懸掛式割草機折疊機構優化與液壓仿形系統研究

祝 露 尤 泳 王德成 張 楠 馬 偉 劉照啟

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083; 2.德邦大為(蕪湖)農機有限公司， 蕪湖 241002)

0 引言

隨著我國“糧改飼”、“退耕還林還草”等政策的推廣落實，大量丘陵山區的耕地變為草地，飼草種植面積進一步擴大，丘陵山區的飼草機械化收獲目前還是一個技術難點[1-3]。根據農藝要求，割草機在作業時切割器緊貼地面，以降低收獲損失，增加飼草產量[4-6]，而丘陵山區常有凸起和斜坡地形，造成切割器無法貼地作業、切割器入土引起停機等狀況。

為了適應丘陵山區復雜的地形條件，割草機應具備良好的仿形功能，使切割器接地作業時能夠隨地形情況自動調節角度、位置[7-11]。目前，我國已在玉米播種機仿形技術上開展了深入研究[12-14]，部分學者使用電液控制技術，通過采集壓力信息實時控制仿形機構，使得播種單體獲得穩定的下壓力和播種深度[15-16]。目前割草機仿形技術的相關理論研究相對較少，并且市場上割草機產品基本都采用被動仿形方式，即仿形機構在地面的支撐作用下被動地隨地形起伏，是因為割草機沒有類似播種單體的結構，只能切割器整體仿形，而整體結構質量大，增加了控制難度；同時電液控制的仿形技術成本高、易損壞、仿形動作滯后，所以雖有割草機主動仿形技術的研究，卻未得到推廣。

科樂收、庫恩等一些國外農機公司在大型割草機上應用了液壓式仿形系統，增強了割草機在起伏地形條件下的作業能力，國內外學者也對割草機仿形技術開展了相關研究，這些仿形機構均采取被動仿形方式，而且機械仿形方式多用于小型割草機，液壓仿形方式多用于大型割草機。

為了解決丘陵山區的飼草收獲難題，本文從大型懸掛式割草機入手，對割草機仿形技術展開相關研究。基于德邦大為(蕪湖)農機有限公司的一款幅寬3.2 m割草機，對其折疊機構進行分析與計算，推導出適用于不同幅寬割草機的折疊機構，使割草機可以在坡度-30°～30°范圍內的地形下作業，并研制與折疊機構相配套的液壓仿形系統，使割草機在滿足折疊功能的同時具備仿形功能，能夠通過高度250 mm的波形凸起路面，提高懸掛式割草機在丘陵山區的工作能力。

1 折疊機構基本結構

1.1 割草機折疊機構基本結構

對于懸掛式割草機，折疊機構的主要作用有：在作業結束后執行切割器的提升、旋轉動作，使其背負在拖拉機后方，以滿足運輸條件；在割草作業過程中帶動切割器前進并隨地形浮動。在有起伏的地形環境下，折疊機構應具有一定范圍的活動余量，隨切割器一起隨地形上下浮動，使切割器的底部始終貼在地面上。

懸掛式割草機折疊機構如圖1所示，主要由機架、旋轉臂、提升臂、回轉液壓缸、提升液壓缸組成。其中機架與拖拉機的三點懸掛相連接，支撐起整個折疊機構，機架的右端通過銷軸與旋轉臂配合安裝，旋轉臂的右端與提升臂通過銷軸連接，回轉液壓缸一端掛耳連接在機架上，另一端掛耳與旋轉臂連接，提升液壓缸上端連接旋轉臂，下端與提升臂相連接，最后，切割器與提升臂的切割器安裝孔配合安裝，構成了整個折疊機構。

圖1 懸掛式割草機折疊機構結構圖Fig.1 Hanging mower folding mechanism1.機架 2.回轉液壓缸 3.旋轉臂 4.提升液壓缸 5.提升臂 6.切割器安裝孔

