王 石， 張燕琴， 劉瑞林* ， 付 瓊

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.浙江省林業(yè)科學研究院，浙江 杭州 310023)

除草、松土是經(jīng)濟林撫育作業(yè)中需多次重復的重要工作[1]，目前我國現(xiàn)有除草松土設備以條狀、帶狀作業(yè)為主[2]，存在林木根部及株間部分土壤無法進行松土、除草作業(yè)的問題，需要人工進行二次補充作業(yè)，嚴重制約作業(yè)效率，對于經(jīng)濟林株間松土除草尤為重要，人工進行株間除草松土作業(yè)勞動強度大，作業(yè)效率低，作業(yè)成本高，尤其在目前從事林業(yè)行業(yè)的勞動力明顯短缺的情況下，人工成本成為作業(yè)成本的主要構(gòu)成部分，研究開發(fā)株間除草技術裝備，減少人工參與作業(yè)是控制成本的重要途徑[3]。

1 結(jié)構(gòu)組成、基本參數(shù)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

拖拉機后懸掛自避障除草設備由懸掛系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、除草系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)及機架總成組成[4]，如圖1所示。

(1)懸掛系統(tǒng)：避障除草設備后懸掛拖拉機工作，由拖拉機液壓系統(tǒng)控制設備升降及其幅度；

(2)避障系統(tǒng)：設備避障系統(tǒng)由探桿、擺缸、液壓行程開關及擺臂組成，由液壓驅(qū)動擺缸實現(xiàn)避障動作；

(3)除草系統(tǒng)：設備除草系統(tǒng)由除草刀片、除草松土刀片、驅(qū)動液壓馬達及安全防護罩組成，由液壓驅(qū)動液壓馬達實現(xiàn)除草作業(yè)；

(4)液壓傳動系統(tǒng)：設備設計有液壓系統(tǒng)，由拖拉機輸出軸帶動液壓泵實現(xiàn)液壓系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)由油箱、液壓泵、液壓控制元件、液壓執(zhí)行元件組成；

(5)機架總成：由型鋼、鋼板焊合組裝而成。

圖1 拖拉機后懸掛自避障除草設備1.驅(qū)動液壓馬達；2.除草刀片組；3.擺臂；4.探桿；5.液壓觸動開關(液壓行程閥)；6.擺臂油缸；7.油箱；8.調(diào)整油缸；9.液壓閥組成；10.限深輪；11.機架

1.2 基本參數(shù)

1.3 工作原理

后懸掛式自避障株間除草設備為左右對稱形式，兩端各安裝除草松土刀頭，兩個刀頭距離由液壓缸調(diào)整，以適應不同行距的兩排樹木同時進行株間除草、松土作業(yè)。兩端刀頭各配有障礙物識別探桿，可以分別探測識別樹木等障礙物，由探桿通過液壓行程開關控制液壓系統(tǒng)對避障油缸進行動作以避讓樹木等障礙物，且兩除草工作頭互相不受干擾，獨立完成。在設備行進過程中，探桿碰到樹木等障礙物時會繞支點轉(zhuǎn)動，并帶動行程開關式液壓閥組控制避障油缸做伸縮運動，從而帶動除草刀頭避讓樹木等障礙物，實現(xiàn)避障除草松土作業(yè)。工作原理如圖2所示。

配套動力(拖拉機)/馬力≥30長×寬×高/mm2 100×1 050×800刀盤轉(zhuǎn)速/rpm850～1 200拖拉機輸出軸轉(zhuǎn)速/rpm1 000作業(yè)幅寬(行距)/mm2 500～3 200作業(yè)方式/行2液壓系統(tǒng)壓力/MPa16液壓系統(tǒng)排量/mL/R80

圖2 工作原理1.除草刀頭；2.探桿；3.避障液壓油缸；4.調(diào)整液壓油缸；5.液壓油箱系統(tǒng)

2 主要零部件設計

后懸掛自避障株間除草設備主要部件包括避障系統(tǒng)、除草總成及液壓系統(tǒng)。

2.1 避障系統(tǒng)

避障系統(tǒng)是保證株間除草作業(yè)的最關鍵部件，只有精準自動避障才能實現(xiàn)機械化株間除草作業(yè)，避障系統(tǒng)中探桿的靈敏度越高設備應用范圍越廣泛，對于細嫩樹木(如葡萄等)需要較高的探桿反應靈敏度，準確設計探桿靈敏度是株間除草設備的關鍵。由于經(jīng)濟林除草季節(jié)枝葉茂密對于更加靈敏的光電識別容易造成干擾誤判，所以采用更加靈敏的光電識別障礙物技術并不可取。

2.2 除草總成

除草總成是實現(xiàn)除草作業(yè)理想效果的關鍵部件，設計除草總成中重點研究解決刀盤纏繞雜草問題，研究開發(fā)除草刀片避免造成挖穴鉆探現(xiàn)象，考慮采用組合刀片形式。由于除草松土作業(yè)所切割對象不屬于無支撐切割，所以刀盤轉(zhuǎn)速可以低一些。還要考慮除草刀盤轉(zhuǎn)速與作業(yè)行進速度匹配，避免產(chǎn)生拖拽現(xiàn)象。

