李雪軍, 王鵬飛, 丁順榮, 楊欣*, 李建平, 劉洪杰,袁常偉, 裴曉康, 毛雷

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 河北 保定 071000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)電子信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 河北 保定 071000)

近年來，我國標(biāo)準(zhǔn)化果園采用生草技術(shù)，有利于改善果園小氣候，可以起到疏松土壤、減輕土壤管理勞動(dòng)強(qiáng)度、增加土壤透氣性和有機(jī)質(zhì)含量的作用[1-3]。果園生草超過30 cm時(shí)應(yīng)及時(shí)切割覆蓋，能夠有效避免草與果樹爭肥，從而保證果樹健康成長，提高果實(shí)品質(zhì)[4-5]。由于矮砧密植園受建園地形限制，果樹雙側(cè)1.0 m范圍內(nèi)壟面較高，坡度較大，難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化切割作業(yè)，只能采用人工割草，勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力。國內(nèi)研制的果園割草機(jī)，大多適合平坦地形，沒有壟面作業(yè)部件，不能很好滿足標(biāo)準(zhǔn)化果園的地形需求。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的9YG—130前置式雙圓盤割草機(jī)工作平穩(wěn)，適應(yīng)于稠密、倒伏和纏連的雜草地帶[6]；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的苜蓿刈割機(jī)械具有良好的仿形裝置，可實(shí)現(xiàn)坡地作業(yè)，割刀無觸土現(xiàn)象，但由于機(jī)具較大，多適用于牧場作業(yè)[7]；廣西科技大學(xué)針對(duì)旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)耗能多、往復(fù)式割草機(jī)易堵塞問題設(shè)計(jì)了一款手推式雙刀割草機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)果園平地割草作業(yè)，但需要人工輔助作業(yè)，作業(yè)效率較低[8]；浙江大學(xué)針對(duì)割草機(jī)大部分為手扶式或手持式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款可與拖拉機(jī)配套的小型旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)，整機(jī)在小地塊上通過性較好，但機(jī)具前進(jìn)速度慢，重割率偏高，不能在坡地作業(yè)[9]。現(xiàn)有機(jī)型沒有相對(duì)應(yīng)的果園壟面切割裝置，不能適應(yīng)一定角度的坡起作業(yè)，且部分割草機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，存在一定的缺陷。由于割草機(jī)側(cè)盤工作環(huán)境為30°壟坡，因此對(duì)壟面切割刀盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以使其在結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性等方面適應(yīng)果園作業(yè)要求是極其必要的。虛擬樣機(jī)技術(shù)可達(dá)到減少研發(fā)實(shí)際樣機(jī)的成本，縮短試驗(yàn)周期的效果。因此基于虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)壟面割草刀盤工作過程進(jìn)行仿真[10]。對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高果園壟面割草機(jī)的切割效率，為標(biāo)準(zhǔn)化果園機(jī)械化割草作業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1試驗(yàn)材料及工具 試驗(yàn)所用雜草來自河北省保定市順平縣辛莊村河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院試驗(yàn)基地(北緯38°，東經(jīng)115°)，主要有黃花蒿、野薊、牽牛花草等品種，雜草的平均高度為1 152 mm，平均密度為14棵·m-2，試驗(yàn)地面平整，無大塊碎石。

1.1.2重割率測定 重割率是單位面積收獲的全部雜草植株中無頭草節(jié)的質(zhì)量和總質(zhì)量之比。沿著機(jī)器前進(jìn)方向在20個(gè)測點(diǎn)中隨機(jī)測5點(diǎn)，每個(gè)樣品點(diǎn)采用四分法取樣，記錄數(shù)據(jù)，并按照單位面積進(jìn)行換算。將5個(gè)點(diǎn)中的所有雜草進(jìn)行稱重，記錄數(shù)據(jù)后將無頭草節(jié)選取出并單獨(dú)稱重，計(jì)算重割率[11]。

(4)

式中，Se為重割率，%；gw為單位面積實(shí)際收獲無頭草節(jié)質(zhì)量，g·m-2；gy為單位面積應(yīng)收獲草質(zhì)量，g·m-2。

1.1.3機(jī)具前進(jìn)速度與不漏割條件 當(dāng)果園壟面割草機(jī)的各參數(shù)一定時(shí)，根據(jù)公式(1)可得機(jī)具前進(jìn)速度[12-14]。

Vjmax=(mhVg)/πD

(1)

當(dāng)Vg/Vj≥2πr/mh時(shí)，割草機(jī)割刀不漏割。

1.2 虛擬樣機(jī)試驗(yàn)原理及方法

切割裝置是果園壟面割草機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)的可靠性直接關(guān)系到割草作業(yè)的質(zhì)量和效率，同時(shí)間接影響果樹的生長發(fā)育。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)切割刀盤進(jìn)行仿真優(yōu)化，可有效減少研發(fā)成本。壟面坡度較低(0～30°)，為緩坡，因此，切割作業(yè)與平面切割原理相似，通過軟件進(jìn)行30°切割仿真作業(yè)。

