自走式沙柳平茬機優化設計與試驗

摘要：針對傳統平茬機具在復雜地形環境工作時出現的仿形效果差、平茬質量低和進給速度快等問題，設計一種自走式沙柳平茬機。首先，采用浮動四連桿、旋轉鎖止軸及帶有滑掌的切割器等機構，設計一種可適應復雜地形的五自由度仿形割臺。其次，基于一分三分動箱，設計整機傳動方式及路線，確保鋸切、仿形和行走系統具備充足的動力供應且互不干擾。通過ADAMS多體動力學仿真試驗，分析平茬機具仿形過程中鋸片的運動軌跡，確定所選拉簧原始長度為624 mm，工作拉力為840 N；連桿長度為500 mm，上下仿形量為342 mm；機具行駛速度為0.36 km/h，割臺擺動角度為45°。最后，選取三種不同坡度的代表性地形，進行戶外樣機平茬試驗。結果表明，所設計的平茬機具可實現0～10 km/h無級調速，且三種地形破茬率分別為1.2%、1.9%和3.6%，茬高不合格率分別為0.7%、1.9%和3.2%，均低于5%，滿足平茬作業質量要求。

關鍵詞：沙柳；自走式平茬機；仿形割臺；動力學仿真

中圖分類號：S22; TH122

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 12-0052-08收稿日期：2023年7月29日

修回日期：2023年9月26日

*基金項目：國家自然科學基金項目（51665045）；內蒙古自治區科技計劃項目（2021GG0423）；內蒙古自治區自然科學基金項目（2021MS05006）

第一作者：張建強，男，1995年生，內蒙古豐鎮人，碩士研究生；研究方向為農牧業機械設計。E-mail：zhjq2024@163.com

通訊作者：劉志剛，男，1974年生，內蒙古赤峰人，博士，教授；研究方向為農牧業機械。E-mail：lzhg2008@126.com

Optimal design and experiment of self-propelled salix stubble machine

Zhang Jianqiang， Liu Zhigang， Tian Feng， Pei Chenghui， Han Zhiwu， Zhang Pengfeng

（School of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， 010051， China）

Abstract： Aiming at the problems of poor copying effect， low stubble quality and fast feed speed of traditional stubble trimmer in complex terrain environment， a self-propelled sand willow stubble trimmer is designed. Firstly， a 5-degree-of-freedom copying cutting table which can adapt to complex terrain is designed by using floating four-link， rotating locking shaft and cutter with sliding palm. Secondly， based on the three-minute transfer box， the transmission mode and route of the whole machine are designed to ensure that the sawing， copying and walking systems have sufficient power supply and do not interfere with each other. Through ADAMS multi-body dynamic simulation test， the motion track of saw blade in the process of stubble trimming machine is analyzed， and the original length of the selected tension spring is 624 mm and the working tension is 840 N. The length of the connecting rod is 500 mm， and the upper and lower copying quantity is 342 mm. The driving speed of the machine is 0.36 km/h， and the swing Angle of the cutting table is 45°. Finally， three representative landforms with different gradients are selected to carry out the stubble leveling test of outdoor prototype. The results show that the designed stubble trimmer can achieve 0-10 km/h stepless speed regulation， and the stubble breaking rates are 1.2%， 1.9% and 3.6%， respectively， and the stubble height unqualified rates are 0.7%， 1.9% and 3.2%， respectively， which are lower than 5%， and meet the quality requirements of stubble operation.

Keywords： salix; self-propelled stubble machine; copying cutting table; dynamic simulation

0 引言

灌木林種植在旱區生態保護中起著至關重要的作用，同時也是沙產業發展的關鍵領域，更是具有高經濟效益的可再生生物質能源^{［1， 2］}。沙柳作為其中一種具有代表性的樹種，因其耐干旱、抗風沙、繁殖容易以及旺盛的萌蘗力而被廣泛種植。然而，由于沙柳具有“三年成材，越砍越旺”的生長特性，需要每隔3～5年進行一次平茬作業；若不進行平茬，沙柳將逐漸枯萎死亡，從而導致沙漠面積再次擴大^［3］。因此，研發高效、經濟、適應不同地形的專業平茬機具意義重大。

