于洋 張秀花 楊云磊 王雷

1、河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 2、河北農(nóng)垚科技有限公司

前言

近年來，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、降溫趨勢平緩，地表的日蒸發(fā)量增加，空氣相對濕度和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存在移動性，會影響土壤水分的蒸發(fā)和團粒結(jié)構(gòu)的形成[3-5]，同時，適當?shù)呢赘羁梢詫Φ乇碇車萦虻纳鷳B(tài)因子乃至果園微環(huán)境進行調(diào)控；在多雨季節(jié)，刈割可使近地表草域溫度提高、空氣流動加強，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，為根系的生長提供適宜的環(huán)境[6-9]。

我國大力提倡果園生草栽培技術(shù)并取得了顯著效果，機械化割草是控制雜草生長，提升生草技術(shù)的重要手段。目前主流的割草機是懸掛式割草機，由配套的拖拉機提供動力，割草效率高，但樹下割草過程中樹冠對拖拉機和駕駛員有干擾，能夠自動調(diào)節(jié)側(cè)置偏移量的樹下割草機的設計是一個難題。

針對上述問題，本文在懸掛式割草機的基礎上設計了一種液壓驅(qū)動側(cè)移式割草機，并對割草機懸掛架與液壓單元進行了設計。該割草機可適用于不同列間距的果樹下割草，將雜草割除并排至樹干周圍，對周圍雜草層層疊壓，達到了抑制樹干周圍雜草生長的效果。

1 總體設計

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

圖1 整機結(jié)構(gòu)圖

本機懸掛架由一個上懸掛板和兩個下懸掛板組成，三點懸掛安裝在配套的拖拉機上。液壓驅(qū)動側(cè)移裝置的液壓缸缸筒端固定在機器殼體上，活塞桿端固定在懸掛架的液壓推動板上，由拖拉機來供給壓力油。通過傳動軸將拖拉機輸出軸和中心變速箱的輸入軸連接起來，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，帶動刀具旋轉(zhuǎn)。拖拉機自身可以調(diào)控割草機的升降與旋轉(zhuǎn)，作業(yè)前，確認留茬高度，將割草機調(diào)整到初始位置；作業(yè)時，由拖拉機輸出動力，經(jīng)變速箱變速，由輸出軸帶動割草刀進行割草作業(yè)；當經(jīng)過樹干時，液壓缸工作，從而使割草機殼體和懸掛架進行相對運動，實現(xiàn)機體的側(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，雜草莖稈在無支撐切割時，切割刀片根部刃口處的最低速度為30m/s。在雜草切割過程中，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的面積為余擺帶，擺帶帶寬與片刃部寬度相當，刀片上任一點的速度均由刀片隨切割圓盤的圓周速度與機器前進速度合成，如圖2所示，故任一瞬間刀片刃口的絕對速度為

圖2 切割速度分析

當ωt+β=π+2kπ（k=1，2，3…，n）時

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——刀盤角速度，rad/s；

vj——機器前進速度，約為5km/h；

β——刀片端點與刀架的連線夾角。

因此，割草機刀架轉(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——刀片工作刃線長度，137.5mm；

m——刀片數(shù)，取m=2。

帶入數(shù)據(jù)可知，該設備可保證割草時不產(chǎn)生漏割。

2.2 刀片運動學仿真

為了分析割草機刀片的運動狀態(tài)，對工作狀態(tài)下刀片進行了仿真模擬。首先，利用三維建模軟件Solidworks構(gòu)建機械系統(tǒng)的三維模型，之后將建立的模型導入ADAMS/View中，從而建立虛擬樣機仿真模型并進行研究。

側(cè)移式樹下割草機切割器主要由刀架、割刀旋轉(zhuǎn)套、割刀和割刀下連接板等組成；割草作業(yè)過程中，輸出軸旋轉(zhuǎn)帶動刀架運動，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，從而達到對雜草進行切割的效果。

2.2.1 三維模型導入

割草機的實體建模包括零件建模和整體裝配，運用Solidworks的參數(shù)化設計功能建立各零部件三維實體模型，對切割器進行單體虛擬約束裝配，完成虛擬樣機設計，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動軌跡

在ADAMS/View中，選取刀盤轉(zhuǎn)速n=1500r/min，機器前進速度vj=5km/h，在割草機刀片上選取一點并進行軌跡分析，如圖4所示。

圖4 刀片運動軌跡圖

由圖4得知，機器在前進過程中，切割器刀片上任一點的運動軌跡為余擺線。整個刀片運動掃過的面積為余擺帶，4個刀片覆蓋整個割幅。

2.2.3 刀片切割速度分析

為得出在割草機刀片上一點的速度變化規(guī)律，在ADAMS/View軟件中對刀片上選取點進行運動仿真分析；其中設置刀盤轉(zhuǎn)速n=1500r/min，機器前進速度vj=5km/h，仿真時間為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

刀片上任意一點速度為該點在x軸自轉(zhuǎn)方向、z軸行走方向上速度合成，因此對合成結(jié)果進行仿真分析，得到其速度變化規(guī)律如圖7所示。由速度分析得知，該點的切割速度范圍為64.2~67 m/s，且切割速度隨時間呈現(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 懸掛架設計

