果園除草機避讓系統設計及仿真

李建新　李文春　陳廷官　張宏文　張勇

摘要：針對國內果園除草機械大多僅實現行間除草，少數能實現株間除草的設備因各種因素未能普及，須要大量的人力進行2次作業的現狀，設計了一種新疆果園專用的除草設備，采用錯開的2組彈齒耙與旋轉的除草刀具，可完成株間、行間除草。利用Adams軟件建立避讓裝置模型并對其進行運動仿真，可得除草刀具運動學特性曲線，通過對結果的分析可以驗證設計的合理性，并為后續的設計與研究提供理論依據和參考。

關鍵詞：果園除草機;避讓系統;設計;仿真

中圖分類號： S224.1+5文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0248-04

自“十一五”以來，新疆林果業持續高速發展。據數據顯示，2016年新疆林果總種植面積已達到1.5×106 hm2，優質林果年產量已突破1×1010 kg，在新疆果農經營性收入中林果業收入的比例可達到30%[1]。在果園的生產管理中，機械化與自動化除草，已經成為了果園管理中不可或缺的環節[2]。

國外對果園除草機械研究起步較早，發展較迅速。德國的Asl等通過在拖拉機后加裝旋耕機改裝成果園耕耘機[3];Zekic[DD（-1*2][HT6]′等研制了一種EXL140型自動化株間除草設備[4];Fumagalli等研發了一種能夠分層耕作的齒狀旋耕刀[5];由于國內外的種植模式與農藝要求不同，加之結構復雜、成本較高，因此未能在國內引進和推廣。我國對果園自動化除草機械的研究較少，大多是使用微型耕耘機，存在著生產效率偏低、勞動強度較大，在其耕作過程中容易出現少耕、漏耕或傷樹、耕作效果不佳等問題[6]，須要人力進行2次補耕，已經不能適應大面積種植的新疆果園[7-8]。

針對上述問題，為了實現株間和行間一次性除草作業，提高機械除草作業效率，設計一種果園自動化除草機械，能實現精確旋轉避讓除草，對避讓系統進行運動仿真分析，通過對結果的分析可以驗證設計的合理性，為后續的設計與研究提供理論依據和參考。

1 果園耕耘避讓系統

1.1 整機結構

整機是由耕耘裝置與避讓裝置2個部分組成。耕耘設備主要由懸掛架、機架、彈齒耙與限深輪等組成。其利用兩組相互錯位的彈齒耙進行行間耕作，可達到最大面積的除草與疏松土壤;避讓裝置由調節板、液壓缸、刀軸與除草刀具等組成，通過可旋轉的刀具在果樹株間內伸入或伸出，達到株間除草與避讓果樹或障礙物的目的，果園耕耘機避讓系統結構見圖1。

1.2 工作原理

果園耕耘機避讓系統由拖拉機的牽引力提供耕作動力;由2組錯開的彈齒耙進行耕作，可保證耕作效率;由三點懸掛裝置與限深輪共同作用調節行間耕作深度。拖拉機牽引力為避讓裝置提供前進動力，液壓系統為避讓裝置提供旋轉動力。果園耕耘機避讓系統在前進作業時，當機械觸碰桿未碰到障礙物時，刀具進行無障礙的寬幅作業;當碰到障礙物時，機械觸碰桿受力彎曲并繞刀軸轉動，作用于壓力控制閥，液壓系統驅動液壓缸快速動作，避讓執行機構執行，使刀具繞著刀軸的向后旋轉，改變刀具的工作路徑，在旋轉避讓的同時，機械觸碰桿會持續受力，并使刀具持續旋轉;當刀具旋轉到一定位置時，機械觸碰桿與障礙物分離，壓力控制閥關閉，液壓缸動作，使刀具迅速復位，恢復到正常除草工作位置，且復位速度大于避讓速度，刀具進行除草作業時液壓缸為保壓狀態，以此為周期循環作業[9]。避讓裝置不需要額外的動力輸入，能夠有效節能與提高工作效率。工作原理見圖2。

1.3 刀具運動軌跡的參數分析

果園耕耘機避讓系統采用拖拉機作為系統的動力，而作業速度與除草質量緊密相關， 耕作質量隨前進速度的增加而

逐漸降低，所以機具的前進速度不能過快，但是速度過慢又會造成機具功率的浪費，經濟效益差，因此耕作速度的選定應根據國家標準以及實際工作環境，確定機具的前進速度為 0.55～1.39 m/s。

