一種丘陵果園割草機仿形裝置設計與優化研究

中圖分類號：S22 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0142-07

Abstract：Inorder to solve the problem of weed management under theplanting mode ofraw grassin hillyorchards，a mowercopyingdeviceforhillorchards wasdesignedtoimprovethemechanizationleveloforchard.Firstly，thetheoretical analysis of theestablished mower profilingdevice was carredout，anda virtual prototype model was built byusing ADAMS softwaretoverifythatthedevicecouldoperate in hillyterrin.Then，theBox—Behnken experimentaldesign methodwas usedto selecttheforward speedofthe mower，the inclinationangleofthecuting discandthe lengthofthesideskid as the optimizationparameters，andthe stubble stability，theaveragestubble height andthe minimumstubble height as the evaluation indexes，toestablishamulti-objectiveoptimizationagent model of thequadraticpolynomialresponse surface method through the ISIGHT software platform，and tooptimizetheparameters byusing the NSGA—II genetic algorithm. The optimization results show that under the conditions of the forward speed of the implement of 1.308m/s ，the inclination angle of the cutting disc of 5.15^° and the length of the side skid plate of 166.16mm ，theperformance of the device is significantly improved and the error of prediction model is controlled within 5% .Finally，the optimized parameters were used todesign and fabricate the profiling device fortesting，and theresults showed thatthe stuble height was reduced by 5% at the same operating speed，and the operating speed was increased by 35% at the same stubble height.

Keywords：lawnmower;sod culture；imitation device；virtual prototype；multi-objective optimization

0 引言

近年來，隨著農業發展政策的深人實施，我國水果產業已躍居世界首位。在水果市場消費需求不斷攀升的背景下，作為水果主要產地的丘陵山區，由于地形等客觀因素，其綜合機械化水平僅為 5.75% ，大量作業仍依賴人工完成，這嚴重降低了水果產業的發展效率[1]。因此，加大丘陵果園機械設備的研發力度，對促進丘陵山區農業經濟發展具有極其重要的現實意義。

資料顯示，果園雜草嚴重影響果樹生長品質，除草作業已成為果園管理中一項重要作業環節。隨著果園生草種植模式的推廣，果園除草強度大大增加[2.3]。然而，丘陵地區果園地形復雜，坡地多且起伏較大，在坑洼不平的路面上作業時，傳統割草機難以保持割茬高度一致，作業效率低下[4。因此，在設計針對丘陵山區果園割草機時，必須重視仿形裝置的合理設計，確保其在具有良好通過性的同時，也具備適宜的割茬穩定性及割茬高度。

通過查閱相關研究資料可知，現有國內關于割草機仿形裝置的理論研究較少，缺乏深入系統的研究。劉志鵬等5研制了一款山地割草機，采用旋轉副連接割草機構與仿形裝置，前端安裝限深機構完成仿形，可適應 45mm 波動路面。鄔備等6設計了一款果園割草機，由滑掌、浮動彈簧等組成，通過滑掌感應地面起伏信號從而使彈簧收縮進行仿形，有效減少割茬高度。蘇建雄研發了一款林地避障除草機，采用滑雪板式擋板安裝于滾筒除草機兩側，遇到障礙物可有效抬舉除草頭進行仿形避障。祝露等8研制的懸掛式割草機采用液壓系統進行仿形作業，并通過運動仿真驗證地面仿形可行性。

然而，目前市場上現有的割草機仿形裝置普遍結構較大，不適合丘陵山區作業。因此，本文提出一種小型割草機仿形裝置，并對其進行運動學理論分析，采用響應面試驗設計和多自標優化方法優化仿形裝置的重要參數，以虛擬樣機仿真和試驗結合的方法驗證其可行性。

