楊 天，趙武云，陳伯鴻，辛尚龍，何 鵬，毛 良

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.陜西省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定推廣總站，陜西 西安 710000)

0 引言

我國是水果生產(chǎn)大國，國家統(tǒng)計(jì)局資料顯示，截至2018年底，我國果園面積達(dá)到1 187.487萬hm2，水果產(chǎn)量2.57億t，種植面積與水果產(chǎn)量均位于世界首位[1]?？傮w看，依舊保持渤海灣和黃土高原兩大優(yōu)勢生產(chǎn)區(qū)域[2]。水果種植不僅是我國的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，也是勞動(dòng)密集型和技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)[3]。但是我國果園機(jī)械化水平整體較低，優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)與非優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)的綜合機(jī)械化程度分別不到20%和10%，丘陵山地果園綜合機(jī)械化水平僅5.75%，不能實(shí)現(xiàn)較好的機(jī)械化作業(yè)，制約了果園生產(chǎn)力的提高[4-5]。果園除草是果園生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，目前我國進(jìn)行除草作業(yè)的方法大體可分為藥劑除草、生物除草、人工除草和機(jī)械除草，大部分丘陵山地多為1 hm2以內(nèi)的小地塊果園，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，仍多采用人工除草的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低[6-9]。近年來研究表明，采用果園生草栽培技術(shù)能提高土壤穩(wěn)定性，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加孔隙度，降低土壤容重，還可以增加土壤的水分入滲能力和持水能力，為果樹高效正常生長奠定基礎(chǔ)[10-12]。鑒于我國果園有機(jī)質(zhì)偏低、風(fēng)蝕和水蝕現(xiàn)象嚴(yán)重的狀況，大力推廣生草覆蓋技術(shù)，并提升機(jī)械化割草機(jī)控草技術(shù)，取代目前通用的清耕方法勢在必行[13-17]。

針對果園割草機(jī)近年來的發(fā)展情況和技術(shù)問題，結(jié)合筆者對于甘肅省靜寧縣國家蘋果試驗(yàn)基地及當(dāng)?shù)毓麍@割草機(jī)應(yīng)用情況的實(shí)地調(diào)研，針對矮砧密植型和喬砧適植型兩種典型的果園種植模式，分析國內(nèi)外目前果園割草機(jī)的發(fā)展和使用現(xiàn)狀，探索我國未來果園割草機(jī)的發(fā)展思路。

1 關(guān)鍵部件與技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 切割裝置

果園割草機(jī)對果樹行間雜草的切割功能由割草機(jī)切割裝置實(shí)現(xiàn)，切割裝置的工作質(zhì)量和穩(wěn)定性對果園割草機(jī)作業(yè)質(zhì)量起決定性作用。按照切割作業(yè)方式可以將果園割草機(jī)切割裝置分為旋刀式、錘刀式和往復(fù)式等。其中旋刀式和錘刀式割草機(jī)在果園割草機(jī)中應(yīng)用較為廣泛，具有割刀速度快、結(jié)構(gòu)簡單、切割效率高、綠肥還田碎草效果好及能適應(yīng)不同種類雜草切割等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是割刀轉(zhuǎn)速高，導(dǎo)致功率消耗較大。往復(fù)式割草機(jī)主要應(yīng)用于果園雜草回收飼用，作業(yè)后割茬整齊，雜草鋪放整齊，便于農(nóng)戶對已切割雜草進(jìn)行收集用作飼料，該類割草機(jī)作業(yè)效率較低，且振動(dòng)較大，用作綠肥還田作業(yè)時(shí)碎草效果較差。

王志強(qiáng)等[18]研制了一種果園行間割草機(jī)，割草機(jī)采用錘刀式切割裝置，由機(jī)架、懸掛機(jī)構(gòu)、罩殼、變速箱、膠帶輪、刀座、刀軸、碎草刀和壓草輥等主要部件組成，整機(jī)工作幅寬1 300 mm，刀軸轉(zhuǎn)速1 900 r/min。該割草機(jī)選用甩刀型錘刀式碎草刀，排列方式為單螺旋線排列，相鄰刀座間距63 mm，徑向夾角72°，經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，該割草機(jī)碎草作業(yè)后草段長度≤100 mm的草段占總草段數(shù)的90%以上，綠肥還田效果好，如圖1所示。