刀具端點旋轉的切線速度為

vt=l+d+ss·vm。（1）

式中：vt為刀具端點的線速度，m/s;vm為機具的前進速度，m/s;l為安全距離，cm;d為果樹直徑，cm;s為刀具長度，s=50 cm;果樹直徑d取1.6 cm，將安全距離l、機具前進速度vm與刀具長度s帶入式（1）中可計算得vt=0.56～1.71 m/s。

以除草刀具為研究對象，建立直角坐標系;以拖拉機前進的方向為y軸，除草刀具正常工作時指向的方向為x軸（圖3），則有：

x=Rcosωty=vmt-Rsinωt。（2）

式中：vm為耕耘機避讓系統前進速度，m/s;R為除草刀具的長度，mm;ω為除草刀具的旋轉速度，rad/s;ωt為除草刀具的轉角，rad。

刀具端點的旋轉速度與拖拉機前進的速度之比定義為果園耕耘機避讓裝置的側旋轉速比[11]：

λ=vrvm=Rωvm。（3）

由式（2）、（3）可得運動軌跡方程：

由式（4）可知，果園耕耘機避讓系統的運動軌跡與刀具的長度、轉速以及機具的前進速度有關。側旋轉速比決定避讓裝置的運動軌跡、耕作效率以及漏耕率與傷樹率，所以適當的側旋轉速比對避讓裝置耕作具有重大的作用。

2 關鍵零部件設計

2.1 避讓裝置執行機構的設計

在除草作業中刀具承受較大的沖擊力;避讓時要求系統能迅速響應，具有較大的力與轉矩;而在果園作業過程中，執行動作頻率較高;為適應不同果園的作業，其耕作速度不同，執行元件的速度也隨之變化。而液壓傳動具有承載能力大、易于獲得很大的力和轉矩、易實現無級調速、便于實現自動化等優點，可滿足本裝置的設計要求，因此采用液壓傳動作為避讓裝置的動力，通過調節液壓系統中壓力、流量和方向來實現避讓動作。

執行機構是避讓裝置的運動核心，可直接影響除草效果。已知執行元件為液壓缸，執行機構滿足預定的運動規律要求，設計避讓裝置的執行機構為帶擺動油缸的四連桿機構[12]（圖4）。

根據避讓裝置的運動原理和執行動作，確定帶擺動油缸的四連桿機構執行機構的基本參數;本研究根據給定角β、轉動性系數ξ以及搖桿OB的值繪制出機構的運動圖，根據刀具的運動方式選擇以吊環固定方式的單級油缸，通過使用圖解分析法找到搖桿運動的2個極限位置Smax與Smin，確定活塞桿的運動行程，選用液壓缸型號。

由刀具的工作狀態可得擺動桿OB的擺動范圍為 0～90°，根據避讓裝置的結構，可知參數轉動性W系數ξ=OB/OC=0.274，lOB=8.6 cm，lOC=31.4 cm。

考慮到當OB與OC成1條直線（α=0°或180°）時，機構將被卡住，因此最小允許角α=20°～35°。

為了避免機構卡死，方便機構動作的執行，將啟動角選用為∠BOC=20°，通過余弦計算公式計算Smax與Smin。

Smax2=IOB22+IOC2-IOB2·IOC·cosβ2;（5）

Smin2=IOB12+IOC2-IOB1·IOC·cosβ1。（6）

由式（5）、（6）解得Smax=33.9 cm;Smin=28.4 cm。液壓油缸的形成Smax-Smin=5.5 cm。查閱資料，預選用液壓缸型號為UYWE11 50×80。

2.2 液壓缸鉸接板的設計

液壓缸鉸接板作為帶擺動油缸的四連桿執行機構中的搖桿，同時也是刀軸轉動的驅動元件。它是避讓裝置的核心零部件之一。將其設計成板類零件，能夠更好地與刀軸相互配合，有效地降低運動不平穩，零件能夠滿足執行機構的運動強度，重要的是這個結構能夠按照執行機構的工作要求驅動刀軸旋轉，滿足以下設計要求：（1）滿足執行機構中搖桿的基本尺寸，刀軸軸心與液壓缸鉸接點的距離l=8.6 cm;（2）鉸接點液壓缸與刀軸的軸心不在同一條水平線上，且呈現45°夾角;（3）液壓缸鉸接板與刀軸通過鍵相互配合，結構簡單可靠并能夠實現機構動作;（4）方便拆卸與維修，容易更換（圖5）。

