F.US-UFO型果園避障割草機試驗研究*

沈啟揚，雷嘵暉，馬拯胞，李健

(1. 江蘇省農(nóng)機具開發(fā)應(yīng)用中心，南京市，210017； 2. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，南京市，210014)

0 引言

果園割草是果園管理的一項重要作業(yè)環(huán)節(jié)[1]，一年需要刈割3～5次[2]，用工量多，勞動強度大。常見割草機有乘坐圓盤式、拖拉機旋耕式和人工背負式，但主要用于牧草收割和草坪管理。果園中的果樹均按照一定的行間距和株間距進行栽植。果樹的行間距和株間距較大，使得果樹行間和株間的土地上生長較多的草，而果園生草會吸收果園土壤中的營養(yǎng)成分，影響果樹的生長和果樹的產(chǎn)量，因此果樹收獲前需要多次對果園中的草進行清除。除草有行間除草和株間除草之分，行間除草易于實現(xiàn)，株間除草較為困難，問題集中在樹干的避障方法上。

國內(nèi)果園機械化割草起步晚，學(xué)術(shù)研究多集中在株間仿形割草上。徐麗明的籬架式葡萄株間自動避障除草機[3-5]，株間除草作業(yè)覆蓋率在田間試驗中高達97.5%。李善軍的柑橘園仿形割草機切割器[6]，通過與正交試驗最優(yōu)值對比，切割器峰值扭矩可降低0.38%，一次切割整齊率上升5.43%。楊欣的果園壟面割草機[7]，割草機刀盤可隨壟面地形進行仿形割草，經(jīng)田間試驗：割茬高度為64.4 mm，割草機漏割率為5.6%，割茬高度標準差為5.15，變異系數(shù)為8.3%，穩(wěn)定系數(shù)為92.7%。除了機械化割草，還有防草布鋪設(shè)[8]、火焰滅草[9]和田間生草[10]等除草方法的研究。國外果園割草機市場化產(chǎn)品較多，但未在文獻中見到機具性能試驗的相關(guān)報道。如意大利生產(chǎn)的多工序葡萄株間耕作機，集割草、松土、清掃功能于一體；美國Spraydome系列樹下除草機，封閉罩蓋式除草劑噴施作業(yè)；荷蘭DR系列變割幅割草機，行寬變距式作業(yè)。目前國外對于果園除草技術(shù)的研究主要集中在方法創(chuàng)新上，如Martinelli對比研究行間生草技術(shù)和除草劑對柑橘種植的影響[11]，Granatstein對比研究旋耕除草、除草劑除草和火焰除草在有機蘋果園和梨園中的作業(yè)效果[12]。其研究可為本文機具的田間試驗方法提供參考。

借鑒上述國內(nèi)外機型的設(shè)計經(jīng)驗，前期研發(fā)了一款F.US-UFO型果園聯(lián)合割草機[13]，用于果園行間樹下的自動化聯(lián)合割草作業(yè)，但尚未開展系統(tǒng)性的田間試驗來評價割草機的田間作業(yè)性能。因此，本文對F.US-UFO型果園聯(lián)合割草機在江蘇省泰興市燁佳梨園、沛縣聚英閣水果種植家庭農(nóng)場和睢寧縣楸樹研發(fā)基地3所示范區(qū)進行了作業(yè)性能試驗和田間生產(chǎn)試驗，以考查其在江蘇果園的可靠性、適用性與經(jīng)濟性。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

割草機整機采用拖拉機3點懸掛方式作業(yè)，由機架、液壓系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、行間碎草機構(gòu)、株間割草機構(gòu)、鎮(zhèn)壓裝置組成。割草機結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足果園割草農(nóng)藝技術(shù)要求，該機具通過行間和株間聯(lián)合割草實現(xiàn)果園割草環(huán)節(jié)的機械化作業(yè)。整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 整機結(jié)構(gòu)Fig. 1 Whole structure1.探測桿 2.液壓馬達 3.減振器 4.液壓換向閥 5.液壓油箱6.液路分配閥 7.齒輪泵 8.錐齒輪箱 9.懸掛架10.帶輪傳動軸保護罩 11.傳動皮帶罩殼 12.機架 13.鎮(zhèn)壓輪14.避障液壓缸 15.避障圓盤支架 16.避障圓盤