針對沙生灌木平茬機械，劉金南等^［4］設計了灌木根莖鋸切試驗臺，利用扭矩轉速傳感器采樣記錄鋸切轉矩、功率、線速度等參數，為灌木平茬機械設計提供理論依據；陳忠加等^［5］研制出5GZ-800型自行手扶式灌木平茬機，平茬機底盤最大牽引力可達290 N，可在沙土表層植被不被破壞的情況下連續作業，仿形效果好、平茬質量高，但該機需要操作人員手扶操作，僅可在平坦沙地作業，且勞動強度較高；馬阿娟等^［6］設計制造出一種基于液壓履帶底盤驅動的自走式平茬機，通過增加切割器數量與履帶底盤，提高了平茬效率與沙地通過性，但該機割幅較寬，五個切割器呈倒V布置，土丘仿形角度單一，不適用于復雜地形條件；劉志剛等^［7］研制出配合有浮動滑掌的自適應9GZ-1.0型自走式灌木平茬機，該機由一臺柴油發動機提供動力，一名駕駛員進行操作，通過浮動滑掌與仿形機構實現仿形作業，但由于平茬作業時進給速度較快，導致仿形效果與平茬質量有所下降^{［8， 9］}，無法較好地滿足平茬復壯要求。

針對我國當前沙柳平茬機械存在的問題，面向內蒙古庫布齊沙漠地區的平茬需求，結合國內外現有機型，以有效實現靈活仿形與無級變速為目標，通過仿形結構、動力系統和傳動系統設計，使用理論計算和模擬仿真試驗相結合的方法，研制一款自走式沙柳平茬機具，通過沙區樣機試驗，對各項設計指標進行驗證。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

為實現自走式平茬機具無級變速與靈活仿形功能，結合國內外現有機型和設計需求，確定平茬機具的設計方案，通過虛擬樣機技術，使用UG軟件完成樣機的零件設計與裝配建模，作為結構優化與關鍵零部件設計的基礎。該機包含仿形系統、鋸切系統、傳動系統、機架、舉升臂和翻轉臂等，結構如圖1所示^［10-12］。

1.2 工作原理

自走式沙柳平茬機舉升臂、翻轉臂與割臺連接架固定，駕駛員駕駛平茬機具接近灌木叢時，通過控制裝載機舉升臂和翻轉臂，調節割臺整體高度與前傾角度，使鋸片貼近沙柳根部；通過控制擺動馬達，調節割臺左右擺動幅度；通過控制旋轉液壓缸，調節割臺左右傾斜角度；雙四連桿機構通過拉簧與拉簧支架連接^{［13， 14］}，提供牽引力，輔助鋸切割頭隨地形條件上下浮動。

1.3 技術參數

根據內蒙古庫布齊沙漠沙柳種植模式和機具使用要求，確定樣機設計所需基本要求如表1所示。

2 主要工作部件設計

2.1 仿形結構設計

在平茬機仿形結構設計中，綜合考慮其應用場景、生產成本、零件標準化以及維護便利性等多方面因素后，設計的仿形結構如圖2所示。其主要組成部件包括連桿、拉簧、拉簧支架、回轉平臺以及旋轉鎖止軸等。

可實現縱向與橫向轉動仿形，解決在實際平茬時仿形難的問題。縱向仿形利用四連桿機構與拉簧相互配合的方式，拉簧為切割器提供輔助力隨地形條件上下浮動。橫向仿形功能由旋轉鎖止軸實現，配合鎖止齒輪的設計使仿形架可圍繞固定架中心軸自由或手動旋轉。橫向仿形、縱向仿形與擺動機構的相互配合可以實現灌木平茬機對三維空間的仿形工作。

2.1.1 旋轉鎖止軸設計

旋轉鎖止軸安裝在固定架與仿形架之間，前后支撐座分別與固定架和仿形架連接，其結構如圖3所示，用于實現仿形動作中的橫向轉動仿形。其工作原理為通過拉動鎖止拉桿軸向移動，使鎖止內齒輪與外齒輪相互嚙合，再結合與搖臂相配合的旋轉液壓缸伸縮，使仿形架繞固定架中心轉動，實現對前方割臺的主動控制，調節割臺左右傾斜角度。

