王 石， 张燕琴， 刘瑞林* ， 付 琼

(1.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.浙江省林业科学研究院，浙江 杭州 310023)

除草、松土是经济林抚育作业中需多次重复的重要工作[1]，目前我国现有除草松土设备以条状、带状作业为主[2]，存在林木根部及株间部分土壤无法进行松土、除草作业的问题，需要人工进行二次补充作业，严重制约作业效率，对于经济林株间松土除草尤为重要，人工进行株间除草松土作业劳动强度大，作业效率低，作业成本高，尤其在目前从事林业行业的劳动力明显短缺的情况下，人工成本成为作业成本的主要构成部分，研究开发株间除草技术装备，减少人工参与作业是控制成本的重要途径[3]。

1 结构组成、基本参数及工作原理

1.1 结构组成

拖拉机后悬挂自避障除草设备由悬挂系统、避障系统、除草系统、液压传动系统及机架总成组成[4]，如图1所示。

(1)悬挂系统：避障除草设备后悬挂拖拉机工作，由拖拉机液压系统控制设备升降及其幅度；

(2)避障系统：设备避障系统由探杆、摆缸、液压行程开关及摆臂组成，由液压驱动摆缸实现避障动作；

(3)除草系统：设备除草系统由除草刀片、除草松土刀片、驱动液压马达及安全防护罩组成，由液压驱动液压马达实现除草作业；

(4)液压传动系统：设备设计有液压系统，由拖拉机输出轴带动液压泵实现液压系统运转，液压系统由油箱、液压泵、液压控制元件、液压执行元件组成；

(5)机架总成：由型钢、钢板焊合组装而成。

图1 拖拉机后悬挂自避障除草设备1.驱动液压马达；2.除草刀片组；3.摆臂；4.探杆；5.液压触动开关(液压行程阀)；6.摆臂油缸；7.油箱；8.调整油缸；9.液压阀组成；10.限深轮；11.机架

1.2 基本参数

1.3 工作原理

后悬挂式自避障株间除草设备为左右对称形式，两端各安装除草松土刀头，两个刀头距离由液压缸调整，以适应不同行距的两排树木同时进行株间除草、松土作业。两端刀头各配有障碍物识别探杆，可以分别探测识别树木等障碍物，由探杆通过液压行程开关控制液压系统对避障油缸进行动作以避让树木等障碍物，且两除草工作头互相不受干扰，独立完成。在设备行进过程中，探杆碰到树木等障碍物时会绕支点转动，并带动行程开关式液压阀组控制避障油缸做伸缩运动，从而带动除草刀头避让树木等障碍物，实现避障除草松土作业。工作原理如图2所示。

配套动力(拖拉机)/马力≥30长×宽×高/mm2 100×1 050×800刀盘转速/rpm850～1 200拖拉机输出轴转速/rpm1 000作业幅宽(行距)/mm2 500～3 200作业方式/行2液压系统压力/MPa16液压系统排量/mL/R80

图2 工作原理1.除草刀头；2.探杆；3.避障液压油缸；4.调整液压油缸；5.液压油箱系统

2 主要零部件设计

后悬挂自避障株间除草设备主要部件包括避障系统、除草总成及液压系统。

2.1 避障系统

避障系统是保证株间除草作业的最关键部件，只有精准自动避障才能实现机械化株间除草作业，避障系统中探杆的灵敏度越高设备应用范围越广泛，对于细嫩树木(如葡萄等)需要较高的探杆反应灵敏度，准确设计探杆灵敏度是株间除草设备的关键。由于经济林除草季节枝叶茂密对于更加灵敏的光电识别容易造成干扰误判，所以采用更加灵敏的光电识别障碍物技术并不可取。

2.2 除草总成

除草总成是实现除草作业理想效果的关键部件，设计除草总成中重点研究解决刀盘缠绕杂草问题，研究开发除草刀片避免造成挖穴钻探现象，考虑采用组合刀片形式。由于除草松土作业所切割对象不属于无支撑切割，所以刀盘转速可以低一些。还要考虑除草刀盘转速与作业行进速度匹配，避免产生拖拽现象。