圖1 果園行間割草機(jī)Fig.1 Orchard row mower

張雯[19]研制了一種果園小型圓盤式割草機(jī)切割裝置，切割裝置由橫向切割部件和縱向切割部件組成，橫向切割部件采用單刀盤重載的設(shè)計(jì)，縱向切割部件采用圓盤式大刀片的設(shè)計(jì)?？v向切割系統(tǒng)的刀片最低點(diǎn)與橫向切割系統(tǒng)刀盤共面，可以防止漏割，如圖2所示。

圖2 果園小型圓盤式割草機(jī)Fig.2 Small disc orchard mower

熊永森等[13]設(shè)計(jì)的小型往復(fù)式果園割草機(jī)，割草機(jī)與主機(jī)采用單點(diǎn)連接，動(dòng)力機(jī)通過三角膠帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀片，在曲柄轉(zhuǎn)速650 r/min的速度下做往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)表明，割草機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，仿形效果好，如圖3所示。

圖3 小型往復(fù)式果園割草機(jī)Fig.3 Small reciprocating orchard mower

1.2 行走系統(tǒng)

果園割草機(jī)由于行走系統(tǒng)不同可分為牽引式和自走式兩種，其中自走式割草機(jī)又可分為輪式和履帶式兩種。牽引式果園割草機(jī)由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，一般采用三點(diǎn)懸掛方式安裝于拖拉機(jī)后方，由拖拉機(jī)提供動(dòng)力，此類割草機(jī)割幅較大、質(zhì)量大、功耗大且作業(yè)效率高。自走式割草機(jī)由駕駛?cè)藛T乘坐或手扶進(jìn)行割草作業(yè)，是未來割草機(jī)行走系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。自走式割草機(jī)工作不依賴拖拉機(jī)，整機(jī)質(zhì)量小，靈活性好。輪式割草機(jī)可以實(shí)現(xiàn)平原地區(qū)各類型果園的高效割草作業(yè)。履帶式割草機(jī)可以完成丘陵山地地區(qū)坡度較大、作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜的果園割草作業(yè)。

王鵬飛等[20]設(shè)計(jì)的隨行自走式割草機(jī)，整機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)架、變速箱、刀盤、切割刀、割刀離合、行走離合、驅(qū)動(dòng)輪及割茬調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成。工作時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)分別為割草機(jī)行走系統(tǒng)和切割裝置提供動(dòng)力，行走系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)割草機(jī)行走，速度變化依靠驅(qū)動(dòng)橋完成。割草機(jī)作業(yè)速度3～5 km/h，作業(yè)幅寬600 mm。田間試驗(yàn)表明，該割草機(jī)工作性能良好，雜草撕裂率0.47%，漏割率1.50%，雜草碎段區(qū)域平均長度79.39 mm，碎草性能較好，工作效率達(dá)0.5 hm2/h。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

高巧明等[21]設(shè)計(jì)了一種全履帶模塊化無人農(nóng)用動(dòng)力底盤，整機(jī)高度1 200 mm，可通過4點(diǎn)螺栓固定割草機(jī)進(jìn)行果園割草作業(yè)。該行走系統(tǒng)最小離地間隙410 mm，接近角與離去角達(dá)到45°和30°，作業(yè)幅寬1 300 mm，可通過電動(dòng)機(jī)械雙功率差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整機(jī)360°原地轉(zhuǎn)向，適用于丘陵山地果園割草作業(yè)，但由于動(dòng)力底盤高度過高，導(dǎo)致部分喬砧果園無法作業(yè)。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

1.3 仿形裝置

割草機(jī)仿形裝置的作用是保證割草機(jī)通過性的同時(shí)保持割茬高度均勻，防止割刀碰觸地面雜物出現(xiàn)損壞，保證割草機(jī)高效作業(yè)。我國割草機(jī)仿形裝置的設(shè)計(jì)研究起步較晚，同時(shí)我國果園多分布于丘陵山地，地況較復(fù)雜，更需要可靠的仿形裝置來保障割草機(jī)的安全作業(yè)。

1.前輪 2.機(jī)罩 3.割刀離合 4.發(fā)動(dòng)機(jī) 5.扶手 6.行走離合 7.擋桿 8.割茬高度調(diào)節(jié)桿 9.機(jī)架 10.驅(qū)動(dòng)輪 11.割刀 12.排草口 13.刀盤 14.刀罩圖4 隨行自走式割草機(jī)Fig.4 Walking lawn mower

