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国内外园艺除草机械化技术研究现状和发展趋势

发布时间:2018-12-08 15:39所属分类:农业论文浏览:1

摘要:园艺草害一直是阻碍农业生产发展和威胁绿色生态安全的一个重要因素,科学有效地进行除草控草,是实现园艺作物绿色安全、优质高产的关键。我国果蔬茶园的除草控草、园艺草坪的修剪管理受用工难、用工贵的因素制约,对园艺除草装备的需求极为迫切。为此

  摘要:园艺草害一直是阻碍农业生产发展和威胁绿色生态安全的一个重要因素,科学有效地进行除草控草,是实现园艺作物绿色安全、优质高产的关键。我国果蔬茶园的除草控草、园艺草坪的修剪管理受用工难、用工贵的因素制约,对园艺除草装备的需求极为迫切。为此,本文分析国内外园艺除草装备的研究现状,结合我国园艺特有的实际情况,指出该领域现存的问题,以及未来研究的重点和方向。

  关键词:园艺作物,除草机械,修剪,研究现状,发展趋势

  果蔬茶类经济作物和草坪类观赏植物的园艺栽培、管理过程中离不开除草环节,杂草对园艺作物的危害有争水、耗养、诱发病虫、影响光照等,如杂草造成果园减产、果品质量下降,杂草影响茶园茶叶的产量和质量、增加病虫害等,因此,果蔬茶园的除草控草是一项非常重要的工作[1]。

  园艺草坪因具有净化空气、保持水土、减少噪音、保护视力和调节温湿度等功能,已逐步发展成为一项新兴产业,但随着劳动力紧缺、人工工资不断增加等问题的出现,园艺草坪的修剪管理成本居高不下,严重制约了我国草坪业产业化的发展。随着除草装备的较快发展,园艺割草机逐渐从体积庞大、功能单一向小巧轻便、通用和适应性强的方向发展。

  目前,国外的割草机械能适用从旱田到水田、从牧场到荒地、从果园到草坪等不同的土壤条件。我国的园艺割草机大部分从国外进口,机具体积庞大、价格昂贵,不适应国内的消费水平和作业需求,且机具使用、维护和维修困难。本文将全面介绍园艺除草装备的国内外研究现状,结合我国园艺实际情况,分析其存在的问题,并展望未来发展趋势。

  1园艺除草机械化技术研究进展

  1.1国外研究进展

  国外对机械除草技术的研究始于20世纪50年代,至今已有近70年的研究历史。目前,国外的除草机械装备研究起步早、发展成熟、自动化程度高,质量好、功能齐全,能很好地满足作业要求。在果园除草方面,美国的除草机械技术比较完善,机具品种齐全,性能可靠,如JD970滚刀式除草耙,其刀轴的动力由行走带动,滚切刀外缘的刀刃随着驱动切断草根,实现除草目的,具有效率高、能耗小的优点,且采用滚动切割除草的方式,不会发生堵塞的问题。日本的除草机械型号很多,有轻、中、重型之分,其工作部分使用尼龙除草丝、除草刀盘和圆锯盘可以满足不同高度枝条的除草需求[1]。

  英国FlexWing6000旋转割草机,配套58kW以上拖拉机,可根据不同用户的要求折叠或展开切割板,最大割幅达6m。新西兰UFO型悬挂式双圆盘割草机,该机综合了圆盘式和滚筒式的主要特点,采用上传动锥形圆盘式,可以将割下的牧草向后上方挑起并抛掷成蓬松快干的草条;设计的罩式前挡板可使作物在切割前堆拢成一排宽而低的草束,便于切割,可节省25%的切割力,割茬高度靠滑掌调节,整机结构简单[2]。

  美国研发的EM60型割草机,主要用于牧草收割、高尔夫球场等大型草坪修整的割草机,该机配套18~35kW四轮拖拉机,割幅1470mm,结构紧凑、性能先进。英国Hesston的1275型往复式割草机具有国际领先水平,该机采用往复式双动割刀,割刀速度为1800行程/min,两边各有一个平衡飞轮,起到减少振动和辅助切割的作用;采用可调浮动弹簧,使割刀能完全自由浮动,且护刃角方便可调,可适合不同地势及作物状况[3-4]。

  1.2国内研究进展

  我国割草机的研发仍处于初级阶段,与国外发达国家相比有很大差距。黑龙江省畜牧机械化研究所汪德众等人研制的9GYS-0.85型盘式甩刀割草机(如图1所示),该机配套11kW四轮拖拉机,采用前悬挂方式;动力由发动机通过皮带经传动装置传递给驱动盘,驱动盘带动割刀旋转,将草割下并铺成带状;自由盘与地面凸起处接触,以缓和瞬间冲击力,与弹簧共同起到仿形作用。该机生产率可达到0.33~0.4hm2/h,割茬高度可达到0.03~0.04m。

