高 強(qiáng)，袁向東

（1.寧夏農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750001；2.寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，寧夏回族自治區(qū) 銀川 75000）

葡萄園除草管理對(duì)于提高葡萄品質(zhì)至關(guān)重要。目前，除草方法主要分為化學(xué)除草和非化學(xué)除2 種方法，長(zhǎng)期使用化學(xué)方法除草使用會(huì)破壞生態(tài)環(huán)境，非化學(xué)除草中機(jī)械除草方法應(yīng)用較廣。葡萄行間除草機(jī)械目前種類(lèi)較多且成熟，但葡萄株間除草需避免對(duì)葡萄主桿、枝條的損傷并能高效完成除草作業(yè)，難度較大，因此株間除草機(jī)械研究進(jìn)展緩慢。

目前研究主要針對(duì)株距較大的作物，而賀蘭山東麓籬架式葡萄栽培模式多且不規(guī)范，株距在500~1 000 mm，行距在2 500~3 500 mm，栽培模式主要有廠字形、獨(dú)龍臂、T 形等，葡萄主桿與地面水平傾斜角度為26°~90°，第一道架絲離地高度159~700 mm，導(dǎo)致株間除草作業(yè)空間有限，容易傷株，加大了葡萄株間除草機(jī)械化的難度，目前，國(guó)內(nèi)外研制的葡萄除草機(jī)都不能很好地進(jìn)行除草作業(yè)。本文主要針對(duì)株距≥600 mm 的籬架式釀酒葡萄的株間除草問(wèn)題，設(shè)計(jì)了適用賀蘭山東麓釀酒葡萄多種栽培模式、可自動(dòng)避障的葡萄自動(dòng)避障株間除草機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)除草機(jī)），并進(jìn)行了田間機(jī)具性能試驗(yàn)和結(jié)果驗(yàn)證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

葡萄自動(dòng)避障株間除草機(jī)主要包括機(jī)架、限深機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)及自動(dòng)避障除草機(jī)構(gòu)等。機(jī)架采用方管構(gòu)件，前端焊有三點(diǎn)懸掛架，液壓齒輪泵通過(guò)萬(wàn)向節(jié)與拖拉機(jī)后輸出軸相連；限深機(jī)構(gòu)包括地輪和地輪高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)；除草機(jī)的液壓系統(tǒng)由電磁閥組、液壓齒輪泵、液壓油箱、風(fēng)冷器、液壓馬達(dá)、液壓油缸和油管等組成；自動(dòng)避障除草機(jī)構(gòu)由避障觸桿、觸桿復(fù)位彈簧、拔草盤(pán)、拔草爪和除草刀等組成。其整機(jī)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 葡萄自動(dòng)避障株間除草機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Grape automatic obstacle avoidance between plant weeding machine structure drawing

1.2 工作原理

機(jī)具通過(guò)三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)連接。作業(yè)時(shí)，駕駛員根據(jù)除草機(jī)與葡萄植株的距離，可調(diào)節(jié)寬度調(diào)節(jié)液壓缸改變除草刀作業(yè)寬度以達(dá)到最佳除草位置，調(diào)節(jié)地輪高度以確保除草刀入土深度。作業(yè)時(shí)，除草刀以一定角度入土將株間雜草鏟起，除草刀上方的拔草盤(pán)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)拔草爪轉(zhuǎn)動(dòng)，在雜草被除草鏟鏟起的同時(shí)，拔草爪的旋轉(zhuǎn)將雜草拔離。隨著拖拉機(jī)的前進(jìn)，當(dāng)避障觸桿碰到葡萄植株時(shí)，避障觸桿會(huì)繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，控制自動(dòng)避障液壓缸收縮，自動(dòng)避障除草機(jī)構(gòu)向拖拉機(jī)行進(jìn)方向反向擺動(dòng)適當(dāng)角度，使除草刀及拔草盤(pán)避開(kāi)葡萄植株，避免對(duì)植株的損傷；避障觸桿避開(kāi)葡萄植株后由復(fù)位彈簧將觸桿復(fù)位，使避障液壓缸再次伸出帶動(dòng)除草刀快速?gòu)?fù)位繼續(xù)除草。除草機(jī)的作業(yè)軌跡和除草區(qū)域見(jiàn)圖2。

