CN113330897A - 灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台及生态圈采方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台及生态圈采方法，包括：驱动单元，在驱动单元上设有转臂，转臂由驱动单元驱动其做圆周运动；在转臂上搭载有可沿转臂的轴向进行移动的圈采刀具；在圈采刀具或驱动单元上设有用于调节圈采刀具离地距离的伸缩机构，其既能适应荒漠化治理过程防风固沙作业要求，也能满足经济灌木林及牧草的收割作业；该平台不同于传统的直线往复运动或平移方式，能在精准定量圈采不同直径植株后仍保持植株的丛状特征，从而保证其防风固沙效益，实现抚育灌草丛的目的。

Description

灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台及生态圈采方法

技术领域

本发明属于农林业机械的设备领域，具体涉及灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台及生态圈采方法。

背景技术

防风固沙灌草丛生长快、易成活、防风固沙能力强，能适应干旱地区气候和少水特点，对立地条件要求相对低，因此被大量用于荒漠的治理中。在这些树种经营管理中，依据其自身生物学特性，需要每3～5年对其进行一定长度的割除作业，否则就会出现衰退和死亡现象，极大的影响荒漠治理中树种的成活率，而成活率的降低需不断的补充新的树种来填补空缺。因此，需要对树种进行经营管理，当前作业方法和设备常以粗放的整株皆伐手段为主，作业后地表粗糙度降低，在强风侵蚀下，沙物质大量流失，导致树种根部裸露，从而加剧了衰退和死亡，达不到增强萌孽能力，使其长出粗壮通直枝条的目的。因此迫切需要一种在作业同时保留丛状结构，最大限度达到兼顾增强萌孽能力和防风固沙目的的方法和设备。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台及生态圈采方法，既能适应荒漠化治理过程防风固沙作业要求，也能满足经济灌木林及牧草的收割作业。该平台不同于传统的直线往复运动或平移方式，能在精准定量圈采不同直径植株后仍保持植株的丛状特征，从而保证其防风固沙效益，实现抚育灌草丛的目的。

第一方面，本申请提供了一种灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，包括：驱动单元，在驱动单元上设有转臂，转臂由驱动单元驱动其做圆周运动；在转臂上搭载有可沿转臂的轴向进行移动的圈采刀具；在圈采刀具或驱动单元上设有用于调节圈采刀具离地距离的伸缩机构。

在具体设置上述驱动单元时，驱动单元为马达，驱动单元通过联轴器与转臂连接。通过马达驱动转臂进行旋转。

在具体设置上述转臂时，在转臂上设有导轨，在滑轨上安装有T型杆，T型杆通过第一油缸与转臂连接，由第一油缸驱动T型杆沿导轨滑动。通过油缸驱动T型杆的移动，实现对圈采刀具与驱动单元的轴心距的调节；更加方便的进行圈采作业。

在具体设置上述圈采刀具时，圈采刀具通过第二油缸与T型杆连接。通过第二油缸实现对圈采刀具的离地距离的调节，以方便进行圈采作业的留茬长度的选择作业。

在具体设置上述圈采刀具时，在圈采刀具与第二油缸铰接连接，在圈采刀具与第二油缸上斜设有用于柔性固定铰接部位的拉簧。将圈采刀具与第二油缸通过柔性连接，在圈采作业时，圈采刀具受到冲击力时，拉簧可以对圈采刀具进行一个缓冲保护；同时滑板贴地运动过程中随地面地形变化而变化状态、位置，完成圈采单元对地面的仿形微调。

圈采刀具的具体结构包括圈采马达，圈采单元，固定臂，滑板；在固定臂的一端安装有圈采马达，在圈采马达上连接有圈采单元，在固定臂上设有滑板，滑板位于圈采单元下方，通过滑板的贴地运动可带动圈采单元角度微调，实现对地面的仿形。

在具体设置上述固定臂时，固定臂包括外套，内管，内管安装在外套内，且在内管和外套之间设有弹簧，弹簧的一端与内管连接，另一端与外套连接，使得内管在外套上有弹性的滑动；圈采单元安装在内管上。

在具体设置上述驱动单元时，驱动单元搭载在工程机械上。通过主机完成圈采作业。

在具体设置上述圈采刀具时，所述伸缩机构的下端水平的固定有连接板，圈采刀具与连接板铰接，圈采刀具围绕铰接轴上下摆动，且连接板限制圈采刀具能够旋转的最低点为与连接板平行，在圈采刀具和伸缩机构之间设有弹性件，例如压簧。

第二方面，本申请提供了一种生态圈采方法，包含如下步骤：对目标作业区以不同圈层枝条为基本圈采单元，在一次圈采作业中，以环形或扇形进行圈采，保留剩余部分以维持其丛状结构，对应植物的生长周期分多次轮替带状圈采作业完成整个植株圈采。