割草機為單邊避障型，拖拉機需配帶液壓輸出系統(tǒng)，通過側(cè)移液壓缸控制其側(cè)移位置。割草機工作時，拖拉機PTO通過萬向傳動軸帶動動力輸入軸旋轉(zhuǎn)，拖拉機輸出動力經(jīng)錐齒輪箱傳送給帶輪傳動軸和齒輪泵。帶輪傳動軸轉(zhuǎn)速經(jīng)帶輪傳動機構(gòu)變速后，帶動行間割草刀輥旋轉(zhuǎn)。齒輪泵將液壓油以一定的壓力，經(jīng)高壓油管和液路分配閥，輸送給液壓馬達和液壓換向閥。液壓馬達帶動避障刀盤旋轉(zhuǎn)作業(yè)，液壓換向閥通過控制避障液壓缸的伸縮，使得避障圓盤繞樹擺動，以實現(xiàn)避障功能。當位于避障圓盤外緣輪廓的探測桿碰觸到樹干時，探測桿壓塊對液壓換向閥的頂針施壓，液壓換向閥控制避障液壓缸收縮，避障圓盤向后擺動；當探測桿未探測到樹干時，液壓換向閥頂針復(fù)位，避障液壓缸伸長，避障圓盤向前擺動。避障圓盤四周固定安裝有橡膠圈，可防止圓盤外緣鋼結(jié)構(gòu)與樹干發(fā)生碰擦。避障圓盤與轉(zhuǎn)動支架之間由平行四邊形仿形機構(gòu)連接，在減振器彈力、避障圓盤重力和仿形滑盤的共同作用下，避障圓盤縱向位置能夠根據(jù)樹干四周地勢進行適當?shù)淖杂烧{(diào)整，實現(xiàn)仿形割草。行間割草機構(gòu)后方安裝有鎮(zhèn)壓輪，用于對作業(yè)后的行間路面進行壓實。

表1 主要結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)Tab. 1 Main structure and performance parameters

2 材料與方法

2.1 試驗條件

試驗地選用江蘇省泰興市燁佳梨園(泰興燁佳梨園)、沛縣聚英閣水果種植家庭農(nóng)場(沛縣聚英閣蘋果園)、睢寧縣楸樹研發(fā)基地官山示范區(qū)(睢寧官山楸樹園)。各園區(qū)試驗面積、溫度、相對濕度、土壤緊實度、種植行間距及行道坡度等試驗條件如表2所示。

表2 試驗條件Tab. 2 Test condition

2.2 試驗方法

2020年7月至8月依照《GB/T 10938—2008旋轉(zhuǎn)割草機》[14]、《GB/T 5667—2008農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)試驗方法》[15]、《JB 8520—1997旋轉(zhuǎn)式割草機安全要求》[16]在3所示范區(qū)對割草機進行了作業(yè)性能試驗和田間生產(chǎn)試驗。作業(yè)性能試驗包括應(yīng)收草質(zhì)量、割幅(行間割幅、避障割幅)、割茬高度(行間割茬高度、避障割茬高度)、漏割率(行間漏割、避障漏割)、避障損傷率、避障割草高度與行間高度最大差和最短避障距離的測定。田間生產(chǎn)試驗包括使用可靠性系數(shù)、平均故障間隔時間、班次小時生產(chǎn)率、勞動生產(chǎn)率和單位面積耗油量的測定。

