株間除草機改進設計研究

馬 寧，楊彩虹，李海榮

（寧夏民族職業技術學院，751100，寧夏吳忠）

伴隨著我國林果業的快速發展和寧夏葡萄酒產業的迅猛發展，大規模的葡萄種植促進了機械的應用。本地葡萄產業園株行距大，易于雜草發生、危害嚴重，采用普通的除草機械無法清除株間雜草，僅能除掉果樹行間雜草，降低了機械除草的作業效果[1]，但可以株間與行間同時除草的專用設備還有諸多設計問題。本文通過調查發現，株間除草機產生問題的零部件主要是除草鏟、刀軸總成。設計要求除草鏟外形不能過厚，并且強度要大。本文針對除草鏟的失效原因進行分析。

1 株間除草機的工作原理

株間除草機作業時，機械感應觸桿未碰觸到果樹或障礙物時，液壓控制系統不工作[2]，株間除草機進行正常寬幅作業；當機械感應觸桿碰到果樹或障礙物時，機械感應觸桿開關軸轉動，控制液壓系統開始工作，進而控制除草鏟沿與機具前進垂直方向繞回轉軸旋轉，株間除草機改變作業路徑，避免除草鏟損傷果樹。避障工作結束后，株間除草鏟再次繞回轉軸反向旋轉，進行正常寬幅作業，以此往復循環作業。株間除草機結構如圖1 所示。

2 除草鏟、刀軸總成失效分析及改進設計

通過對實際使用過程的調研發現：除草鏟在使用過程中基本深入土壤以下20 cm，并且要不斷地轉動，特別是在避讓后回復過程中不但要受到機械前進時土壤的阻力合力，還受到回復過程的加速阻力，受力大；葡萄樹間距較大，其土壤中有不少的砂石。并且為了能快速有效地將草除凈，要求除草鏟厚度不能太大。對其進行分析后，主要改進措施為重新設計除草鏟外形，材料選用20CrMnTi。

3 除草鏟、刀軸靜應力分析

為了驗證除草鏟、刀軸總成的強度極限，結合農機行業國家標準及實際試驗要求，對除草鏟進行靜應力分析[3]，看其是否滿足材料的強度極限。

3.1 除草鏟、刀軸總成模型的材料及網格劃分

模型材料選用20CrMnTi[5]，其伸長率δ5≥10%，加工后熱處理硬度為HB156～217，密度ρ=7.8 g/cm3，泊松比ν=0.25，彈性模量E=207 GPa，屈服強度σ0.2≥850 MPa，抗拉強度σb≥1 080 MPa。在施加外部載荷時，首先將刀軸進行固定，然后對除草鏟中刀口處施加驅動力，如圖2 所示。考慮除草鏟、刀軸總成模型靜應力求解精度與求解時間的平衡，選擇整體網格參數為3 mm 進行網格劃分，靜應力求解可滿足分析需要，如圖3 所示。

圖2 除草鏟、刀軸總成受力示意圖

圖3 除草鏟、刀軸總成網格劃分圖

3.2 除草鏟、刀軸總成靜應力分析結果

除草鏟、刀軸總成靜應力云圖如圖4 所示。除草鏟最大應力位置是除草鏟與刀軸連接處位置，其值為285.52 MPa。最大位移位置是除草鏟最外端鏟頂處位置，其最小值為4.324 mm。所受最大應變位置是除草鏟與刀桿連接處位置，其值為0.0020。最小安全系數位置是株間除草機螺栓連接孔位置，安全系數最小值為2.9。

圖4 除草鏟、刀軸總成靜應力云圖

通過以上靜應力分析得出：在最大受力作用下，所設計的除草鏟、刀軸總成所受應力小于選用材料20CrMnTi 的屈服強度850 MPa 與抗拉強度1 080 MPa；除草鏟、刀軸總成安全系數最小值2.9，大于無相對運動關鍵部件安全系數的要求1。設計強度滿足使用要求。

4 結語

在研究除草鏟、刀軸總成時，由于受實驗條件的限制，有關株間除草機的工作平穩性還沒有進行研究。本文的研究為株間除草機的除草鏟、刀軸總成優化設計提供了理論依據與科學合理的方法和一定的參考價值。應用株間除草機可以提高勞動生產率，有利于增加農民收入、提升寧夏林果機械技術進步和促進產業的持續發展。