本申请的有益效果如下：

本申请提供的圈采方法和设备能获得较大经济效益和生态保护效果。灌草丛虽不能生产木材，但用途相当广泛，可以做饲料、肥料、工业原料等。如1000公斤柠条的枝叶所含的氮、磷、钾相当于4000公斤羊粪的肥力，同时柠条开花初期粗蛋白含量高达19.08%，是优质饲料。一丛柠条可以固土23立方米，可截流雨水34%，减少地面径流78%，减少地表冲刷66%，同时其活化能较低、发热量较好，可作为生物质燃料，排放的污染物较少。

该装置所提供的作业方法以不同圈层枝条为基本圈采单元进行轮伐作业的模式，进行环向带状圈采，该种作业方式不同于常规整株皆伐的方式，能在圈采的同时保留丛状结构，避免在强风侵蚀下，沙物质大量流失而导致沙柳的衰退和死亡，从而最大限度达到复壮和防风固沙两方面兼顾的目的。

本申请适应性强，具有多个不同方向的自由度进行圈采，可以完成对植株或灌木进行圈采工作，这是本申请一大特色，其即可对植株或灌木执行外圈的圈采，也可进行内芯的圈采，还可进行扇形结构的圈采，多样性较高，可以针对不同地形选择不同的圈采形状。此外，其可以应对坡度地形、低洼地形的圈采作业，不仅满足了多样性，而且适应能力也是极强。

附图说明

图1为本申请的侧视结构示意图。

图2为本申请的转臂沿轴向剖切示意图。

图3为圈采单元示意图。

图4为本发明提供的圈采作业平台整体与地面仿形示意图（分为a、b、c）。

图5为本发明提供的圈采作业平台上的圈采单元随地面仿形微调示意图（分为a、b、c）。

图6为本申请的不同圈采方式示意图（展示的是a、b、c、d、f、g）。

图7为圈采作业平台旋转圈采半径变化示意图。

图8为本申请的驱动单元其中一种实施方案。

图9为本申请的另一实施例结构示意图。

图中，驱动单元1，转臂2，第一油缸2.1，T型杆3，第二油缸4，拉簧5，外套6，内管7，弹簧8，圈采马达9，滑板10，连接机构11，圈采单元12，连接板13，压簧14，限位片15。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述。

为了方便理解本申请实施例提供的圈采作业平台及圈采方法，下面首先介绍一下其应用场景。

本申请的圈采作业平台，主要是结合圈采这一圈采方式进行设计的；其可以做到对灌木、牧草进行环形收割，经过收割后的灌木或牧草仍能保持植株的丛状特征，不会损失防风固沙的效益；不同于传统的直线往复运动或平移方式，而是通过环向带状旋转圈采方式加以实现，而圈采方式是通过圈采作业平台加以实现，达到最终要求的技术效果。

为了清楚的理解本申请技术方案，下面将结合具体实施例和附图对本申请提供的机箱进行详细说明。

以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本申请的限制。如在本申请的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本申请以下各实施例中，“至少一个”、“一个或多个”是指一个、两个或两个以上。

图1、图2、图3分别展示的是圈采作业平台的全部和局部示意图，一种灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，包括：驱动单元1，在驱动单元1（旋转机构）上垂直的设有转臂2，转臂2由驱动单元1驱动其做圆周运动；在转臂2上搭载有可沿转臂2的轴向进行移动的圈采刀具，以方便对圈采刀具的圈采范围进行调节；在圈采刀具或驱动单元1上设有用于调节圈采刀具离地距离的伸缩机构，此处有两种情况，一种是伸缩机构设置在圈采刀具与转臂2之间；另一种是伸缩机构设置在驱动单元1上，其均能够实现对圈采刀具的离地距离的控制。

作为其中一个实施例，在具体设置上述驱动单元1时，驱动单元1为马达，驱动单元1通过联轴器与转臂2连接。通过马达驱动转臂2进行旋转，在进行圈采时，由驱动单元1携带圈采刀具环绕灌木一圈即可完成。

如图2所示，作为其中一个实施例，在具体设置上述转臂2时，在转臂2上具有导轨，在滑轨上安装有T型杆3，T型杆3的前端通过第一油缸2.1的活塞与转臂2连接，由第一油缸2.1驱动T型杆3沿导轨滑动。第一油缸2.1根据操作命令将带动T型杆3在导轨内做平移运动，从而使圈采单元12左右移动，实现圈采半径变化，以调整圈采范围及圈采枝条数；更加方便的进行圈采作业。此外，第一油缸2.1还可通过螺纹连接的方式进行代替，既在转臂2上设有步进电机，在步进电机上设置丝杠，在丝杠上加装螺纹套，螺纹套代上设置T型杆3也可完成上述动作。