圖2 除草機(jī)的作業(yè)軌跡和除草區(qū)域圖Fig.2 Working track and weeding area map of the weeding machine

1.3 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)賀蘭山東麓籬架式葡萄栽培模式及農(nóng)藝條件，葡萄自動(dòng)避障株間除草機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 機(jī)具主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of machines and tools

2 避障除草裝置的設(shè)計(jì)

2.1 避障觸碰桿的設(shè)計(jì)

經(jīng)田間反復(fù)試驗(yàn)、分析和總結(jié)，避障觸桿在除草作業(yè)過(guò)程中，避障觸桿與葡萄植株接觸的長(zhǎng)度要有1/3左右伸出，并且避障觸桿與葡萄植株接觸的角度閾值在12°~15°，信號(hào)采集機(jī)構(gòu)接收到傳感器信號(hào)傳遞后液壓缸開(kāi)始工作進(jìn)行避障。因此，株間除草機(jī)避障觸桿伸出部分長(zhǎng)度在280~320 mm 時(shí)效果最好，行株間除草機(jī)避障觸桿總長(zhǎng)在850~950 mm 時(shí)效果最好，見(jiàn)圖3。

圖3 避障觸桿與葡萄植株接觸的角度閾值Fig.3 Angle threshold of contact between obstacle avoidance contact rod and grape plant

2.2 除草裝置的設(shè)計(jì)

為獲得更好的株間除草效果，結(jié)合雜草特性，設(shè)計(jì)了一種帶有拔離功能的除草裝置。該裝置主要由液壓馬達(dá)、除草刀、拔草盤(pán)、避障裝置等組成。作業(yè)過(guò)程中，拖拉機(jī)沿葡萄行方向前進(jìn)帶動(dòng)除草機(jī)行進(jìn)，除草刀以一定角度入土將株間雜草鏟起，液壓系統(tǒng)控制拔草盤(pán)的液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)拔草爪旋轉(zhuǎn)，雜草被除草刀鏟起的同時(shí)，由旋轉(zhuǎn)的拔草爪將雜草拔離，達(dá)到除草的目的。除草裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 除草裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of the weeding device

3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)概述

田間試驗(yàn)于2022年8月23日—8月29日進(jìn)行，地點(diǎn)在寧夏紅寺堡酒莊葡萄種植基地和青銅峽市馬蘭花酒莊葡萄種植基地。試驗(yàn)采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為灰鈣土，葡萄栽培模式為“廠”字形，行距3.5 m，平均株距701 mm，株間平均雜草密度103 株/m2，雜草主要為灰條草和苦苦菜，最大雜草直徑10 mm。配套拖拉機(jī)東風(fēng)804。

試驗(yàn)用儀器：土壤堅(jiān)實(shí)度儀、土壤水分測(cè)定儀、數(shù)顯溫濕度表、PC100B 秒表、50 m 鋼卷尺、1 000 mm 鋼直尺等（均檢定合格，在檢定周期內(nèi)）。

3.2 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

驗(yàn)證除草機(jī)能否按照性能設(shè)計(jì)指標(biāo)要求完成田間作業(yè)；驗(yàn)證除草機(jī)的自動(dòng)避障效果和傷株情況。

3.3 試驗(yàn)條件

按T/NXJX 022——2021《葡萄行株間除（割）草機(jī)》規(guī)定，試驗(yàn)地應(yīng)符合葡萄株間除草機(jī)的適用范圍，其中葡萄栽培行距≥3 m、株距≥600 mm，試驗(yàn)地塊應(yīng)平坦，土壤類(lèi)型及大小應(yīng)具有一定的代表性。