2.2.1 性能試驗方法

1) 應(yīng)收草質(zhì)量測定。在選定的試驗田內(nèi)，用取樣框(邊長為30 cm的正方形框)分別取5個樣點，按照15 cm的留茬高度將草全部割下，稱其重量，求平均后按照式(1)換算成單位面積平均收獲草的質(zhì)量。該質(zhì)量即為單位面積應(yīng)收草質(zhì)量。

(1)

式中：Gy30——取樣框?qū)嵤丈葙|(zhì)量，g；

Gy——單位面積應(yīng)收生草質(zhì)量，g/m2。

2) 割幅的測定。行間割幅是指組合機具中用于果園行間除草的甩刀式滅茬機作業(yè)的割幅，避障割幅是指組合機具中果園株間割草圓盤所對應(yīng)的割幅。鑒于行間樹下聯(lián)合避障割草機作業(yè)的特殊性，將割草機的割幅按照行間割幅和避障割幅分別進行測量。每一行程在測區(qū)內(nèi)等距測定2點，重復(fù)3次試驗。計算其平均值，即為實際平均割幅。

3) 割茬高度的測定。由于行間作業(yè)以除草為主，雜草留茬高度較低，樹下避障作業(yè)以割草為主，雜草留茬高度較高，割草機在果園行間和樹下的已作業(yè)區(qū)域會有明顯的割茬高度差，以此作為行間和樹下割草區(qū)域判別標準，在3個園區(qū)沿割幅方向在全割幅內(nèi)測量行間割茬高度和避障割茬高度。用1 m的鋼直尺放在地面上，等間隔測量20根后求平均值，每一行程等間隔測2點，作業(yè)行程重復(fù)3次。

4) 漏割率的測定。割草機在田間作業(yè)過程中，由于拖拉機行駛過快或者刀盤轉(zhuǎn)速過慢，會產(chǎn)生漏割現(xiàn)象，這會嚴重影響作業(yè)效果。而且，割草機行間和樹下刀盤的作業(yè)方式不同，行間屬于滾筒式打草，樹下屬于水平旋轉(zhuǎn)式切草，行間及樹下的漏割率也會不同。為此試驗中進行了行間及避障漏割率的測定，同樣使用30 cm×30 cm的取樣框在行間及樹下進行單位面積漏割損失量的測定，總體數(shù)據(jù)求平均后進行漏割率的計算。在測區(qū)內(nèi)，全割幅范圍內(nèi)測定未割生草去掉割茬后的質(zhì)量即單位面積漏割損失量。每點沿機組前進方向測0.5 m長(割幅小于2.5 m的測1 m長)，每一行程等間隔測2點，試驗重復(fù)3次，漏割率按照式(2)計算。

(2)

式中：Sl——漏割率，%；

Gl——單位面積漏割損失量，g/m2；

Gy——單位面積應(yīng)收生草質(zhì)量，g/m2。

5) 避障損傷率的測定。在割草機株距避障作業(yè)過程中，避障圓盤會與樹干發(fā)生碰擦，從而會出現(xiàn)撞(劃)傷、脫皮、折斷等受傷現(xiàn)象。受傷果樹數(shù)量除以總測量數(shù)量的比值即為避障損傷率。每50 m測量1次，共3次，按式(3)計算避障損傷率。試驗中測量割草機避讓50棵果樹所發(fā)生的樹干損傷數(shù)量，試驗重復(fù)3次后取平均值。

(3)

式中：Ss——避障損傷率，%；

n——損傷樹干的數(shù)量；

N——被測樹干的數(shù)量。

6) 避障割草高度與行間高度差。避障刀盤割茬高度與行間刀盤割茬高度差，每一行程等間隔測2點，試驗重復(fù)3次，按式(4)計算避障割草高度與行間高度差。

Z=H-B

(4)