图1

  内蒙古农业大学的赵满全等人研制出9YG-130型双圆盘割草机,并对切割部件进行动力学分析,得出最佳的部件结构和作业参数,通过性能试验表明,设计满足割草机对草业技术要求,重割碎草率得到有效降低[5-6]。中北大学潘变等人设计了9G-1.4型往复式果园割草机,如图2所示,配套18.4kW的拖拉机,通过万向传动轴将拖拉机后置的动力前置,并设计动力分配箱将动力传给铺放所需的立轴和割倒所需的卧轴上;作业过程中,往复式割刀将草割倒,由带拨齿的链条将草整齐铺放[7]。

图2

  北京林业大学卢希诚等人对步行操作式草坪割草机的旋刀装置进行优化,该机采用4轮支承行走,动力机的输出轴与旋刀装置直联驱动的方式,如图3所示。通过对比试验,结构表明研制的旋刀装置能改善空气流动性能而噪声又较低,耳旁噪声88dB(A),割草机噪声80dB(A)[8]。南京理工大学的梁医等人针对割草刀片的制动性要求,设计了一种电磁式刀片离合制动多功能离合器,结果表明该离合器离合响应速度快、制动效果好,且与市面上常见的发动机主轴与刀片直联的传动方式相比,有过载保护功能[9]。

图3

  此外,梁医等人还基于人机工程学对草坪割草机的操作和防护系统进行设计,最终得到了操作把手的长、宽、高和安装角度的适宜取值范围,以及刀片护罩和排草口的结构尺寸应满足的条件[10]。安徽农业大学李兵等人设计了一种小型自走式茶园除草机,该机主要由发动机、传动系统、行走机构、除草部件、限深装置、操纵系统及机架等组成,如图4所示。

图4

  其中,除草部件是针对南方丘陵小田块茶园作业环境设计的,刀片以螺旋线的形式均匀安装在除草轮圆柱上,相邻的除草刀片顺序入土,左右两侧除草轮对称安装。通过4因素3水平的正交试验,得出除草轮转速为350r/min、机具前进速度0.8m/s、除草深度30mm、除草刀个数为6时机具除草和控草效果最优,此时的除草率为80.7%。

  虽然近年来国内的割草机械有所发展,但总体机械化水平还是很低。国外的割草机械装备虽已发展成熟,但大多是针对大型的草场、牧区设计的,割幅大、机器体积大、功能单一,不能在国内的山地、梯田和小田块种植的草地、果蔬茶园中灵活行走,且割草机具价格昂贵不适应国内的消费水平[11]。因此,急需研制可靠性高、经济实用,适合在大小草场、果蔬茶园和园林等特殊种植环境中作业的割草机械产品。

  2我国园艺除草机械化技术存在的问题

  目前,我国园艺除草装备水平还比较低,与发达国家相比仍存在较大的差距。分析其原因主要体现在4个方面。

  1)园艺除草装备技术研究缺乏深入性和系统性。目前,国内的园艺除草或草坪修剪工作大多是用大型草场、牧区的割草机械来完成的,对园艺除草技术与装备研究或是通过单纯改变动力驱动方式、缩小机具尺寸,或是简单地将大型作业机械转移到园艺内作业,缺少对园艺除草技术装备系统、深入地研究,导致机具适应性差、可靠性和作业质量差,割草机械难以形成产品被推广使用。

  2)机具作业功能单一、通用性差。现有的园艺割草机具大多只能完成将杂草、草坪等植物进行割倒铺放和粉碎铺洒,无法在同一个机具上实现对各种杂草、草坪等植物进行快速、高质量的修剪、割倒、粉碎、铺洒和收集功能。机具的通用性较差,如草坪修剪机具无法在果园中进行除草作业等,导致机具利用率低、生产成本高。目前,国内缺少能满足园艺草坪维护管理要求、园艺果蔬茶园栽培管理要求等的通用机械装备。

  3)机具可靠性、灵活性和操作稳定性差。国内的园艺割草机虽然种类繁多,但由于机具设计不合理,缺少疲劳测试和可靠性试验,农民在使用过程中仍发现存在诸多问题,如往复式割草机工作振动大、适应性差;固定盘式割草机功耗大、使用不方便等。此外,因机具体积庞大导致田间转弯困难,地头过宽造成浪费,经济效益低下。

  4)作业人员劳动强度大。现有的园艺割草机具在作业时,因体积庞大、灵活性差,在空间狭小、坡度大、障碍多和边角地带,仍以人工除草割草为主,且机具沉重,作业人员劳动强度大、易疲劳、生产效率低。

