周福君 王文明 李小利 唐遵峰

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

相對(duì)于行間雜草，株間雜草與作物更接近[1]，并將株間分割成不連續(xù)區(qū)域，因此機(jī)械株間除草作業(yè)難度更大、精度要求更高，目前主要靠人工完成[2-5]。除草裝置的性能直接影響機(jī)械除草作業(yè)的效率，現(xiàn)有的智能株間除草裝置根據(jù)其運(yùn)動(dòng)形式可分為擺動(dòng)式和旋轉(zhuǎn)式及兩種方式的組合[6]，擺動(dòng)式除草裝置具有苗間覆蓋率高、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其也存在作物保護(hù)區(qū)不可變等不足，旋轉(zhuǎn)式除草裝置具有運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)精準(zhǔn)控制要求更高，控制難度更大。

針對(duì)智能株間除草裝置，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了一些相關(guān)研究。國(guó)外對(duì)智能草除草裝置的研究相對(duì)成熟且比較全面[7-11]，其研究的機(jī)型包含了擺動(dòng)式和旋轉(zhuǎn)式。國(guó)內(nèi)胡煉等[12-13]設(shè)計(jì)了一種爪齒株間除草裝置，室內(nèi)試驗(yàn)表明，該裝置工作可靠，傷苗率小于8%。張朋舉等[14-15]設(shè)計(jì)了一種八爪式株間除草裝置，經(jīng)試驗(yàn)表明其傷苗率小于10%。張春龍等[16-17]設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)和三指手爪除草機(jī)械手，仿真結(jié)果表明，其除草率可達(dá)90%以上，但未見(jiàn)其室內(nèi)和田間試驗(yàn)報(bào)道。陳子文等[18]設(shè)計(jì)了一種行星刷式株間除草單體，通過(guò)軟件仿真，得到了其工作最優(yōu)參數(shù)，田間試驗(yàn)結(jié)果表明其工作性能可滿足作物除草要求。國(guó)內(nèi)智能除草裝置的研究尚處于起步階段，且其研究大多是針對(duì)旋轉(zhuǎn)式除草裝置，而針對(duì)擺動(dòng)式除草裝置的研究，國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道。

圖1 除草裝置試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of prototype of weeding device1.機(jī)架 2.電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器 3.單體仿形裝置 4.伺服電機(jī) 5.凸輪搖桿式擺動(dòng)型玉米株間除草裝置 6.單體限深輪 7.51單片機(jī) 8.霍爾接近開(kāi)關(guān)

本文根據(jù)北方玉米苗期株間除草作業(yè)要求，設(shè)計(jì)一種凸輪搖桿式擺動(dòng)型除草裝置。該裝置通過(guò)凸輪搖桿機(jī)構(gòu)將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為除草刀的往復(fù)擺動(dòng)，通過(guò)更換凸輪獲得不同大小的作物保護(hù)區(qū)，以具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

凸輪搖桿式擺動(dòng)型玉米株間除草裝置的試驗(yàn)樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由機(jī)架、單體仿形裝置、凸輪搖桿式擺動(dòng)型除草裝置、單體限深輪、伺服電機(jī)及控制器、單片機(jī)和霍爾接近開(kāi)關(guān)等組成。其中凸輪搖桿式擺動(dòng)型除草裝置由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且其用螺栓與單體仿形裝置固裝，單體仿形裝置通過(guò)U型螺栓固定在機(jī)架后部橫梁上，且能夠?qū)?cè)向位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的壟距作業(yè)；整機(jī)通過(guò)單體限深輪和霍爾接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)定位玉米苗的位置，單體限深輪與除草裝置固裝在一起，霍爾接近開(kāi)關(guān)安裝在單體限深輪支架上，傳感器位置正對(duì)著單體輪輪轂側(cè)面，輪轂上均勻分布著磁鐵，磁鐵個(gè)數(shù)由單體輪周長(zhǎng)確定，確保苗株間距是兩個(gè)磁鐵間距的整數(shù)倍。

