葡萄园自动避障除草机的设计*

济南大学泉城学院工学院 山东蓬莱 265600

1 设计背景

蓬莱市地处北纬37°，具有得天独厚的气候与土壤条件，是葡萄种植的“黄金海岸”。近年来，随着葡萄种植规模逐渐扩大，葡萄及葡萄酒产业已成为蓬莱四大支柱产业之一［1］。在蓬莱葡萄种植过程中，草害对葡萄生长影响较为严重。目前葡萄园的除草方式主要有人工除草、化学除草、机械除草。人工除草的主要特点是除草较为干净，能够除去行间及株间杂草，但是劳动强度大，除草效率低。化学除草的主要特点是高效、省时省力，但容易造成土壤板结及杂草产生抗药性。机械除草能够克服人工除草与化学除草的缺点，具有效率高、环保、经济效益好等优点［2］。

调查发现，蓬莱市葡萄种植多采用矮化密植方式，大部分除草机械只能除去葡萄行间的杂草，却不能除去葡萄株间的杂草［3-4］。针对蓬莱市葡萄园的种植特点，借鉴国内外先进除草机械，笔者设计了一种新型葡萄园自动避障除草机。这一除草机能够去除葡萄园行间与株间的杂草，可以中耕断根，提高土壤透气性，并能将杂草打碎还田，增强土壤肥力。

2 总体设计

如图1所示，葡萄园自动避障除草机由万向节伸缩传动轴、锥齿轮换向器、液压系统、卧式除草刀、立式除草刀、感应触杆等组成。

▲图1 葡萄园自动避障除草机

葡萄园自动避障除草机采用标准的三点悬挂架挂在拖拉机尾端［5］，动力由拖拉机的发动机经万向节伸缩传动轴传入，通过锥齿轮换向器改变动力方向，并将动力分为两部分。一部分动力经皮带传递至卧式除草刀，实现葡萄园的行间除草。另一部分动力通过液压系统的转换传递至液压缸与立式除草刀，实现葡萄园的株间除草。当感应触杆碰触到葡萄藤或水泥立柱时，会将信号传递至液压系统，通过电磁换向阀来控制液压缸活塞杆的伸缩，实现立式除草刀的自动避障功能，保证立式除草刀不损伤葡萄藤，并且能保证立式除草刀不碰撞立柱。葡萄园自动避障除草机主要技术参数见表1。

表1 葡萄园自动避障除草机主要技术参数

3 行间除草

3.1 卧式除草刀

行间除草装置主要由锥齿轮换向器、皮带传动装置、卧式除草刀组成。由卧式除草刀的旋转切入土壤，切断杂草根系。行间除草装置最重要的部分是卧式除草刀。卧式除草刀主要由除草轮、除草刀片及刀轴组成，如图2所示。除草刀片按螺旋线形式均匀分布在除草轮上，除草刀的轴向螺旋角为 30°。由于采用螺旋线形式的除草刀片，除草刀片切入土过程中由浅入深，使除草刀轴受力较为均匀，除草过程较为平稳可靠，并且能够减小除草刀片的磨损［6］。除草刀片采用7 mm厚的高强度钢，经淬火后刀刃处洛氏硬度（HRC）达到60，能够满足除草要求。根据蓬莱当地葡萄种植的农艺要求，葡萄树行距为1.5 m左右，为避免产生干涉，卧式除草刀轴向长度为1 m。理论上卧式除草刀的直径越大，除草效果越好，但功率消耗也就越大，因此，拟定卧式除草刀直径为300 mm。

▲图2 卧式除草刀

3.2 运动分析

行间除草装置进行除草时，采用顺铣方式进行，即除草轮旋转方向与拖拉机轮旋转方向相同。采用此种方式进行除草时，卧式除草刀向后下方进行切土抛土，刀轴切土的反作用力与拖拉机前进方向一致，有利于在湿软土壤环境下通过［7］。当采用顺铣方式除草时，除草刀上的各点轨迹为余摆线，即：

式中：v为拖拉机前进的速度；R为卧式除草刀回转半径；ω为卧式除草刀回转角速度；t为时间。

将卧式除草刀端点处线速度与拖拉机前进速度之比定义为速比λ，即：

如图3所示，卧式除草刀切入土壤除草时，土壤的残余高度a与λ有关，λ取值越小，土壤的残余高度a就越大；λ取值越大，土壤的残余高度a就越小。行间除草的效果也与除草刀切入土壤时的土壤残余高度a有关，残余高度a越小，除草率就越高。因此，λ可取较大值。

▲图3 卧式除草刀端点运动轨迹

4 株间除草

4.1 工作原理

株间除草装置由液压系统、立式除草刀、感应触杆、液压缸、斜拉杆等组成。如图4所示，株间除草装置安装于除草机右侧边板上，能够去除葡萄根部的杂草。行间除草时，立式除草刀伸进两棵葡萄树之间进行除草，当感应触杆碰到植株时，液压缸开始动作，使斜拉杆旋转一定的角度，从而使立式除草刀绕过葡萄藤进入相邻两棵葡萄树根部之间进行除草。液压缸运动靠液压换向阀来保证，感应触杆负责向液压换向阀提供信号。感应触杆采用柔性好的弹簧钢材料，遇到障碍时能够产生弹性变形，从而保障良好的信号传输［8-9］。

4.2 液压系统

株间除草装置的液压系统主要由油箱、液压缸、齿轮泵、调速阀、溢流阀、二位四通电磁阀等组成。如图5所示。液压系统齿轮泵的动力由锥齿轮换向器提供，齿轮泵为液压系统提供压力油，使液压缸及液压马达产生动作。二位四通电磁换向阀接收来自感应触杆的信号，控制液压缸活塞杆伸缩，从而实现立式除草刀的自 动避障功能［10］。

▲图4 行间除草装置

▲图5 液压系统

▲图6 立式除草刀

4.3 立式除草刀

立式除草刀采用双面刃刀片，刀片均匀地焊接在刀盘周围，如图6所示。为增强立式除草刀片的硬度，刀片经过淬火处理，刀片外圆及端面均经过刃磨。在行间除草的过程中，除草刀刀片的外圆刃和端面刃同时切入土壤中，切断杂草根系。另外，立式除草刀刀盘外圈采用橡胶材料，起到保护葡萄藤的作用，防止旋转刀盘对葡萄藤产生伤害。

5 结束语

根据蓬莱市葡萄园的种植特点，设计了一种葡萄园自动避障除草机。这一除草机不仅能够有效去除葡萄园的行间杂草，而且能够自动避开障碍物而不伤害葡萄藤，去除株间杂草。因此，这一除草机能够有效提高劳动生产率，保障葡萄的正常生长，对农民增收具有较好的现实意义。