2.1.2 浮動四連桿與拉簧設計

根據實地調研結果，本文浮動四連桿結構簡圖如圖4所示。根據分析，灌木平茬機仿形機構的上、下仿形量應在100～300 mm之間。結合式（1）的分析可知，當上下仿形總量h₂固定時，若仿形連桿L越長，上仿形角α₁、下仿形角α₂的范圍就越小，從而使得機構的仿形更加穩定。然而，連桿的加長會導致結構松散，切割臺的重心向前移動，從而增加了切割臺縱向仿形的困難。為了達到良好的平茬效果，需要在平衡連桿長度和結構緊湊性之間做出權衡。

h₂=2Lsin α （1）

式中：L——連桿長度，mm；

α——初始位置仿形角，（°）。

通過查閱相關文獻后確定仿形角α在0°～15°之間，下仿形角α₂在6°～28°之間，α+α₁在20°～45°之間為佳。結合平茬機具工作環境調研，確定本文仿形機構的上、下仿形量為300 mm，初始位置仿形角α=10°，α₁=α₂=20°，連桿間距L_AD=200 mm。設最大仿形量h₂=300 mm，通過式（1）計算可知，連桿長度L約為497.04 mm，圓整連桿長度L=500 mm時，總仿形量h₂為342.02 mm，滿足上下仿形量要求。

本文設計中拉簧的主要作用是在切割器接觸地面時為割臺提供輔助提升力，從而增強鋸切割頭的浮動性能。兩根拉簧分別連接拉簧支架與鋸切割頭兩端，該設計在鋸切割頭進行橫向仿形時不會完全限制其軸向旋轉，并且在完成仿形后可以使鋸切割頭恢復水平。由于無法通過理論計算直接確定最佳的拉簧布置位置和參數，因此采用了可調節高度和角度的拉簧架來實現對切割臺高度和浮動靈敏度的調整，其結構如圖5所示。

拉簧在不同位置的工作長度直接影響割臺縱向仿形的靈敏度。因此，需要確定不同位置的拉簧工作長度，可以利用式（2）計算，并結合圓柱螺旋拉伸彈簧計算軟件來得出符合工況需求的拉簧尺寸和各項參數。具體的參數如表2所示。

l_長=l₀+G/cos β×k₁ （2）

式中：l_長——拉簧工作長度，mm；

l₀——拉簧原始長度，mm；

G——割臺質量，kg；

β——拉簧偏轉角度，（°）；

k₁——拉簧剛度，N/mm。

從表2可以看出，拉簧的原始自由長度為624 mm，小于切割臺上浮到最高處時拉簧的工作長度；單根拉簧所需的作用力為840 N，與設計工作拉力P₁基本一致；同時安全率SF小于80%，拉簧可以安全使用。

2.1.3 切割器設計

為保護茬口不受二次破壞，設計了帶有滑掌的切割器結構，如圖6所示，滑掌通過一對圓錐滾子軸承與法蘭套筒連接，可在鋸片高速旋轉的同時保持滑掌相對靜止，防止鋸片固定部件對茬口產生二次破壞；此外，滑掌防塵圈與法蘭盤凹槽相互配合，還可有效防止外界灰塵進入軸承內部。

2.2 動力系統設計

2.2.1 鋸切功率

鋸切系統在實際作業過程中功率需求較大，為防止出現功率不足的情況，需明確鋸切時所需最大鋸切功率。本文平茬機具選用直徑500 mm，齒數120齒，厚度3.2 mm的65Mn圓鋸片進行平茬作業。鋸切單根沙柳灌木所消耗的功率P_c計算如式（3）所示。

P_c=KhbU/102×60×t （3）

式中：h——切削厚度，取h=40 mm；

b——切削寬度，即鋸片厚度，取b=3.2 mm；

U——進給速度，取U=0.2 m/s；

K——切削力修正系數；

t——鋸切齒數，取t=4。

K=K_φ·α_s·α_w·α_δ·α_h·α_v·α_t （4）

式中：K_φ——木材單位切削力，查取K_φ為0.5 MPa^［15］；

α_s——木材類型修正系數，查取為α_s為1.4；

α_w——木材含水率修正系數，查取為α_w為1.1；

α_δ——切削角修正系數，查取為α_δ為1.03；

α_h——切削速度修正系數，查取為α_h為1.1；

α_v——切屑厚度修正系數，查取為α_v為1.7；

α_t——刀具變鈍修正系數，查取為α_t為1.5。

計算可得，K=2.225 MPa，鋸切單根沙柳功率P_c=2 233.6 W。實際鋸切過程中，圓鋸片最大鋸切根數為8根，因此鋸切所需總功率為17.87 kW，但鋸片與驅動馬達之間由T型換向箱換向，T型換向箱的傳遞效率為0.9，動力儲備系數取1.1，計算得鋸切系統最終所需總功率為22 kW。

2.2.2 行走驅動力

平茬機具在沙地行駛作業時，其驅動力需大于各工況行駛阻力，故需求得作業過程中最大行駛阻力F_max。一般考慮平地勻速行駛工況及最大坡度勻速行駛工況來計算行駛阻力。在實際作業過程中由于機具行駛速度較低，故忽略空氣阻力及加速阻力影響。其平地勻速行駛工況下，機具行駛阻力F₁計算如式（4）所示。

