濟(jì)南大學(xué)泉城學(xué)院工學(xué)院 山東蓬萊 265600

1 設(shè)計(jì)背景

蓬萊市地處北緯37°，具有得天獨(dú)厚的氣候與土壤條件，是葡萄種植的“黃金海岸”。近年來，隨著葡萄種植規(guī)模逐漸擴(kuò)大，葡萄及葡萄酒產(chǎn)業(yè)已成為蓬萊四大支柱產(chǎn)業(yè)之一［1］。在蓬萊葡萄種植過程中，草害對(duì)葡萄生長影響較為嚴(yán)重。目前葡萄園的除草方式主要有人工除草、化學(xué)除草、機(jī)械除草。人工除草的主要特點(diǎn)是除草較為干凈，能夠除去行間及株間雜草，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大，除草效率低?；瘜W(xué)除草的主要特點(diǎn)是高效、省時(shí)省力，但容易造成土壤板結(jié)及雜草產(chǎn)生抗藥性。機(jī)械除草能夠克服人工除草與化學(xué)除草的缺點(diǎn)，具有效率高、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)［2］。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，蓬萊市葡萄種植多采用矮化密植方式，大部分除草機(jī)械只能除去葡萄行間的雜草，卻不能除去葡萄株間的雜草［3-4］。針對(duì)蓬萊市葡萄園的種植特點(diǎn)，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)除草機(jī)械，筆者設(shè)計(jì)了一種新型葡萄園自動(dòng)避障除草機(jī)。這一除草機(jī)能夠去除葡萄園行間與株間的雜草，可以中耕斷根，提高土壤透氣性，并能將雜草打碎還田，增強(qiáng)土壤肥力。

2 總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，葡萄園自動(dòng)避障除草機(jī)由萬向節(jié)伸縮傳動(dòng)軸、錐齒輪換向器、液壓系統(tǒng)、臥式除草刀、立式除草刀、感應(yīng)觸桿等組成。

▲圖1 葡萄園自動(dòng)避障除草機(jī)

葡萄園自動(dòng)避障除草機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)的三點(diǎn)懸掛架掛在拖拉機(jī)尾端［5］，動(dòng)力由拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)萬向節(jié)伸縮傳動(dòng)軸傳入，通過錐齒輪換向器改變動(dòng)力方向，并將動(dòng)力分為兩部分。一部分動(dòng)力經(jīng)皮帶傳遞至臥式除草刀，實(shí)現(xiàn)葡萄園的行間除草。另一部分動(dòng)力通過液壓系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換傳遞至液壓缸與立式除草刀，實(shí)現(xiàn)葡萄園的株間除草。當(dāng)感應(yīng)觸桿碰觸到葡萄藤或水泥立柱時(shí)，會(huì)將信號(hào)傳遞至液壓系統(tǒng)，通過電磁換向閥來控制液壓缸活塞桿的伸縮，實(shí)現(xiàn)立式除草刀的自動(dòng)避障功能，保證立式除草刀不損傷葡萄藤，并且能保證立式除草刀不碰撞立柱。葡萄園自動(dòng)避障除草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 葡萄園自動(dòng)避障除草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

3 行間除草

3.1 臥式除草刀

行間除草裝置主要由錐齒輪換向器、皮帶傳動(dòng)裝置、臥式除草刀組成。由臥式除草刀的旋轉(zhuǎn)切入土壤，切斷雜草根系。行間除草裝置最重要的部分是臥式除草刀。臥式除草刀主要由除草輪、除草刀片及刀軸組成，如圖2所示。除草刀片按螺旋線形式均勻分布在除草輪上，除草刀的軸向螺旋角為 30°。由于采用螺旋線形式的除草刀片，除草刀片切入土過程中由淺入深，使除草刀軸受力較為均勻，除草過程較為平穩(wěn)可靠，并且能夠減小除草刀片的磨損［6］。除草刀片采用7 mm厚的高強(qiáng)度鋼，經(jīng)淬火后刀刃處洛氏硬度（HRC）達(dá)到60，能夠滿足除草要求。根據(jù)蓬萊當(dāng)?shù)仄咸逊N植的農(nóng)藝要求，葡萄樹行距為1.5 m左右，為避免產(chǎn)生干涉，臥式除草刀軸向長度為1 m。理論上臥式除草刀的直徑越大，除草效果越好，但功率消耗也就越大，因此，擬定臥式除草刀直徑為300 mm。

