丘陵山地遙控履帶割草機設計與性能試驗

摘要：針對廣西丘陵山地15°～25°坡地的經濟作物種植園區坡度較大、地塊分散、缺少機耕道，現有機械化割草機具難以進入并進行作業的難題，結合種植園區生草栽培的農藝技術，研發一種可遙控的履帶割草機。根據園區作業環境的割草機工況要求，對整機及關鍵部件如履帶行走系統、切割系統、變割草高度調節系統等進行計算分析與設計；設計并進行整機性能試驗，實驗結果表明，該割草機動力充足，最大縱向爬坡角度為36°，最大斜向爬坡角度為41°，在增程系統作用下，綜合工況下作業時間由1.5 h延長至1.8 h；最小轉彎半徑為403.5 mm；對割草機的遙控操作性能做直線行走試驗，測試路段試驗最大偏駛角度不大于3°；傾翻試驗臺架測試縱向傾翻穩定角為48.9°，橫向傾翻穩定角為64.4°；在廣西某機械化茶園示范區進行割草試驗，平均割草率為95%；可通過遙控實現割草機的行走、制動、轉向和割草刀具高度調節，滿足丘陵山地作物園區作業需求。

關鍵詞：履帶割草機；丘陵山地；生草栽培；性能試驗

中圖分類號：S224

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0049-08

收稿日期：2022年7月2日" 修回日期：2022年11月16日*基金項目：工業和信息化部2021年產業基礎再造和制造業高質量發展重點項目（TC210H02V）

第一作者：曾俊豪，男，1997年生，廣西梧州人，碩士研究生；研究方向為丘陵山地智能農機裝備。E-mail： 654062850@qq.com

通訊作者：高巧明，男，1975年生，廣西柳州人，博士，教授級高級工程師；研究方向為農業機械化關鍵技術與裝備、圖像模式識別。E-mail： walkergao@163.com

Design and performance test of remote control tracked mower in hilly and mountainous areas

Zeng Junhao1， Gao Qiaoming1， 2， Zhao Pengfei1， Mi Zerong1， Xiang Hao1， Xu Peng1

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou，

545616， China; 2. Guangxi Hepu Huilaibao Machinery Co.， Ltd.， Beihai， 536100， China）

Abstract：

Aiming at the problems that the 15°～25°slope economic crop planting park in hilly and mountainous areas of Guangxi is characterized by large slope， scattered plots， lack of tractor roads， and the existing mechanized mowing machines are difficult to enter the operation， a remote-control tracked mower is developed in combination with the agronomic technology of cover cropping in the planting park. According to the working condition requirements of the lawn mower in the working environment of the park， the calculation， analysis and design of the whole machine and key components such as tracked walking system， cutting system， variable mowing height adjustment system， etc. are carried out. The performance test of the mower is carried out. The experimental results show that the mower has sufficient power. The maximum longitudinal climbing angle is 36°， and the maximum oblique climbing angle is 41°. Under the action of the range-extender system， the comprehensive working time is extended from 1.5 h to 1.8 h. The minimum turning radius is 500 mm. The remote control performance of the mower is tested through the straight-line walking test and the maximum deviation angle is not more than 3° on the test ground. Through the bench test， the longitudinal tipping stability angle is 48.9°， and the lateral tipping stability angle is 64.4. A mowing experiment was carried out in a mechanized tea garden demonstration area in Guangxi. The average mowing rate was 95%. It can realize the walking， braking， steering and height adjustment of the mower through remote control， so as to meet the working requirements of the hillside plantation.

Keywords：

hills and mountains; tracked mower; cover cropping； performance test

0 引言

廣西丘陵山地面積占全區耕地面積的75%，同時也是廣西經濟作物，如水果、油茶果等主要產區。近年來，具有涵養土壤、改善園區生態優點的生草栽培理念不斷發展，生草栽培技術在廣西丘陵山地的種植園區得到推廣。該技術主張在作物行間和株間自然或人為生草，并采取人工或機械切割的方式控制雜草長勢，將切割的雜草覆蓋于土壤表面實現綠肥還田，減少化肥使用，同時雜草的生長具有保持山區水土，維持園區生態平衡等優點［1-3］。但由于丘陵山地土壤稟賦差，地塊規模小而分散，田間道路狹窄不平、坡度大、通過性差等，導致機械化水平較低，同時人工操作割草器械極易發生側滑和傾翻，割草過程有極大的安全隱患。因此，亟需設計一種能夠在坡地上通過遙控遠距離操作的割草機來提高人員安全性和丘陵山地農業機械化水平。