1.2 折疊機構工作原理

懸掛式割草機工作狀態與運輸狀態下的結構圖如圖2所示，割草作業結束后，在提升液壓缸的拉力作用下，提升臂與切割器被向上提升起來，切割器繞提升臂下鉸點旋轉，最后呈豎直狀態；執行完切割器的提升動作后，通過控制回轉液壓缸，拉動旋轉臂向后方旋轉，最終切割器以直立狀態位于機架后方，在拖拉機后方呈背負狀態，以便于安全運輸。同理，當割草機被運輸到作業地點時，控制回轉液壓缸伸出，切割器在重力作用下拉動提升液壓缸伸出，切割器下落，直到與地面接觸，進入工作狀態。

圖2 懸掛式割草機不同狀態結構圖Fig.2 Structure diagrams of hanging mower in different states1.機架 2.割草機上懸掛點 3.回轉液壓缸 4.旋轉臂 5.提升臂上鉸點 6.提升液壓缸 7.提升臂 8.提升臂下鉸點 9.切割器總框架 10.壓扁輥

折疊機構執行提升與回轉動作均由折疊機構的液壓系統執行，液壓系統的原理圖如圖3，其中液壓泵、溢流閥、提升系統三位換向閥、回轉系統三位換向閥均為拖拉機內部液壓系統元件，且提升系統三位換向閥、回轉系統三位換向閥始終處于中位，通過駕駛員手動操縱調整換向閥的位置執行液壓缸的伸縮動作。

圖3 懸掛式割草機液壓系統原理圖Fig.3 Schematic of hydraulic system of hanging mower1.提升液壓缸 2.球閥 3.提升系統三位換向閥 4.溢流閥 5.液壓油箱 6.液壓泵 7.拖拉機內部液壓元件 8.回轉系統三位換向閥 9.液壓鎖 10.回轉液壓缸

1.3 折疊機構結構分析

1.3.1折疊機構剛性連接

由圖2a與圖3可知，當割草機處于工作狀態時，液壓系統中的2個三位換向閥(位于拖拉機駕駛室內)均處于中位，即提升液壓缸與回轉液壓缸固定連接，無法執行伸縮動作。此時提升液壓缸無法帶動切割器上下運動，回轉液壓缸也無法帶動旋轉臂向后擺動，折疊機構所有部件剛性連接，沒有活動的自由度。切割器與折疊機構的提升臂鉸接，且始終接地作業，在遇到起伏較大地形時，切割器與提升臂的鉸接點不能向上抬升，切割器不能主動移動以適應起伏環境，造成刀片入土，同時折疊機構受到向后方的沖擊力，容易造成連接銷軸斷裂或回轉液壓缸受壓變形，使切割器或折疊機構受損。

1.3.2折疊機構擺動角度

通過在三維軟件中對折疊機構裝配模型進行提升、擺動一系列模擬操作，發現原型機折疊機構在帶動切割器順時針擺動20°左右時就達到了極限位置，此時提升液壓缸完全伸出，提升液壓缸也將與提升臂發生干涉，如圖4所示。

圖4 折疊機構順時針擺動20°狀態圖Fig.4 State diagram of the folding mechanism swinging 20° clockwise1.提升液壓缸 2.提升臂 3.切割器框架

為了解決上述2個問題，需要對割草機的折疊機構進行分析，將折疊機構擺動角度范圍擴大至±30°，同時改進割草機折疊機構液壓系統，使割草機作業時提升液壓缸根據地形條件自主調節伸出長度，以自適應起伏地形，提高割草機在復雜地形環境下的作業能力。

2 折疊機構優化設計

2.1 折疊機構各鉸點位置計算分析

由于折疊機構的擺動角度范圍以及提升切割器所需的拉力均由折疊機構連接鉸點的位置決定，故需對折疊機構各零件的連接尺寸進行分析。

為了適應±30°以內的斜坡作業環境，使折疊機構具備在此角度范圍內調整切割器姿態的能力，懸掛式割草機折疊機構的設計應當滿足以下基本條件[17]：①折疊機構擺動角度最大可以達到±30°。②提升臂和切割器可以達到豎直狀態，便于運輸。③折疊機構結構合理，提升過程所需的液壓缸拉力相對較小。④運動過程中各部件不會發生干涉。為了使折疊機構能夠滿足以上條件，繪制折疊機構擺動-30°(順時針擺動30°)時的狀態圖與運輸狀態圖，如圖5所示，并對折疊機構各部件的尺寸進行分析計算。

