自走式果園割草機切割器的設計與試驗

關鍵詞： 切割器；果園割草機；模態分析；運動學仿真；田間割草試驗

中圖法分類號： TP391.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1000-2324（2024）02-0244-10

我國是果業種植面積和產量大國，各種植面積均列全球第一［1］，截止2022 年我國農業機械化水平已達到72%［2］，但果園受其雜草種類繁多困擾［3-4］，平原地區果園的綜合機械化率僅為25%［5］，山區果園由于地形復雜、作業困難，綜合機械化水平僅為5.75%，大多數除草作業都依靠人工完成［6］。同時，雜草是果樹的天敵，能夠導致果樹減產高到20%，極大地影響果樹生產［7］。因此，研制符合現代化果園需求的割草機高效除草，不僅能夠保障果樹生產產量，還能降低人工成本，對促進我國農業經濟發展具有非常重要的現實意義。

傳統割草機的切割器大多針對平原作物作業，碰到堅硬石塊等障礙物刀具易損壞，導致切割器受損，無法保質保量的完成除草任務。并且山地果園地形多變，地勢起伏和坡度不一致，傳統切割器的切割高度和角度無法應對山地果園的地形［8］，導致切割不均勻或無法切割到某些區域，造成嚴重的漏割現象［9］。目前，割草機切割器大部分使用場景主要集中于地勢平緩的平原地帶［10-11］，有關山地果園割草機切割器研究較少。Muhammad 等人為日本的小型梨園開發了一種機器人割草機切割器，可以連續多年控制雜草的生長，但成本昂貴，僅適用于平坦路面，并且切割器遇到堅硬障礙物已損壞［12］?？茦肥昭兄频腄ISCO系列割草機切割器適用于大規模平原種植園，無法在山地果園場景中應用［13］。Ahmet?elik 等人設計的切割器主要用于密集高大的飼草植物，無法在行距、株距較小的果園應用［14］。為適應山地果園作業環境，本文設計了一種自走式果園割草機切割器，應對復雜的地形條件，確保切割效果均勻且高效完成工作，以解決山地果園除草問題。

1 切割器割草性能分析

割草機切割裝置中的工作部件采用高速旋轉式圓盤，刀片的運動軌跡是由圓盤的高速旋轉運動和割草機的行駛運動共同決定的。因此，刀片上的某一點的運動軌跡相對地面是一條余擺線，刀刃處掃過的面積相對地面是一條條擺帶。如圖1所示：

通過對刀片上任意一點建立位移方程可得到刀盤的最小轉速要求。對刀片運動軌跡的分析確定切割器在行進作業時所掃過的雜草面積大小，以此保障割草機在理論上大大降低漏割情況的出現。當割草機的行駛速度很慢或者刀片轉速很快時，能有效的消除漏割問題，但實際上割草機的行駛速度不宜過小，速度小會導致割草機的生產效率大打折扣。因此在保證割草機較高作業效率的同時需適當增加刀片的轉速，但過高的轉速會使得切割器零部件的磨損、振動加劇，出現過大的噪聲，甚至破壞機具的平衡性與可靠性，大大地降低了切割器的使用壽命。

2 割草機切割裝置設計

2.1 刀片結構及轉速設計

割草機的切割裝置中工作部件設計直徑為300 mm，厚度為3 mm，材料為45 鋼的高速旋轉式圓盤，在圓盤上安裝刀片進行旋轉切割作業。設計刀片結構如下圖2 所示，長度為150 mm，寬度為30 mm，厚度為2 mm，采用高強度、硬度的彈簧鋼65 Mn作為制作刀片的材料。

果園中的大多數雜草的最優切割角范圍為28°～30°［15］，為保證刀片在切割雜草時能以較好的切割角進行切除，經過經驗測試選擇刀片的切割角為30°。

根據上述無阻尼系統的振動方程求出結構某一階的自然振動頻率和振型。

在Workbench 中相應的模塊導入刀盤模型圖，添加材料屬性和約束，合理劃分網格。為減少連接件對分析過程中的干擾，刀片設計采用常用的彈簧鋼65 Mn，其強度、硬度、耐磨性均表現良好；圓盤采用應用廣泛的45 鋼，其機械性能滿足一般的作業要求采用六面體的網格單元對刀盤進行網格劃分，得到刀盤模型的節點個數為172 981，單元個數為33 854，劃分完的網絡結構如圖5所示：

添加約束，根據配合關系，假設圓盤與刀片之間不存在相對位移，將圓盤與刀片的接觸添加為固定約束Bonded。最終查看仿真結果：根據上述設置對刀盤的前6 階模態進行分析，得到每一階的固有頻率和振型圖，如表1、圖6所示。

由圖6 刀盤的各階模態振形圖中可以看出，當刀盤在高速旋轉時發生的振動主要是在刀片的最外端即刀刃邊緣上，且這種振動能使刀片彎曲。由轉速與頻率之間的關系n=60f 可知，當刀盤的轉速n=2 400 r/min 時，其對應的頻率f=40 Hz，刀盤頻率從第一階開始逐漸增大，且第1階的頻率遠遠大于40 Hz，因此，刀盤在以n=2 400 r/min 的轉速旋轉時，不會發生共振現象，驗證其設計的合理性。

