何义川，汤智辉，杨怀君，孟祥金，郑 炫，张东超，朱站伟

(1.新疆农垦科学院 机械装备研究所，新疆 石河子 832000；2.农业部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000；3.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆位于北纬34°～50°之间，地处欧亚大陆腹地，光热资源丰富，降水量少，气候干燥，日照时间长，昼夜温差大，是典型的大陆性气候。因此，该地区有利于作物糖分的合成和营养物质的积累，使得新疆的葡萄天然具有含糖量高、营养丰富及口感好等优点。此外，新疆地区海拔比较高，空气干燥，冬季温度低，病虫害的发生率低、危害轻，非常适宜葡萄的种植，与法国波尔多、美国加利福尼亚州并称为世界葡萄的三大“天堂种植区”[1-3]。

近年来，新疆及兵团依托优势资源，葡萄产业得到了快速的发展。据统计，2016年新疆种植葡萄面积约14.9万hm2、产量267.58万t。其中，兵团种植葡萄4.5万hm2，产量80.17万t[4]；2016年，新疆及兵团葡萄产量约占全国葡萄产量的1/5[5]。与此同时，兵团依托其高度组织化和规模化管理优势，大力推动了葡萄生产方式向集中连片、基地化生产的转变，并已在若干区域形成了规模化的葡萄生产基地。葡萄产业不仅是新疆及兵团的主要经济作物之一，也是对集约化、规模化高效生产技术需求最旺盛的领域之一。新疆地区作为目前全国葡萄种植面积和产量最大的省份，是未来葡萄产业发展最具潜力的产区，在行业已确立不可替代的地位。

但是，葡萄园杂草数量多生长快，争夺肥水严重，特别是有些杂草还是病虫的传播媒介和寄主，使葡萄园病虫害发生严重，从而影响果实的品质和产量[6]。葡萄园人工除草劳动强度大，效率低，成本高；化学除草虽然效率高，但容易污染环境，使得葡萄残留农药量大，对葡萄的品质产生严重影响，对人的身体健康也造成一定的危害。因此，要采用非化学方式的除草方式来防治杂草，不但要做到环境“零污染”，且要降低除草作业成本、提高葡萄园除草作业效率和质量。

随着新疆兵团特色林果区域化布局、专业化生产、产业化经营的不断调整和优化，葡萄产业将加速由数量扩张型向质量效益型转变，这就必然要解决葡萄生产过程中行株间杂草清除的突出问题。相比人工除草和化学除草，机械除草不但对环境无污染，而且具有对疏松土壤、提高地温及蓄水保墒等优点，因此研究一种葡萄园避障除草机是非常必要和迫切的。

1 总体结构和工作过程

1.1 设计原理

避障除草机前进时，避障传感器未碰触到葡萄植株及障碍物时，机具进行行间株间作业，避障系统不工作；当避障传感器触碰到葡萄植株及障碍物时，避障系统开始工作。此时，避障传感器将信号传递给液压控制系统进而控制株间除草装置沿与机具前进垂直方向回缩，避免对葡萄植株损伤和遇到障碍物时对机具的损坏；当越过障碍后，株间除草装置再次伸出进行株间除草作业，以此往复循环作业。具体的避障工作原理如图1所示。

图1 葡萄园避障除草机工作原理Fig.1 The working principle diagram of the vineyard obstacle avoidance weeding

1.2 总体设计

葡萄园避障除草机主要由机架、行间除草装置、株间除草装置、 镇压碎土装置及液压控制系统等组成，其结构如图2所示。

1.机架 2.中央调节装置 3.油缸 4.侧机架 5.连接板 6.避障传感器 7.株间除草装置 8.镇压装置 9.避障装置 10.行间除草装置图2 葡萄园避障除草机结构示意图Fig.2 Vineyard obstacle avoidance weeding machine structure diagram

机架主梁由6mm厚的钢板折弯焊合而成，横截面呈六边形，这样有利于增加机架强度，同时可以保证左右两个侧机架可以方便地在主机架中自由左右调节。行间除草装置主要由4～6个“人”字铲刀构成，均布在主梁的下方；株间避障除草装置主要由避障传感器和株间除草装置构成，左右对称分别安装在左右两个侧机架上。碎土镇压装置由螺旋镂空的带齿钢板组成，通过中央调节装置和连接板安装在机架的后部，主要起到限深和碎土镇压整地的作用。

1.3 工作过程

作业时，拖拉机悬挂装置与机架三点悬挂联接，液压油缸通过液压油管与拖拉机液压控制系统连接，整机质量由拖拉机承担。首先，根据葡萄园不同的行间距离调节左右两边的侧机架，使其达到合适的作业幅宽以确保与葡萄主秆不干涉；然后，根据葡萄园中耕除草的要求调节行间中耕铲刀的高度；最后，结合中耕铲刀的高度调节中央调节装置控制镇压装置的离地距离。

其主要技术参数如下:

外形尺寸/mm： 1 780×4 500×1 500(工作时)

1 780×2 500×1 500(运输时)

作业幅宽/mm： 3 000～4 000(可调)