1.前置屬具 2.前置屬具調(diào)節(jié)液壓缸 3.液壓快接頭 4.左右轉(zhuǎn)擋位 5.前進(jìn)倒退擋位 6.高低速擋位 7.基架橫梁液壓缸升降擋位 8.制動(dòng)擋位 9.后懸掛調(diào)節(jié)液壓缸 10.PTO 11.差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 12.基架橫梁液壓缸圖5 全履帶模塊化無人農(nóng)用動(dòng)力底盤Fig.5 Full track modular unmanned agricultural power chassis

鄔備等[22]研制了一種小型自走式割草機(jī)仿形裝置，通過對滑掌、連桿臂、浮動(dòng)彈簧和提升液壓缸等部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真，通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證了在同等工作條件下，應(yīng)用仿形裝置的割草機(jī)割茬高度降低了7%，工作速度提高了75%，如圖6所示。

圖6 小型自走式割草機(jī)Fig.6 Small self-propelled lawn mower

荊龍龍[23]研制了一種山地果園仿形割草機(jī)的仿形機(jī)構(gòu)，由多個(gè)仿形單體構(gòu)成，每個(gè)仿形單體由機(jī)架、仿形架、軟軸、地形輪、刀盤和刀盤軸等組成。各仿形單體的仿形架長短不同。割草機(jī)作業(yè)時(shí)，仿形輪在移動(dòng)過程中實(shí)時(shí)感知地面起伏變化，將地面高低起伏的變化信號傳遞給仿形架，使得仿形架在鉸接點(diǎn)處不斷作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并調(diào)節(jié)切割裝置高度進(jìn)行仿形割草，通過動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證，仿形機(jī)構(gòu)上的切割裝置前后端點(diǎn)均不與地面發(fā)生碰撞，仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，如圖7所示。

1.4 導(dǎo)航、避障、自動(dòng)識別技術(shù)

1.4.1 避障技術(shù)

避障技術(shù)能夠使割草機(jī)一次性完成果樹行間與株間割草作業(yè)，同時(shí)防止割草機(jī)碰撞果樹導(dǎo)致果樹受傷及機(jī)具損壞，割草機(jī)避障技術(shù)的有效應(yīng)用能較好地提升割草作業(yè)效率、保護(hù)果樹及機(jī)具作業(yè)安全。

賈耀文[24]設(shè)計(jì)了多功能果園避障割草機(jī)，其避障裝置由電動(dòng)推桿和轉(zhuǎn)向連桿組成。割草作業(yè)時(shí)，當(dāng)激光掃描儀檢測到樹干時(shí)，避障電動(dòng)推桿伸長，左右側(cè)刀盤繞定軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，避開果樹枝干，通過枝干后，避障電動(dòng)推桿收縮，左右側(cè)刀盤快速繞定軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，左右側(cè)刀盤繼續(xù)除去樹干間雜草，避障完成。左右側(cè)避障刀盤根據(jù)不同的果園種植模式，可以實(shí)現(xiàn)變幅值除草和避障除草。避障裝置如圖8所示。

尹宏超[25]基于模糊控制設(shè)計(jì)了割草機(jī)避障系統(tǒng)，進(jìn)行了前伸式機(jī)械避障機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)。在考慮機(jī)械干涉等問題的前提下，弧形臂長度設(shè)計(jì)為1 000 mm，前伸400 mm，水平中心距離地面200 mm，試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的機(jī)械避障機(jī)構(gòu)在觸碰到障礙物后能及時(shí)進(jìn)行位置回復(fù)，卡頓率僅為10%，弧形臂旋轉(zhuǎn)后回位效果較好，誤差<5°，對障礙物的探測效果良好，如圖9所示。

1.除草電機(jī) 2.轉(zhuǎn)向連桿 3.固定刀盤蓋 4.電動(dòng)推桿 5.避障刀盤蓋圖8 割草機(jī)避障裝置Fig.8 Obstacle avoidance device for lawn mowers

圖9 小型自動(dòng)避障割草機(jī)Fig.9 Small automatic obstacle avoidance mower

陳凱等[26]進(jìn)行了果園自動(dòng)避障割草機(jī)前架設(shè)計(jì)與仿真，基于激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)非接觸式避障割草算法，并基于算法設(shè)計(jì)了避障前架和非接觸式自動(dòng)避障割草機(jī)。