1.2.1切割裝置模型建立 通過Autodesk inventor軟件對(duì)側(cè)刀盤零件進(jìn)行建模并將其裝配，果園壟面割草機(jī)側(cè)盤切割器主要由主軸、切割圓盤、刀片等組成，如圖1所示。

注：1—切割刀盤；2—主軸；3—刀片。

1.2.2仿真模擬 將建好的模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，由于原有的裝配關(guān)系和質(zhì)量屬性均失效，需要給各零件重新賦予質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)導(dǎo)入的模型添加約束和運(yùn)動(dòng)副，設(shè)置切割器的旋轉(zhuǎn)速度、前進(jìn)速度和材料等參數(shù)[15-18]，在工具欄中的仿真命令設(shè)置終止時(shí)間為0.4，步數(shù)為1 000，開始運(yùn)動(dòng)仿真，可以得到刀片、刀刃處最外端和內(nèi)端的運(yùn)動(dòng)軌跡，仿真完成后追蹤兩個(gè)端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)曲線。側(cè)盤在30°工作狀態(tài)下切割如圖2所示。

注：0—一次切割區(qū)域; 1—重割區(qū)域; 2—漏割區(qū)域。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在割草機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其幾何參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)決定了收獲區(qū)域的面積和重割割區(qū)面積，其中割草機(jī)的前進(jìn)速度、刀盤旋轉(zhuǎn)速度、刀片數(shù)以及刃線長度是影響重割率的幾個(gè)關(guān)鍵要素，根據(jù)果園壟面割草機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合拖拉機(jī)檔位規(guī)定和果園園藝要求，選擇虛擬切割裝置的行進(jìn)速度為2～3.4 m·s-1，刀盤旋轉(zhuǎn)速度為2 000～3 000 rad·min-1，刀片數(shù)為2～4，刃線長度為55～65 mm，選用四因素三水平，通過Design-Expert軟件進(jìn)行正交試驗(yàn)，將重割率作為綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，并以此設(shè)計(jì)試驗(yàn)因數(shù)和水平[19-21](表1)。

表1 虛擬試驗(yàn)因素水平

1.4 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

1.4.1試驗(yàn)機(jī)具設(shè)計(jì) 整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，果園壟面割草機(jī)主盤整體為焊接結(jié)構(gòu)，懸掛裝置設(shè)于主盤的前端，切割裝置分為主盤和側(cè)盤切割，主盤由兩把直徑620 mm旋轉(zhuǎn)方向相反的刀盤組成，可以將雜草集中于主盤中央排出。側(cè)盤切割裝置與主盤右側(cè)刀盤轉(zhuǎn)向相同的直徑400 mm刀盤。主刀盤的動(dòng)力由拖拉機(jī)后輸出軸傳入中央變速箱中提供,側(cè)盤的動(dòng)力由主盤上的一個(gè)變速箱通過萬向節(jié)傳動(dòng)軸連接的側(cè)盤變速箱提供。行走裝置用來進(jìn)行壟面仿形，并控制割茬高低，可通過限位板上不同孔位的安裝，實(shí)現(xiàn)高度調(diào)節(jié)。側(cè)盤可折起0～30°實(shí)現(xiàn)壟面草體切割作業(yè)要求。

注：1—主盤裝置；2—主盤變速箱組；3—萬向節(jié)軸；4—側(cè)盤變速箱；5—側(cè)盤裝置。

1.4.2側(cè)盤切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 側(cè)盤結(jié)構(gòu)如圖4所示，側(cè)盤切割裝置主要包括側(cè)盤刀罩、切割裝置、行走裝置、變速箱和擋草板。