按GB/T 5262——2008《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)定方法》規(guī)定，開(kāi)展試驗(yàn)地田間調(diào)查。采用五點(diǎn)取樣法選取5 點(diǎn)測(cè)定土壤含水率、土壤堅(jiān)實(shí)度，環(huán)境溫濕度，取平均值，并記錄土壤類(lèi)型、葡萄種植模式等。行株間雜草調(diào)查，在試驗(yàn)地內(nèi)隨機(jī)選擇9個(gè)株距符合當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求的取樣點(diǎn)，每點(diǎn)長(zhǎng)為相鄰兩植株間中心連線長(zhǎng)度，寬為沿連線水平方向兩邊各延長(zhǎng)25 cm，測(cè)定每個(gè)點(diǎn)面積內(nèi)雜草的數(shù)量，取平均值為株間除草前株間草。檢查校正測(cè)量器具，試驗(yàn)樣機(jī)和配套拖拉機(jī)的技術(shù)狀態(tài)應(yīng)符合說(shuō)明書(shū)要求。

試驗(yàn)地條件及田間調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)地條件及田間調(diào)查結(jié)果Tab.2 Experimental site conditions and field investigation results

3.4 試驗(yàn)方法

株間除草率的測(cè)定：取測(cè)區(qū)長(zhǎng)150 m，兩端穩(wěn)定區(qū)10 m。除草機(jī)在使用說(shuō)明書(shū)規(guī)定的作業(yè)速度下作業(yè)，以同一行葡萄往返除草1次為1個(gè)作業(yè)行程，共作業(yè)3個(gè)行程。每行程隨機(jī)選3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)定每個(gè)點(diǎn)面積內(nèi)未切除雜草數(shù)量（測(cè)定方法同株間除草前株間草測(cè)定方法），取9個(gè)點(diǎn)未除雜草的平均值作為株間除草后的未除雜草數(shù)量。按式（1）計(jì)算除草率。

式中：C——株間除草率，%；Wq——作業(yè)前9 點(diǎn)株間平均雜草數(shù)量，個(gè)；Wh——作業(yè)后9 點(diǎn)株間平均未除凈雜草數(shù)量，個(gè)。

傷株率的測(cè)定：與除草率測(cè)定同時(shí)進(jìn)行，測(cè)定每行程內(nèi)的葡萄株總數(shù)和損傷葡萄株數(shù)，按式（2）計(jì)算傷株率。

式中：S——傷株率；MS——測(cè)定長(zhǎng)度內(nèi)損傷株數(shù)，個(gè)；MZ——測(cè)定長(zhǎng)度內(nèi)總株數(shù)，個(gè)。

純工作小時(shí)生產(chǎn)率（作業(yè)速度）的測(cè)定：與除草率測(cè)定同時(shí)進(jìn)行，記錄除草機(jī)作業(yè)1 個(gè)行程所用的時(shí)間，按式（3）計(jì)算純工作小時(shí)生產(chǎn)率（作業(yè)速度）。

式中：V——純工作小時(shí)生產(chǎn)率，m/h；L——除草機(jī)作業(yè)1個(gè)行程所行駛的長(zhǎng)度，m；T——除草機(jī)作業(yè)1個(gè)行程所用時(shí)間，s。

通過(guò)試驗(yàn)，測(cè)得不同組相同作業(yè)條件下的作業(yè)除草率見(jiàn)表3。傷株率和純工作小時(shí)生產(chǎn)率見(jiàn)表4。

表3 除草率試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Except for sloppy test data

表4 “傷株率與純工作小時(shí)生產(chǎn)率”試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of"plant injury rate and net working hour productivity"

4 結(jié)論

本文針對(duì)寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄株間除草問(wèn)題設(shè)計(jì)的葡萄自動(dòng)避障株間除草機(jī)，田間試驗(yàn)表明，株間除草率為85.8%，株間傷株率為0.37%，工作效率為2 104 m/h，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本研究為后續(xù)籬架式葡萄自動(dòng)避障株間除草機(jī)的優(yōu)化提供了參考。