蔣 郁,馬 旭,齊 龍,鹿芳媛,梁仲維,崔宏偉,鄭文漢
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.現(xiàn)代教育中心;b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.工程學(xué)院,廣州 510642;2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心,長(zhǎng)沙 410128;3.ABB低壓開關(guān)有限公司,廣東 江門 529100)
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基于Pro/E的水田除草機(jī)人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)
蔣 郁1a,馬 旭1b,1c,2,齊 龍1b,1c,2,鹿芳媛1c,梁仲維3,崔宏偉1c,鄭文漢1c
(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.現(xiàn)代教育中心;b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.工程學(xué)院,廣州 510642;2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心,長(zhǎng)沙 410128;3.ABB低壓開關(guān)有限公司,廣東 江門 529100)
為提高步進(jìn)式水田除草機(jī)的工作效率,減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,進(jìn)而提高除草效果,對(duì)步進(jìn)式除草機(jī)進(jìn)行了人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)。根據(jù)人體尺寸參數(shù),除草機(jī)整機(jī)尺寸設(shè)計(jì)為長(zhǎng)1 420mm、寬530mm、高900mm。利用Pro/E的質(zhì)量分析模塊對(duì)步進(jìn)式水田除草機(jī)進(jìn)行了質(zhì)量屬性分析,獲得除草機(jī)的整機(jī)質(zhì)量為25.2kg,并估算出操作人員握扶手時(shí)的提升力為49N,表明操作除草機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度較低。對(duì)該除草機(jī)進(jìn)行田間性能試驗(yàn),結(jié)果表明:平均除草率為85.9%,平均傷苗率為4.4%,除草效率為0.173hm2/h,操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度較低,符合水稻田間機(jī)械除草的作業(yè)質(zhì)量要求。
Pro/E;人機(jī)工程學(xué);水田除草機(jī);性能試驗(yàn)
水田機(jī)械除草是一種無污染和環(huán)境友好型的除草方式,能夠有效地解決水田化學(xué)除草劑殘留問題。水田除草機(jī)械按操作方式主要分為乘坐式和步進(jìn)式兩種,乘坐式水田除草機(jī)大多采用水田拖拉機(jī)底盤牽引后置的機(jī)械除草部件[1-2],作業(yè)效率高;但田間調(diào)頭時(shí)容易造成傷苗,對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高。步進(jìn)式水田除草機(jī)操作簡(jiǎn)單,傷苗率較低,較適用于小田塊作業(yè)[3-5];但多數(shù)的步進(jìn)式水田除草機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜,體積和質(zhì)量較大,操作人員使用的勞動(dòng)強(qiáng)度高,長(zhǎng)期使用易影響除草效率。
人機(jī)工程學(xué)重視整體造型和外觀質(zhì)量,滿足產(chǎn)品在使用過程中的各種要求[6],因此具有良好人機(jī)性能的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品不僅能滿足機(jī)具基本的作業(yè)要求[7],還能對(duì)提高工作效率、減輕操作人員疲勞程度及預(yù)防職業(yè)病具有重要作用。對(duì)此,國(guó)外已有針對(duì)農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)具的人體工程學(xué)方面的研究[8-9]。本文主要根據(jù)水稻機(jī)械化除草的農(nóng)藝要求并結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)理論,利用三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E強(qiáng)大的建模功能[10]完成了步進(jìn)式水田除草機(jī)的三維參數(shù)化實(shí)體模型的建立,并進(jìn)行了虛擬裝配和質(zhì)量屬性分析,運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸,并通過機(jī)械設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)并校核其機(jī)械強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上研制出質(zhì)量輕、可靠性高的步進(jìn)式水田除草機(jī),有效地減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和疲勞程度。
本文所研究的步進(jìn)式水田除草機(jī)主要由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、摩擦環(huán)離合器總成、機(jī)架主梁、主軸、蝸輪蝸桿減速器和除草輪組成,如圖1所示。其中,機(jī)架由主梁、把手、腳架、提把和擋泥罩組成。