圖5 折疊機構不同狀態結構示意圖Fig.5 Schematics of structure of folding mechanism in different states1.旋轉臂上鉸點 2.旋轉臂 3.提升臂上連接點 4.提升臂下連接點 5.提升缸下連接點 6.提升臂 7.提升液壓缸

由于提升臂下連接點與切割器連接，該連接點必須接近切割器中心位置，使切割器左右兩側平衡并均勻接地，假設懸掛式割草機的幅寬為B，為了避免切割器與旋轉臂干涉，提升臂上連接點與切割器左側邊緣應留有一定空間，在此以250 mm計算，幅寬越小，所留空間應越小。故提升臂上連接點與下連接點距離a的計算公式為

a=B/2+250

(1)

如圖5所示，折疊機構執行提升動作時，提升臂繞提升臂上連接點旋轉，旋轉臂上鉸點與提升臂上連接點的水平距離d過大時，提升臂順時針擺動30°時提升臂易與提升液壓缸發生干涉，d過小時，易在運輸狀態使旋轉臂與提升臂發生干涉，本文中，d應在250 mm左右為宜。

如圖5b所示，為使運輸狀態下提升臂與切割器能夠保持豎直狀態，提升缸下連接點與提升臂下連接點的水平距離c應略小于d，本文中，c的取值為

c≈d-50

(2)

提升液壓缸完全縮回時，切割器完全提起，此時割草機為運輸狀態，提升臂應處于豎直狀態，此時運輸割草機占用空間最小，提升液壓缸受到的拉力也最小，可避免拉力過大造成液壓油泄漏發生事故，如圖5b所示，此時近似有

a≈e+L+b

(3)

式中e——機架上鉸點與提升臂上連接點的垂直距離

L——液壓缸縮回全長

b——提升缸下連接點與提升臂下連接點的垂直距離

對于缸徑大于50 mm的液壓缸，兩側掛耳與端面密封至少要留出270 mm左右的尺寸余量，假設液壓缸縮回時兩側掛耳的距離為L，則必須滿足：L≥s+270，s為液壓缸行程，此時s=a+e-b-L，見圖5b，為了使液壓缸內具備足夠的長度容納縮回的液壓桿，應滿足

L≥a+e-b-L+270

(4)

根據公式(1)～(4)，可求出幅寬為B的懸掛式割草機折疊機構滿足在±30°范圍內擺動的尺寸條件為

(5)

此外，對折疊機構進行受力分析，明確各尺寸對折疊機構提升力的影響，如圖5a所示，提升臂在下連接點處受拉力作用，其大小等于切割器的重力，提升臂還受自身重力G0，在提升液壓缸的拉力Ft作用下，提升臂繞提升臂上連接點向上旋轉，由力學平衡有

(6)

其中φ與θ的三角函數關系為

(7)

聯立公式(5)、(6)可得

(8)

式中θ——提升臂在執行提升動作過程中與水平面的夾角，(°)

Fg——提升臂在第一鉸點處受的拉力，N

φ——提升液壓缸與豎直平面的夾角，(°)

由公式(7)可知，機架上鉸點與提升臂上連接點在豎直方向上的距離e越大，提升液壓缸的拉力Ft越小。綜上，得出幅寬為B的懸掛式割草機折疊機構滿足正負擺動30°的活動范圍的折疊機構尺寸條件與提升液壓缸的拉力計算公式。

2.2 幅寬3.2 m折疊機構仿真

根據上述計算的折疊機構滿足擺動±30°基本條件，設計計算出適用于幅寬3.2 m原型機的折疊機構，其中a為1 581 mm，b為77 mm，c為212 mm，d為258 mm，e為425 mm。

將優化后的折疊機構的三維模型導入ADAMS軟件中，按照實際連接關系將轉動副添加到各零件之間，在提升臂的下端施加切割器的拉力，本次優化的折疊臂適用于幅寬3.2 m的割草機，在提升臂的下端施加8 428 N(割草機切割器的重力)的拉力，在旋轉臂的左側安裝孔與下表面定義固定約束，賦予各零件材料類型與重力方向，模擬提升液壓缸將貼合在-30°斜坡的切割器提升至豎直狀態的過程中提升液壓缸的拉力情況。