式中：Z——避障割草高度與行間高度差，cm；

H——行間刀盤平均割茬高度，cm；

B——避障刀盤平均割茬高度，cm。

7) 最短避障距離的測定。避障刀盤依靠液壓缸圍繞樹干工作，在果樹行間與株間來回擺動，對果樹株距有一定的要求，試驗中為了精確的測量割草機避障圓盤的最短避障距離，在一段平坦的空地上，用3根等間距排列的竹竿進行避障試驗，竹竿間距以0.1 m的間隔從3 m逐漸遞減排列，每次距離變動后試驗3次。

2.2.2 生產(chǎn)試驗方法

每個果園測試3天，1天1班次。對割草機在3個試驗果園的使用可靠性系數(shù)、平均故障間隔時間、工作效率、單位面積耗油量4項指標進行了系統(tǒng)規(guī)范的測試，試驗使用37.3 kW大鵬王拖拉機，每個果園試驗面積皆不小于3 hm2。

使用可靠性系數(shù)：在生產(chǎn)考核期間，機具有效作業(yè)時間總和占考核時間的百分比，按式(5)計算。

(5)

式中：K——使用可靠性系數(shù)，%；

Tz——機具班次作業(yè)時間，h；

Tg——機具班次故障時間，h。

平均故障間隔時間：在生產(chǎn)考核期間，機具有效作業(yè)時間總和比上機具累計故障次數(shù)，按式(6)計算。

(6)

式中：MTBF——平均故障間隔時間，h；

r——機具累計故障(輕度故障除外)次數(shù)。

工作效率：在生產(chǎn)考核期間，機具作業(yè)面積比上作業(yè)時間，按式(7)計算。

(7)

式中：Wb——工作效率，hm2/h；

U——作業(yè)面積，hm2；

Tb——作業(yè)時間，h。

單位面積耗油量：在生產(chǎn)考核期間，機具作業(yè)總耗油量比上作業(yè)面積，按式(8)計算。

(8)

式中：Q——單位面積耗油量，kg/hm2；

Qr——總耗油量，kg。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 割草機性能試驗

3.1.1 應(yīng)收草質(zhì)量測定結(jié)果分析

采樣點數(shù)據(jù)如表3所示。表3中3個園區(qū)單位面積應(yīng)收生草質(zhì)量相差較大，按照從大到小的排序為泰興燁佳梨園、睢寧官山楸樹園、沛縣聚英閣蘋果園。因沛縣聚英閣蘋果園雜草以狗尾草為主，相對于其它草種單位面積質(zhì)量最輕，故其單位面積應(yīng)收生草質(zhì)量只有258.9 g/m2，而泰興燁佳梨園主要為早熟禾和水花生，相對于其它草種單位面積質(zhì)量最重，其單位面積應(yīng)收生草質(zhì)量為1 867.8 g/m2。而且從表3中可以看出沛縣聚英閣蘋果園樣本點間雜草質(zhì)量波動較小，即雜草生長分布較其它2個果園均勻。

表3 單位面積應(yīng)收草質(zhì)量的數(shù)據(jù)Tab. 3 Data of grass mass per unit area

3.1.2 割幅、割茬高度測定結(jié)果分析

各園區(qū)6個采樣點割幅、割茬高度的試驗數(shù)據(jù)如圖2所示。為了能夠反映單個園區(qū)間割幅、割茬高度的穩(wěn)定性，按照式(9)、式(10)、式(11)對各樣本點割幅、割茬高度的變異系數(shù)進行計算，結(jié)果如表4所示。割草機行間割幅、避障割幅、行間割茬高度、避障割茬高度分別為1.54 m、0.61 m、0.11 m和0.15 m。睢寧官山楸樹園4個指標的變異系數(shù)均比其他果園小，這與其平坦的地勢有關(guān)，園區(qū)地勢越平坦，行間坡度越小，割草機割幅、割茬高度的變異性越小。泰興燁佳梨園坡度角雖然較沛縣聚英閣蘋果園大，但割茬高度變異系數(shù)較沛縣聚英閣蘋果園小，這是因為沛縣聚英閣蘋果園單位面積應(yīng)收草質(zhì)量遠小于泰興燁佳梨園，行間雜草的相對稀少影響割茬高度的采樣。由此可知，割草機盡量選擇在行間坡度小，路面地勢較為平坦的果園作業(yè)。