2.3 液压系统

液压系统是自避障株间除草设备的核心，为执行避障、除草、姿态调整的动作传递动力。依据作业土壤环确定刀盘驱动马达扭矩及转速，并依据所需作业功率确定技术液压系统压力、流量及液压泵的各项参数，液压泵选用经济耐用的齿轮泵为主。研究设计液压系统时，重点考虑两个除草工作头同时工作又不互相干扰的问题，选用的液压元器件要求液压油纯度较高，需要除液压油箱本身的过滤器件外加装25 μm以上过滤器，并且正确安装，经常清洗。刀盘驱动马达前端安装调试阀按实际需要在一定范围调整马达转速，以达到最佳作业效果。行距调整油缸需要安装液压锁以固定调整好的工作头距离。本套液压系统采用PLC控制，方便驾驶员操作。液压原理如图3所示。

图3 液压原理1.液压齿轮泵；2.液压精滤器；3.控制阀；4.避障油缸；5.行距调整油缸；6.液压锁；7.液压阀；8.液压马达；9.调速阀

3 性能试验测试

3.1 试验目的

试验主要测试检验设备的液压系统、除草总成、避障系统等各主要部件的可靠性、稳定性各项技术指标是否符合设计要求，以及设备的工作效率、能耗及损耗情况。

3.2 试验地的选择

为了验证研发设备的各项性能指标，选择应用广泛的葡萄园进行性能试验测试工作。

3.3 试验前的技术准备及设备调试

(1)实验材料：30马力拖拉机，0#柴油，HL-32液压油，葡萄园(行距2.5 m以上)。

(2)试验方法：参照国家标准GB/T 5667-2008《农业机械 生产试验方法》执行。

(3)试验仪器：皮尺、秒表、光电测速仪、倾角仪、记录表、卡尺、计数器

3.4 设备调试

(1)拖拉机加注0#柴油、设备加注HL-32液压油；

(2)在样机试验前全面检查各零部件运转情况，各部件应运转灵活，无卡滞现象；

(3)连续运转液压系统，并进行排气操作，以免液压系统出现喘气现象；

(4)试验前对操作人员进行必要的安全培训，作业10 m半径内不得有无关人员进入；

(5)试验前样机空转运行3 min 。

3.5 性能试验及测定

研发设备进行了5次试验测试，主要针对除草刀盘转速，液压系统常用压力，两个除草工作头独立工作能力及避障情况进行测定。试验测试现场1如图4所示，试验测试现场2如图5所示。

3.6 试验测试结果

(1)试验测定液压系统常用压力为8～12 MPa之间运行；

(2)除草刀盘转速在850～1 200 rpm正常作业范围；

(3)避障系统灵活效果理想；

(4)两个除草工作头独立作业没有出现相互干扰现象；

(5)除草刀片入土深度20 mm以内效果更好，超过20 mm表现出拖拉机功率不足。

通过试验测定研发设备各项技术指标基本符合设计预期目标。

图4 试验测试现场1

图5 试验测试现场2

4 应用前景

国内目前还没有自动避障株间除草设备应用于林业抚育作业，行间除草松土设备技术研究尚不成熟，大多参照国外相关技术，如辽宁省新民县机械林场研制的1500型株行间除草松土机，圆盘工作部件可进行行间除草和松土作业，现有株间除草装置是利用安装在圆盘组上的地轮对地面的附着力，驱动齿杆旋转完成除草和松土作业，但效果不够理想，且损伤林木。

抚育管理是提高林分质量，提高造林成活率，促进林木速生、优质、高产的重要措施。抚育管理的内容很多，包括中幼林的除草、松土、清林、割灌、修枝和成林的抚育间伐等。不同的立地条件和树种、不同的经营方式，对抚育管理的内容和要求不同。一般要求从造林开始连续抚育3～5年，每年1～2次。由于造林后要进行多次抚育，因此抚育的面积要比造林面积大几倍，据估计抚育的工作量，按3年计算，是造林总工作量的5～6倍。

除草、松土是经济林抚育作业中多次重复且最重要的基础工作，研究的自避障株间除草松土设备是人工作业效率的80倍，可以为企业节约70%的作业成本，节省80%劳动力，可为1万亩经济林企业带来直接经济效益600万元/年，研发产品经济效益显著，研发设备在注重提高自动化、智能化的同时，更注重设备的轻型化、实用化，配套动力在30马力以上的大棚用拖拉机就可以正常工作，适于全国大部分地区推广使用，具有广阔的市场前景。