2.3 轉動控制板的設計

轉動控制板是避讓裝置信號輸入的執行部件，機械觸碰桿與零件通過螺栓固定在轉動控制板上，機械觸碰桿與轉動控制板無相對運動，當觸碰桿受到外力作用時，會隨轉動控制板一同繞刀軸旋轉，并作用在液壓控制閥上，使避讓信號輸入。其設計應滿足以下條件：（1）結構簡單可靠，易拆卸，可實現轉動;（2）轉動阻力小，可正反轉;（3）使機械觸碰桿等信號輸入零件方便安裝拆卸;（4）與鉸接板相互接觸但不干擾（圖6）。

3 仿真分析

3.1 虛擬樣機的建立

采用SolidWorks軟件建立果園避讓系統的三維模型，通過Adams與SolidWorks專用的幾何數據轉換Parasolid接口來完成模型的轉換。為便于Adams的仿真和分析， 忽略次要因素，對仿真模型進行簡化，把不影響仿真效果的固定機架及螺栓等去除[13]。以刀具的旋轉中心為坐標原點，刀具工作位置的指向為x軸方向，鉛垂向上為y軸方向，前進方向為z軸方向。根據避讓裝置的實際工作過程，以及各構件之間的相對運動關系，對整個裝置的零部件添加約束條件和驅動力，如圖7所示。虛擬樣機建立完畢后，為后期仿真做準備，進行模型校驗，顯示正確信息。刀具是避讓裝置運動的核心，本研究通過刀具的運動軌跡對裝置的運動進行計算與分析，選取刀具的端點并創建標記點為Marker_70。

3.2 仿真結果分析

在完成對避讓裝置模型約束條件、運動副、驅動力及模型校驗后，設定基本的參數信息。本研究采用基本式控制方式進行仿真，仿真的類型為default（默認），仿真時間為5 s，仿真步數為1 000步。在仿真過程中，按照果園耕耘機實際的工作要求，選定拖拉機前進的速度為1 m/s，果樹株距為2 m，且假設每個果樹之間為等距，系統響應的時間忽略不計，通過分析刀具標記點Marker-70的2個工作周期的運動曲線來闡述避讓裝置的運動情況。

由圖8可知，4個特殊點A、B、C、D位置，A-B階段為刀具正常除草作業的工作路徑，此時刀具在果樹株間跟隨著拖拉機做勻速直線運動;B-C階段為刀具避讓果樹的工作路徑，刀具繞著刀軸順時針旋轉進行避讓;C-D階段為刀具進行復位的工作路徑，刀具旋轉回到原來的工作位置上，進行下一周期的除草作業;刀具依次往復循環動作，刀具的工作周期，取決于實際果樹的株距與作業速度。作業速度為1 m/s時，刀具完成一個避讓復位的時間為0.54 s，響應時間短，且由曲線可知避讓距離大于果樹直徑，能夠滿足實際工作的要求。

由圖9可知，刀具3個工作狀態的速度變化情況，可看出避讓、復位動作的速度曲線大致符合正余弦函數曲線，執行過程為先加速后減速，要求碰到果樹能及時避開果樹，且達到不傷果樹的效果;符合設計要求;由圖像的函數幅值來看可滿足復位速度大于避讓速度，且用時短，可保證除草的工作質量，能夠在讓樹后迅速地恢復到工作位置，避免出現漏耕現象，使除草效果達到最優化。

由圖10可知，刀具在避讓動作開始于復位動作結束時具有較大的慣性力，對系統具有較大的沖擊力，對除草質量有一定的影響。

4 結論

本研究設計了一種適合新疆果園行間、株間一體化的自動避讓除草機械，探討了除草機避讓與除草的工作原理，建立了數學模型，分析計算了除草刀具運動的相關參數。通過對裝置的避讓原理進行分析，建立了避讓執行機構的模型，對其2個極限位置進行分析計算，確定了液壓缸的行程，初步對執行元件液壓缸進行參數的選型。基于Adams軟件對避讓裝置進行了運動仿真，對刀具標記點的運動軌跡與速度進行了分析，通過仿真得到了側旋轉速比為λ=0.754時能夠得到理想的運動軌跡;當側旋轉速比不變，前進速度提高到 1.1 m/s 時，傷樹率明顯增大，降低了除草刀具利用率，增加了除草阻力。通過運動仿真，檢驗了避讓裝置在果樹株距為2 m時能夠滿足避讓與除草的要求。

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