F₁=m_agf_r （4）

式中：m_a——灌木平茬機總質量，取m_a=5 300 kg；

g——重力加速度，g=9.8 N/kg；

f_r——滾動阻力系數，取f_r=0.17。

最大坡度勻速行駛工況下，機具行駛阻力F₂計算如式（5）所示。

F₂=m_αgf_rcosα_i+m_αgf_rsinα_i （5）

式中：α_i——爬坡角度，取α_i=30°。

代入數值可得F₁=8 829.8 N、F₂=35 865 N，取較大值為行走系統底盤最大行駛阻力，即F_max=F₂=35 865 N。因此，液壓馬達所受到的最大負載扭矩T_max計算如式（6）所示。

T_max=F_max·r_q/iη_ij （6）

式中：i——液壓馬達與驅動輪之間傳動比，i=80；

r_q——輪胎半徑，r_q=400 mm；

η_ij——機械傳動效率，液壓馬達和驅動輪之間傳動效率，取η_ij=0.985。

代入數值計算得到行走系統最低驅動扭矩T_max=182.06 N·m。

2.3 整機傳動系統設計

整機傳動系統對于實現平茬機具無級變速和高效鋸切至關重要，需保證機具在緩慢行走的同時擁有較高的鋸切轉速。但由于自走式平茬機具動力均由一臺柴油發動機提供，故本機增設一分三分動箱，分別為不同系統提供動力。其傳動結構如圖7所示，行走系統采用靜液壓傳動，可使機具滿載工況下，順利平穩啟動，且功率損失較少，在行走作業時，工作速度可無級調速，無變速沖擊和牽引力中斷現象，且在低速、零速下無蠕動現象。動力傳遞路線依次為發動機、一分三分動箱、雙向變量泵、雙向變量馬達、高低速兩檔變速箱、前后橋和車輪，通過變量泵電控手柄調節變量泵排量，進而控制平茬機具前進、后退速度，實現在系統運行過程中0～10 km/h無級調速；仿形系統動力傳遞路線依次為發動機、一分三分動箱、仿形泵、液控多路換向閥。液控多路換向閥將動力分別傳遞至舉升臂、翻轉臂、擺動馬達和旋轉液壓缸；鋸切系統動力傳遞路線依次為發動機、一分三分動箱、鋸切泵、機械式單路換向閥、鋸切變量馬達、T型換向箱和鋸片。

3 仿真試驗與分析

仿形機構作為自走式沙柳平茬機具的關鍵部件，其仿形軌跡的準確性直接決定了整機的工作性能。因此，需建立平茬機具多體動力學仿真模型對其仿形過程進行分析，以明確機具在仿形過程中的運動軌跡是否滿足平茬要求。

3.1 仿真模型建立

將UG建立的三維模型導入ADAMS，得到自走式沙柳平茬機具的ADAMS仿真模型^［16］，如圖8所示。根據所建立的模型，需要確定各運動構件的質量、拉簧參數和摩擦系數^{［17， 18］}以及動作部件的運行參數^{［19， 20］}。其中，各運動構件的質量如表3所示。

在仿真測試中，主要包括縱向仿形、擺動仿形和橫向轉動仿形，其中，運動副主要包括轉動副、地面與鋸片和輪胎與地面的接觸副。上述運動副的摩擦系數對部件運動及仿真準確性影響較大。因此，在進行仿真測試時，只設置上述運動副的摩擦系數，其他運動副假設為理想的無摩擦運動。運動副的摩擦系數設置如表4所示。

在平茬機具整機結構中，由于除拉簧外的其他結構變形量較小，可忽略不記，故將其他結構近似視為剛體，僅設置拉簧為柔性體，拉簧參數如表5所示。

平茬機具的不同動作驅動方式采用STEP函數進行驅動，該方法可以簡便地編輯和操控驅動函數，從而實現對機具的靈活控制。不同動作部件的驅動函數如表6所示。

基于平茬機具實際工作環境調查統計結果，本次仿真中設置了1號土丘（坡度較大）、2號土丘（坡度較緩）、3號土丘（土丘較小）三種球冠形土丘。這些土丘的設置旨在模擬不同地形條件下的平茬收獲過程。土丘具體參數如表7所示。