3.1 結(jié)構(gòu)設計

割草機懸掛架整體結(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的上懸掛軸相連接，拖拉機的上懸掛軸正下方是拖拉機的輸出軸，故為使工作中萬向節(jié)傳動軸的工作軸線折角盡可能小，應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架設計，相較于傳統(tǒng)的直板式設計，龍門架的強度更大，并且在進行側(cè)移時給傳動軸留出更大的空間，對傳動軸的干涉更小。液壓推動板與內(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桿相連接，并使其定位，使懸掛架與機體實現(xiàn)相對運動。下懸掛板焊接在支撐梁豎梁上，其作用是用于連接滑動套筒和拖拉機的下懸掛軸。后斜梁焊接在支撐梁橫梁的內(nèi)側(cè)，其作用是通過與后斜梁連接套焊接后連接后導向軸，同時懸掛架整體三角式結(jié)構(gòu)使割草機在工作時更加穩(wěn)定。

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

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

表1 割草機基本尺寸

懸掛架的尺寸主要取決于割草機的基本輪廓尺寸和最大偏移量。因為懸掛架要承載整個割草機的重量，故將截面設計成空心矩形管，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不影響傳動軸的轉(zhuǎn)動，支撐梁內(nèi)側(cè)的長度設計為646mm；由拖拉機后懸掛的高度，將支撐梁的高度設計為723mm。

后斜梁也采用同型號矩形管，其尺寸根據(jù)兩導向軸的中心距來設計，展開長度為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，上面開有直徑為70mm的軸套孔；液壓推動板長670mm，寬54.58mm，厚10mm。

3.2 靜力學分析

為校核懸掛架的強度和剛度，采用Solidworks對懸掛架三維建模，通過ANSYS軟件對懸掛架進行了靜力學分析[10]。割草機整體重300kg，故先對懸掛板施加固定約束，然后對懸掛架施加豎直向下的300kg重力，靜力學應力分析結(jié)果如圖9所示。由圖可知懸掛架的最大應力在懸掛板固定處，其值為24MPa；靜力學變形分析結(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，滿足割草機工作需求。

圖9 懸掛架靜力學應力分析

圖10 懸掛架靜力學變形分析

4 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設計

本割草機采用單液壓缸雙滑動導軌設計，包括：前導向軸、導向軸固定板加強版、導向軸固定板、導向軸固定板套管、后導向軸、液壓缸、油缸座擋板，如圖11所示。導向軸固定板焊接在槽鋼上，導向軸固定板加強版通過焊接分別與槽鋼和導向軸固定板相連接，導向軸固定板套管嵌入到導向軸固定板中，并通過焊接固定，前導向軸穿過銅套和導向軸固定板套管并通過開口銷固定在導向軸固定板套管中，后導向軸穿過銅套和支撐板套管并通過開口銷固定在支撐板套管中，油缸座擋板固定在機器面板上，液壓缸缸筒端通過螺栓固定在油缸座擋板上，液壓缸活塞桿端通過螺栓固定在支撐梁加強板上。

圖11 液壓驅(qū)動系統(tǒng)

4.1 液壓缸型號選擇

液壓驅(qū)動側(cè)移式割草機液壓缸的選取要根據(jù)所需求的側(cè)移量來確定。要求側(cè)移量為400mm，并且由于液壓缸缸筒與機器殼體連接，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重量。故本機所采用的液壓缸為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)濟性和實用性方面考慮，滿足設計需求。

4.2 液壓驅(qū)動剛體動力學仿真

選定液壓缸后，為確定液壓側(cè)移執(zhí)行裝置的運動情況，故通過ANSYS軟件對液壓側(cè)移執(zhí)行裝置進行剛體動力學分析。將液壓偏置執(zhí)行裝置的模型導入ANSYS，賦予所有零件質(zhì)量信息；對導向軸添加固定約束，在滑套和懸掛架之間添加固定約束，在滑套和導向軸之間添加單向移動約束，從而使懸掛架可在導向軸上滑動。在活塞桿和液壓推動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副載荷，使油缸相對于活塞桿反向運動400mm，從而使液壓桿可以帶動懸掛架移動。運動截圖如圖12所示，運動過程平穩(wěn)無震動，滿足設計需求。

5 實地實驗

為了驗證設計方案的合理性，試制了液壓驅(qū)動側(cè)移式割草機。試驗于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。試驗結(jié)果表明本文所述的液壓側(cè)移裝置可實現(xiàn)割草機偏置量的自動調(diào)節(jié)改變，割草效果良好，可實現(xiàn)果樹樹下割草。

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

本文為解決樹下割草過程中樹冠對拖拉機和駕駛員的干擾問題，設計了一種液壓驅(qū)動側(cè)移式割草機，能夠自動調(diào)節(jié)側(cè)置偏移量，清除樹干周圍雜草。

（1）割草機采用雙刀軸設計，刀片數(shù)4個，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)移裝置的主動件，由拖拉機提供液壓油，使機器殼體與懸掛架做相對運動，從而實現(xiàn)割草機的側(cè)移。

（3）試制出懸掛液壓側(cè)移裝置并裝載到割草機上，進行了實地測試，達到了試驗標準，效果良好。