1.2 工作原理

除草作業(yè)時(shí)，將整機(jī)與拖拉機(jī)掛接，使其除草裝置的兩除草刀分別位于株間玉米苗帶的兩側(cè)，隨機(jī)器前行，除草刀進(jìn)行株間除草作業(yè)，當(dāng)除草刀接近玉米苗時(shí)，位于單體限深輪上的霍爾接近開(kāi)關(guān)發(fā)出脈沖信號(hào)，單片機(jī)處理信號(hào)將指令傳給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)除草裝置上部的主軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)一對(duì)相互嚙合的齒輪將動(dòng)力分別傳給下部的兩個(gè)凸輪，兩凸輪分別推動(dòng)擺桿旋轉(zhuǎn)，通過(guò)與其固裝的刀軸使兩除草刀分別向后方擺動(dòng)避苗；除草裝置越過(guò)玉米苗后，在拉簧拉力的作用下兩刀齒回位，完成一次避苗動(dòng)作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

凸輪搖桿式擺動(dòng)型株間除草裝置主要由主軸、支座、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪、從動(dòng)軸、回位拉簧、凸輪、擺桿、刀軸、除草刀等部件組成，如圖2所示。其中凸輪通過(guò)定位螺栓分別與主、從動(dòng)軸固裝，刀軸與擺桿固裝，且刀軸上開(kāi)多個(gè)定位孔以方便調(diào)節(jié)裝置的作業(yè)高度和刀齒的入土深度，以適應(yīng)不同時(shí)期玉米的除草作業(yè)要求，除草刀通過(guò)沉頭螺栓與刀軸固連。

圖2 凸輪搖桿式擺動(dòng)型玉米株間除草裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of cam rocker swing intra-row weeding device1.主軸 2.主動(dòng)齒輪 3.擺桿 4.凸輪 5.刀軸 6.除草刀 7.從動(dòng)齒輪 8.支座 9.回位拉簧 10.從動(dòng)軸

2.1 除草刀設(shè)計(jì)

2.1.1 主要結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

如圖3所示，除草刀主要結(jié)構(gòu)尺寸包括刀寬L1，除草刀回轉(zhuǎn)中心與刀尖距離L2和至刀背距離L3。

圖3 除草刀結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.3 Structural parameters sketch of weeding knife1.玉米苗 2.除草刀 3.玉米壟臺(tái)

除草刀寬度的選取對(duì)除草作業(yè)效果的影響較大，寬度過(guò)小會(huì)降低苗間覆蓋率，從而降低除草率，寬度過(guò)大則會(huì)增加能耗，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取l/2≤L1≤l，l為壟臺(tái)寬度，我國(guó)北方玉米小壟種植的壟臺(tái)寬度一般為180 mm左右，因此綜合考慮取L1=0.6l=108 mm。合理的選擇除草刀回轉(zhuǎn)中心位置可有效降低其擺動(dòng)過(guò)程中的阻力矩，取l/4

2.1.2 切刃曲線設(shè)計(jì)

除草裝置采用一對(duì)對(duì)稱安裝的除草刀作為除草執(zhí)行部件，且兩除草刀均設(shè)置為定刀，其除草原理是隨機(jī)器前行，通過(guò)刀與地面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將雜草幼苗從根部切段或拉斷。同時(shí)為了降低能耗及防止刀尖纏草，除草刀作業(yè)過(guò)程中應(yīng)保持一定的滑切作用，使草根在被切時(shí)能沿刃口滑動(dòng)以便于切斷或沿刀尖滑落，本文切刃曲線設(shè)計(jì)上采用近似旋耕刀的阿基米德螺線式曲線。其曲線方程為

r=r0(1+Kθ)

(1)

式中r——曲線上任意一點(diǎn)的極徑，mmr0——曲線起點(diǎn)極徑，mmK——靜態(tài)滑切角正切值與極徑的比例系數(shù)θ——曲線上任一點(diǎn)的極角，rad

參照文獻(xiàn)[19]，最終確定r0為120 mm，K取0.8。

由于除草刀在作業(yè)過(guò)程中需長(zhǎng)期與土壤及作物根系接觸，因此材料上選用耐磨性較好的45號(hào)鋼并經(jīng)表面熱處理使其硬度達(dá)到HRC45；為防止除草刀在熱處理時(shí)產(chǎn)生彎曲變形，除草刀不宜過(guò)薄，根據(jù)文獻(xiàn)[19]，本文設(shè)計(jì)除草刀的厚度為8 mm。

2.2 凸輪搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由上述對(duì)除草裝置工作原理的分析可知，凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)除草性能影響較大，除草裝置的避苗運(yùn)動(dòng)軌跡直接由凸輪輪廓曲線所決定，本文采用解析法設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線，其基本思路：根據(jù)除草裝置避苗運(yùn)動(dòng)要求，合理的分配凸輪運(yùn)動(dòng)角，確定擺桿的最大位移；選擇合適的凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律，確定凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)；根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)和運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算并得到滿足要求的凸輪輪廓曲線。