折疊機構在ADAMS軟件中液壓缸端點運動軌跡如圖6所示；提升液壓缸拉力隨時間變化曲線如圖7，提升液壓缸拉力隨著切割器被提升逐漸減小，整個過程歷時4 s多，在零時刻提升液壓缸拉力最大，為51 600 N，故提升液壓缸在拖拉機16 MPa油壓下至少具備51 600 N的拉力才能使折疊機構正常工作。

圖6 液壓仿形系統ADAMS仿真模型Fig.6 ADAMS simulation model of hydraulic profiling system

旋轉臂左側安裝孔與機架固定連接，上端安裝孔與液壓缸連接，是整個折疊機構中受力最大的零件，需要對其進行強度校核，定義其左側安裝孔固定約束，上端安裝孔受到傾斜向下30°、51 600 N的拉力，此時為旋轉臂受力最大的時刻，各部位應力分布如圖8，應力集中分布在上端的掛耳與下方部件的焊接處，應力最大值為216.67 MPa，滿足強度要求。

圖8 旋轉臂應力分布云圖Fig.8 Contour diagram of stress distribution of rotating arm

根據理論計算與模擬仿真結果，折疊機構實物尺寸如圖9所示。

圖9 優化折疊機構實物尺寸Fig.9 Trial production size of reformed folding mechanism

3 割草機液壓仿形系統仿真

為提高割草機在丘陵山區作業能力，在折疊機構實現擺動±30°的基礎上，還需要對割草機液壓系統進行優化，使割草機自適應起伏地形，具備仿形功能。

3.1 液壓仿形系統工作原理

液壓仿形系統原理如圖10所示，在原液壓系統上將提升液壓缸的輸入口與蓄能器連接，并通過單向閥與截止閥調節蓄能器的進出流量大小。蓄能器可作為輔助油源，在閉式液壓環境中為提升液壓缸提供液壓油，使提升液壓缸具備執行伸縮動作的條件，故切割器的滑板隨地形上下浮動時，提升臂也能上下擺動一定角度，實現了懸掛式割草機的仿形功能。

圖10 液壓仿形系統原理圖Fig.10 Schematic of hydraulic profiling system1.油表 2.蓄能器 3、12.球閥 4.提升液壓缸 5.雙作用液壓缸 6.液壓鎖 7.回轉系統三位換向閥 8.液壓油源 9.過濾器 10.溢流閥 11.提升系統三位換向閥 13.單向閥 14.截止閥

3.2 液壓仿形系統虛擬仿真

虛擬仿真技術可以為農業機械提供良好的理論參考[18-19]，在ADAMS運動學仿真軟件中，可以計算出起伏路面上切割器的位移、提升液壓缸的伸縮位移數據，但無法獲得提升液壓缸對提升臂拉力數據；在AMESim液壓仿真軟件中可以獲取提升液壓缸對提升臂拉力數據，但提升液壓缸的伸縮位移會引起蓄能器內氣囊體積變化，使得閉式液壓回路中的油壓改變，由此提升液壓缸對提升臂拉力也是隨地形變化的，兩個單獨的仿真均無法反映真實的割草機在起伏路面的通過情況。

為了驗證液壓仿形系統理論設計的正確性，應用ADAMS-AMESim聯合仿真技術進行液壓仿形系統仿真試驗，克服單一仿真方式的局限性。將ADAMS仿真模型中提升液壓缸伸縮位移隨信息數據輸入AMESim仿真模型，將AMESim仿真模型中提升液壓缸的拉力信息數據輸入ADAMS仿真模型，綜合探究液壓仿形系統對起伏路面的適應效果。

在ADAMS軟件中創建路面總長度20 m、寬度5 m、波峰高度250 mm的8個連續的正弦波作為作業環境中的起伏路面，并將整個割草機模型導入，按照相關零件實際連接情況添加約束關系，并賦予所有零件質量信息，設置切割器總成與路面間接觸約束動摩擦因數為0.45，靜摩擦因數為0.4[20]，割草機前進速度為0.5 m/s，ADAMS仿真模型如圖11所示。

