于洋 張秀花 楊云磊 王雷

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2、河北農(nóng)垚科技有限公司

前言

近年來(lái)，現(xiàn)代果園生草刈割技術(shù)相較于傳統(tǒng)的“清耕制”優(yōu)勢(shì)日益顯著。果園生草刈割技術(shù)，不僅能夠改善土壤結(jié)構(gòu)，增加孔隙度，降低土壤容重，還可以增加土壤水分的入滲能力和持水能力，減少土壤發(fā)生板結(jié)的可能性[1-2]。刈割覆蓋后各土層的溫度差較小，升、降溫趨勢(shì)平緩，地表的日蒸發(fā)量增加，空氣相對(duì)濕度和CO2濃度降低，熱量向深層土壤的傳遞速度下降，土壤的熱量獲得均勻，有利于平穩(wěn)地溫。土壤中N、K、P存在移動(dòng)性，會(huì)影響土壤水分的蒸發(fā)和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成[3-5]，同時(shí)，適當(dāng)?shù)呢赘羁梢詫?duì)地表周?chē)萦虻纳鷳B(tài)因子乃至果園微環(huán)境進(jìn)行調(diào)控；在多雨季節(jié)，刈割可使近地表草域溫度提高、空氣流動(dòng)加強(qiáng)，地表蒸發(fā)量增加，從而降低了土壤含水量，改善土壤透氣性，為根系的生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境[6-9]。

我國(guó)大力提倡果園生草栽培技術(shù)并取得了顯著效果，機(jī)械化割草是控制雜草生長(zhǎng)，提升生草技術(shù)的重要手段。目前主流的割草機(jī)是懸掛式割草機(jī)，由配套的拖拉機(jī)提供動(dòng)力，割草效率高，但樹(shù)下割草過(guò)程中樹(shù)冠對(duì)拖拉機(jī)和駕駛員有干擾，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)側(cè)置偏移量的樹(shù)下割草機(jī)的設(shè)計(jì)是一個(gè)難題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文在懸掛式割草機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動(dòng)側(cè)移式割草機(jī)，并對(duì)割草機(jī)懸掛架與液壓?jiǎn)卧M(jìn)行了設(shè)計(jì)。該割草機(jī)可適用于不同列間距的果樹(shù)下割草，將雜草割除并排至樹(shù)干周?chē)?，?duì)周?chē)s草層層疊壓，達(dá)到了抑制樹(shù)干周?chē)s草生長(zhǎng)的效果。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的割草機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由殼體焊合部件、懸掛架、液壓缸、導(dǎo)向軸固定板、擋鏈板、變速箱、支撐板、地輥和導(dǎo)向軸等部分組成。液壓驅(qū)動(dòng)側(cè)移式割草機(jī)割幅1600mm，采用雙刀軸設(shè)計(jì)，刀片數(shù)4個(gè)，刀軸轉(zhuǎn)速1500r/min，留茬高度70mm~100mm，液壓缸型號(hào)HSG 40×25-400，總機(jī)質(zhì)量300kg。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)圖

本機(jī)懸掛架由一個(gè)上懸掛板和兩個(gè)下懸掛板組成，三點(diǎn)懸掛安裝在配套的拖拉機(jī)上。液壓驅(qū)動(dòng)側(cè)移裝置的液壓缸缸筒端固定在機(jī)器殼體上，活塞桿端固定在懸掛架的液壓推動(dòng)板上，由拖拉機(jī)來(lái)供給壓力油。通過(guò)傳動(dòng)軸將拖拉機(jī)輸出軸和中心變速箱的輸入軸連接起來(lái)，中心變速箱與兩側(cè)的變速箱相連接，兩側(cè)變速箱的輸出軸與刀架連接，帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)。拖拉機(jī)自身可以調(diào)控割草機(jī)的升降與旋轉(zhuǎn)，作業(yè)前，確認(rèn)留茬高度，將割草機(jī)調(diào)整到初始位置；作業(yè)時(shí)，由拖拉機(jī)輸出動(dòng)力，經(jīng)變速箱變速，由輸出軸帶動(dòng)割草刀進(jìn)行割草作業(yè)；當(dāng)經(jīng)過(guò)樹(shù)干時(shí)，液壓缸工作，從而使割草機(jī)殼體和懸掛架進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)體的側(cè)移，完成避障作業(yè)。