2.2.1 凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角及最大位移確定

在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊農(nóng)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)基地，隨機(jī)抽取中耕期的玉米苗30株，對(duì)其土下20 mm處根系幅寬進(jìn)行測(cè)定，計(jì)算玉米土下20 mm處根系的平均寬幅為46 mm，為防止傷根，作物保護(hù)區(qū)的直徑取d1=60 mm。為了降低傷苗率，在避苗過(guò)程中兩除草刀最大張開(kāi)距離L應(yīng)不小于作物保護(hù)區(qū)直徑d1(圖4)，本文取L=d1。通過(guò)作圖法計(jì)算可得除草刀最大擺動(dòng)角度為π/4，則凸輪機(jī)構(gòu)最大位移為ψm=π/4。

圖4 凸輪機(jī)構(gòu)最大張角示意圖Fig.4 Maximum angle of cam mechanism

根據(jù)株間除草作業(yè)要求，將凸輪搖桿式擺動(dòng)型除草裝置的避苗運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)為“菱形”，如圖5b所示，則其避苗運(yùn)動(dòng)過(guò)程由3個(gè)階段組成：BC段為裝置接收到避苗指令后，刀齒向后擺動(dòng)過(guò)程；CD段為刀齒保持在最大位移處，裝置越過(guò)玉米苗過(guò)程；DE段為裝置越過(guò)玉米苗后，刀齒回位過(guò)程。凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)也對(duì)應(yīng)3個(gè)工作段：推程段、遠(yuǎn)休止段、回程段，為了增強(qiáng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性及減小加速度突變，增設(shè)凸輪近休止工作段；因此凸輪的運(yùn)動(dòng)角由推程運(yùn)動(dòng)角φ、回程運(yùn)動(dòng)角φ′、遠(yuǎn)休止角φs、近休止角φ′s組成，如圖5a所示。

圖5 凸輪工作段及在避苗軌跡上對(duì)應(yīng)的位置Fig.5 Work sections of cam and corresponding location on trapping trajectory

進(jìn)一步分析除草裝置避苗運(yùn)動(dòng)軌跡可得其設(shè)計(jì)要求主要有

(2)

同時(shí)有

(3)

式中v0——除草裝置前進(jìn)速度，m/sω——凸輪的角速度，rad/sSCD——凸輪轉(zhuǎn)過(guò)遠(yuǎn)休止工作段，除草刀前進(jìn)的距離，m

SFB、SEF′——凸輪轉(zhuǎn)過(guò)近休止工作段一半，除草刀前進(jìn)的距離，m

將式(3)代入式(2)可求得5π/24<φs<3π/8，φ′s<φs。同時(shí)凸輪各工作段區(qū)間劃分應(yīng)遵循以下原則：盡量增大凸輪推程區(qū)間，保證除草刀及時(shí)、穩(wěn)定的張開(kāi)；凸輪由推程工作段緩慢的過(guò)渡到回程工作段，保證除草刀已完全越過(guò)玉米苗；凸輪由回程工作段快速過(guò)渡至推程工作段，以增加除草裝置的苗間覆蓋率，增加除草效率。根據(jù)避苗軌跡分析及上述原則最終確定凸輪近休止角為11π/36，推程運(yùn)動(dòng)角為2π/3，回程運(yùn)動(dòng)角為2π/3，遠(yuǎn)休止角為13π/36。

2.2.2 凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律選擇及基本參數(shù)確定

為了使凸輪運(yùn)動(dòng)的更加平穩(wěn)，減小凸輪與擺桿之間的剛性、柔性沖擊，凸輪采用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，擺桿位移的計(jì)算公式為

(4)

式中Φ——凸輪運(yùn)動(dòng)角，radψ——凸輪機(jī)構(gòu)擺角，rad

根據(jù)凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律可確定凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)，凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)為凸輪基圓半徑Rb和機(jī)構(gòu)中心距LOA。

合理設(shè)計(jì)凸輪機(jī)構(gòu)的中心距，可有效減小機(jī)構(gòu)運(yùn)行的法向推力，如圖6所示，Mr為擺桿的工作負(fù)荷，F(xiàn)N為凸輪輪廓與擺桿之間的法向推力，JA為擺桿繞擺動(dòng)軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，LAT為擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)中心與凸輪切點(diǎn)之間的距離，根據(jù)文獻(xiàn)[20]，凸輪機(jī)構(gòu)中心距的建議計(jì)算公式為

