一种果园中耕避障除草机的设计与试验

doi:10.13304/j.nykjdb.2024.0052

摘要/Abstract

摘要：

针对果园树干间杂草难去除的问题设计了一种果园中耕避障除草机，包括行间除草机构、株间除草机构、液压避障组件等，可实现行间和株间的中耕除草作业，通过触式弹簧避障杆联动液压缸驱动四连杆机构，实现株间除草机构的避障。利用EDEM软件以除草轮的转速、入土深度、行进速度为指标进行3因素3水平正交仿真试验和作业参数优化，最佳参数组合为：除草轮转速500 r·min^-1、入土深度80 mm、前进速度1.2 m·s^-1。样机田间试验表明，其除草作业的避障通过率100%，漏耕率3.44%，损伤率0%，平均耕深为80.9 mm，耕深稳定性系数为97.8%，生产率为0.86~1.38 hm²·h^-1。研究结果可为果园中耕避障除草机设计提供参考。

关键词: 果园机械, 中耕, 株间除草, 离散元

Abstract:

An orchard obstacle avoidance inter-row weeding cultivator was designed to address the problem of difficult weed removal between the tree trunks in the orchard， which mainly included inter-row weeding mechanism， intra-row weeding mechanism， hydraulic obstacle avoidance components， and could achieve inter-row and intra-row cultivating and weeding operations. The obstacle avoidance of the intra-row weeding mechanism was achieved by the linkage of the touch spring obstacle avoidance rod and the hydraulic cylinder-driven four-bar linkage mechanism. Using EDEM software， three-factor three-level orthogonal simulation experiments and operational parameter optimization were conducted with weeding wheel rotation speed， soil tillage depth and forward speed as indicators. The optimal parameter combination was found as follows： the weeding wheel rotation speed of 500 r·min^-1， the soil tillage depth of 80 mm， and the forward speed of 1.2 m·s^-1. Field experiments of the prototype were conducted， with a weed avoidance rate of 100%， a missed tillage rate of 3.44%， no damage， an average tillage depth of 80.9 mm， a tillage depth stability coefficient of 97.8%， and a productivity ranging from 0.86 to 1.38 hm²·h^-1. Above results could provide reference for the design of obstacle avoidance and weeding machines in orchards.

Key words: orchard machinery, cultivation, intra-row weeding, discrete element

中图分类号:

S224.1

奚小波, 丁杰源, 张文帝, 史扬杰, 金亦富, 张瑞宏. 一种果园中耕避障除草机的设计与试验[J]. 中国农业科技导报, 2025, 27(7): 101-110.

Xiaobo XI, Jieyuan DING, Wendi ZHANG, Yangjie SHI, Yifu JIN, Ruihong ZHANG. Design and Experiment of Orchard Obstacle Avoidance Weeding Cultivator[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2025, 27(7): 101-110.

图/表 18

图1 果园中耕避障除草机整体结构注：1—避障杆； 2—液压避障组件； 3—机架； 4—液压阀； 5—液压马达； 6—除草轮； 7—除草铲； 8—挡泥板； 9—弹簧缓冲机构； 10—链轮传动箱； 11—中间齿轮箱； 12—行走轮。

Fig. 1 Overall structure of orchard obstacle avoidance weeding cultivatorNote： 1—Obstacle avoidance pole； 2—Hydraulic obstacle avoidance components； 3—Frame； 4—Hydraulic valve； 5—Hydraulic motor； 6—Weeding wheel； 7—Weeder tine； 8—Mudguard； 9—Spring buffer mechanism； 10—Chain wheel drive box； 11—Intermediate gearbox； 12—Walking wheel.

图2 行间除草机构传动注：1—动力输入轴； 2—锥齿轮箱； 3—链轮传动； 4—联轴器；5—主传动轴； 6—除草单体； 7—液压泵。

Fig. 2 Inter-row weeding mechanism transmissionNote： 1—Power-failure detection input shaft； 2—Bevel gear box； 3—Sprocket feed； 4—Coupling； 5—Main driving shaft； 6—Weed removal unit； 7—Hydraulic pump.

图3 株间除草机构液压系统注：1—液压油箱； 2—液压泵； 3—溢流阀； 4—换向阀； 5—液压油缸； 6—液压马达； 7—调速阀； 8—减压阀； 9—单向阀。

Fig. 3 Intra-row weeding mechanism hydraulic systemNote： 1—Hydraulic reservoir；2—Hydraulic pump；3—Overflow valve；4—Reversing valve；5—Hydraulic cylinder；6—Hydraulic motor；7—Speed-control valve；8—Reducing valve；9—Check valve.