歐美國家對無人割草機的研究起步較早。Verne［4］研制一款園藝用自動割草機，主要用于自動進行常規的草坪除草工作，實現割草自動化。Aponte-Roa等［5］研究一款遙控電動割草機，可以設置為自動覆蓋預定義區域，也可以通過無線電控制發射器手動控制，允許用戶在任何方向遠程控制割草機，用所需速度轉動割草機電機，并調整割草高度。國內，河北農業大學的李雪軍［6］依據我國現代矮砧密植蘋果園生草栽培的需求，設計蘋果園壟面割草機，主要研究切割裝置切割果樹兩側壟面雜草以及排草問題，并進行作業試驗。

綜上，目前國內外所研發的割草機對我國廣西丘陵地塊大坡度坡面割草適應性仍然不足，因此研發具有良好坡地適應性的遙控履帶式割草機具有重要意義。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構及技術參數

割草機整機結構如圖1所示。

遙控履帶式割草機主要由履帶行走系統、電驅動系統、切割系統、變割草高度調節系統、遙控系統、整機控制系統和增程系統組成［7-9］。割草機主要技術性能參數如表1所示。

1.2 工作原理

作業前，根據工作區域雜草生長情況，使用遙控器控制變割草高度調節機構的直線電機伸長或收縮，帶動平行四桿機構運動，同時觀察留茬高度指示器，使切割刀片處于合適位置。在進行割草作業時，小型汽油發動機為切割器提供動力，同時通過功率分配裝置帶動發電機，補償割草機行走和電池充電所需部分功率，從而有效增加作業持續時間。

履帶式割草機有3擋工作速度，其中慢速擋和中速擋為基本作業擋位，高速擋用于非作業情況下的轉場。履帶式割草機驅動系統采用電機直驅的布置方式，通過PWM調速的方式設置3個作業擋位，實現作業擋位無機械式平滑切換，滿足山地復雜環境割草作業對速度調節的需求。通過遙控器控制履帶式割草機進入作物行間進行割草作業，如圖2所示，履帶式割草機完成一行作業后，可通過遙控器控制兩側驅動電機以相反方向驅動，從而使割草機原地轉向，靈活、快速地進行換行作業。

2 關鍵部件設計

2.1 行走系統計算與分析

履帶行走系統的行走能力，是履帶式割草機性能的重要體現，行走系統輸出功率必須大于阻力功率。分析履帶行走機構的阻力功率主要由外部阻力功率和內部阻力功率構成［10， 11］。

2.1.1 外部阻力功率

外部阻力功率主要是履帶與地面摩擦功率、地面變形阻力功率和爬坡時重力分力功率。

1） 為使履帶接地壓力能夠均勻分布，割草機在設計布置時將重心位置與幾何重心接近重合。當割草機做轉向動作時，履帶與地面的各點摩擦力方向始終垂直于該點到速度瞬心的連線。履帶底盤轉向受力分析如圖3所示。

以履帶式割草機向左轉向時為例分析，左右兩側履帶上受到的阻力矩分別由式（1）、式（2）表示。

由式（13）推導可知，B點沿Y軸負方向位移ΔYB，沿Z軸負方向的位移ΔZB，B點坐標由（xB，yB，CB）相應改變為B′（xB，yB-ΔYB，CB-ΔZB），分析B點的運動規律可知直線電機的運動軌跡為一弧形，安裝時不能過多約束直線電機自由度；D點沿Y軸正方向位移ΔYD，沿Z軸正方向位移ΔZD，D點坐標由（x，yC+CD，0）相應改變為（x，yC+CD-ΔYD，ΔZD），分析D點運動可知，ΔYD對應割草刀在高度調節過程中的水平位移，ΔZD對應割草刀進行高度調節前后的高度差ΔH，得到割草刀高度調節過程中的運動規律，從而自由調節留茬高度。