如图7所示，所圈采植株的最大直径D=2×（L₁+L_油缸-R_刀具），其中L₁为T型杆3往左（圈采作业平台中心）运动至极限位置时其左端面距离轴（或第一驱动单元11）中心的距离，L_油缸为油缸的最大行程，R_刀具为圈采单元12的刀具半径，圈采单元12为圆形刀盘，在刀盘的四周具有刀齿，刀齿上具有刀刃。

作为其中一个实施例，在具体设置上述圈采刀具时，圈采刀具通过第二油缸4与T型杆3连接。T型杆3在导轨内的结构一端与第一油缸2.1的活塞杆相连，T型杆3竖直方向结构分为固定段和伸缩段，固定段内安装有第二油缸4，伸缩段跟随第二油缸4的伸缩可在竖直方向上下运动，调整图中的L₂值，从而进一步精调圈采高度，保证留茬量，对留茬量进行可控性选择。

本发明可以手动对圈采作业平台进行调整，还可以结合传感器与控制***的配套使用可实现整体装置根据作业需求自动对中、变径旋转圈采智能控制、圈采高度自动控制、留茬范围自动控制、垂直姿态自动调整、作业数据记录及显示等功能。圈采作业平台整体可通过第一驱动单元1上部连接机构11安装于各种形式的主机上，能适应北方沙地的恶劣行走环境，同时实现圈采作业平台的整体移动、倾斜、角度调整。

如图3所示，作为其中一个实施例，在具体设置上述圈采刀具时，在圈采刀具与第二油缸4铰接连接，在圈采刀具与第二油缸4上斜设有用于柔性固定铰接部位的拉簧5。将圈采刀具与第二油缸4通过柔性连接，可以避免在圈采作业时，圈采刀具受到冲击力时对圈采刀具进行一个缓冲保护。圈采刀具的具体结构包括圈采马达9，圈采单元12，固定臂，滑板10；在固定臂的一端安装有圈采马达9，在圈采马达9上连接有圈采单元12，在固定臂上设有滑板10，滑板10位于圈采单元12下方，通过滑板10的贴地运动可带动圈采单元12角度微调，实现对地面的仿形。

作为其中一个实施例，在具体设置上述固定臂时，固定臂包括外套，内管7，内管7安装在外套内，且在内管7和外套6之间设有弹簧8，弹簧8的一端与内管7连接，另一端与外套6连接，使得内管7在外套6上有弹性的滑动；圈采单元12安装在内管7上。一般情况下，弹簧8保持原状态不发生任何位移，能保持圈采单元12的固定以及圈采半径的固定。当作业过程发生刚性碰撞时，圈采单元12所受阻力太大时弹簧8将发生作用，使圈采单元12回弹，从而避免刀具受损严重或导致设备故障。故弹簧8主要目的是安装于杆件中作为保护措施。

作为其中一个实施例，在具体设置上述驱动单元1时，驱动单元1搭载在工程机械上。通过挖掘机完成圈采作业。

图5给出了圈采单元12可能发生的仿形微***况。如图5所示，圈采单元12所连接的内管7前后方都安装有拉簧5，同时外套6与第二油缸4之间采用铰接的方式，目的是为外套6与T型杆3间的相对转动提供自由度，从而使圈采单元12能随之在竖直平面上下转动，即实现夹角α的变化。滑板10贴地运动过程中随地面地形变化而变化状态、位置，完成圈采单元12对地面的仿形微调。

圈采作业平台整体具有多个不同方向的自由度，可实现抬升、平移等位置移动和转角操作，从而根据地面进行仿形，同时通过竖直方向圈采作业平台上下运动可调整植株圈采后的余留量，满足防风固沙要求。

图7植株的圈采范围示意图，跟随第一油缸2.1伸缩动作可带动T型杆3、第二油缸4、外套6，内管7，圈采马达9、圈采单元12、滑板10整体往左（靠近灌草丛中心）或往右（远离灌草丛中心）的运动，往左运动对应增加圈采的灌木数量，往右运动则减少了圈采的灌木数量。对应图7中分别表示出了以不同圈层枝条为基本圈采单元进行轮伐作业的模式，圈采范围分别为30%、50%、70%、100%和0，实际作业过程可通过调整实现0至100%范围内各种圈采比例。进一步地，本发明所提供的圈采作业平台还可实现任意角度区域内的局部圈采，如图7中的（g）所示，通过控制***和液压***的控制，可实现阴影区域的环向局部圈采。

