓泵在工作時所需的最大工作壓力為

Pp≥P1max+∑Δp=18.12MPa

1.液壓泵 2.過濾器 3.液壓油箱 4.液位器 5.直動溢流閥 6.二位四通電磁換向閥 7. 液壓缸 8.平衡閥圖4 液壓系統(tǒng)

2.3 液壓泵最大流量計算

果園株間自動讓樹裝置在果園中耕作時系統(tǒng)產(chǎn)生最大流量的時刻為液壓缸動作時，根據(jù)公式可得液壓泵工作時的最大流量為

qp≥K(∑Δq)max

其中，(Σ△p)max為液壓缸工作時所需的最大流量，取(Σ△p)max=108mL/s；K為液壓系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，一般K=1.1～1.3，若流量大取最小值，反之取大值。本設計液壓系統(tǒng)為小流量液壓系統(tǒng)[8]，故取K=1.1。

由上式可得液壓泵最大流量為

qp≥K(∑Δq)max=18.8mL/s

2.4 液壓泵規(guī)格的確定

根據(jù)液壓系統(tǒng)所需的流量及液壓泵的排量，其參考值公式為[9]

2.5 液壓系統(tǒng)的模型建立

根據(jù)液壓系統(tǒng)的工作原理圖，利用AMESim軟件建立果園株間自動讓樹裝置液壓系統(tǒng)的虛擬模型，如圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)仿真模型

依據(jù)果園株間自動讓樹裝置液壓系統(tǒng)的仿真模型，對液壓系統(tǒng)進行仿真分析，可獲得液壓系統(tǒng)的仿真結果分階段信號、液壓缸流量仿真曲線、液壓的速度曲線及液壓缸的位移仿真曲線，如圖6～圖9所示。

圖6 分階段仿真信號

圖7 液壓缸流量仿真曲線

圖8 液壓缸速度仿真曲線

圖9 液壓缸位移仿真曲線

由仿真結果可得：為了保證液壓缸的初始狀態(tài)為收縮狀態(tài)，在0～0.44s時間段內(nèi)為刀具接觸果樹或障礙物讓樹過程；0.32～0.5s讓樹過程結束之后為刀具復位過程。由圖7與圖8可知：液壓缸收縮速度為1.08m/s，液壓缸流量為11 L/min，持續(xù)作業(yè)時間為0.44s；讓樹動作結束之后，液壓缸的伸出速度為2.26m/s，液壓缸流量為27L/min，持續(xù)作業(yè)時間為0.2s。由圖9可知：在整個讓樹過程中，液壓缸的位移曲線平滑且無較大的波動，可以有效地防止液壓缸活塞與底座的沖擊、擠壓，同時驗證了液壓缸行程的合理性與仿真模型建立的正確性。

3 田間試驗

為了檢測果園株間自動讓樹裝置在果園間的工作性能，以級為進一步結構優(yōu)化提供理論依據(jù)，對田間試驗所測到的數(shù)據(jù)與理論設計計算獲得的數(shù)據(jù)進行分析、比較，來檢驗和優(yōu)化結構設計。

3.1 試驗內(nèi)容

試驗的主要內(nèi)容包括：果園株間自動讓樹裝置在不同作業(yè)速度下的耕作深度、漏耕率、讓樹通過率及讓樹系統(tǒng)在工作時的穩(wěn)定性，如表1所示。

表1 果園株間自動讓樹裝置耕作性能指標

本次試驗在阿克蘇農(nóng)一師農(nóng)場完成，試驗選取農(nóng)用配套拖拉機X804，田間試驗全過程如圖10所示。

圖10 果園株間自動讓樹裝置田間試驗過程Fig.10 Procedure of filed test using automatic setup

3.2 試驗結果與分析

試驗中采用拖拉機慢Ⅳ檔進行田間耕作，前進速度為5.5km/h。果園株間自動讓樹裝置各項試驗結果如表2～表4所示。

1)耕作深度測定。每次取10個點作為測量點，測量結果如表2所示。

表2 果園株間自動讓樹裝置耕深性能測定結果

續(xù)表2 cm

由表2計算可得：果園作業(yè)平均耕深a=7.55cm，耕深平均標準差S=0.71，變異性平均系數(shù)V=9.36%，穩(wěn)定性平均系數(shù)U=90.64%。

2)果園漏耕率及讓樹通過率測量結果如表3和表4所示。

表3 果園漏耕率測量結果

表4 果園讓樹通過率測量結果

表3、表4中數(shù)據(jù)表明：果園株間自動讓樹裝置在果園間作業(yè)時，漏耕率為4.75%，滿足本設計要求；讓樹通過率為100%，工作時系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠，滿足設計要求。

4 結論

根據(jù)新疆果園采用矮化密植的園藝種植模式，設計了一種與新疆大規(guī)模果園種植模式相匹配的株間除草裝置，能夠?qū)χ觊g精確作業(yè)，同時解決了果園機械化作業(yè)時產(chǎn)生的漏耕現(xiàn)象，避免了人工二次補耕等問題，對新疆果園實現(xiàn)機械化作業(yè)具有現(xiàn)實意義。