(5)

圖6 凸輪機(jī)構(gòu)基本參數(shù)Fig.6 Basic parameters of cam mechanism

由式(5)可知，凸輪機(jī)構(gòu)的中心距與擺桿工作負(fù)荷、機(jī)構(gòu)最大角位移及從動(dòng)件基本尺寸都有關(guān)系，因此綜合考慮凸輪運(yùn)行不失真及機(jī)構(gòu)整體尺寸設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)LOA=63.5 mm。

保證平底從動(dòng)件凸輪的輪廓處處外凸是選擇其基圓半徑的基本條件[20]，即凸輪的曲率半徑Rk應(yīng)滿足Rk≥0恒成立。

(6)

其中

(7)

應(yīng)用一維搜索計(jì)算方法，求得Rk=0時(shí)的基圓半徑Rbmin=35 mm，則本文基圓半徑Rb取37 mm。

2.2.3 凸輪機(jī)構(gòu)輪廓曲線的設(shè)計(jì)

如圖7，以O(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系xOy。

圖7 凸輪機(jī)構(gòu)輪廓曲線設(shè)計(jì)Fig.7 Design of contour curve of cam mechanism

由上述從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及凸輪的基本尺寸，可根據(jù)反轉(zhuǎn)法得出凸輪在坐標(biāo)系中的輪廓極坐標(biāo)計(jì)算公式

(8)

其中

LOB1=LOAsin(ψb+ψ)

(9)

(10)

式中θK——凸輪廓線的極角ρK——凸輪廓線的極徑

將從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)角參數(shù)和相應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角Φ代入式(8)，可以得到凸輪輪廓的坐標(biāo)值，其加工實(shí)物如圖8所示。

圖8 凸輪實(shí)物圖Fig.8 Picture of cam

2.2.4 凸輪機(jī)構(gòu)擺桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

合理的擺桿長(zhǎng)度可減小除草裝置的縱向尺寸，并能提高裝置的運(yùn)行效率。

根據(jù)文獻(xiàn)[20]，擺桿最小工作長(zhǎng)度應(yīng)滿足

(11)

且擺桿邊緣點(diǎn)至軸心的距離也應(yīng)滿足

(12)

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(11)、(12)，最終確定擺桿長(zhǎng)度為65mm。

3 除草刀運(yùn)動(dòng)與受力分析

3.1 運(yùn)動(dòng)分析

避苗過(guò)程中，除草刀的運(yùn)動(dòng)由張開(kāi)-過(guò)苗-回位3部分組成，除草刀張開(kāi)、回位運(yùn)動(dòng)過(guò)程為隨機(jī)器前進(jìn)和除草刀繞自身刀軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的合成，除草刀越過(guò)玉米苗運(yùn)動(dòng)過(guò)程為勻速直線運(yùn)動(dòng)。選刀尖點(diǎn)M為研究對(duì)象，以除草刀轉(zhuǎn)動(dòng)中心(刀軸位置)為坐標(biāo)原點(diǎn)，機(jī)器前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，建立除草刀運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型如圖9所示，則除草刀避苗動(dòng)作的3個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，刀尖M點(diǎn)的軌跡方程為：

除草刀張開(kāi)過(guò)程

(13)

除草刀越過(guò)玉米苗過(guò)程

(14)

除草刀回位過(guò)程

(15)

式中 ρ——M點(diǎn)的極徑，mθ0——初始位置時(shí)M點(diǎn)和坐標(biāo)原點(diǎn)連線與x軸方向的夾角，rad

θ1——刀齒張開(kāi)到最大位置時(shí)M點(diǎn)極徑與x軸方向的夾角，rad

ω1——除草刀旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

s0——從初始位置到完全張開(kāi)過(guò)程中，除草刀轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位移，m

s1——除草刀越過(guò)玉米苗過(guò)程中，其轉(zhuǎn)動(dòng)中心的位移，m

t——時(shí)間，s

圖9 除草刀運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.9 Kinematic analysis of weeding knife