圖11 液壓仿形虛擬樣機ADAMS仿真模型Fig.11 ADAMS simulation model of hydraulic profiling virtual prototype

在AMESim液壓仿真模型中，設置蓄能器體積2.0 L，預充氣壓力7.0 MPa，提升液壓缸缸徑90 mm，桿徑45 mm,液壓泵輸出流量62.5 L/min。最終搭建的機械-液壓聯合仿真模型如圖12所示。

圖12 液壓仿形系統ADAMS-AMESim聯合仿真模型Fig.12 ADAMS-AMESim co-simulation model of hydraulic profiling system

在聯合仿真交互環境中的AMESim系統中查看仿真結果，將仿真模型中蓄能器氣囊體積變化信息、切割器的位移信息、切割器接地壓力信息導出，繪制相關曲線。如圖13a所示，在割草機通過波形路面的過程中，蓄能器氣囊體積在0.4～0.7 L范圍內波動，證明該過程中有液壓油進出蓄能器，提升液壓缸供油或吸收其中的油液；圖13b顯示了切割器上刀片在豎直方向位移隨時間變化關系，其運動軌跡與仿真模型中的地形一致；圖13c為切割器接地壓力隨時間變化，主要在1 700～2 500 N范圍內波動，最大可接近3 000 N。仿真結果表明，搭載液壓仿形系統的割草機具有貼地通過崎嶇起伏路面的條件，且可以通過高度250 mm的波形路面。

圖13 聯合仿真數據曲線Fig.13 Co-simulation data curves

4 折疊機構仿形系統試驗

為了驗證仿形系統設計計算的正確性，試制了仿形系統的折疊結構與液壓系統，并將其安裝在原型機上，開展割草機折疊試驗與地形適應性試驗，探究試驗樣機對復雜地形的適應性，并查驗折疊機構是否滿足折疊割草機的基本功能。

4.1 折疊機構功能試驗

將優化后的旋轉臂、提升臂以及液壓缸配合組裝構成折疊機構，與原型機切割器配合安裝，最后掛接在拖拉機上，與拖拉機的后輸出液壓接口連接，測試優化后的折疊機構執行折疊動作情況。

圖14a展示了割草機處于作業狀態下的位姿，優化折疊機構將切割器提升后的折疊狀態(即割草機被背負在拖拉機后方的運輸狀態)如圖14b所示，經角度數顯儀測量，此時提升臂與豎直方向的夾角為3.2°，接近豎直，滿足割草機的安全運輸條件?？烧J為優化的折疊機構具備了將割草機折疊的功能，且滿足各種工況下的力學和強度要求。

圖14 折疊功能測試Fig.14 Folding function tests1.懸掛機架 2.旋轉臂 3.液壓缸 4.提升臂 5.角度數顯儀 6.液壓油管

4.2 優化樣機地形適應性試驗

4.2.1優化樣機斜坡地形試驗

在野外尋找角度接近30°的斜坡地形，驗證優化設計的折疊臂是否具有±30°的擺動范圍。

優化后的折疊機構活動范圍試驗場地分別在0°～28°的山丘以及-24°～0°的洼地進行，以此反映天然草場極端惡劣的斜坡地形，試驗現場如圖15、16所示，割臺與斜坡的貼合情況良好，折疊機構無干涉情況，折疊機構可順利完成折疊動作，說明優化后的折疊機構具備了擺動±30°的能力，能適應斜坡地形環境。

圖15 樣機在0°～28°的山丘作業現場Fig.15 Working situation of prototype in hills from 0° to 28°

圖16 樣機在-24°～0°的洼地作業現場Fig.16 Prototype working in depressions from -24° to 0°

4.2.2優化樣機波形路面通過性試驗

折疊機構經過一系列折疊、擺動的初步調試試驗后，再將仿形液壓系統裝載在折疊機構上，探究割草機液壓仿形系統對起伏地形的適應性，測試液壓仿形系統的綜合性能，優化后的液壓仿形系統如圖17所示。

