宋月鵬，張 韜，樊桂菊，高東升，王 征，高 雪

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018;3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

果園生草技術(shù)是近年來(lái)普遍應(yīng)用于我國(guó)果園的一項(xiàng)仿生栽培技術(shù)，有利于果園小氣候形成，同時(shí)起到疏松土壤、改善土壤結(jié)構(gòu)和增加有機(jī)質(zhì)含量的作用[1-4]。生草后及時(shí)刈割覆蓋，能夠避免草種與果樹(shù)爭(zhēng)肥，從而保證果樹(shù)充分吸收營(yíng)養(yǎng)，提高果實(shí)品質(zhì)。

目前，針對(duì)山地丘陵地帶的果園生草刈割工作，我國(guó)科研人員研究出了不同類(lèi)型不同特點(diǎn)的刈割機(jī)，如9GXQ-1.40型果園刈割機(jī)、9GP-45型坡地刈割機(jī)、92GZX-1.7旋轉(zhuǎn)刈割機(jī)等[5]，這些刈割機(jī)基本能夠滿足果園的割草要求，但是依然存以下幾個(gè)問(wèn)題：一是金屬割刀在高速旋轉(zhuǎn)速度下遇到障礙物時(shí)，容易斷裂，對(duì)人體具有危險(xiǎn)性；二是刈割機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置存在缺陷，經(jīng)常出現(xiàn)大面積重割、漏割的情況。針對(duì)上述問(wèn)題，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)[6]，對(duì)圓盤(pán)式果園生草刈割機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行仿真，并對(duì)刈割機(jī)切割裝置的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期提高刈割機(jī)的割草效率，減少農(nóng)機(jī)手的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 總體設(shè)計(jì)方案

1.1 刈割機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙圓盤(pán)果園生草刈割機(jī)由小型拖拉機(jī)、連接架、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降桿、減速器和切割裝置等組成。其中，切割裝置采用前懸掛連接在小型拖拉機(jī)上，通過(guò)液壓缸控制起落，從而調(diào)整割茬高度。該切割裝置由圓形刀盤(pán)、撥草滾筒和經(jīng)過(guò)化學(xué)熱處理的合金鋼刀片組成，刀片與刀盤(pán)鉸接，碰到障礙物時(shí)能夠回彈，提高了使用壽命，該刈割機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

果園生草刈割機(jī)技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所列。

1.2 旋轉(zhuǎn)速度的確定

旋轉(zhuǎn)式切割器工作時(shí)，刀片的運(yùn)動(dòng)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)合成，刀片某一點(diǎn)對(duì)地面的軌跡為余擺線，刀片刃線對(duì)地面所掃過(guò)的面積為余擺帶，其帶寬與刀片伸出高度相近似[7-8]。刀片根部的速度最低，在任意時(shí)刻，根部刃口的絕對(duì)速度為：

(1)

當(dāng)ωt+γ=π+2kπ(k=0，1，2,…,n)時(shí)：

vg=vgmin=rω-vj。

(2)

式中：vg為切割速度(m·s-1)；vg min為刀片刃口最低速度(m·s-1)；r為刀片內(nèi)端半徑(mm)；ω為角速度(rad·s-1)；vj為刈割機(jī)前進(jìn)速度(r·s-1)。

研究資料顯示，旋轉(zhuǎn)式無(wú)支承切割時(shí)刀片刃口最小極限速度為30 m·s-1，其切割速度vg應(yīng)大于最小極限速度，一般為 50～90 m·s-1[9-11]，刈割機(jī)切割器轉(zhuǎn)速為：

圖1 圓盤(pán)式果園刈割機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure drawing of the disc lawn mower

表1 刈割機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of the grass mower

(3)

1.3 前進(jìn)速度的確定

當(dāng)刈割機(jī)各參數(shù)一定時(shí)，其最大前進(jìn)速度可根據(jù)上述公式得到：

vjmax=(mhvg)/πD。

(4)

式中：vjmax為刈割機(jī)最大前進(jìn)速度(m·s-1)。

2 切割裝置建模與仿真

2.1 切割裝置的模型建立

由于切割裝置是刈割機(jī)最關(guān)鍵的部分，其結(jié)構(gòu)好壞直接影響割草效率，也會(huì)間接影響果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育。目前應(yīng)用于我國(guó)果園最常見(jiàn)的有兩種切割器，一是往復(fù)式，其切割平穩(wěn)，能耗較低，但是容易纏草、發(fā)生堵塞；另一種是圓盤(pán)式，其耗能高，但是切割力大，破草率低，所以本研究采用圓盤(pán)式割草裝置進(jìn)行工作過(guò)程仿真試驗(yàn)。先用Solidworks軟件建立刈割機(jī)切割裝置的三維仿真模型[12-14]，如圖2所示。并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

圖2 圓盤(pán)切割器的仿真模型Fig. 2 Simulation model of the disc cutting unit

2.2 仿真模擬

將Solidworks畫(huà)出的零件圖組成裝配圖，保存為parasolid(.x_t)格式，導(dǎo)入ADAMS中，然后對(duì)導(dǎo)入的模型添加約束和運(yùn)動(dòng)副，設(shè)置好切割器的旋轉(zhuǎn)速度、前進(jìn)速度和材料等參數(shù)，點(diǎn)擊工具欄中的仿真按鈕，在Simulation中，設(shè)置仿真終止時(shí)間(end time)為0.03，步長(zhǎng)(steps)保持為1 000，開(kāi)始運(yùn)動(dòng)仿真，可以得到切割裝置中刀片最外部端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡[15]。仿真完成后，追蹤該端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)軌跡Fig. 3 The trajectory figure of the blade

在得到運(yùn)動(dòng)軌跡的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)仿真，得到圓盤(pán)切割器轉(zhuǎn)過(guò)一周時(shí)刀片的重割和漏割面積圖(圖4)。

藍(lán)色部分Ⅰ表示漏割區(qū)，綠色部分Ⅱ表示一次重割區(qū)，黑色部分Ⅲ表示二次重割區(qū)。

Ⅰ, leakage cutting area; Ⅱ, one-time repeated cutting area; Ⅲ, second-time repeated cutting area.