2.4 整機電氣控制系統

割草機的行走、轉向、避障、割草作業和整機電子設備的使用都需要通過整機控制系統來實現。整機控制系統主要包括STM32主控板、電機控制、避障檢測、故障檢測與反饋、BMS、無線遙控和軟件程序［15］。控制系統如圖9所示。

割草機電氣線路分為高壓、低壓和通信線路三個部分，在作業過程中，由動力電池組為整機用電器供電。主控芯片內嵌入已經編寫好的底盤控制程序，根據不同的操作指令與電機驅動器通信，檢測驅動電機的相電壓、相電流、轉速等參數，收集電機運行情況進行反饋，從而驅動電機按照預期的控制信號進行運轉。同時主控芯片也要接收和處理來自上位機和各傳感器傳輸的信號，最終實現割草機的行走、轉向、制動和作業姿態調整等功能。

3 整機性能試驗

3.1 動力和經濟性

割草機設計的縱向極限爬坡角度為30°，因此對其在草坡上的極限爬坡能力進行測試，以此來反映割草機的動力性。試驗場地為坡度變化范圍0°～48°的陡坡，測試時，將割草機停放于草坡前的平整草坪上，使用角度儀測量此時的傾斜角度，然后控制割草機以工作速度擋位（中速擋）分別以縱坡方向直行爬坡和與坡面方向成45°夾角方向以“Z”字形的姿態爬坡。

直到割草機因坡度加大達到驅動力上限無法繼續行走，使用角度儀測量此時的坡度，即為割草機的極限爬坡角，高精度九軸陀螺儀角度記錄如圖10所示。

履帶式割草機極限爬坡試驗測試可得，縱向爬坡工況下，割草機極限爬坡角度為36°；與坡面斜向45°姿態爬坡工況下，極限爬坡角度為41°，動力性能測量結果如表2所示。

割草機的能耗經濟性以持續作業里程能量消耗為評價標準。設計割草機在平整草坪以工作速度進行割草作業，作業效率為0.1333hm2/h，動力電池組持續使用時間為1h。實際割草機的作業工況為直行、爬坡和下坡等多種工況同時存在，以一個作業長度為周期（1h作業時間），分別測量得到割草機在隨機工況下以正常作業速度運行時，電池組的輸出功率均值為837 W、兩側電機消耗功率均值為811 W。以純電驅動持續作業時間約為1.5h，啟動增程系統介入后作業時間延長至1.8h，動力性與能耗經濟性均滿足設計預期，同時也滿足實際大部分場景的坡面割草作業需求。

3.2 轉彎半徑試驗

割草機在進行割草作業時常常需要180°掉頭往復割草，轉彎半徑大小代表了割草機在掉頭時的轉向機動性能，也決定了割草機在丘陵山地分散的小地塊作業的操作性能。割草機以中速擋穩定行駛后，發出原地轉向指令，使兩側履帶以等速反向運轉，行駛一圈后，取D1、D2、D3三點（在軌跡圓上間隔120°），測量軌跡圓上3個均布位置處的直徑，如圖11所示。

分別對左向轉向和右向轉向進行試驗并記錄數據，試驗數據結果如表3所示。

由表3可知，平均最小轉彎為403.5 mm，轉彎半徑與軌距大小相近，可認為能夠實現原位轉向，轉向性能優良，在丘陵山地復雜地塊具有十分良好的操作性能。

3.3 直線行走偏差試驗

割草機行走時不能按照預定直線軌跡行駛，偏離預定軌跡的現象稱為跑偏。割草機的直線行駛穩定性對其操作性和割草作業質量至關重要，使用行走偏差來評價，若跑偏嚴重，則需要操作人員頻繁對其行走姿態進行調整，行走機構損耗嚴重。

在平整地面上對割草機進行直線行走偏差試驗，將割草機停放在試驗場地，以一側履帶外邊緣的延長線作為割草機直線行走的標定直線，以該側履帶前端為起點劃定起始線，沿標線25 m處為終點劃定終止線［16］。給割草機發出直線行走指令，至履帶前端到達測試終止線后停止，使用九軸高精度陀螺儀記錄其行走偏角。試驗如圖12所示。