  3我国园艺除草机械化技术发展趋势

  针对国内园艺除草装备存在的问题,结合果蔬茶园的园艺割草除草、草坪修剪等技术装备需求,在汲取国外先进经验的基础上,未来要有重点、有步骤地研制开发出适用于园艺草业、果蔬茶园和园林作业的轻简型多功能园艺除草作业机具,主要从3个方面开展研究工作。

  1)园艺除草装备应向灵活轻便的方向发展。我国受土地规模的限制和园艺作物传统种植模式的影响,市面上主要针对大型的草场和牧区设计的割草装备,因割幅宽、体积大,在果蔬茶园和小地块草坪中不能灵活行走,机具通用性差、利用率低。为了促进园艺割草机在我国的推广和发展,急需研发出一种适宜作业空间狭小的密植果蔬茶园和分散田块的轻简型园艺割草机。

  2)园艺除草装置应向技术多元化与装备的多功能方向发展。近年来,园艺除草装备的设计研发由传统机械式逐渐向集成机、电、液、气、控技术于一体的综合度较高的复杂装备发展,使装备的结构简化、控制灵活,适应性和智能化水平大大提升。此外,机具的功能也由单一的割倒铺放或粉碎铺洒,增加了修剪、铺放、拣拾、粉碎、铺洒和收集等功能,具有省时、高效、节省成本、一机多用等特点,备受农民的青睐。提高装备的作业功能和作业稳定性是我国园艺除草机械的发展趋势。

  3)园艺割草装备需提高适应性和通用性。园艺作物的栽培密度、土壤性质和地形地势不同,在一定程度上会限制割草装备的结构尺寸。目前出现除草机因尺寸较大难以入园、爬坡性能差、难以在坡地作业等诸多问题。结合草的生长密度和高度、倒伏程度、茎秆力学特性等,分析除草的共性关键技术,研制开发结构紧凑、操作灵活、更换方便的除草机,适应多种园艺作物的管理作业需要,一机多用、一机多能,可大大增加装备的使用率,降低作业成本,提高农民的经济效益,并对促进果蔬茶园、绿化草业和园林等发展具有重要意义。

  4结束语

  近年来,农民因严重缺乏合适的除草机械装备,造成果蔬茶园产量低、草坪修剪成本增加、种植草业丰产不丰收问题。目前,我国现有园艺除草机大部分是国外进口,机具体积庞大、价格昂贵,不适应国内的消费水平和作业需求。

  国内自主研发的园艺除草机具作业功能单一、适应性差、碎草质量差、缺少碎草收集功能,以及动力平台尺寸重量大、操作沉重、平台利用率低、单位面积平均动力保有量大等缺点,难以得到推广和应用。今后,需要围绕园艺果蔬茶园的栽培管理要求、园艺草坪的维护管理要求,研发和推广轻简型多功能园艺除草装备,突破核心关键技术,提升装备的可靠性、适应性、通用性和智能化水平。

  参考文献

  [1]马静,赵润良.果园机械除草装备与技术研究现状及发展趋势[J].农业与技术,2016,36(10):45-46.

  [2]马晓春.割草机的设计与动态特性研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2005.MaXiaochun.Designanddynamicresearchofmower[D].Harbin:NortheastForestryUniversity,2005.

  [3]赵春花.手扶式山地牧草收割机研制[D].兰州:甘肃农业大学,2004.ZhaoChunhua.Thestudyandexperimentofasmallwalk-ingreaperofmountainousregion[D].Lanzhou:GansuAgriculturalUniversity,2004.

  [4]傅美贞.GN121型手扶拖拉机配套旋转式割草机的研究[D].南京:南京农业大学,2010.

  [5]赵满全,张宁,杨铁军,等.双圆盘割草机切割器虚拟样机设计与试验[J].农业机械学报,2014,45(8):101-105.ZhaoManquan,ZhangNing,YangTiejun,etal.Designandexperimentofvirtualprototypeofdoublediscmowercutter[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgricul-turalMachinery,2014,45(8):101-105.

  [6]张宁.双圆盘割草机关键部件的虚拟样机设计及动力学分析[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2014.ZhangNing.Kineticanalysisandvirtualprototypedesignofthedualdiscmowercrucialcomponents[D].hohhot:InnerMongoliaAgriculturalUniversity,2014.

  园艺方向期刊推荐:《园艺学报》(月刊)创刊于1962年,是由中国园艺学会主办的学术性期刊,刊登果树、蔬菜、西瓜甜瓜和观赏植物等方面示曾发表过的学术论文、研究报告、研究简报、专题文献、综述,经过审定或鉴定的新品种、新书介绍。主要栏目:研究论文、研究报告、研究简讯、新品种、综述、新书介绍、动态与信息。

  

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