1.4.2 導(dǎo)航及自動(dòng)識別技術(shù)

導(dǎo)航技術(shù)及自動(dòng)識別技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)應(yīng)用于果園割草機(jī)的產(chǎn)物，可以使割草機(jī)作業(yè)更加智能化及自動(dòng)化，未來實(shí)現(xiàn)無人化割草作業(yè)，大大減輕勞動(dòng)力短缺帶來的各種問題，使得果園割草作業(yè)向高效、智能化方向快速發(fā)展。

艾永平等[27]進(jìn)行了基于機(jī)器視覺的割草系統(tǒng)青草識別研究，該研究利用SSD算法模型賦予割草機(jī)機(jī)器視覺，割草機(jī)系統(tǒng)能自動(dòng)識別青草在圖片中的坐標(biāo)，然后將青草在圖片中的位置坐標(biāo)用算法映射為現(xiàn)實(shí)青草所在位置坐標(biāo)，割草機(jī)再進(jìn)行自動(dòng)除草，如圖10所示。

圖10 青草識別割草機(jī)Fig.10 Grass identification mower

2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外早在20世紀(jì)40年代就開始進(jìn)行果園割草機(jī)的研究制造，經(jīng)過幾十年更新?lián)Q代，現(xiàn)已發(fā)展成集自動(dòng)化、智能化和現(xiàn)代信息技術(shù)于一體的果園割草機(jī)，同時(shí)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合問題得到解決，使得果園專用割草機(jī)能夠很好適應(yīng)果園機(jī)械化除草要求[29-30]。果園割草機(jī)根據(jù)其工作方式可以分為牽引式(牽引式、懸掛式和半懸掛式)和自走式(乘坐、手扶)兩種。根據(jù)不同的使用需求可選擇不同種類的割草機(jī)，牽引式割草機(jī)適用于平原地區(qū)矮砧密植型果園，功率大，割幅寬，作業(yè)高效，但由于作業(yè)過程需要拖拉機(jī)牽引導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎半徑較大，需要較寬的果樹行距與轉(zhuǎn)向空間。自走式割草機(jī)適用于丘陵山地割草作業(yè)，此類機(jī)型整機(jī)輕便、靈活，爬坡越障及頻繁轉(zhuǎn)場能力更強(qiáng)，但割幅較小，作業(yè)效率相對較低。

歐美等國家地勢平坦，采用矮砧密植型果園種植模式，此種模式果樹行距能夠達(dá)到3.5 m左右，對應(yīng)此種作業(yè)條件，牽引式割草機(jī)能夠高效完成行間割草作業(yè)。如471/488/499/1465型割草機(jī)，均可選配可調(diào)節(jié)角度的刀片保護(hù)裝置，防止割草機(jī)堵塞，自動(dòng)化程度高，操作方便，結(jié)實(shí)耐用，可切割潮濕雜草[30]。630型割草壓扁機(jī)如圖11所示，割幅3 m，切割角度、割茬高度均可液壓調(diào)節(jié)，作為牧草收割機(jī)的同時(shí)亦能實(shí)現(xiàn)矮砧密植型果園的割草作業(yè)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)綠肥還田功能，還可收割果園雜草作為青飼使用。H7220/7230型圓盤式割草壓扁機(jī)能在2°～10°范圍內(nèi)調(diào)節(jié)割草機(jī)切割角度以實(shí)現(xiàn)不平坦地塊割草作業(yè)，配套切割器所裝配的圓盤驅(qū)動(dòng)轂?zāi)芪兆鳂I(yè)中撞機(jī)導(dǎo)致的機(jī)具振動(dòng)，保證作業(yè)安全，最高作業(yè)速度可達(dá)14.5 km/h。牽引式割草機(jī)多為牧草收割機(jī)改進(jìn)而成，具有結(jié)實(shí)耐用、切割角度方便調(diào)整和作業(yè)效率高等優(yōu)勢，但由于需要拖拉機(jī)牽引作業(yè)，導(dǎo)致該類割草機(jī)轉(zhuǎn)彎半徑大，靈活性較差。國外部分牽引式果園割草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖11 630型割草壓扁機(jī)Fig.11 630 mower-crusher

表1 國外部分牽引式果園割草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of some foreign traction orchard mowers