1.汽油發(fā)動(dòng)機(jī) 2.把手 3.機(jī)架主梁 4.主軸 5.擋泥罩 6.蝸桿 7.蝸輪 8.除草輪 9.摩擦環(huán)離合器總成 10.萬向聯(lián)軸器圖1 步進(jìn)式水田除草機(jī)Fig.1 Marching-type paddy weeder
除草機(jī)工作時(shí),通過發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)耙壓式除草輪旋轉(zhuǎn)除草,耙壓式除草輪上安裝有除草齒片;在旋轉(zhuǎn)的過程中,除草齒片向下入土將水稻行間的雜草埋壓或連根挖起,同時(shí)利用土壤的反作用力為除草機(jī)的前進(jìn)提供動(dòng)力。除草機(jī)利用除草輪翻動(dòng)土壤達(dá)到除草目的,同時(shí)補(bǔ)充土壤中的氧氣,消除還原性有毒物如硫化氫等,加速黏重土壤中未腐熟有機(jī)肥的分解與養(yǎng)分的釋放[11],從而使土壤更利于水稻生長(zhǎng)。除草過程中,操作人員僅需通過提握把手即可控制除草機(jī)行進(jìn)方向,通過把手上的油門拉線控制除草輪的轉(zhuǎn)速。
2.1 整機(jī)尺寸設(shè)計(jì)
為了在工作過程中減輕操作人員的勞動(dòng)負(fù)擔(dān),需結(jié)合人機(jī)工程學(xué)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過三維設(shè)計(jì)軟件Pro/E的虛擬裝配,可以準(zhǔn)確測(cè)量整機(jī)的質(zhì)量和重心位置,根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)可以估算出操作人員操控除草機(jī)時(shí)握扶手的提升力。同時(shí),通過參數(shù)化設(shè)計(jì)調(diào)整機(jī)架尺寸以優(yōu)化整機(jī)的重心設(shè)計(jì)。
步進(jìn)式水田除草機(jī)工作時(shí),操作人員在除草機(jī)后方提起把手控制方向和行進(jìn)速度,把手位置設(shè)計(jì)的合理性對(duì)工作過程中操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)鍵影響。把手位置設(shè)置過低,操作人員長(zhǎng)時(shí)間彎腰工作,對(duì)腰肌造成勞損;把手設(shè)置過高,操作人員長(zhǎng)時(shí)間抬舉,對(duì)其肩頸部位造成勞損。同時(shí),把手與機(jī)具重心的相對(duì)位置影響操作人員提握把手的力,從而影響操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。根據(jù)GB/T 10000-1988《中國(guó)成年人人體尺寸》中關(guān)于手功能高和肘高的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[12]可知(見圖2):成年人的手功能高在656~828mm之間,肘高一般在925~1 128mm之間。
(a) 肘高和手功能高示意圖 (b) 步進(jìn)式除草機(jī)尺寸示意圖圖2 人體尺寸和除草機(jī)尺寸示意圖Fig.2 Dimension of human and paddy weeder
因此,除草機(jī)在工作時(shí)把手高度H設(shè)計(jì)為900mm能避免操作人員長(zhǎng)時(shí)間彎腰操作或抬舉機(jī)器,滿足人機(jī)工程學(xué)要求。如圖2(b)所示,步進(jìn)式水田除草機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)(L)×寬(W)×高(H)為1 420mm×530mm×900mm。
2.2 重心測(cè)量及提升力計(jì)算
在Pro/E導(dǎo)入各零部件進(jìn)行整機(jī)的虛擬裝配,利用質(zhì)量分析模塊對(duì)步進(jìn)式水田除草機(jī)進(jìn)行整機(jī)質(zhì)量和重心測(cè)量和分析。首先建立質(zhì)量分析的坐標(biāo)系。除草機(jī)的工作位置,以地面水平方向?yàn)閤軸,以垂直方向?yàn)閥軸,以除草輪軸為z軸,以兩個(gè)除草輪的中心連線的中點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,如圖3(a)所示。除草機(jī)的質(zhì)量為25.2kg,重心O′的位置為x′=236mm,y′= 177mm,z′= -1mm。通過重心位置可以估算出操作人員握扶手時(shí)的提升力F,為避免長(zhǎng)期操作造成勞損,操作人員提起扶手時(shí),提升力F應(yīng)不超過50N。除草機(jī)的整機(jī)受力示意圖,如圖3(b)所示。
(a) 除草機(jī)的質(zhì)量屬性
(b) 除草機(jī)受力分析圖3 除草機(jī)質(zhì)量屬性及受力分析Fig.3 Analysis of mass property and force state of paddy weeder
其中,原點(diǎn)O為除草機(jī)的支點(diǎn),地面對(duì)除草機(jī)的反作用力FG過原點(diǎn)垂直向上;除草機(jī)的重力G垂直向下,作用在除草機(jī)的重心上;提升力F垂直向上作用在把手上。根據(jù)力矩平衡公式,有
(1)
其中,R為除草輪半徑,值為200mm,代入數(shù)據(jù)可以求出操作人員手握扶手時(shí)的提升力F為49N,勞動(dòng)強(qiáng)度較低,符合設(shè)計(jì)要求。
3.1 試驗(yàn)條件