由式(13)～(15)可知，除草刀避苗過(guò)程中刀尖M點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由機(jī)器前進(jìn)速度、除草刀旋轉(zhuǎn)角速度和除草刀形狀所決定。當(dāng)給定除草刀刀刃曲線方程后，改變機(jī)器前進(jìn)速度和除草刀旋轉(zhuǎn)角速度可改變除草刀的運(yùn)動(dòng)軌跡，以增加株間除草覆蓋范圍。將上述公式分別對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得3個(gè)運(yùn)動(dòng)階段刀尖M點(diǎn)的絕對(duì)速度

(16)

式中 va1——除草刀張開(kāi)過(guò)程中，刀尖M點(diǎn)的絕對(duì)速度

va2——除草刀越苗過(guò)程中，刀尖M點(diǎn)的絕對(duì)速度

va3——除草刀回位過(guò)程中，刀尖M點(diǎn)的絕對(duì)速度

由式(16)可知，除草刀刀尖M點(diǎn)的絕對(duì)速度與除草刀的形狀及運(yùn)動(dòng)參數(shù)均有關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[21]和室內(nèi)預(yù)試驗(yàn)，除草刀的絕對(duì)速度對(duì)除草率和傷苗率兩個(gè)指標(biāo)的影響較大，隨著速度的增大，除草刀對(duì)表土的沖擊力變大，除草效果變好，但傷苗率增加，一般其絕對(duì)速度不應(yīng)大于4m/s[21]，智能除草裝置的前進(jìn)速度一般取0.6～1m/s，ρ為0.071m，θ0為11π/180,θ1為13π/45，將上述參數(shù)代入式(16)，最終確定除草刀旋轉(zhuǎn)角速度為(13π/3～5π)rad/s，則經(jīng)單位換算得到其轉(zhuǎn)速為130～150r/min。

3.2 受力分析

除草裝置避苗過(guò)程中，彈簧剛度參數(shù)影響除草刀的回位狀態(tài)，為合理的選擇彈簧剛度參數(shù)范圍，需要確定彈簧拉力的取值范圍，因此本文對(duì)除草刀進(jìn)行受力分析。除草刀回位過(guò)程中，其受力如圖10所示。

圖10 除草刀受力分析圖Fig.10 Force analysis diagram of weeding knife

其中M1為彈簧拉力提供的回位力矩，其計(jì)算式為

M1=kΔxLa

(17)

式中 k——彈簧剛度，N/mmΔx——彈簧形變量，mmLa——擺桿長(zhǎng)度，m

Mf為除草刀受到的阻力矩，其計(jì)算公式為

Mf=pd

(18)

式中 p——除草刀的工作阻力，Nd——除草刀形心和轉(zhuǎn)動(dòng)中心之間的距離，m

除草刀轉(zhuǎn)動(dòng)回位過(guò)程中，其工作阻力是波動(dòng)的、隨機(jī)的，分析起來(lái)比較困難，根據(jù)文獻(xiàn)[22-23]，本文對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，其計(jì)算式為

(19)

式中 f——除草刀與土壤的綜合摩擦因數(shù) G——除草單體的重量，Na——耕深，mb——工作幅寬，mμ——靜態(tài)阻力系數(shù)，N/m2ε——?jiǎng)討B(tài)阻力系數(shù)，N·s2/m4

為使除草刀及時(shí)回位，應(yīng)該滿足

M1≥Mf

(20)

因此，將式(17)～(20)整理得

(21)

根據(jù)除草裝置空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，彈簧變形量Δx的取值應(yīng)該滿足0<Δx<47mm；f一般取0.3～0.6，本文取0.5；μ為與土垡變形、切割阻力有關(guān)的系數(shù)，一般粘性土壤μ取40 000N/m2；ε為土垡運(yùn)動(dòng)、翻轉(zhuǎn)，與耕深和幅寬有關(guān)的系數(shù)，其值變化范圍較大，本文近似取4 000N·s2/m4；v0為機(jī)器前進(jìn)速度，取0.8m/s；耕深a取0.015m，工作幅寬b取除草刀長(zhǎng)度0.108m；除草單體重量G取400N，La為0.065m；d取0.012m，將上述參數(shù)代入式(21)可初步確定彈簧剛度k的取值范圍，并在進(jìn)一步預(yù)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，最終本文選擇3種相同材料(65Mn)的圓鉤螺旋拉伸彈簧，其絲徑分別選4、5、6mm，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 彈簧參數(shù)Tab.1 Parameters of spring