自走式割草機(jī)如圖12中的8800A型五聯(lián)旋刀割草機(jī)，整機(jī)機(jī)身寬度2.18 m，割幅2 230 mm，動(dòng)力強(qiáng)勁，5個(gè)可調(diào)節(jié)刀盤使其擁有很強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，同時(shí)具有強(qiáng)大的爬坡越障能力。GTM1350EVO型乘坐自走式割草機(jī)輕巧靈活，能實(shí)現(xiàn)速度的無級調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，比較適用于草坪的割草作業(yè)，但果園環(huán)境復(fù)雜，該割草機(jī)割刀結(jié)構(gòu)、材料不適用于果園割草作業(yè)[31]。9GZ-221型果園乘坐割草機(jī)具有速度快、作業(yè)通過性強(qiáng)和效率高的優(yōu)點(diǎn)[9]。CG101型手扶履帶式割草機(jī)，機(jī)械寬度1 m，高度1.05 m，割幅800 mm，采用錘片式割刀，具有良好的割草性能，如圖13所示。自走式割草機(jī)由于整機(jī)體積較小，轉(zhuǎn)向靈活，在果園內(nèi)通過性和適用性較強(qiáng)。

圖12 8800A型五聯(lián)旋刀割草機(jī)Fig.12 8800A Five spin lawn mower

圖13 CG101型手扶履帶式割草機(jī)Fig.13 CG101 walking crawler mower

國外部分自走式果園割草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 國外部分自走式果園割草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of some self-propelled orchard mowers abroad

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前采用矮砧密植的新果園，由于果樹行距較大，建園初期在地頭留有機(jī)器轉(zhuǎn)向空間，用牽引式割草機(jī)或乘坐式割草機(jī)便能輕松高效地完成果園割草作業(yè)。同時(shí)，帶有自動(dòng)避障裝置的果園割草機(jī)已逐漸投入使用。長期以來，由于受大田主糧種植模式的影響，我國果園種植多集中在丘陵山地，現(xiàn)存大量的喬砧適植老果園仍采用清耕作業(yè)模式，對此種種植模式的果園專用除草機(jī)械的使用和研發(fā)重視程度較低[31-33]。近年來，我國在推行生草覆蓋技術(shù)的過程中，國內(nèi)的喬砧適植型果園割草機(jī)也迅速發(fā)展起來，出現(xiàn)了一些符合使用需求的自走式割草機(jī)、多功能田園管理機(jī)及小型背負(fù)式割草機(jī)[34-35]。

牽引式割草機(jī)主要由牧草收獲機(jī)械改進(jìn)而成，近年來，逐漸出現(xiàn)了針對果園的相關(guān)產(chǎn)品[36]。如河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的3GC系列拖拉機(jī)后懸掛正置式、偏置式和調(diào)幅式割草機(jī)，針對矮砧密植型果園，可選割草幅寬1 200～2 100 mm；針對壟面草體切割困難的問題，采用兼顧平地、壟面割草功能的設(shè)計(jì)，主盤切割行間草體，側(cè)盤可隨壟面仿形并處理斜坡雜草，完成小行間距割草作業(yè)[37]。馬攀宇[38]設(shè)計(jì)研發(fā)的山地果園仿形割草機(jī)，切割方式采用支撐切割的甩刀式切割器，6組刀盤組合的割幅寬度1 700 mm，切割性能良好，割幅利用率92.9%。酒泉市鑄隴機(jī)械制造有限責(zé)任公司生產(chǎn)的9GWH-1.8型往復(fù)式割草機(jī)，動(dòng)力連接方式為懸掛式，割幅1 800 mm；9GXS-1.65型旋轉(zhuǎn)式雙圓盤割草機(jī)，動(dòng)力連接方式為懸掛式，割幅1 650 mm[30]。中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)裝備有限公司研制的9G/9GS/9GSP系列割草機(jī)可與22～60 kW的拖拉機(jī)配套作業(yè)，碎草可側(cè)排，切碎效果較好，其中9GS系列割草機(jī)采用雙刀盤切割結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)彎半徑更?。贿€有9GB-2.1型往復(fù)式割草機(jī)等產(chǎn)品。國內(nèi)部分牽引式果園割草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 國內(nèi)部分牽引式果園割草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.3 Main technical parameters of some domestic traction orchard mowers