2 刀具切割參數(shù)確定與仿真分析

2.1 刀具切割參數(shù)確定

研究資料表明，雜草莖稈在無(wú)支撐切割時(shí)，切割刀片根部刃口處的最低速度為30m/s。在雜草切割過(guò)程中，其刀片根部刃口速度一般選用55m/s~80m/s，所以旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)的切割速度為60m/s~90m/s，維持刀片的穩(wěn)定工作。刀片刃線部分所掃過(guò)的面積為余擺帶，擺帶帶寬與片刃部寬度相當(dāng)，刀片上任一點(diǎn)的速度均由刀片隨切割圓盤(pán)的圓周速度與機(jī)器前進(jìn)速度合成，如圖2所示，故任一瞬間刀片刃口的絕對(duì)速度為

圖2 切割速度分析

當(dāng)ωt+β=π+2kπ（k=1，2，3…，n）時(shí)

式中：vg——刀片刃口速度，m/s；

vgmin——刀片刃口最小速度，m/s；

r——刀片內(nèi)端半徑，取r=162mm；

ω——刀盤(pán)角速度，rad/s；

vj——機(jī)器前進(jìn)速度，約為5km/h；

β——刀片端點(diǎn)與刀架的連線夾角。

因此，割草機(jī)刀架轉(zhuǎn)速為

式中n——刀架轉(zhuǎn)速，取1500r/min

根據(jù)資料[12]可知，不漏割條件為

式中h——刀片工作刃線長(zhǎng)度，137.5mm；

m——刀片數(shù)，取m=2。

帶入數(shù)據(jù)可知，該設(shè)備可保證割草時(shí)不產(chǎn)生漏割。

2.2 刀片運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為了分析割草機(jī)刀片的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)工作狀態(tài)下刀片進(jìn)行了仿真模擬。首先，利用三維建模軟件Solidworks構(gòu)建機(jī)械系統(tǒng)的三維模型，之后將建立的模型導(dǎo)入ADAMS/View中，從而建立虛擬樣機(jī)仿真模型并進(jìn)行研究。

側(cè)移式樹(shù)下割草機(jī)切割器主要由刀架、割刀旋轉(zhuǎn)套、割刀和割刀下連接板等組成；割草作業(yè)過(guò)程中，輸出軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)刀架運(yùn)動(dòng)，使得位于刀架和割刀下連接板上的割刀在離心力的作用下被甩出，從而達(dá)到對(duì)雜草進(jìn)行切割的效果。

2.2.1 三維模型導(dǎo)入

割草機(jī)的實(shí)體建模包括零件建模和整體裝配，運(yùn)用Solidworks的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能建立各零部件三維實(shí)體模型，對(duì)切割器進(jìn)行單體虛擬約束裝配，完成虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，所得模型如圖3所示。

圖3 切割器裝配圖

2.2.2 切割器刀片的仿真運(yùn)動(dòng)軌跡

在ADAMS/View中，選取刀盤(pán)轉(zhuǎn)速n=1500r/min，機(jī)器前進(jìn)速度vj=5km/h，在割草機(jī)刀片上選取一點(diǎn)并進(jìn)行軌跡分析，如圖4所示。

圖4 刀片運(yùn)動(dòng)軌跡圖

由圖4得知，機(jī)器在前進(jìn)過(guò)程中，切割器刀片上任一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線。整個(gè)刀片運(yùn)動(dòng)掃過(guò)的面積為余擺帶，4個(gè)刀片覆蓋整個(gè)割幅。

2.2.3 刀片切割速度分析

為得出在割草機(jī)刀片上一點(diǎn)的速度變化規(guī)律，在ADAMS/View軟件中對(duì)刀片上選取點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析；其中設(shè)置刀盤(pán)轉(zhuǎn)速n=1500r/min，機(jī)器前進(jìn)速度vj=5km/h，仿真時(shí)間為0.1s，得出在x軸自轉(zhuǎn)方向、z軸行走方向上的仿真結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

圖5 刀片在X軸方向上的速度變化圖

圖6 刀片在Z軸方向上的速度變化圖

刀片上任意一點(diǎn)速度為該點(diǎn)在x軸自轉(zhuǎn)方向、z軸行走方向上速度合成，因此對(duì)合成結(jié)果進(jìn)行仿真分析，得到其速度變化規(guī)律如圖7所示。由速度分析得知，該點(diǎn)的切割速度范圍為64.2~67 m/s，且切割速度隨時(shí)間呈現(xiàn)波紋式狀態(tài)，速度變化幅度基本穩(wěn)定，滿足工作要求。