為測(cè)試運(yùn)用人機(jī)工程學(xué)理論優(yōu)化后的步進(jìn)式水田除草機(jī)的工作性能,于2015年8月25日在廣東省肇慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所綜合試驗(yàn)站進(jìn)行除草機(jī)田間試驗(yàn)。試驗(yàn)田塊面積約0.5hm2,試驗(yàn)地點(diǎn)田間概況如圖4所示。試驗(yàn)所用水田的栽種水稻品種為廣八優(yōu)169,除草試驗(yàn)在移栽后第19天進(jìn)行,此時(shí)秧苗平均高度為216mm,秧苗平均株距為160mm,機(jī)插秧行間寬度為300mm,秧苗長(zhǎng)勢(shì)良好,未見明顯病蟲害,移栽后未進(jìn)行人工除草或噴灑除草劑。水稻行間的雜草主要有水田稗、千金子和粟米草等,行間雜草平均密度為96株/m2,平均高度為105mm,根系長(zhǎng)度為28mm。
3.2 試驗(yàn)方法
選取除草率Pr和傷苗率Qr作為步進(jìn)式水田除草機(jī)作業(yè)質(zhì)量的評(píng)定指標(biāo)。除草率和傷苗率分別定義為
(2)
(3)
其中,T為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水稻行間雜草總株數(shù);S為除草作業(yè)后試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)水稻行間剩余雜草株數(shù)(根系完整、莖部未受折斷等嚴(yán)重?fù)p害,可繼續(xù)生長(zhǎng)的雜草定義為剩余雜草);X為除草作業(yè)后試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)被壓折、連根拔起和倒伏的損傷秧苗株數(shù)(根系受損、莖部折斷及子葉受損嚴(yán)重不能正常生長(zhǎng)的秧苗定義為受損秧苗);Y為試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)的總秧苗數(shù)。
為了測(cè)試輕簡(jiǎn)式步進(jìn)水田除草機(jī)的工作性能是否符合要求,泥腳深度選取160mm和300mm兩個(gè)水平,除草輪轉(zhuǎn)速選取120、140、160r/min 3個(gè)水平,對(duì)除草機(jī)進(jìn)行全因素試驗(yàn),按照試驗(yàn)因素不同水平組合,共進(jìn)行6次試驗(yàn)。
對(duì)除草機(jī)的工作效率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,觀察不同時(shí)間段除草機(jī)的工作效率變化,根據(jù)工作效率隨操作時(shí)間變化是否顯著判定操作人員長(zhǎng)期使用除草機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度高低。試驗(yàn)過程中測(cè)取除草機(jī)的工作效率,除草機(jī)工作效率R定義為
(4)
其中,D為測(cè)試時(shí)間內(nèi)除草機(jī)走過的路程(m);W為除草機(jī)工作的寬度(m);t為測(cè)試時(shí)間(h)。操作人員在泥腳深度為160mm、除草輪轉(zhuǎn)速為160r/min的試驗(yàn)條件下使用除草機(jī)工作2h,以0.4h為1個(gè)時(shí)間段,測(cè)量每個(gè)時(shí)間段的工作效率。采用單因素方差分析操作時(shí)間對(duì)除草機(jī)工作效率是否顯著。
3.3 試驗(yàn)結(jié)果
步進(jìn)式水田除草機(jī)的性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1 田間試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of field test
試驗(yàn)結(jié)果表明:相同泥腳深度的條件下,除草輪轉(zhuǎn)速增大除草率隨之增大,傷苗率隨之增大。相同除草輪轉(zhuǎn)速的條件下,泥腳深度增大則除草率隨之減小,傷苗率隨之增大。當(dāng)泥腳深度為160mm、除草輪轉(zhuǎn)速為160r/min時(shí)除草效果最好,除草率為88.3%、傷苗率為4.3%,滿足機(jī)械除草的作業(yè)質(zhì)量要求;當(dāng)泥腳深度為300mm、除草輪轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)除草效果較差,此時(shí)除草率為82.5%、傷苗率為4.1%;綜合田間試驗(yàn)結(jié)果得除草機(jī)除草率的平均值為85.9%,傷苗率的平均值為4.4%,符合期望要求。
除草機(jī)工作2h內(nèi),不同時(shí)間段測(cè)得的工作效率如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知:除草機(jī)的平均工作效率為0.173hm2/h。對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析,分析結(jié)果如表3所示。由方差分析可知:除草機(jī)工作時(shí)間與工作效率無顯著相關(guān)關(guān)系,由此可以判斷操作人員長(zhǎng)時(shí)間使用除草機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度較低,不會(huì)對(duì)工作效率產(chǎn)生影響。
表2 除草機(jī)工作效率數(shù)據(jù)Table 2 Data of working rate of paddy weeder
表3 除草機(jī)工作效率數(shù)據(jù)方差分析Table 3 Analysis of variance for the data of working rate of paddy weeder
查F分布表,若F因素>F0.2,說明因素對(duì)結(jié)果影響不顯著。