隨著果園生草覆蓋技術(shù)的推廣，與應(yīng)用在矮砧密植型果園基本成型的牽引式割草機(jī)不同，果園種植集中的我國丘陵山地地區(qū)迫切需要小型自走式割草機(jī)。廣西玉柴農(nóng)業(yè)裝備有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的GC45/225型自走割草機(jī)，由機(jī)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、離心離合器、動(dòng)力軸、驅(qū)動(dòng)輪組件及刀具組成。該機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)為汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)通過離心離合器與動(dòng)力軸連接。離心離合器在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)進(jìn)行傳動(dòng)，帶動(dòng)割刀進(jìn)行工作，并通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與離心離合器的離合器外殼連接，以驅(qū)動(dòng)割草機(jī)行走。該機(jī)型小巧輕便、工作效率高、作業(yè)效果好，但該機(jī)型只有前進(jìn)擋沒有后退擋，且無動(dòng)力轉(zhuǎn)向，工作時(shí)需要人工手扶作業(yè)，遇到作業(yè)環(huán)境較矮的地塊無法進(jìn)入，并沒有完全降低勞動(dòng)強(qiáng)度，無法保證全程機(jī)械化作業(yè)，如圖14所示[39]。安志輝[40]發(fā)明了一種四輪驅(qū)動(dòng)的遙控割草機(jī)，包括底盤、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)輪、發(fā)動(dòng)機(jī)、4個(gè)直流驅(qū)動(dòng)裝置、發(fā)電機(jī)、控制器和遙控機(jī)等，4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪分別固定于對應(yīng)4個(gè)直流驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力輸出軸上，4個(gè)直流驅(qū)動(dòng)裝置由控制器分別獨(dú)立控制，該機(jī)型實(shí)現(xiàn)了遙控操作，并且可以自如向前、向后行走和轉(zhuǎn)向，優(yōu)化路徑，割草效果較好，不足之處是機(jī)組質(zhì)量較大、工作速度低、割幅小和生產(chǎn)制造成本較高，部分個(gè)體小果園農(nóng)戶無法承擔(dān)。王鵬飛等[20]設(shè)計(jì)了隨行自走式果園割草機(jī)，該機(jī)采用雙離合機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)具行走與各操作分別控制，手動(dòng)控制行走可以實(shí)現(xiàn)操作人員隨行，工作性能良好，漏割率1.5%，工作效率可達(dá)0.5 hm2/h。該機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，但是并未真正實(shí)現(xiàn)隨行自走，雖然設(shè)計(jì)擁有后退擋位，但是轉(zhuǎn)向仍需人工手扶操作，并未實(shí)現(xiàn)真正的隨行自走式的自動(dòng)化、智能化割草作業(yè)。

圖14 GC45/225型自走割草機(jī)Fig.14 GC45/225 self-propelled lawn mower

多功能田園管理機(jī)由傳統(tǒng)的手扶拖拉機(jī)改進(jìn)升級而成，可掛載旋耕機(jī)、割草機(jī)和開溝機(jī)等多種農(nóng)具，由于工作動(dòng)力不足等問題，易造成漏割或割草效果不好，導(dǎo)致多次作業(yè)帶來額外功耗。小型背負(fù)式割草機(jī)需要人工攜帶進(jìn)入果樹行間進(jìn)行作業(yè)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且容易傷害作業(yè)人員。國內(nèi)現(xiàn)階段主要應(yīng)用的果園割草機(jī)類型及優(yōu)缺點(diǎn)如表4所示。

利用MCNP程序，計(jì)算了不同黑體溫度的X射線照射圓柱腔體時(shí)的電子發(fā)射參數(shù)，包括光電產(chǎn)額、出射電子角分布和出射電子能譜，可以為SGEMP的計(jì)算提供較為準(zhǔn)確的電子發(fā)射信息。

表4 國內(nèi)果園割草機(jī)主要應(yīng)用類型及特點(diǎn)Tab.4 Main application types and characteristics of domestic orchard lawn mower

3 國內(nèi)外割草機(jī)發(fā)展對比

3.1 國外割草機(jī)特點(diǎn)