4 土槽試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為播后30 d左右的玉米苗及其伴生雜草，玉米品種為龍玉919；為模擬玉米田實(shí)際中耕除草作業(yè)環(huán)境，將東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)田中中耕期的玉米苗及雜草轉(zhuǎn)移到土槽試驗(yàn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)移過(guò)程中始終保持足夠多的土壤裹覆玉米苗及雜草根部周圍，保證根系生長(zhǎng)環(huán)境與田間一致，經(jīng)測(cè)定玉米苗的平均株高為217 mm，平均莖粗為10.4 mm。

4.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)裝置主要由試驗(yàn)臺(tái)車、試驗(yàn)樣機(jī)、土槽等組成。其中試驗(yàn)臺(tái)車為TCC-Ⅲ型計(jì)算機(jī)監(jiān)控輔助測(cè)試試驗(yàn)車，其采用全液壓四輪驅(qū)動(dòng)，可在0～8 km/h范圍內(nèi)調(diào)速，其液壓系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)工作部件的入土深度；臺(tái)車與機(jī)架采用牽引方式連接。伺服電機(jī)選擇臺(tái)州晶品自動(dòng)化設(shè)備科技有限公司的伺服電機(jī)套裝(電機(jī)型號(hào)：130ST-M15025型，驅(qū)動(dòng)器型號(hào)：AASD-30A)，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，額定功率3.8 kW，額定力矩15 N·m；單片機(jī)選擇51單片機(jī)，霍爾接近開(kāi)關(guān)為NPN型，型號(hào)為NJK5002C。

采用單體地輪和霍爾接近開(kāi)關(guān)測(cè)量除草裝置前進(jìn)的距離，并將信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算除草裝置與目標(biāo)作物之間的相對(duì)位置，發(fā)送指令給伺服電機(jī)；參照文獻(xiàn)[12-13]，設(shè)計(jì)其控制方法為：若當(dāng)前位置x與目標(biāo)避讓作物的位置px滿足50 mm

圖11 除草裝置控制程序流程圖Fig.11 Diagram of control program for intra-row weeding machine

試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院土槽試驗(yàn)室，試驗(yàn)土槽全長(zhǎng)30 m，寬5 m；試驗(yàn)臺(tái)車土壤類型為典型東北黑壤土，土壤含水率12.8%～18.5%，0～8 cm平均土壤硬度0.56 MPa，試驗(yàn)玉米苗栽種株距為250 mm，試驗(yàn)時(shí)將土槽分為測(cè)試區(qū)和緩沖區(qū)，中間段10 m為測(cè)試區(qū)，用于采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；測(cè)試區(qū)兩端各5 m為緩沖區(qū)，用于臺(tái)車啟停緩沖。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

圖12 土槽試驗(yàn)Fig.12 Soil bin test1.試驗(yàn)臺(tái)車 2.電源 3.機(jī)架 4.51單片機(jī) 5.伺服電機(jī) 6.凸輪搖桿式擺動(dòng)型玉米株間除草裝置 7.霍爾接近開(kāi)關(guān)

4.3 正交試驗(yàn)

對(duì)凸輪搖桿式擺動(dòng)型株間除草裝置的作業(yè)性能加以研究，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，旨在找出3個(gè)試驗(yàn)因素的最優(yōu)水平組合，使作業(yè)性能最好。選擇彈簧剛度、前進(jìn)速度和除草刀轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，根據(jù)理論分析和單因素預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，確定其各因素的取值范圍：機(jī)器前進(jìn)速度0.6～1.0 m/s，除草刀轉(zhuǎn)速130～150 r/min，彈簧剛度30～60 N/mm；其因素水平如表2所示。選擇除草率和傷苗率為試驗(yàn)指標(biāo)，用L9(34)正交表來(lái)安排試驗(yàn)，為了控制試驗(yàn)誤差，保證試驗(yàn)精度，每次試驗(yàn)前苗間雜草分布規(guī)律相同，進(jìn)行9組試驗(yàn)，如表3所示，其中A、B、C為因素水平值。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Factors and levels of test

表3 試驗(yàn)方案結(jié)果與極差分析Tab.3 Results of experiment and range analysis

株間除草率和傷苗率的計(jì)算公式為

(22)

式中η1——株間除草率，%Qz——作業(yè)前測(cè)試區(qū)株間雜草數(shù)Hz——作業(yè)后測(cè)試區(qū)株間雜草數(shù)η2——株間傷苗率，%Mz——作業(yè)前測(cè)試區(qū)玉米苗總數(shù)Ms——作業(yè)后傷苗及埋苗數(shù)