重復3次試驗并使用高精度九軸陀螺儀記錄每次的偏差角度，偏差角度數據如圖13所示。

由圖13可知，該割草機在測試路段上進行直線行走測試時，最大偏駛角度不大于3°，可認為該偏差水平不會對作業質量產生重要影響。分析該履帶式割草機產生跑偏主要原因為：（1）兩側履帶接地條件差異導致兩側履帶運行速度不一致；（2）兩側履帶在生產加工和裝配時的差異導致兩側履帶運行工況不同；（3）雙電機獨立驅動未閉環情況下產生的不同步。

3.4 傾翻試驗臺測試

割草機在丘陵山地草坡上作業時，不能發生傾翻或者滑移，發生傾翻或滑移均為坡面失穩，不但影響作業質量效果，而且還會有巨大的安全隱患。因此，對割草機進行極限傾翻角和極限滑移角試驗十分重要。

將割草機橫向整機置于傾翻試驗臺上［17］，安裝防側滑以及防側翻安全設施，啟動試驗臺，使整機隨試驗臺以一定速度向左傾斜，實時檢測右側履帶支承平面法向反力直至為零時停止，此時試驗臺的傾斜角度即為割草機橫向側傾時的傾翻穩定角；若右側履帶支承平面法向反力還未減少至零時，割草機先發生了滑移，則此時的試驗臺傾斜角度即為割草機橫向側傾時的滑移穩定角。分別將割草機橫向、縱向向前和縱向向后置于傾翻試驗臺上進行傾斜試驗，分別測量三次，記錄測量結果取算術平均值。傾翻試驗臺試驗如圖14所示。割草機傾翻試驗臺測試結果如表4所示。

由測試結果可得，當坡度足夠大時，本割草機會在發生傾翻之前發生滑移，且滑移穩定角均大于割草機所設計的最大爬坡度。由于試驗臺表面與履帶之間的摩擦系數和草地與履帶之間的摩擦系數略有不同，實際的滑移穩定角會根據實際情況略有不同，但傾翻穩定角不改變，可以認為該割草機的坡面穩定性滿足要求。

3.5 割草效果驗證試驗

割草機的割草質量效果使用割草率來評價，參考GB 26509—2011和LY/T 1202—2010的試驗方法設計割草效果驗證試驗。由于試驗作業的區域中雜草生長密集和高度參差不一，為準確計量雜草數量，采用W型9點采樣法，取0.25 m2的樣方面積，逐一統計每個樣方中雜草株數，可以認為該地塊的雜草密度為樣方雜草密度的均值，如圖15所示。

通過統計割草機進行一次割草作業后，切割區域的面積來計算割草割凈率，割凈率即為取樣區域內雜草總株數與切割雜草株數的百分比，割凈率［18］。割凈率表達式如式（14）所示。

λ=kA-kOkA×100%

（14）

式中：

kA——采樣區域內測定雜草總株數；

kO——采樣區域內測定漏割雜草總株數。

試驗地為廣西某機械化示范茶園，土壤類型為黃棕壤，測試如圖16所示。

統計采樣區雜草株數以及一次割草作業后該區域漏割株數，割凈率數據統計如表5所示。

該試驗區域為初次割草，生草類型多，生草密度大，初次割草割凈率達95%。由試驗結果分析可得本文研究的割草機，對普通雜草和灌木類型雜草有較好的切割效果，可認為該試驗數據真實性高，能夠滿足丘陵山地經濟作物種植園區的實際割草作業需求。

4 結論

1） 針對丘陵山地通過性差，現有割草機難以在山區作業的困境，本文研發一種能夠通過遙控遠程控制的履帶式混動割草機，該履帶式割草機能夠在15°～25°丘陵山區的坡面上具備良好的行走能力和作業能力。

2） 通過一系列的性能試驗，得到該履帶式割草機的關鍵性能參數：結合增程裝置與本文研究的能量管理系統，將作業時間延長至1.8 h；作業姿態靈活，能夠實現整機的原地轉向；直線行走穩定性好，測試結束時測得偏角不大于3°；經過傾翻試驗臺試驗，該除草機能夠在不大于38.7°的坡面具有優良的穩定性；在茶園進行實地割草作業實驗，初次割草作業的平均割草割凈率達95%，割草效果優異。

3） 由試驗數據可得出，本文研發的履帶式割草機總體性能優良，能夠適用于丘陵山地坡度大，地面崎嶇不平的作業環境，并滿足割草作業的需求。

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