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)方法

在對(duì)切割裝置虛擬樣機(jī)的仿真過(guò)程中發(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、重割區(qū)與漏割區(qū)面積及收獲的效率，其中，刈割機(jī)前進(jìn)速度、刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度、刀片數(shù)是影響重割率(全割幅范圍內(nèi)測(cè)定單位面積平均收獲牧草中無(wú)頭草節(jié)質(zhì)量與單位面積應(yīng)收牧草質(zhì)量之比)和漏割率(全割幅范圍內(nèi)測(cè)定未割牧草去掉割茬后的質(zhì)量與單位面積應(yīng)收牧草質(zhì)量之比)的3個(gè)關(guān)鍵性因素，參考現(xiàn)有的圓盤(pán)刈割機(jī)工作參數(shù)，選擇虛擬切割裝置的旋轉(zhuǎn)速度為1 400～2 200 r·min-1，前進(jìn)速度為2.04～3.40 km·h-1，刀片數(shù)為3，刀片內(nèi)端半徑為160 mm，刀片伸出長(zhǎng)度為45 mm。選用 L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，以重割率和漏割率為綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16-17]，對(duì)切割器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其試驗(yàn)因素水平表如表2所列。

利用正交設(shè)計(jì)助手軟件設(shè)計(jì)了9組試驗(yàn)，如表2所列。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，運(yùn)用正交試驗(yàn)軟件Design-expert得到直觀分析表，如表4所列。

根據(jù)正交設(shè)計(jì)原理，極差能表示各因素水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響大小。對(duì)于重割率來(lái)說(shuō)，因素主次順序?yàn)锽、C、A，較優(yōu)組合為B2C2A2；對(duì)于漏割率來(lái)說(shuō)，因素主次順序?yàn)锽、C、A，較優(yōu)組合為B2C2A2(表3)。根據(jù)綜合平衡法[18]得到切割器動(dòng)力參數(shù)的最優(yōu)組合是B2C2A2，即旋轉(zhuǎn)速度為2 000 r·min-1，刀片數(shù)為3片，前進(jìn)速度為2.74 km·h-1時(shí)，割草效果較優(yōu)。

4 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 材料與方法

2017年7月，對(duì)已有樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)作出改進(jìn)，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度由原來(lái)的2 200 r·min-1改為2 000 r·min-1，前進(jìn)速度由原來(lái)的3.00 km·h-1改為2.74 km·h-1，刀盤(pán)數(shù)不變，為3片。然后在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)進(jìn)行田間試驗(yàn)，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[19]，試驗(yàn)地面積為4 hm2，地面平整，無(wú)大塊碎石。作業(yè)對(duì)象是苜蓿(Medicagosativa)，無(wú)倒伏。并以秒表、鋼尺、卷尺、電子秤為輔助；在試驗(yàn)田內(nèi)取5個(gè)測(cè)試區(qū)，面積均為1 m2，按照要求的割茬高度將所有苜蓿草割下，再將5個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)割下的苜蓿混合后稱(chēng)重，即為5 m2應(yīng)收苜蓿草質(zhì)量；另取兩個(gè)測(cè)試區(qū)，測(cè)區(qū)長(zhǎng)1 m，寬1 m，每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)刈割機(jī)往返一次進(jìn)行作業(yè)，等距測(cè)量4次割幅，取平均值，即為實(shí)際割幅；將割下的無(wú)節(jié)頭[20]苜蓿收集稱(chēng)重，即為重割草的質(zhì)量；再將未切割的苜蓿進(jìn)行切割并收集稱(chēng)重,即為漏割草的質(zhì)量。

表3 直觀分析表Table 3 Visual analysis table

4.2 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)該果園生草刈割機(jī)的工作參數(shù)優(yōu)化[21]后，重割草質(zhì)量由182.22 g降到146.10 g，漏割草質(zhì)量由15.35 g降到6.30 g，重割率與漏割率有了明顯的減少(表4)。

5 結(jié)論

1)基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，利用ADAMS軟件對(duì)圓盤(pán)式果園生草刈割機(jī)的切割器工作過(guò)程進(jìn)行仿真，減少了開(kāi)發(fā)實(shí)體樣機(jī)的成本。

2)對(duì)于切割器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)，并以重割率和漏割率為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在直觀分析后通過(guò)綜合平衡法確定了最優(yōu)組合為刀片數(shù)3片，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1，前進(jìn)速度為2.74 km·h-1，能有效減少重割和漏割。

表4 刈割機(jī)性能測(cè)試結(jié)果Table 4 Test results of mower performance

3)經(jīng)過(guò)田間的樣機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，虛擬樣機(jī)的仿真數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化后，圓盤(pán)式果園生草刈割機(jī)工作過(guò)程中刀片重割率和漏割率分別為14.83%和0.64%，分別較優(yōu)化前提高了5.83%和1.1%。