注：1—行走裝置；2—切割裝置；3—側(cè)盤刀罩；4—變速箱；5—擋草板。

側(cè)盤外殼設(shè)計(jì)原則是質(zhì)量較輕，尺寸較小，采用5 mm鋼板(Q235中翔鋼板)作為加工材料。側(cè)盤動(dòng)力通過主盤變速箱(自加工)和傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳到側(cè)盤變速箱后帶動(dòng)側(cè)盤切割刀實(shí)現(xiàn)切割作業(yè)。開始作業(yè)時(shí)圓盤隨著主軸的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動(dòng)，由于離心作用，與刀盤鉸接的刀片被甩出進(jìn)行切割作業(yè)。側(cè)盤后右側(cè)開口可將雜草排到樹根處，促進(jìn)果樹發(fā)育，其余雜草通過側(cè)盤左側(cè)的開口進(jìn)入主盤，通過主盤協(xié)助排草。側(cè)盤切割裝置由圓形刀盤(Q235中翔鋼板)和經(jīng)過化學(xué)熱處理的合金鋼刀片(本田HRJ216)組成，刀片與圓刀盤鉸接，碰到硬石等障礙時(shí)可回彈，避免割刀的損傷。側(cè)盤可通過其自重實(shí)現(xiàn)仿形調(diào)節(jié)，當(dāng)側(cè)盤地輪在壟坡工作時(shí)可近似看成側(cè)盤與壟坡平行。通過側(cè)輪孔位的調(diào)節(jié)和側(cè)盤自仿形裝置可實(shí)現(xiàn)壟面割茬高度的調(diào)節(jié)。果園壟面割草機(jī)整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 整機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.4.3田間試驗(yàn)條件 2018年6月15日，在河北省保定市順平縣辛莊村河北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院試驗(yàn)基地(N38°，E115°,晴天，28 ℃)進(jìn)行田間割草試驗(yàn)。作業(yè)對(duì)象為黃花蒿、野薊、牽?；ú莸绕贩N，雜草的平均高度為1 152 mm，平均密度為14棵·m-2，園區(qū)外部環(huán)境為27°，園區(qū)行間環(huán)境溫度為34°，相對(duì)濕度34%，土壤硬度73%，土壤含水率2.7%，風(fēng)速45 m·s-1，土壤類型為壤質(zhì)土。

1.4.4田間試驗(yàn)方法 依據(jù)虛擬正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)參數(shù)設(shè)定果園壟面割草機(jī)前進(jìn)速度為2 m·s-1，刀盤轉(zhuǎn)速為2 500 rad·min-1，割幅為400 mm。果樹行間個(gè)數(shù)為4，每段作業(yè)長度20 m，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[22]，沿著行間肥力方向以S型曲線，如圖5所示，每隔4 m取一個(gè)測點(diǎn)，共取20個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)長1 m，寬1 m，割草機(jī)往返一次進(jìn)行作業(yè)。

圖5 測點(diǎn)

2 結(jié)果與分析

2.1 虛擬樣機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1.1重割率分析 通過因素水平的設(shè)定，模擬完成仿真結(jié)果后計(jì)算其重割率，如表3所示，重割率在15.32%～20.43%之間，當(dāng)前進(jìn)速度3.4 m·s-1，刀盤轉(zhuǎn)速2 000 rad·min-1，刀片數(shù)為2，刃線長度55 mm時(shí)，重割率最低。

表3 虛擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)

2.1.2重割率影響因素方差分析 通過軟件分析可得其方差數(shù)據(jù)和其各因素水平的顯著性結(jié)果，如表4所示?？梢钥闯?，對(duì)重割率影響因素主次順序?yàn)锳B、C、B、AC、CD、D、A、BC、BD、AD試驗(yàn)因素與重割率之間存在二次非線性關(guān)系和交互作用。

表4 方差分析

2.1.3重割率影響因素響應(yīng)面回歸分析 結(jié)合各因素對(duì)割草機(jī)重割率的影響情況，為更好地找到適合的擬合關(guān)系，通過軟件進(jìn)行二次響應(yīng)面回歸分析，結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，當(dāng)固定刀片數(shù)和刃線長度時(shí)，重割率隨著前進(jìn)速度的增加和刀盤轉(zhuǎn)速的減少而升高；當(dāng)固定刀盤轉(zhuǎn)速和刃線長度時(shí)，重割率隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加和刀片數(shù)的減少而降低；當(dāng)固定刀盤轉(zhuǎn)速和刀片數(shù)時(shí)，重割率隨著機(jī)具前進(jìn)速度的增加和刃線長度的減少而降低；當(dāng)固定前進(jìn)速度和刃線長度時(shí)，重割率隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加和刀片數(shù)的減少而升高；當(dāng)固定前進(jìn)速度和刀片數(shù)時(shí)，重割率隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加而升高，隨著刃線長度的減少而降低；當(dāng)固定前進(jìn)速度和刀片數(shù)時(shí)，重割率隨著刀盤轉(zhuǎn)速的增加而升高，隨著刃線長度的減少而降低；當(dāng)固定前進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速時(shí)，重割率隨著刃線長度和刀片數(shù)的增加而增加。

圖6 交互作用對(duì)重割率的影響

2.2 回歸模型構(gòu)建與分析

從表5可以看出，本次虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果矯正決定系數(shù)Radj2=0.999>0.80，變異系數(shù)為0.053%，平均值為17.75，標(biāo)準(zhǔn)值為9.487 E-003，說明該虛擬樣機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆O顯著，擬合度較好，可以使用其對(duì)果園壟面割草機(jī)重割率的影響因素進(jìn)行初步分析。

表5 系數(shù)