3.2 仿真結果分析

仿真中，平茬機通過土丘上坡時，裝載機翻轉缸收回，調整割臺整體向上傾斜，實現上仰，使鋸片與土丘右側坡度平行；當平茬機通過土丘下坡時，裝載機翻轉缸再次伸出，調整割臺整體向下傾斜，使鋸片與土丘左側坡度平行，這種調整可以保證滑掌與土丘表面保持一定的接觸面積，配合四連桿機構的縱向仿形與旋轉鎖止軸的橫向轉動仿形，既能保證沙柳茬口高度符合平茬要求，又能保護鋸切過的茬口不被鋸片后部二次破壞。

如圖9所示，展示了鋸片在工作過程中的運動軌跡。在給定的進給速度、擺動角度與俯仰調節的工況下，鋸片能夠實現全覆蓋切割，無漏割現象。結合圖10鋸片中心距地高度曲線可以看出，在復雜地形環境下仿形作業時，該仿形機構的適應性較強；通過裝載機大臂將割臺高度調整至理想留茬高度后，能夠實現接地附著、升降、調平、全地形仿形，使鋸片始終保持距地高度小于50 mm，滿足不同地形條件下的平茬作業需求。

4 樣機試驗

自走式沙柳平茬機具物理樣機如圖11所示，在ZT920YD小型裝載機的基礎上進行改裝，增設靜液壓傳動行走系統和鋸切仿形系統。由發動機提供動力，通過一分三分動箱將動力分別傳輸至行走變量泵、仿形泵和鋸切泵，再由液壓泵驅動各執行機構，實現機具無級變速與靈活仿形，實現沙生灌木的平茬收獲工作。

為驗證機具的實際平茬效果，課題組在內蒙古鄂爾多斯市十二連城鄉庫布齊沙漠沙柳生長區進行了樣機試驗。試驗地區為沙區林地，沙柳多為人工種植，生長年限在1～5年不等，高度為2～4 m。

4.1 沙區典型地形試驗

根據仿真驗證，在試驗區域中選擇平原、輕度坡度和陡峭坡度三種地形作為代表性工況。選取植株密度55～131株/叢，根部直徑10～48 mm的兩年生沙柳作為試驗對象。

試驗時選用外徑500 mm、厚度3.2 mm，齒數120齒的65Mn圓鋸片，在轉速為1 800 r/min，行走速度為0.36 km/h的工況下，對三種不同地形條件的沙柳進行平茬作業，每種地形選取5組茬口數據，記錄每一叢沙柳的總株數、破茬株數、漏割株數和留茬高度大于50 mm的株數，試驗結果如表8～表10所示。

4.2 試驗結果分析

從表8～表10可以看出，在鋸切轉速，前進速度等條件保持恒定的情況下，破茬率、漏割率、茬高不合格率隨地形條件坡度的增加而逐漸增大。然而，針對單叢沙柳來說，在植株密度小于80株/叢時，破茬率、漏割率、茬高不合格率隨地形條件坡度的增加無顯著變化。相反，對于植株密度大于90株/叢的沙柳，這些指標則明顯增加，但均保持在5%以內，滿足平茬復壯要求。

試驗表明，平茬機具可降低平茬進給速度，實現無級變速，具有顯著的仿形效果，平茬茬口平整光滑，高度均勻一致。可在復雜地形上進行平茬作業，具有良好的適應性。

5 結論

1） 通過對已有灌木平茬機械的總結與分析，結合灌木生長環境的平茬要求，設計一種自走式沙柳平茬機具。通過增設靜液壓傳動系統實現機具行走速度無級變速；通過設計浮動四連桿、旋轉鎖止軸和帶滑掌的切割器等機構，實現作業過程靈活仿形，滿足不同地型條件下高質量平茬，降低操作人員勞動強度。

2） 模擬灌木平茬機具在通過不同地形時的作業動作，分析平茬機具仿形過程中鋸片的運動軌跡，驗證整機的仿形效果，確定拉簧原始長度為624 mm，工作拉力為840 N；連桿長度為500 mm，上下仿形量為342 mm；機具行駛速度為0.36 km/h，割臺擺動角度為45°。

3） 以留茬高度與茬口質量為指標，以前進速度為0.36 km/h、鋸片轉速為1 800 r/min，在土丘較小、坡度較緩和坡度較大三種地形條件下進行平茬機具戶外試驗。結果表明，三種地形的破茬率分別為1.2%、1.9%和3.6%，茬高不合格率分別為0.7%、1.9%和3.2%，均低于5%，滿足平茬作業質量要求。

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