圖7 刀片切割速度圖

3 懸掛架設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

割草機(jī)懸掛架整體結(jié)構(gòu)如圖8所示，由支撐梁、懸掛板、液壓推動(dòng)板、后斜梁和后斜梁連接套組成。

圖8 懸掛架整體結(jié)構(gòu)

上懸掛板焊接在支撐梁橫梁上且與拖拉機(jī)的上懸掛軸相連接，拖拉機(jī)的上懸掛軸正下方是拖拉機(jī)的輸出軸，故為使工作中萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸的工作軸線折角盡可能小，應(yīng)使兩上懸掛板的中心盡量靠近變速箱輸入軸。懸掛架的支撐梁采取龍門(mén)架設(shè)計(jì)，相較于傳統(tǒng)的直板式設(shè)計(jì)，龍門(mén)架的強(qiáng)度更大，并且在進(jìn)行側(cè)移時(shí)給傳動(dòng)軸留出更大的空間，對(duì)傳動(dòng)軸的干涉更小。液壓推動(dòng)板與內(nèi)側(cè)下懸掛板焊接在一起，上面焊有連接套，其作用是與液壓缸推動(dòng)桿相連接，并使其定位，使懸掛架與機(jī)體實(shí)現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。下懸掛板焊接在支撐梁豎梁上，其作用是用于連接滑動(dòng)套筒和拖拉機(jī)的下懸掛軸。后斜梁焊接在支撐梁橫梁的內(nèi)側(cè)，其作用是通過(guò)與后斜梁連接套焊接后連接后導(dǎo)向軸，同時(shí)懸掛架整體三角式結(jié)構(gòu)使割草機(jī)在工作時(shí)更加穩(wěn)定。

根據(jù)割草機(jī)的實(shí)際使用情況，割草機(jī)的懸掛架應(yīng)具有足夠的承載能力、足夠的強(qiáng)度和剛度。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研，選定高碳鋼作為懸掛架的材料。

依據(jù)拖拉機(jī)后懸掛的實(shí)際尺寸和果園實(shí)地調(diào)研獲得的數(shù)據(jù)，首先確定割草機(jī)的基本尺寸如表1所示。

表1 割草機(jī)基本尺寸

懸掛架的尺寸主要取決于割草機(jī)的基本輪廓尺寸和最大偏移量。因?yàn)閼覓旒芤休d整個(gè)割草機(jī)的重量，故將截面設(shè)計(jì)成空心矩形管，矩形管管外邊尺寸為80mm×60mm×5mm的矩形空心管；另一方面為了在工作時(shí)不影響傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐梁內(nèi)側(cè)的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為646mm；由拖拉機(jī)后懸掛的高度，將支撐梁的高度設(shè)計(jì)為723mm。

后斜梁也采用同型號(hào)矩形管，其尺寸根據(jù)兩導(dǎo)向軸的中心距來(lái)設(shè)計(jì)，展開(kāi)長(zhǎng)度為1368mm。上懸掛板的厚度為10mm，兩懸掛板中心與支撐梁橫梁中心重合。下懸掛板厚度為10mm，上面開(kāi)有直徑為70mm的軸套孔；液壓推動(dòng)板長(zhǎng)670mm，寬54.58mm，厚10mm。

3.2 靜力學(xué)分析

為校核懸掛架的強(qiáng)度和剛度，采用Solidworks對(duì)懸掛架三維建模，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)懸掛架進(jìn)行了靜力學(xué)分析[10]。割草機(jī)整體重300kg，故先對(duì)懸掛板施加固定約束，然后對(duì)懸掛架施加豎直向下的300kg重力，靜力學(xué)應(yīng)力分析結(jié)果如圖9所示。由圖可知懸掛架的最大應(yīng)力在懸掛板固定處，其值為24MPa；靜力學(xué)變形分析結(jié)果如圖10所示，由圖可知懸掛架的最大變形處在后斜梁的豎梁和后斜梁連接套焊接處，其變形量為0.2613mm，滿足割草機(jī)工作需求。