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表3可知各因素對(duì)除草率和傷苗率的影響情況。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的極差分析，得到影響除草率的主次順序?yàn)锽、A、C，各因素的最優(yōu)水平分別為A1、B3、C3，則最優(yōu)組合為B3A1C3。同理，影響傷苗率因素的主次順序?yàn)锽、C、A，各因素的最優(yōu)水平分別為A3、B1、C3，則最優(yōu)組合為B1C3A3。

通過(guò)方差分析[24]，對(duì)各因素影響除草率和傷苗率進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，如表4和表5所示。

由表4、5可知，作業(yè)速度對(duì)除草率和傷苗率影響均顯著；彈簧剛度對(duì)除草率和傷苗率影響均極顯著；除草刀轉(zhuǎn)速對(duì)除草率和傷苗率影響均顯著，這與極差分析的主次因素結(jié)論一致。

表4 除草率方差分析Tab.4 Variance analysis of weeding rate

注: * 表示顯著(p<0.05)，** 代表極顯著(p<0.01)，下同。

表5 傷苗率方差分析Tab.5 Variance analysis of injury rate

根據(jù)苗間除草裝置作業(yè)性能要求，各試驗(yàn)指標(biāo)分析所得優(yōu)水平組合不盡相同，為了達(dá)到兼顧平衡各項(xiàng)指標(biāo)的目的，采用綜合加權(quán)評(píng)分法進(jìn)行分析，以選出令各項(xiàng)指標(biāo)都盡可能最優(yōu)的組合[25-26]。考慮到3個(gè)因素對(duì)衡量指標(biāo)的重要程度，以100分作為總“權(quán)”，除草率和傷苗率各為50分，試驗(yàn)的綜合加權(quán)結(jié)果如表6所示。

通過(guò)表6分析得出各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)(除草率、傷苗率)影響的最優(yōu)組合，影響各因素大小順序?yàn)锽、A、C，各因素最佳水平組合為B3A1C1，即作業(yè)速度為0.6 m/s，彈簧剛度60 N/mm，除草刀轉(zhuǎn)速130 r/min。

表6 綜合加權(quán)結(jié)果Tab.6 Result of integrated weighted

4.5 結(jié)果驗(yàn)證及對(duì)比試驗(yàn)

由于綜合優(yōu)化的最優(yōu)水平組合并不在正交試驗(yàn)方案中，為了檢驗(yàn)最優(yōu)組合對(duì)除草裝置實(shí)際工作性能的影響，同時(shí)進(jìn)行與傳統(tǒng)苗間除草裝置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將最優(yōu)組合B3A1C1進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。試驗(yàn)中傳統(tǒng)苗間除草裝置為我國(guó)北方玉米、大豆田中廣泛應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)鋤式苗間除草裝置，試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)田；將凸輪搖桿式擺動(dòng)型株間除草裝置的試驗(yàn)結(jié)果與正交試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，除草裝置采用B3A1C1組合作業(yè)性能最優(yōu)，故最優(yōu)水平組合：作業(yè)速度為0.6 m/s，彈簧剛度60 N/mm，除草刀轉(zhuǎn)速130 r/min。根據(jù)對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，凸輪搖桿式擺動(dòng)型株間除草裝置的除草率高于傳統(tǒng)除草裝置，且其傷苗率和傳統(tǒng)除草裝置相比也有明顯的降低，因此該裝置具有較優(yōu)的除草性能。

表7 驗(yàn)證及對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Validation and comparison test results

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種凸輪搖桿式擺動(dòng)型株間除草裝置，并對(duì)裝置關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)，利用統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到：作業(yè)速度和除草刀轉(zhuǎn)速對(duì)除草率和傷苗率影響均為顯著，彈簧剛度對(duì)除草率和傷苗率影響極顯著。

(2)由綜合加權(quán)評(píng)分法確定凸輪搖桿式擺動(dòng)型玉米株間除草裝置的最佳水平組合為：彈簧剛度為60 N/mm、前進(jìn)速度為0.6 m/s、除草刀轉(zhuǎn)速為130 r/min，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得到除草率為89.8%，傷苗率為2.1%。通過(guò)與傳統(tǒng)除草裝置進(jìn)行對(duì)比，確定其具有較優(yōu)的作業(yè)性能。

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