图4 除草单体注：1—除草轮； 2—机架； 3—轴承座； 4—联轴器； 5—弹簧缓冲机构； 6—链轮传动箱。

Fig. 4 Weed removal unitNote： 1—Weeding wheel；2—Frame；3—Bearing seat；4—Coupling；5—Spring buffer mechanism；6—Chain wheel drive box.

图5 避障机构注：1—复位弹簧； 2—换向阀； 3—液压缸； 4—避障连杆； 5—缓冲弹簧； 6—避障杆； 7—除草轮； 8—液压马达； 9—调节杆。

Fig. 5 Obstacle avoidance mechanismNote： 1—Reset spring； 2—Reversing valve； 3—Hydraulic cylinder； 4—Obstacle avoidance connecting rod； 5—Buffer spring； 6—Obstacle avoidance pole； 7—Weeding wheel； 8—Hydraulic motor； 9—Regulating stem.

表1 整机性能参数

Table 1 Overall performance parameters

项目

Item

数值

Value

尺寸（长×宽×高）

Dimensions （length × width × height）/mm

2 975×1 438×928

与拖拉机连接方式

Coupling mean

三点悬挂

Trifilar suspension

配套动力

Matching power/kW

54.1

耕深

Tillage depth/cm

作业幅宽

Working width/cm

300

除草轮转速

Weeding wheel rotation speed/（r·min^-1）

500

表2 离散元仿真参数

Table 2 Discrete element simulation parameters

项目 Item	参数 Parameter	数值 Value
土壤颗粒 Soil particle	泊松比Poisson ratio	0.3
	剪切模量Shear modulus/Pa	6×10⁷
	密度Density /（kg·m^-3）	1 596
	颗粒半径Particle radius/mm	10
	恢复系数Coefficient of restitution	0.5
	静摩擦系数Coefficient of static friction	0.5
	动摩擦系数Coefficient of kinetic friction	0.1
除草轮 Weeding wheel	泊松比Poisson ratio	0.31
	剪切模量Shear modulus/Pa	2×10⁸
	密度Density/（kg·m^-3）	7 850
	恢复系数Coefficient of restitution	0.35
	静摩擦系数Coefficient of static friction	0.29
	动摩擦系数Coefficient of kinetic friction	0.1

图6 除草轮-土壤离散元耕作模型

Fig. 6 Weeding wheel-soil discrete element cultivation model

表3 试验因素水平表

Table 3 Experimental factor level

水平Level

A：入土深度

Tillage depth/mm

B：转速

Rotation speed/（r·min^-1）

C：行进速度

Forward speed/（m·s^-1）

图7 除草轮运动轨迹

Fig. 7 Movement trajectory of the weeding wheel

图8 避障除草轨迹

Fig. 8 Obstacle avoidance weeding trajectory

图9 避障位置

Fig. 9 Obstacle avoidance position

图10 避障过程分析示意

Fig. 10 Obstacle avoidance process analysis diagram

表4 正交试验结果与极差分析

Table 4 Orthogonal experimental results and range analysis

序号 Serial number	因素水平Factor level			土壤扰动表面积 Soil disturbance surface area/m²
序号 Serial number	A：入土深度 Tillage depth/mm	B：转速 Rotation speed/（r·min^-1）	C：行进速度 Forward speed/（m·s^-1）	土壤扰动表面积 Soil disturbance surface area/m²
1	20	150	1.2	0.917 2
2	20	360	1.4	1.782 8
3	20	500	1.6	2.095 4
4	50	150	1.4	0.933 2
5	50	360	1.6	1.613 8
6	50	500	1.2	3.033 4
7	80	150	1.6	1.230 4
8	80	360	1.2	2.709 7
9	80	500	1.4	3.144 0
K₁	4.795 4	3.080 8	6.660 3
K₂	5.580 4	6.106 3	5.860 0
K₃	7.084 1	8.272 8	4.939 6
k₁	1.598 5	1.026 9	2.220 1
k₂	1.860 1	2.035 4	1.953 3
k₃	2.361 4	2.757 6	1.646 5
极差R	0.762 9	1.730 7	0.573 6
影响程度 Influence degree	B>A>C
最优组合 Optimal composition	A₃B₃C₁

表5 避障通过率测试结果

Table 5 Obstacle avoidance pass rate test results

指标Index	机具速度 Machine speed/（m·s^-1）
指标Index	1.2	1.4	1.6
树木总数 Total number of trees	20	25	23
避障完成总数 Number of obstacle avoidance	20	25	23
避障率 Obstacle avoidance percentage/%	100	100	100