圖9 懸掛架靜力學(xué)應(yīng)力分析

圖10 懸掛架靜力學(xué)變形分析

4 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本割草機(jī)采用單液壓缸雙滑動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，包括：前導(dǎo)向軸、導(dǎo)向軸固定板加強(qiáng)版、導(dǎo)向軸固定板、導(dǎo)向軸固定板套管、后導(dǎo)向軸、液壓缸、油缸座擋板，如圖11所示。導(dǎo)向軸固定板焊接在槽鋼上，導(dǎo)向軸固定板加強(qiáng)版通過(guò)焊接分別與槽鋼和導(dǎo)向軸固定板相連接，導(dǎo)向軸固定板套管嵌入到導(dǎo)向軸固定板中，并通過(guò)焊接固定，前導(dǎo)向軸穿過(guò)銅套和導(dǎo)向軸固定板套管并通過(guò)開(kāi)口銷(xiāo)固定在導(dǎo)向軸固定板套管中，后導(dǎo)向軸穿過(guò)銅套和支撐板套管并通過(guò)開(kāi)口銷(xiāo)固定在支撐板套管中，油缸座擋板固定在機(jī)器面板上，液壓缸缸筒端通過(guò)螺栓固定在油缸座擋板上，液壓缸活塞桿端通過(guò)螺栓固定在支撐梁加強(qiáng)板上。

圖11 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4.1 液壓缸型號(hào)選擇

液壓驅(qū)動(dòng)側(cè)移式割草機(jī)液壓缸的選取要根據(jù)所需求的側(cè)移量來(lái)確定。要求側(cè)移量為400mm，并且由于液壓缸缸筒與機(jī)器殼體連接，活塞桿與懸掛架連接，故要求液壓缸的推力與拉力要大于整機(jī)重量。故本機(jī)所采用的液壓缸為HSG40電鍍鉻液壓缸，油缸外徑50mm，內(nèi)徑40mm，活塞桿直徑為25mm，行程為400mm，額定推力20966N，額定拉力12300N。從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面考慮，滿足設(shè)計(jì)需求。

4.2 液壓驅(qū)動(dòng)剛體動(dòng)力學(xué)仿真

選定液壓缸后，為確定液壓側(cè)移執(zhí)行裝置的運(yùn)動(dòng)情況，故通過(guò)ANSYS軟件對(duì)液壓側(cè)移執(zhí)行裝置進(jìn)行剛體動(dòng)力學(xué)分析。將液壓偏置執(zhí)行裝置的模型導(dǎo)入ANSYS，賦予所有零件質(zhì)量信息；對(duì)導(dǎo)向軸添加固定約束，在滑套和懸掛架之間添加固定約束，在滑套和導(dǎo)向軸之間添加單向移動(dòng)約束，從而使懸掛架可在導(dǎo)向軸上滑動(dòng)。在活塞桿和液壓推動(dòng)板連接套之間添加固定約束，在油缸和活塞桿之間添加移動(dòng)副載荷，使油缸相對(duì)于活塞桿反向運(yùn)動(dòng)400mm，從而使液壓桿可以帶動(dòng)懸掛架移動(dòng)。運(yùn)動(dòng)截圖如圖12所示，運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)無(wú)震動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)需求。

5 實(shí)地實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，試制了液壓驅(qū)動(dòng)側(cè)移式割草機(jī)。試驗(yàn)于2022年9月25日在河北省保定市阜平縣紅草河基地的一處果園地進(jìn)行，選擇一段較為平坦的路面（圖13），行距4m，株距1m~1.2m。圖13（a）、（b）分別展示了液壓側(cè)移裝置處于最小偏置量0mm（不偏置）和最大偏置量400mm下的位姿。試驗(yàn)結(jié)果表明本文所述的液壓側(cè)移裝置可實(shí)現(xiàn)割草機(jī)偏置量的自動(dòng)調(diào)節(jié)改變，割草效果良好，可實(shí)現(xiàn)果樹(shù)樹(shù)下割草。

圖13 液壓側(cè)移裝置處于最小偏置量和最大偏置量下的位姿

6 結(jié)論

本文為解決樹(shù)下割草過(guò)程中樹(shù)冠對(duì)拖拉機(jī)和駕駛員的干擾問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種液壓驅(qū)動(dòng)側(cè)移式割草機(jī)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)側(cè)置偏移量，清除樹(shù)干周?chē)s草。

（1）割草機(jī)采用雙刀軸設(shè)計(jì)，刀片數(shù)4個(gè)，刀軸轉(zhuǎn)速1500r/min；懸掛架的材料使用高碳鋼，使其在承重300kg的情況下，應(yīng)力與變形滿足工作需求。

（2）液壓缸作為液壓側(cè)移裝置的主動(dòng)件，由拖拉機(jī)提供液壓油，使機(jī)器殼體與懸掛架做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)割草機(jī)的側(cè)移。

（3）試制出懸掛液壓側(cè)移裝置并裝載到割草機(jī)上，進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，達(dá)到了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，效果良好。