歐美等國家的果園種植模式多采用矮砧密植型，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合基本完成，割草機(jī)作業(yè)空間相對開闊，能夠滿足大中型標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械除草作業(yè)。目前無論是拖拉機(jī)掛載專用割草機(jī)還是自走式割草機(jī)都能輕松完成果園內(nèi)的高效割草作業(yè)，且在實(shí)現(xiàn)割草機(jī)械化的基礎(chǔ)上已經(jīng)開始了信息化、自動(dòng)化的研究與相關(guān)應(yīng)用。日本等國家的果園種植模式多為喬砧適植型，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合進(jìn)程開始較早，根據(jù)割草機(jī)作業(yè)需求，果園行距與株距均根據(jù)割草機(jī)作業(yè)需求預(yù)留，果園管理精細(xì)，果樹離地第一主枝較高，保證了乘坐式割草機(jī)的通過性，能實(shí)現(xiàn)果園割草作業(yè)全程機(jī)械化。國外割草機(jī)在生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)了機(jī)、電、液一體化技術(shù)的綜合應(yīng)用，割草機(jī)智能化技術(shù)有了長足發(fā)展，在割草機(jī)的使用便捷性和工作效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先國內(nèi)割草機(jī)，并且在電子信息發(fā)展進(jìn)程中開始了信號自動(dòng)識別、自動(dòng)避障和自動(dòng)化作業(yè)，割草機(jī)全方位自動(dòng)化作業(yè)進(jìn)程已實(shí)現(xiàn)。

3.2 國內(nèi)割草機(jī)特點(diǎn)及存在的問題

國內(nèi)果園割草機(jī)研究起步較晚，近年來，隨著生草覆蓋技術(shù)推廣，割草機(jī)發(fā)展也呈現(xiàn)良好勢頭。由于受制于大田種糧影響，更適合于標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)械作業(yè)的矮砧密植型果園仍在逐步推廣，位于丘陵山地地區(qū)的喬砧適植型果園仍將長期作為我國果園的主要種植模式。這導(dǎo)致我國在割草機(jī)研究與發(fā)展中需要同時(shí)兼顧適應(yīng)兩種種植模式，國內(nèi)牽引式割草機(jī)相對起步較早，品種較多，基本能夠滿足矮砧密植型果園的使用需求。國內(nèi)牽引式割草機(jī)與國外產(chǎn)品相比，在割幅、刀盤數(shù)量和作業(yè)角度適用性方面仍有差距，同時(shí)由于功率較小導(dǎo)致作業(yè)效率相應(yīng)較低，因此，我國果園牽引式割草機(jī)仍需繼續(xù)在技術(shù)研發(fā)和設(shè)計(jì)制造方面進(jìn)一步提升。自走式割草器由于國內(nèi)起步較晚，產(chǎn)品種類雖多，但質(zhì)量與可靠性均不過關(guān)，智能化和信息化仍處在研究階段，并未投入實(shí)際生產(chǎn)使用，同時(shí)我國的喬砧適植型果園多集中于丘陵山地，國內(nèi)已投入生產(chǎn)使用的割草機(jī)在丘陵山地果園中大都無法滿足惡劣的作業(yè)條件，仍需要突破相關(guān)技術(shù)瓶頸。

近年來，通過引進(jìn)國外果園割草機(jī)先進(jìn)技術(shù)，加強(qiáng)自主研發(fā)能力建設(shè)及技術(shù)升級，我國果園割草機(jī)械化水平已經(jīng)顯著提高，但是，我國果園割草機(jī)械化總體水平和生產(chǎn)制造水平與發(fā)達(dá)國家仍有一定差距，主要體現(xiàn)在以下4點(diǎn)。

(1)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合較差，小型自走式割草機(jī)研發(fā)滯后。兩種種植模式的果園大多在初始建園時(shí)并未考慮機(jī)械化作業(yè)需求。矮砧密植型果園會出現(xiàn)牽引式割草機(jī)由于割幅與行距不匹配導(dǎo)致多次作業(yè)的問題；喬砧適植型果園由于現(xiàn)有割草機(jī)體積、質(zhì)量較大，果樹第一主枝離地間距過小，割草機(jī)無法進(jìn)入果園作業(yè)，乘坐式小型割草機(jī)仍未得到有效應(yīng)用。

(2)生產(chǎn)技術(shù)水平低，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，可靠性較差。割草機(jī)制造質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、產(chǎn)品耐用性不強(qiáng)和功耗大使所生產(chǎn)的割草機(jī)在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)各種質(zhì)量、安全問題而影響使用，不利于割草機(jī)長遠(yuǎn)發(fā)展。