如图8所示为本发明驱动单元1其中一种实施方案，即采用液压马达时对应的原理图，作为其中一个实施例，驱动单元1为平台的公转运动提供动力源，可采用双向变量马达，圈采马达9为圈采单元12的自转提供动力源，可采用单向变量马达。圈采单元12采用单向变量马达可防止刀具反转造成损伤或设备故障。该方案为优选方案，但并不是唯一的实施方案，例如驱动单元1也可以采用电机等动力源。

作为其中一个实施例，本申请中在转臂2上搭载的圈采刀具可对称的设置有两个，既在转臂2上对称（以驱动单元1中心）布置导轨，第一油缸2.1，T型杆3，外套6，内管7，圈采马达9、圈采单元12、滑板10；整体装置对称布置有利于提高工作效率。

如图9所示，作为其中一个实施例，在伸缩机构（既第二油缸4）的下端水平的固定有连接板13，圈采刀具与连接板13铰接，圈采刀具围绕铰接轴上下摆动，且在连接板13上铰接轴的下方设置有限位片15，限位片15用来限制圈采刀具能够旋转的最低点，当圈采刀具位于最低点时，圈采单元12与转臂2平行；此外，为使圈采刀具在受到撞击时，能够产生一个向上的趋势（用以缓冲），设置定点位置为圈采刀具顺时针旋转偏移15-30°为宜（以转臂设置为零点线），其能够抬高重心位置，在圈采刀具和伸缩机构之间倾斜的设有弹性件，例如压簧14；该机构下，在圈采刀具行进过程中遭遇阻力时，能够向上旋转而起到缓冲作用，同时在圈采刀具上向下的设置有滑板10，与滑板10适配实现对地仿形，该结构简单，通过简单结构在本申请申请中起到同时实现了缓冲和仿形的功能。

除上述机构外，本申请还提供了一种生态圈采方法，包含如下步骤：对需要圈采区以不同圈层枝条为基本圈采单元，在一次圈采作业中，以环形或扇形进行圈采，保留枝条剩余部分以维持其丛状结构，对应植物的生长周期分多次轮替带状圈采作业完成整个植株圈采。

通过上述方法来进行圈采，经过测试，其能够做到不损失防风固沙效益；其圈采不同直径植株后仍保持植株的丛状特征，从而保证了其防风固沙效益不会损失，同时最大程度的提升了其萌孽能力，所达到的效果是非常明显的。

以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，其特征在于：包括：能够输出旋转运动的驱动单元，在驱动单元的输出端上设有转臂，转臂由驱动单元驱动其做圆周运动；在转臂上搭载有可沿转臂的轴向进行移动的圈采刀具；在圈采刀具或驱动单元上设有用于调节圈采刀具离地距离的伸缩机构。

2.根据权利要求1所述的灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，其特征在于：驱动单元为马达，驱动单元通过联轴器与转臂连接。

3.根据权利要求1所述的灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，其特征在于：在转臂上设有导轨，在滑轨上安装有T型杆，T型杆通过第一油缸与转臂连接，由第一油缸驱动T型杆沿导轨滑动。

4.根据权利要求1所述的灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，其特征在于：圈采刀具通过第二油缸与T型杆连接。

5.根据权利要求4所述的灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，其特征在于：圈采刀具与第二油缸铰接连接，在圈采刀具与第二油缸上斜设有用于柔性固定铰接部位的拉簧。

6.根据权利要求1所述的灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，其特征在于：圈采刀具包括圈采单元，固定臂，滑板；在固定臂的一端安装有圈采马达，在圈采马达上连接有圈采单元，在固定臂上设有滑板，滑板位于圈采单元下方，通过滑板的贴地运动可带动圈采单元角度微调，实现对地面的仿形。

7.根据权利要求1所述的灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，其特征在于：固定臂包括外套，内管，内管安装在外套内，且在内管和外套之间设有弹簧，弹簧的一端与内管连接，另一端与外套连接，使得内管在外套上有弹性的滑动；圈采单元安装在内管上。

8.根据权利要求1所述的灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，其特征在于：驱动单元搭载在工程机械上，通过主机完成圈采作业。

9.根据权利要求4所述的灌草丛精准定量抚育圆株圈采作业平台，其特征在于：所述伸缩机构的下端水平的固定有连接板，圈采刀具与连接板铰接，圈采刀具围绕铰接轴上下摆动，在圈采刀具和伸缩机构之间设有弹性件。

10.一种生态圈采方法，其特征在于：包含如下步骤：对目标作业区以不同圈层枝条为基本圈采单元，在一次圈采作业中，以环形或扇形进行圈采，保留剩余部分以维持其丛状结构，对应植物的生长周期分多次轮替带状圈采作业完成整个植株圈采。

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