表6 损伤率测试结果

Table 6 Damage rate test results

测试项目 Testing item	复位弹簧弹性系数 Elastic coefficient of reset spring/（N·mm^-1）
测试项目 Testing item	20	30
树木总数 Total number of trees	20	20
避障完成总数 Number of obstacle avoidance	20	20
避障率 Obstacle avoidance percentage/%	100	100
果树擦伤数 Number of fruit tree abrasions	0	3
果树损伤比 Scratch ratio of fruit trees/%	0	15

表7 漏耕率测试结果

Table 7 Missed tillage rate test results

试验序号 Test number	果园总面积 Total orchard area/m²	去除树干后的土地面积 Land area without tree trunks/m²	实际耕作面积 Actual tillage area/m²	漏耕率 Missed tillage rate/%
1	30	24	23.25	3.23
2	30	23	22.10	4.07
3	30	25	24.40	2.46
4	30	26	24.95	4.21
5	30	24	23.25	3.23

表8 耕深测试结果

Table 8 Tillage depth test results

试验序号 Test number	平均值 Average/mm	标准差 Standard deviation/mm	变异系数 Coefficient of variation/%	稳定性系数 Stability coefficient/%
1	79.5	1.68	2.11	97.89
2	81.2	2.28	2.81	97.19
3	82.0	2.00	2.49	97.51
4	81.0	1.14	1.40	98.60