(9)

式中：ai——各樣本點割幅、割茬高度，m。

(10)

式中：sa——各樣本點割幅、割茬高度標準差，%。

(11)

式中： CV——各樣本點割幅、割茬高度變異系數(shù)，%。

(a) 泰興燁佳梨園

(b) 沛縣聚英閣蘋果園

(c) 睢寧官山楸樹園圖2 割幅和割茬高度試驗結(jié)果Fig. 2 Test results of cutting width andstubble height

表4 割幅、割茬高度的變異系數(shù)結(jié)果Tab. 4 Coefficient variation of cutting width and stubble height

3.1.3 漏割率測定結(jié)果分析

漏割損失量測定結(jié)果如圖3所示，經(jīng)計算泰興燁佳梨園、沛縣聚英閣蘋果園和睢寧官山楸樹園的漏割率分別為3.8%、4.2%和1.6%。

教師在小學(xué)階段的數(shù)學(xué)學(xué)科課程中，合理地使用數(shù)字化的教學(xué)資源，能夠有效地擴充數(shù)學(xué)課堂的容量性。數(shù)字化的這些資源能夠在一定程度上，刺激學(xué)生各種感官，促使學(xué)生主動吸收知識，縮短了對知識的接受時間。由于傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式嚴重束縛了課堂的容量，因此，教師應(yīng)利用數(shù)字化的教學(xué)資源打破這一局面，加快教學(xué)的進程，減少大量的課堂時間浪費在課堂的板書上，從而優(yōu)化課堂的結(jié)構(gòu)[2]。

(a) 泰興燁佳梨園

(b) 沛縣聚英閣蘋果園

(c) 睢寧官山楸樹園圖3 漏割損失量試驗結(jié)果Fig. 3 Test results of miss cutting weight

睢寧官山楸樹園漏割率最小，沛縣聚英閣蘋果園的數(shù)據(jù)波動的振幅較其它果園小，這與果園行間地勢及雜草生長量的分布有關(guān)。睢寧官山楸樹園路面平整，行間及避障漏割損失量零值較多(無漏割)，割草機漏割量少。沛縣聚英閣蘋果園雖然雜草分布均勻，樣本點漏割損失量間的差距小，但是漏割率最大，這是因為樣本點雜草生長旺盛，園區(qū)整體漏割損失量大。泰興燁佳梨園和睢寧官山楸樹園雖然漏割率較沛縣聚英閣蘋果園小，但其有草樣本點的漏割損失量較沛縣聚英閣蘋果園大，這是由于泰興燁佳梨園和睢寧官山楸樹園整體漏割率被無漏割樣本點均分，使得整體漏割率降低。圖4為割草機作業(yè)前后對比。

(b) 作業(yè)后圖4 割草機作業(yè)前后對比Fig. 4 Before and after lawn mower operation

3.1.4 避障損傷率測定結(jié)果分析

避障損傷率測定現(xiàn)場如圖5所示，受傷根數(shù)除以總測量根數(shù)的比值即為避障損傷率，試驗結(jié)果如表5所示。

圖5 損傷主干Fig. 5 Damaged trunk

從表5可以看出，3個果園的避障損傷率皆在6%以下，割草機避障效果較好。避障損傷率為睢寧官山楸樹園2.6%、泰興燁佳梨園4.6%、沛縣聚英閣蘋果園5.4%。睢寧官山楸樹園行間地勢平坦，且楸樹株距較其他果園大，故其割草機作業(yè)的避障損失率最小。泰興燁佳梨園和沛縣聚英閣蘋果園都有坡度，二者避障損失率較大，又因為沛縣聚英閣蘋果園的株距相對最小，割草機樹下避障作業(yè)較其它果園困難，故其避障損失率在3個果園中最大。由此可知，果園行間地勢越平坦，果樹株距越大，行間坡度越小，割草機避障損傷率越低。