圖17 液壓仿形系統Fig.17 Hydraulic profiling system1.壓力表 2.球閥1 3.球閥2 4.減壓閥 5.單向閥 6.蓄能器

試驗于2022年1月20日在安徽省蕪湖市弋江區德邦大為(蕪湖)農機有限公司附近的野外草地進行。經過調查勘測，選擇一段凸起最大高度接近250 mm的波浪形路面，場地情況如圖18所示，部分凸起截面尺寸如圖19，測得波形凸起的最大高度可達243 mm，在浪形路面的左側清理出拖拉機行駛道，便于測量試驗場地的地形特征。壓力傳感器型號為DYZ-101，量程為10 000 N，供電電壓5～15 V，固定在滑板與切割器之間，實時記錄整個過程中的切割器接地壓力情況，數字記錄儀型號為OHR-F8-10-X-02-A-U，工作電源AC85～264 V、50/60 Hz，記錄間隔是1 s。截取其中一次試驗中經過波形路面16 s時間段內接地壓力隨時間的變化值，并制作點線圖，如圖20所示。

圖18 波形路面試驗場地Fig.18 Wave road test site

圖19 波形路面的側邊截面圖Fig.19 Cross section of wavy pavement

圖20 割草機接地壓力隨時間變化曲線Fig.20 Curve of ground pressure of lawn mower with time

切割器隨地形上升到波峰位置的情況如圖21，壓力傳感器記錄結果基本反映了波形路面的起伏情況，試驗場地有3個波形起伏，且第2個起伏最大，整個過程中，壓力傳感器始終有示數，故認為切割器始終緊貼地面，且折疊機構可以隨著地形起伏調節液壓缸的長度，割草機具備了仿形功能。

圖21 割草機通過波峰的瞬間Fig.21 Moment lawn mower passed wave road

從圖20中可以看出，通過波形路面的整個過程中，接地壓力保持在2 000～5 000 N。切割器經過第1個波峰時接地壓力會增加到4 000 N左右，經過第2個波峰時接地壓力接近5 000 N，經過第3個波峰

時接地壓力接近4 800 N。

已知切割器的質量在860 kg左右，而整個過程中接地壓力的測量值遠遠小于切割器的重力。通過試驗過程觀察，認為是在蓄能器氣囊壓力作用下使液壓缸對切割器提供了一定的拉力，以及機架對切割器提供了一定的支撐力，使得切割器的對地壓力小于自身重力，減小了切割器的接地壓力，有利于切割器隨地面仿形。

試驗結果表明，仿形系統樣機具備了通過250 mm高度的波形凸起路面的能力，切割器能夠在無人參與條件下自行上浮下落，始終接地作業。且經過傳感器測量，在惡劣的波形路面條件下，仿形系統樣機接地壓力為2 000～5 000 N，減小了接地壓力，可緩解割草機作業過程中對地面的壓實作用。

5 結論

(1)為了提高割草機在起伏大、有坡度等復雜地形條件下的適應能力，優化了懸掛式割草機的折疊機構，使割草機在能順利折疊的基礎上，可以適應30°以內斜坡地形，且具備越過250 mm高度波形凸起路面的能力，增強了割草機在丘陵山區的作業能力。

(2)通過對折疊機構理論分析計算，得出折疊機構實現滿足擺動±30°各零部件需要滿足的基本尺寸，對優化后的零件進行運動學仿真分析、關鍵受力零件強度分析，確保順利完成割草機折疊動作。

(3)試制出適用于幅寬3.2 m懸掛式割草機的折疊機構和與之相配套的液壓仿形系統。田間試驗結果表明：優化的折疊機構能順利完成割草機折疊動作，滿足各種工況下的力學和強度要求；優化折疊機構具備30°以內的擺動范圍，在斜坡地形下割臺與地面的貼合情況良好；搭載仿形系統的折疊機構樣機具備通過250 mm高度的波形凸起路面的能力，切割器可隨地形自行上浮下落，提高了割草機在起伏較大地形條件下的適應能力。