(3)割草機(jī)作業(yè)速度與割刀工作速度不匹配導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量不佳。不論是旋轉(zhuǎn)式還是往復(fù)式割刀，國內(nèi)割草機(jī)仍未徹底解決機(jī)具作業(yè)速度與割刀工作速度的合理匹配問題。割草機(jī)作業(yè)速度過快將導(dǎo)致割草機(jī)割草作業(yè)不徹底，出現(xiàn)漏割；割刀工作速度過快時(shí)，在割草作業(yè)中出現(xiàn)重割。兩種情況都會產(chǎn)生額外的功耗損失。

(4)未有效應(yīng)用高新技術(shù)。集成了智能化、自動(dòng)化和信息化等高新技術(shù)的果園割草機(jī)在我國仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，目前國內(nèi)還沒有真正具有較高智能化、自動(dòng)化和信息化的果園割草機(jī)。

4 國內(nèi)割草機(jī)發(fā)展展望

隨著果園生草覆蓋技術(shù)大面積的推廣，我國果園割草機(jī)取得了一定程度的發(fā)展，但在研發(fā)生產(chǎn)中仍有較大缺口，國內(nèi)割草機(jī)在機(jī)具創(chuàng)新性、可靠性、通用性和智能化程度方面均遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國外。結(jié)合上述提到的我國割草機(jī)發(fā)展存在的問題，我國未來針對矮砧密植型和喬砧適植型兩種種植模式，需保持各種類型割草機(jī)齊頭并進(jìn)的發(fā)展趨勢，未來應(yīng)主要針對以下方面展開研究。

(1)加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合建設(shè)。矮砧密植果園多位于平原地區(qū)，在建園時(shí)應(yīng)保證標(biāo)準(zhǔn)化，給牽引式割草機(jī)預(yù)留作業(yè)通道。喬砧適植果園多位于丘陵山地，新建園應(yīng)保證自走式割草機(jī)作業(yè)空間，加強(qiáng)果園種植期間的精細(xì)化管理，確保種植期作業(yè)通道暢通。對于老舊果園，應(yīng)采取間伐、修枝等手段為割草機(jī)作業(yè)創(chuàng)造條件。

(2)提升割草機(jī)研發(fā)技術(shù)水平和生產(chǎn)制造水平。在未來研發(fā)制造中，牽引式割草機(jī)應(yīng)充分考慮割草機(jī)割幅與果園行距的匹配問題，同時(shí)加強(qiáng)自動(dòng)避障、割茬高度自動(dòng)調(diào)節(jié)等實(shí)用功能的研發(fā)工作，提升割草機(jī)通用性和耐用性。自走式割草機(jī)應(yīng)在保證割草機(jī)通過性、爬坡越障性能的同時(shí)，提升割草機(jī)耐用性，合理選擇整機(jī)材料及割刀材料，提升整機(jī)制造質(zhì)量、割刀使用效果和使用壽命。

(3)在設(shè)計(jì)初期合理匹配割草機(jī)作業(yè)速度與割刀工作速度。牽引式割草機(jī)應(yīng)充分考慮配套拖拉機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，結(jié)合自身傳動(dòng)系統(tǒng)匹配合適的動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)。自走式割草機(jī)在整機(jī)設(shè)計(jì)中，應(yīng)保證傳動(dòng)比合理，確保發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)割草機(jī)前進(jìn)的同時(shí)保持一定的割刀轉(zhuǎn)速。

(4)在割草機(jī)設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造過程中利用虛擬樣機(jī)等新技術(shù)，節(jié)約物理樣機(jī)的研發(fā)制造成本，縮短研發(fā)周期。

(5)將網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)更多應(yīng)用于割草機(jī)產(chǎn)品中。將智能化、自動(dòng)化和信息化等新興技術(shù)更快、更好地應(yīng)用在割草機(jī)制造中。盡早研制出能夠自動(dòng)識別、自動(dòng)避障和自動(dòng)規(guī)劃路徑的高效自主作業(yè)的果園專用割草機(jī)，同時(shí)加強(qiáng)割刀仿形等安全裝置的優(yōu)化，確保割草機(jī)的工作穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

隨著我國果園生草覆蓋技術(shù)的逐步推廣，對果園割草機(jī)的實(shí)用性和作業(yè)質(zhì)量提出了更高的要求。研發(fā)能夠適應(yīng)多種種植模式、制造水平先進(jìn)、工作質(zhì)量可靠和集自動(dòng)化與智能化于一體的果園割草機(jī)成為未來果園機(jī)械化除草裝備的發(fā)展方向，從而更好地推進(jìn)除草機(jī)械化進(jìn)程。