2.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是自避障株間除草設備的核心，為執(zhí)行避障、除草、姿態(tài)調(diào)整的動作傳遞動力。依據(jù)作業(yè)土壤環(huán)確定刀盤驅(qū)動馬達扭矩及轉(zhuǎn)速，并依據(jù)所需作業(yè)功率確定技術液壓系統(tǒng)壓力、流量及液壓泵的各項參數(shù)，液壓泵選用經(jīng)濟耐用的齒輪泵為主。研究設計液壓系統(tǒng)時，重點考慮兩個除草工作頭同時工作又不互相干擾的問題，選用的液壓元器件要求液壓油純度較高，需要除液壓油箱本身的過濾器件外加裝25 μm以上過濾器，并且正確安裝，經(jīng)常清洗。刀盤驅(qū)動馬達前端安裝調(diào)試閥按實際需要在一定范圍調(diào)整馬達轉(zhuǎn)速，以達到最佳作業(yè)效果。行距調(diào)整油缸需要安裝液壓鎖以固定調(diào)整好的工作頭距離。本套液壓系統(tǒng)采用PLC控制，方便駕駛員操作。液壓原理如圖3所示。

圖3 液壓原理1.液壓齒輪泵；2.液壓精濾器；3.控制閥；4.避障油缸；5.行距調(diào)整油缸；6.液壓鎖；7.液壓閥；8.液壓馬達；9.調(diào)速閥

3 性能試驗測試

3.1 試驗目的

試驗主要測試檢驗設備的液壓系統(tǒng)、除草總成、避障系統(tǒng)等各主要部件的可靠性、穩(wěn)定性各項技術指標是否符合設計要求，以及設備的工作效率、能耗及損耗情況。

3.2 試驗地的選擇

為了驗證研發(fā)設備的各項性能指標，選擇應用廣泛的葡萄園進行性能試驗測試工作。

3.3 試驗前的技術準備及設備調(diào)試

(1)實驗材料：30馬力拖拉機，0#柴油，HL-32液壓油，葡萄園(行距2.5 m以上)。

(2)試驗方法：參照國家標準GB/T 5667-2008《農(nóng)業(yè)機械 生產(chǎn)試驗方法》執(zhí)行。

(3)試驗儀器：皮尺、秒表、光電測速儀、傾角儀、記錄表、卡尺、計數(shù)器

3.4 設備調(diào)試

(1)拖拉機加注0#柴油、設備加注HL-32液壓油；

(2)在樣機試驗前全面檢查各零部件運轉(zhuǎn)情況，各部件應運轉(zhuǎn)靈活，無卡滯現(xiàn)象；

(3)連續(xù)運轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)，并進行排氣操作，以免液壓系統(tǒng)出現(xiàn)喘氣現(xiàn)象；

(4)試驗前對操作人員進行必要的安全培訓，作業(yè)10 m半徑內(nèi)不得有無關人員進入；

(5)試驗前樣機空轉(zhuǎn)運行3 min 。

3.5 性能試驗及測定

研發(fā)設備進行了5次試驗測試，主要針對除草刀盤轉(zhuǎn)速，液壓系統(tǒng)常用壓力，兩個除草工作頭獨立工作能力及避障情況進行測定。試驗測試現(xiàn)場1如圖4所示，試驗測試現(xiàn)場2如圖5所示。

3.6 試驗測試結(jié)果

(1)試驗測定液壓系統(tǒng)常用壓力為8～12 MPa之間運行；

(2)除草刀盤轉(zhuǎn)速在850～1 200 rpm正常作業(yè)范圍；

(3)避障系統(tǒng)靈活效果理想；

(4)兩個除草工作頭獨立作業(yè)沒有出現(xiàn)相互干擾現(xiàn)象；

(5)除草刀片入土深度20 mm以內(nèi)效果更好，超過20 mm表現(xiàn)出拖拉機功率不足。

通過試驗測定研發(fā)設備各項技術指標基本符合設計預期目標。

圖4 試驗測試現(xiàn)場1

圖5 試驗測試現(xiàn)場2

4 應用前景

國內(nèi)目前還沒有自動避障株間除草設備應用于林業(yè)撫育作業(yè)，行間除草松土設備技術研究尚不成熟，大多參照國外相關技術，如遼寧省新民縣機械林場研制的1500型株行間除草松土機，圓盤工作部件可進行行間除草和松土作業(yè)，現(xiàn)有株間除草裝置是利用安裝在圓盤組上的地輪對地面的附著力，驅(qū)動齒桿旋轉(zhuǎn)完成除草和松土作業(yè)，但效果不夠理想，且損傷林木。

撫育管理是提高林分質(zhì)量，提高造林成活率，促進林木速生、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的重要措施。撫育管理的內(nèi)容很多，包括中幼林的除草、松土、清林、割灌、修枝和成林的撫育間伐等。不同的立地條件和樹種、不同的經(jīng)營方式，對撫育管理的內(nèi)容和要求不同。一般要求從造林開始連續(xù)撫育3～5年，每年1～2次。由于造林后要進行多次撫育，因此撫育的面積要比造林面積大幾倍，據(jù)估計撫育的工作量，按3年計算，是造林總工作量的5～6倍。

除草、松土是經(jīng)濟林撫育作業(yè)中多次重復且最重要的基礎工作，研究的自避障株間除草松土設備是人工作業(yè)效率的80倍，可以為企業(yè)節(jié)約70%的作業(yè)成本，節(jié)省80%勞動力，可為1萬畝經(jīng)濟林企業(yè)帶來直接經(jīng)濟效益600萬元/年，研發(fā)產(chǎn)品經(jīng)濟效益顯著，研發(fā)設備在注重提高自動化、智能化的同時，更注重設備的輕型化、實用化，配套動力在30馬力以上的大棚用拖拉機就可以正常工作，適于全國大部分地區(qū)推廣使用，具有廣闊的市場前景。