1)根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)理論結(jié)合中國(guó)水稻生產(chǎn)的實(shí)際情況及人機(jī)工程學(xué)要求,對(duì)自主研制的步進(jìn)式水田除草機(jī)進(jìn)行了整機(jī)尺寸設(shè)計(jì),其長(zhǎng)(L)×寬(W)×高(H)的值為1 420mm×530mm×900mm。利用Pro/E的質(zhì)量分析模塊對(duì)除草機(jī)進(jìn)行質(zhì)量屬性分析,分析結(jié)果表明:除草機(jī)的質(zhì)量為25.2kg,重心O’的位置為x’=236mm、y’=177mm、z’=-1mm。通過重心位置可以估算出操作人員握扶手時(shí)的提升力為49N,結(jié)果符合人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)要求。
2)選取泥腳深度和除草輪轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素對(duì)步進(jìn)式水田除草機(jī)進(jìn)行了全因素試驗(yàn),測(cè)試了除草機(jī)的工作性能。結(jié)果表明:隨著轉(zhuǎn)速增大,除草率增大,傷苗率降低;隨著泥腳深度增大,除草率減小,傷苗率增大。除草效果最好的參數(shù)組合為泥腳深度160mm、除草輪轉(zhuǎn)速160r/min,此時(shí)除草率為88.3%、傷苗率為4.3%。綜合試驗(yàn)結(jié)果可知:除草機(jī)除草率的平均值為85.9%,傷苗率的平均值為4.4%,平均除草效率為0.173hm2/h,操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度低,符合水田機(jī)械除草的作業(yè)質(zhì)量要求。
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The Ergonomical Design and Test of Paddy Weeder Based on Pro/E
Jiang Yu1a, Ma Xu1b,1c,2, Qi Long1b,1c,2, Lu Fangyuan1c, Liang Zhongwei3,Cui Hongwei1c, Zheng Wenhan1c
(1.a.Modern Educational Technology Center; b.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment; c.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China,Changsha 410128, China; 3.ABB Low Voltage Switch Ltd.,Jiangmen 529100,China)
In order to enhance the working rate of the marching type paddy weeder,to reduce the labor strength of the operator, by which the weeding performance could be improved, the ergonomics was applied to design the marching type paddy weeder in this research. The overall dimension of the paddy weeder was 1420, 530 and 900mm corresponding to length, width and height. The mass attribute analysis of the paddy weeder was conducted by the mass analysis module of Pro/E.The overall mass of the paddy weeder was acquired 25.2kg and the lifting force of the operator was thus estimated 49N which indicated low labor strength.Performance test in the field was conducted which showed that the average weeding rate of the paddy weeder was 85.9%, the average seedling injury rate was 4.4% and the working rate was 0.173hm2/h with low labor strength, which conforms the quality requirement of mechanical weeding in paddy field.
Pro/E; ergonomics; paddy weeder; performance test
2016-02-02
國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51575195);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B020207003);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CA RS-01-33);廣州市珠江科技新星專項(xiàng)(2014J2200041);廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015A030313402);廣東省教育廳科研項(xiàng)目(2013KJCX0034)
蔣 郁(1983-),女,湖南益陽人,實(shí)驗(yàn)師,博士研究生,(E-mail)nova-yy@scau.edu.cn。
齊 龍(1979-),男,哈爾濱人,副研究員,博士,(E-mail) qilong@scau.edu.cn。
S224.1+41
A
1003-188X(2017)03-0093-05