▲圖2 臥式除草刀

3.2 運(yùn)動(dòng)分析

行間除草裝置進(jìn)行除草時(shí)，采用順銑方式進(jìn)行，即除草輪旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機(jī)輪旋轉(zhuǎn)方向相同。采用此種方式進(jìn)行除草時(shí)，臥式除草刀向后下方進(jìn)行切土拋土，刀軸切土的反作用力與拖拉機(jī)前進(jìn)方向一致，有利于在濕軟土壤環(huán)境下通過［7］。當(dāng)采用順銑方式除草時(shí)，除草刀上的各點(diǎn)軌跡為余擺線，即：

式中：v為拖拉機(jī)前進(jìn)的速度；R為臥式除草刀回轉(zhuǎn)半徑；ω為臥式除草刀回轉(zhuǎn)角速度；t為時(shí)間。

將臥式除草刀端點(diǎn)處線速度與拖拉機(jī)前進(jìn)速度之比定義為速比λ，即：

如圖3所示，臥式除草刀切入土壤除草時(shí)，土壤的殘余高度a與λ有關(guān)，λ取值越小，土壤的殘余高度a就越大；λ取值越大，土壤的殘余高度a就越小。行間除草的效果也與除草刀切入土壤時(shí)的土壤殘余高度a有關(guān)，殘余高度a越小，除草率就越高。因此，λ可取較大值。

▲圖3 臥式除草刀端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

4 株間除草

4.1 工作原理

株間除草裝置由液壓系統(tǒng)、立式除草刀、感應(yīng)觸桿、液壓缸、斜拉桿等組成。如圖4所示，株間除草裝置安裝于除草機(jī)右側(cè)邊板上，能夠去除葡萄根部的雜草。行間除草時(shí)，立式除草刀伸進(jìn)兩棵葡萄樹之間進(jìn)行除草，當(dāng)感應(yīng)觸桿碰到植株時(shí)，液壓缸開始動(dòng)作，使斜拉桿旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而使立式除草刀繞過葡萄藤進(jìn)入相鄰兩棵葡萄樹根部之間進(jìn)行除草。液壓缸運(yùn)動(dòng)靠液壓換向閥來保證，感應(yīng)觸桿負(fù)責(zé)向液壓換向閥提供信號(hào)。感應(yīng)觸桿采用柔性好的彈簧鋼材料，遇到障礙時(shí)能夠產(chǎn)生彈性變形，從而保障良好的信號(hào)傳輸［8-9］。

4.2 液壓系統(tǒng)

株間除草裝置的液壓系統(tǒng)主要由油箱、液壓缸、齒輪泵、調(diào)速閥、溢流閥、二位四通電磁閥等組成。如圖5所示。液壓系統(tǒng)齒輪泵的動(dòng)力由錐齒輪換向器提供，齒輪泵為液壓系統(tǒng)提供壓力油，使液壓缸及液壓馬達(dá)產(chǎn)生動(dòng)作。二位四通電磁換向閥接收來自感應(yīng)觸桿的信號(hào)，控制液壓缸活塞桿伸縮，從而實(shí)現(xiàn)立式除草刀的自 動(dòng)避障功能［10］。

▲圖4 行間除草裝置

▲圖5 液壓系統(tǒng)

▲圖6 立式除草刀

4.3 立式除草刀

立式除草刀采用雙面刃刀片，刀片均勻地焊接在刀盤周圍，如圖6所示。為增強(qiáng)立式除草刀片的硬度，刀片經(jīng)過淬火處理，刀片外圓及端面均經(jīng)過刃磨。在行間除草的過程中，除草刀刀片的外圓刃和端面刃同時(shí)切入土壤中，切斷雜草根系。另外，立式除草刀刀盤外圈采用橡膠材料，起到保護(hù)葡萄藤的作用，防止旋轉(zhuǎn)刀盤對(duì)葡萄藤產(chǎn)生傷害。

5 結(jié)束語

根據(jù)蓬萊市葡萄園的種植特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種葡萄園自動(dòng)避障除草機(jī)。這一除草機(jī)不僅能夠有效去除葡萄園的行間雜草，而且能夠自動(dòng)避開障礙物而不傷害葡萄藤，去除株間雜草。因此，這一除草機(jī)能夠有效提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保障葡萄的正常生長，對(duì)農(nóng)民增收具有較好的現(xiàn)實(shí)意義。