表5 損傷率結(jié)果Tab. 5 Damage rate

3.1.5 最短避障距離測定結(jié)果分析

在園區(qū)機耕道路上用3根等間距排列的竹竿進行避障試驗，竹竿間距以0.1 m的間隔從3 m逐漸遞減排列，圖6為割草機避最短避障距離測試現(xiàn)場。

圖6 避障距離測試現(xiàn)場Fig. 6 Measurement site of obstacle avoidance distance

3.2 田間生產(chǎn)試驗

2020年8月份，對各園區(qū)進行田間生產(chǎn)試驗，表6為各果園班次作業(yè)時間利用情況查定表，油耗測定現(xiàn)場如圖7所示。經(jīng)計算，表6中割草機使用可靠性系數(shù)k為泰興燁佳梨園99.6%、沛縣聚英閣蘋果園99.64%、睢寧官山楸樹園100%，割草機平均故障間隔時間MTBF為泰興燁佳梨園10.96 h、沛縣聚英閣蘋果園9.3 h，割草機工作效率Wb為泰興燁佳梨園0.43 hm2/h、沛縣聚英閣蘋果園0.46 hm2/h、睢寧官山楸樹園0.59 hm2/h，割草機單位面積耗油量Q為泰興燁佳梨園14.69 kg/hm2、沛縣聚英閣蘋果園9.18 kg/hm2、睢寧官山楸樹園10.36 kg/hm2。

表6 各果園班次作業(yè)時間利用情況查定表Tab. 6 Investigation table of mower working

割草機使用可靠性系數(shù)計算數(shù)據(jù)表明，F(xiàn).US-UFO割草機能夠很好地在3個試驗園區(qū)進行生產(chǎn)作業(yè)。3個試驗園區(qū)割草機平均故障間隔時間均大于8 h，證明其能夠順利的完成1天的工作，不會因為機具的故障問題耽誤白天的割草工作。同時田間生產(chǎn)試驗也測試出了割草機在3個試驗園區(qū)的平均工作效率為0.49 hm2/h、單位面積耗油量為11.41 kg/hm2，這可為果園管理者對機具盈利面積[15]的計算提供參考，以保證其生產(chǎn)利潤。

圖7 油耗測定現(xiàn)場Fig. 7 Fuel consumption measurement

4 結(jié)論

本文對F.US-UFO型果園避障割草機進行田間試驗，該機具能夠?qū)崿F(xiàn)行間割草、株間割草、樹下割草、拋草、等功能，機具行進過程中能自動避讓樹干、水泥(鋼筋)立柱等障礙物，適合在梨園、蘋果園和楸樹園等林果園區(qū)割草作業(yè)。

1) 割草機行間割幅為1.54 m，避障割幅為0.61 m，行間割茬高度為0.11 m，株間割茬高度為0.15 m；3家果園平均割草機漏割率為3.2%，平均避障損傷率為4.2%，平均故障間隔時間為10.13 h，能夠較好地完成行間和株間割草作業(yè)。

2) 果園行間坡度越小，園間路面越平坦，果樹株行距越大，割草機作業(yè)質(zhì)量越高。結(jié)果顯示楸樹機械化避障割草效果最好，梨樹和蘋果樹次之。

3) 割草機工作效率為0.49 hm2/h，單位面積耗油量為11.41 kg/hm2，這可為果園管理者對機具盈利面積的計算提供參考，以保證其生產(chǎn)利潤。

4) 在割草機作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，個別果樹第一主枝離地面距離過矮造成不同程度的擦碰傷，而割草機液壓油箱的設(shè)計置于前進方向的右側(cè)，油箱頂面離地距離0.9 m。經(jīng)測量受傷的第一主枝距地最短距離0.42 m，離樹干中心最短距離0.38 m，建議割草機液壓油箱設(shè)計選擇前進方向左側(cè)。