通過二次響應(yīng)面回歸分析，得到多元二次響應(yīng)面回歸模型。

Y=17.43-0.49A+0.82B+0.41C+0.61D+1.69AB-0.36AC-0.1AD+0.22BC-0.38BD-0.33CD-0.069A2-0.039B2+0.17C2+0.44D2

(3)

通過上述表4的數(shù)據(jù)可知，A2、B2的P>0.05，其結(jié)果值不顯著，應(yīng)在回歸模型中對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的回歸模型方程如下。

Y=17.43-0.49A+0.82B+0.41C+0.61D+1.69AB-0.36AC-0.1AD+0.22BC-0.38BD-0.33CD+0.17C2+0.44D2

(4)

通過表5可知，回歸模型顯著檢驗(yàn)值、決定系數(shù)符合要求，回歸模型極顯著，擬合度較高。

果園壟面割草機(jī)為旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)，在保證割草機(jī)作業(yè)速度和降低功耗的前提下，其重割面積越小越好，以此進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過虛擬正交試驗(yàn)二次響應(yīng)面回歸模型進(jìn)行最優(yōu)值求解，其邊界條件如下。

通過軟件模擬計(jì)算其求解結(jié)果共有35組數(shù)據(jù)，為保證割草機(jī)在壟面工作時(shí)重割率最低，因此選擇最優(yōu)參數(shù)為：前進(jìn)速度為2 m·s-1，刀盤轉(zhuǎn)速為2 500 rad·min-1，刀片數(shù)為2個(gè)，刀片的工作刃線長度為55 mm時(shí)重割率最低，為16.6%。

2.2 田間試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

通過測量田間試驗(yàn)得到各項(xiàng)性能指標(biāo)，如表6所示。

表6 側(cè)盤性能試驗(yàn)結(jié)果

通過表6可知，重割率比設(shè)計(jì)要求降低8.4%，割茬高度在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，果園壟面割草機(jī)側(cè)盤各項(xiàng)性能指標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。重割率雖有明顯降低，但是沒有達(dá)到20%以下，存在一定的誤差影響，需要后期多次試驗(yàn)排除影響。

3 討論

目前，果園壟面采用的黑色控草布覆蓋抑制雜草的生長，由于地布較薄，成本較大，易老化，極大地浪費(fèi)人力、物力，且限制大型機(jī)械進(jìn)園作業(yè)。果園壟面割草機(jī)主要是針對(duì)果園≤30°壟坡割草所設(shè)計(jì)的機(jī)型，本研究所采用的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真主要針對(duì)壟面刀盤運(yùn)動(dòng)過程，通過Autodesk inventor軟件建立了果園壟面割草機(jī)側(cè)盤切割部件及各零件三維實(shí)體模型，使用ADAMS軟件對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真得到刀盤軌跡，減少了開發(fā)實(shí)體樣機(jī)成本且對(duì)影響壟面割草重割率的因素進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。

國內(nèi)現(xiàn)有圓盤式果園生草切割機(jī)進(jìn)行的仿真分析工作是基于三因素三水平的正交試驗(yàn)，其缺少對(duì)甩刀刃線長度的分析工作，通過研究發(fā)現(xiàn)，甩刀刃線長度對(duì)重割率的影響水平較高，對(duì)壟面割草效果影響顯著。實(shí)際田間試驗(yàn)重割率比虛擬試驗(yàn)結(jié)果較高，其主要原因是測量誤差較大，田間雜草高低不一，導(dǎo)致測量無頭草節(jié)數(shù)較為困難；割茬高度比設(shè)計(jì)較低，主要原因是壟面雜草受重力影響較為生長較為傾斜，割草機(jī)切割過程為壟面切割，導(dǎo)致割茬高度較低。

通過對(duì)切割部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)模型進(jìn)行四因素三水平虛擬正交試驗(yàn)，得出最佳參數(shù)為前進(jìn)速度A=2 m·s-1，刀盤轉(zhuǎn)速B=2 500 rad·min-1，刀片數(shù)C=2，刃線長度D=55 mm時(shí)重割率最低，為16.6%；通過二次響應(yīng)面回歸分析，對(duì)果園壟面割草重割率影響顯著順序?yàn)榈镀瑪?shù)>刀盤轉(zhuǎn)速>刃線長度>前進(jìn)速度；經(jīng)過田間的樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果真實(shí)可靠，該設(shè)計(jì)滿足果園割草機(jī)對(duì)草業(yè)的技術(shù)要求，重割率比設(shè)計(jì)值降低了8.4%；果園壟面割草機(jī)是一種集平地與壟坡與一體的綜合割草機(jī)，機(jī)具可以實(shí)現(xiàn)小行間距的正常工作，為標(biāo)準(zhǔn)化果園機(jī)械化割草作業(yè)提供了理論依據(jù)。