作业速度/km·h-1： ≥2

配套动力/kW： ≥40.4

纯工作小时生产率/hm2·h-1： ≥0.59

2 关键部件设计

2.1 六边形机架设计

由于新疆兵团标准化葡萄园种植的行距一般是3～4m，为了使机具可以适应不同的行距要求，提高机具的通用性，在设计机具时将机架设计为三段式，即中间为机架主梁、左右两边各设计一个副机架，两边的副机架可以在主梁中左右移动调节作业幅宽。为了保证机具作业时可以承受较大的耕作阻力，机架采用65Mn材料的钢板折弯成六边形结构，既可以实现主副机架的连接配合，也可以保证机架的整体结构强度。其结构如图3所示。

1.主机架 2.右副机架 3.左副机架图3 六边形机架结构示意图Fig.3 Hexagon rack structure structure diagram

2.2 行间除草装置设计

为了实现葡萄园浅层松土及切断杂草，采用双翼人字形铲刀结构，两片铲刀翅形分布，前部略低，后部略高，铲柄居中[7]，其结构如图4所示。

图4 人字形铲刀三维图Fig.4 3D model of herringbone blade

人字形铲刀的参数主要有：翼张角2γ，碎土角β，隙角ε，如图5所示。

人字形铲刀工作时，切根受力分析如图6所示。要使杂草根能沿翼刃滑动，则必须满足公式为

T≥F

式中T—杂草根沿刃口方向的力(N)；

F—阻止草根滑动摩擦力(N)。

根据图6切根受力分析可知

T=Pcosγ

式中T—杂草根沿刃口方向的力(N)；

P—前进方向作用于杂草根的力(N)；

γ—翼张角(o)。

F=Ntgφ

式中F—阻止草根滑动摩擦力(N)；

N—杂草根对切刀的压力(N)；

φ—杂草根与翼刃摩擦角(°)。

N=Psinγ

式中N—杂草根对切刀的压力(N)；

P—前进方向作用于杂草根的力(N)；

γ—翼张角(°)。

故γ≤90°-φ，对于不同种类作物的根系其与金属刃口的摩擦角度是不一样的，杂草根茬与金属类刃口的摩擦角大约为45°[8]。碎土角β愈大，碎土能力愈强，但是β太大土壤的侧移量愈大，阻力愈大，取β取值不超过20°，隙角ε≤10°[9]。

1.左切刀 2.铲柄 3.右切刀图5 人字形铲刀主要参数示意图Fig.5 The diagram of main parameters of herringbone blade

图6 切根受力分析图Fig.6 Force analysis of cut

2.3 避障除草装置设计

为了达到机具前进过程中既可以完成葡萄园行间除草、也可以实现株间除草的目的，设计了一种避障装置，主要由连接机架、避障传感器和株间除草装置组成。在连接机架上设有转轴，转轴上设有感应避障传感器，连接机架底部设有换向液压油缸。避障除草装置工作向前行进时，株间除草装置与行进方向呈垂直状态，当机具工作遇到障碍时，感应避障传感器工作将信号传递给液压油缸，液压油缸控制转轴旋转，从而带动株间避障除草装置转动与行进方向呈平行状态，实现避障效果。当越过障碍后，株间除草装置再次伸出与行进方向呈垂直状态，以此往复循环作业。具体的避障除草工作原理如图7、图8所示。

1.株间除草装置 2.避障传感器 3.连接机架图7 避障割草装置展开示意图Fig.7 The spread out structure diagram of obstacle avoidance mowing device

1.株间除草装置 2.避障传感器 3.连接机架图8 避障割草装置避障示意图Fig.8 The avoidance structure diagram of obstacle avoidance mowing device

2.4 碎土镇压装置设计

碎土镇压装置主要由小机架、主轴和镇压器组成，如图9所示。小机架通过螺栓与主轴相连接，主轴上穿装有网纹形镇压器。作业时，网状突起深入土中将次表层土壤压实，在地表形成松软的呈网状花纹的覆盖层，达到上松下实的要求，并有一定的碎土效果。碎土镇压器的主要作用是将中耕除草后的土壤压碎、压紧耕作层、平整土地，使得土壤松实并存，具有良好的保墒作用。

1.镇压器 2.主轴 3.小机架图9 碎土镇压装置结构示意图Fig.9 Crushed soil and repression device structure diagram

3 田间试验

2017年7月中旬，在新疆生产建设兵团第八师152团葡萄园进行了葡萄园株间避障除草机田间验证试验，配套动力为40.4kW拖拉机，如图10所示。

通过试验，测得葡萄园株间避障除草机在不同的作业速度和耕深作业时，碎土率都能达到90%以上，避障通过率达到100%。田间试验结果如表1所示。

表1 不同作业速度机具作业性能指标Table 1 The performance index by obstacle avoidance weeding machine farming on different operating speed

4 结论

葡萄园避障除草机的设计结合了当前新疆及兵团葡萄生产规模化、标准化的发展特点，在设计内容上重点解决了当前葡萄园人工除草劳动强度大、费时费力，以及化学除草残留农药大、影响葡萄品质的问题。该机具可以与中小型拖拉机配套使用，提高了农户拖拉机利用率，并可在葡萄园中方便通行，机具主梁还可以根据需求挂接不同功能耕整地部件，一机多用，操作灵活方便。