3.2 切割裝置的運動學仿真分析

為了便于刀盤與雜草間的動力學仿真分析，采用 ADAMS/View Flex 中的Extrusion 建立柔性雜草模型。因為實際勘測測試區域的雜草長度為180-220 mm、平均直徑為5 mm，因此設定雜草模型是長度為200 mm、直徑為5 mm的圓柱體，以代表雜草中的莖稈部分，因系統材料庫中并沒有關于雜草有關的屬性，只能選擇相似度較高的木材作為雜草的材料屬性，故定義雜草模型的材料屬性為wood。

仿真過程，在刀片的刀刃處標記一個MARKER 2 點，添加軌跡線，為了保證仿真結果更加準確，需合理設置仿真步數，但也不能過大，否則會降低分析效率，設置仿真時間End Time為0.5 s，仿真步數Step 為2000，其他參數按照默認值設置。仿真過程見圖7；刀刃標記點運動軌跡見圖8。

在ADAMS/Postprocessor 后處理模塊中提取刀刃標記點MARKER 2 在X軸、Y軸和Z軸的位移、速度、加速度隨時間變化曲線圖，如圖9所示。

從圖9 中可以看出刀刃外端在某一時刻的位移、速度、加速度數值，理論上保證了割草機不出現露割的情況，導出刀片與雜草之間的接觸力和扭矩隨時間變化曲線圖，如圖10所示。

從圖10 中可以看出，刀片在割草機行駛了0.1 s 后與雜草發生接觸，其最大接觸力和最大扭矩分別為2 300 N和35 N?m。切割雜草中的硬草時所需的剪切力大約200～600 N，最高可達1 200 N［17］，遠遠小于刀片和雜草間的接觸力。因此，切割器在正常作業的情況下能起到有效的割草效果。

4 自走式果園割草機切割器性能試驗

4.1 試驗方法

北方地區冬季雜草枯萎，不適合進行試驗，故割草試驗的最佳時間應該在春夏季，此時的雜草生長旺盛，試驗效果明顯。于2022 年3 月份在青島市嶗山區王梨園對果園割草機進行初步試驗，果園占地面積約為200 畝，果樹的行株距為3.5×1.0 m，雜草大多數為禾本科狗尾草，平均高度為200 mm、直徑為5 mm，地勢具有一定的坡度，在實驗時，選擇一塊雜草高度比較均勻的生草區進行試驗。為了能夠便于測量數據和使試驗具有一定的科學性，試驗方案將通過以下方法進行，試驗規劃路線如圖11所示。

（1）為了避免割草機在同一樹行中往返作業時對試驗區的雜草發生一定的壓實影響，故在每一樹行間規劃割草路線時只考慮單程進行作業；

（2）為了測量的方便和試驗的準確性，割草的范圍應該選擇大一點，取每次單程割草的距離為30 m，每隔3 m處為1 個測量區，在指定某個測量區內獲取割草性能指標數據；

（3）隨機選擇3 條不同的單程割草路線，每條單程割草路線之間相互獨立，不存在割草機返程時對其他路線的影響。

割草機切割器田間實地試驗如圖12所示。

4.2 性能指標

切割器作為自走式果園割草機的核心組成部分，其性能對整體割草機的工作效果至關重要。整體割草機測試結果是對各個部件協同工作效果的綜合展現，然而切割器作為核心組件之一，其切割效率、切割質量和穩定性直接影響割草機的整體工作表現。其性能優劣將直接決定割草效果的好壞，無論其他部件表現如何，切割器在實際工作中的表現至關重要。本文通過整體割草機性能測試實驗可以間接反映出切割器的性能狀況，是驗證切割器效果的重要參考依據。

參照《旋轉割草機國家標準 GB/T10938-2008》、《農業機械生產試驗方法 GB/T5667-2008》和《旋轉割草機試驗方法 JB/T5154.1-1997》等割草機試驗方法及要求［18］進行測試，對割草機的主要性能指標進行試驗，如割茬高度?、割幅利用系數K以及漏割損失率η 等。

4.2.1 割茬高度測定 在每條單程割草路線上每間隔3 m的地方即每個測量區內，沿割幅方向隨機選取1 棵雜草進行測量，用3 m的卷尺垂直于地面測割茬高度，每條割草路線上的平均割茬高度為：

4.4 試驗結果分析

通過對割草機切割器的主要性能試驗，試驗樣本數據隨機選取，得到的機具的性能指標如表5所示。

主要對小型果園割草機切割器在山地梨園內進行除草性能試驗，根據國家標準GB/T10938-2008 等測得的割茬高度為24.15 mm，實際平均割幅為494.82 mm，割幅利用系數為98.96%，漏割損失率為1.54%。試驗數據顯示，割草機切割器的整體作業效果良好，能有效提高果園除草管理效率。

5結論

（1）分析了不同切割方式和配置方式的特點，計算出刀片的數量；對刀盤進行模態分析，得到前6 階模態中發生共振的最小頻率為95.634 Hz；對切割部件在除草時的動力學特點進行了仿真分析，得到刀片與雜草的瞬間接觸力可達2 300 N，瞬間扭矩可達35 N?m，保證了割草機切割器有效的除草效果；

（2）研制了自走式果園割草機切割器并對其進行了園間作業性能試驗，測得割茬高度為24.15 mm，割幅利用系數為98.96%，漏割率為1.54%，結果表明，研制設計的自走式果園割草機切割器能夠提高果園除草管理的效率，降低果園勞動生產的強度，減少除草的用工成本。