参考文献 24

[1]	白勇, 王晓燕, 胡光, 等. 非化学方法在农田杂草防治中的应用[J]. 农业机械学报, 2007, 38(4): 191-196.
	BAI Y, WANG X Y, HU G, et al.. Review of the development in non-chemical weed management [J]. Trans.Chin.Soc.Agric.Mach., 2007, 38(4): 191-196.
[2]	CORDILL C, GRIFT T E.Design and testing of an intra-row mechanical weeding machine for corn [J]. Biosyst.Eng., 2011,110(3): 247-252.
[3]	齐月, 李俊生, 闫冰, 等. 化学除草剂对农田生态系统野生植物多样性的影响[J]. 生物多样性, 2016, 24(2): 228-236.
	QI Y, LI J S, YAN B, et al.. Impact of herbicides on wild plant diversity in agro-ecosystems:a review [J]. Biodivers. Sci., 2016, 24(2): 228-236.
[4]	王金峰, 王金武, 闫东伟, 等. 3SCJ-2型水田行间除草机设计与试验[J]. 农业机械学报, 2017, 48(6): 71-78, 202.
	WANG J F, WANG J W, YAN D W, et al.. Design and experiment of 3SCJ-2 type row weeding machine for paddy field [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach., 2017, 48(6): 71-78, 202.
[5]	REBICH R A, COUPE R H, THURMAN E M. Herbicide concentrations in the Mississippi River Basin—the importance of chloroacetanilide herbicide degradates [J]. Sci. Total Environ., 2004, 321(1/2/3): 189-199.
[6]	张晋, 陈伟, 朱继平, 等. 果园自动避障中耕除草管理机设计与试验[J]. 中国农机化学报, 2020, 41(8): 40-49.
	ZHANG J, CHEN W, ZHU J P, et al.. Design and experiment of automatic obstacle avoidance cultivation weeding management machine [J]. J. Chin. Agric. Mech., 2020, 41(8): 40-49.
[7]	朱站伟, 汤智辉, 何义川, 等. 果园株间除草自动避障装置的设计与试验[J]. 农机化研究, 2020, 42(6): 147-153.
	ZHU Z W, TANG Z H, HE Y C, et al.. Design and experiment of automatic obstacle avoidance device for weeding between plants [J]. J. Agric. Mech. Res., 2020, 42(6): 147-153.
[8]	陈平录, 许静, 翟因敏, 等. 丘陵山区低矮树型果园立式微耕机的设计与试验[J]. 机械设计与制造, 2021(2):299-303.
	CHEN P L, XU J, ZHAI Y M, et al.. Design and experimental study of vertical micro-cultivator for low trees in hilly orchard [J]. Mach. Des. Manuf., 2021(2): 299-303.
[9]	鲍秀兰, 严煜, 毛金城, 等. 果园割草机器人甩刀设计与分析[J]. 华中农业大学学报, 2020, 39(6): 136-143.
	BAO X L, YAN Y, MAO J C, et al.. Design and analyses of swinging blade for orchard mowing robot [J]. J. Huazhong Agric. Univ., 2020, 39(6): 136-143.
[10]	付作立, 王德成, 李卫, 等. 双圆盘式苜蓿旋转切割器设计与试验[J]. 农业机械学报, 2018, 49(): 214-220.
	FU Z L, WANG D C, LI W, et al.. Design and experiment of two-disc rotary mower of alfalfa [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach., 2018, 49(S1): 214-220.
[11]	王永烁, 康建明, 彭强吉, 等. 果树株间避障除草机设计与试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53(8): 2410-2420.
	WANG Y S, KANG J M, PENG Q J, et al.. Design and experiment of obstacle avoidance weeding machine for fruit trees [J]. J. Jilin Univ. (Eng. Technol.), 2023, 53(8): 2410-2420.
[12]	SCARFONE A, PICCHIO R, DEL GIUDICE A, et al.. Semi-automatic guidance vs . manual guidance in agriculture: a comparison of work performance in wheat sowing [J/OL]. Electronics, 2021, 10(7): 825 [2024-12-30]. .
[13]	高文杰, 张锋伟, 戴飞, 等. 果园机械化装备研究进展与展望[J]. 林业机械与木工设备, 2021, 49(12): 9-20.
	GAO W J, ZHANG F W, DAI F, et al.. Research progress and prospects of orchard mechanized equipment [J]. For. Mach. Woodwork. Equip., 2021, 49(12): 9-20.
[14]	吕金庆, 刘金妮, 赵治明, 等. 马铃薯碎土整地联合作业机设计与试验[J]. 农业机械学报, 2023, 54(8): 19-29.
	LYU J Q, LIU J N, ZHAO Z M, et al.. Design and test of key components of potato soil-crushing site preparation machine [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Mach., 2023, 54(8): 19-29.
[15]	杨启志, 杨鑫宇, 赫明胜, 等. 葡萄分层旋抛式清土起藤机高效旋抛刀设计与试验[J]. 农业工程学报, 2022, 38(24): 44-51.
	YANG Q Z, YANG X Y, HE M S, et al.. Design and experiment of the rotary throwing knife of wine grape cleaning machine [J]. Trans. Chin. Soc. Agric. Eng., 2022, 38(24): 44-51.
[16]	张帅磊. 深松铲错位布置对土壤扰动影响的仿真与试验研究[D]. 杨凌: 西北农林科技大学, 2018.
	ZHANG S L. Simulations and experiments of soil disturbance as affected by the dislocation arrangement of subsoilers [D]. Yangling: Northwest A&F University, 2018.
[17]	崔宏伟. 水田除草机自动避苗控制系统研究[D]. 广州: 华南农业大学, 2017.
	CUI H W. Study on control system with automatic avoiding rice seedlings ofweeder for paddy [D]. Guangzhou: South China Agricultural University, 2017.
[18]	丁艳, 朱继平, 袁栋, 等. 旋耕机: [S]. 北京:中国标准出版社, 2017.
[19]	李宝筏. 农业机械学[M]. 北京: 中国农业出版社, 2003:1-438.
[20]	朱站伟. 果园株间除草自动避障装置的设计与试验研究[D]. 石河子: 石河子大学, 2020.
	ZHU Z W.Design and experimental study of an automatic obstacle avoidance device between weeds in orchards [D]. Shihezi: Shihezi University, 2020.
[21]	中国农机研究院. 农业机械设计手册[M]. 北京: 中国农业科学技术出版社, 2007: 1-1885.
[22]	沈启扬, 雷哓晖, 马拯胞, 等. F. US-UFO型果园避障割草机试验研究[J]. 中国农机化学报, 2021, 42(10): 65-71, 77.
	SHEN Q Y, LEI X H, MA Z B, et al.. Experimental study on F. US-UFO mower for avoiding obstacles in orchards [J]. J. Chin. Agric. Mech., 2021, 42(10): 65-71, 77.
[23]	杨毅, 弋晓康, 何义川, 等. 主干型果园株间避障割草机的设计与试验[J]. 塔里木大学学报, 2023, 35(4): 78-87.
	YANG Y, YI X K, HE Y C, et al.. Design and experiment of obstacle avoidance mower for trunk orchards [J]. J. Tarim Univ., 2023, 35(4): 78-87.
[24]	李雪军, 王鹏飞, 丁顺荣, 等. 基于虚拟正交试验果园垄面割草机侧刀盘切割性能分析[J]. 中国农业科技导报, 2020, 22(9): 113-121.
	LI X J, WANG P F, DING S R, et al.. Cutting performance of side cutter head of orchard mower based on virtual orthogonal test [J]. J. Agric. Sci. Technol., 2020, 22(9): 113-121.