1仿形裝置設計分析

1.1 仿形裝置結構設計

能夠適應多起伏地面的仿形裝置是丘陵果園割草機進行有效作業的關鍵。現有仿形裝置可分為主動仿形與被動仿形。主動仿形依靠傳感器分析路況并控制裝置浮動，但可能面臨控制復雜、效率不高和成本較大的問題。相比之下，被動仿形，即機械仿形，通過機械結構傳遞地面信息，具有快速響應、簡單控制和高經濟性的優點。基于效率和成本的考量，選擇被動仿形方式。仿形裝置主要由側滑擋板、連接桿、傾角調節推桿和仿形輪等部件組成，它們相互關聯組成仿形系統。仿形輪起主要信號接收作用，側滑擋板起輔助信號接收作用，連接桿起接收處理信號并執行的作用，傾角調節推桿等部件起輔助支撐作用。整個系統通過焊接固定在牽引小車上，其結構如圖1所示。

圖1仿形裝置結構示意圖

1.分草器2.割草電機3.傾角調節推桿4.前連接架5.阻尼桿 6.上連接桿7.后連接架8.下連接桿9.切割盤10.割刀 11.側滑擋板12.仿形輪

割草機在平緩地面作業時，割草機的3個仿形輪首先接觸地面，支撐切割盤。面對較大地形起伏，仿形輪因前置安裝能提前感應地面變化，避免切割盤直接觸地。側滑擋板輔助仿形輪，共同承受重量，確保割茬高度均勻，提升作業穩定性。仿形輪配備高度調節套管，便于調整割茬高度；傾角調節推桿不僅能協助適應地形，還能調整優化切割角度，減少切割功耗。

1.2仿形裝置運動分析

在割草機仿形裝置的運動中，刀片切割頭的位置變化主要受連接桿和傾角調節推桿的控制。重點分析仿形作業時機器的位置和運動狀態，其中傾角調節推桿先是在作業準備階段設定切割盤的最佳角度，之后在地形起伏中使切割盤實現上下浮動，以適應地面變化。

工作狀態時，連接桿部分可簡化為平面四連桿機構，傾角調節推桿、切割盤和連接架可簡化為平面三連桿機構。如圖2所示，AD桿固定安裝于動力小車；B不僅是連接架與連接桿連接點，也是連接架與切割盤連接點；D不僅是連接架與連接桿連接點，也是連接架與傾角調節推桿連接點；E為傾角調節推桿與切割盤連接點；O為割刀刀尖位置。

圖2結構簡圖Fig.2 Structural sketch

已知除 L₅ 桿外各連桿長度均為定值， L₁ 和 L₂ 、L₃ 和 L₄ 兩兩長度相等，組成平行四邊形結構，假設DA邊為 x 軸方向，以 L₁，L₂，L₃，L₄ 建立四邊形，利用復數矢量法9可得

在坐標系基礎上，再以 L₄，L₅，L₆ 建立三角形，可得

現已知復數矢量性質

L_ie^iα=L_i（sinα+cosα）

將式（3）代入式（2），令實部與虛部分別為0，可得

當機具未啟動靜止于地面時，調整CE桿長度以設定切割傾角，調整完成后，CE桿長度固定，此時下連接桿AB與連接架DA夾角為標準值 α₀，α₀ 大小由機具各尺寸參數計算得出。通過式（1），由 α₀ 大小可聯立求出前連接架桿BC的初始位置。在此基礎上由于CE桿長度固定，通過式（4）可求得桿BE相對于前連接架桿BC的初始位置。仿形裝置進行起伏作業后，切割盤進行上下浮動，連接桿夾角 α₂ 在標準值 α₀ 左右波動，引起桿BE位置的變化。由于割刀刀尖位置O與桿BE相對位置固定，可由桿BE的位置變化得知刀尖位置運動狀態。利用這些公式，就可以有效地計算出刀尖在作業中的運動路徑。

在仿形作業中，除了連接桿和傾角調節推桿外，側滑板和仿形輪也是確保作業效果的關鍵部件。對此，通過建立虛擬樣機模型進行仿真試驗，以探究各因素對機具仿形作業的影響，優化整體設計。

2虛擬樣機仿真試驗

2.1 建立虛擬樣機模型

虛擬樣機技術已廣泛應用于農業機械設計，簡化傳統設計流程，并能模擬農機運動，幫助識別并調整設計問題[10]。采用虛擬樣機模型模擬割草機在如丘陵山區此類大起伏路面作業時仿形裝置的作業效果。為此，采用ADAMS動力學仿真軟件，探究仿形過程中機具各結構運動狀態。利用SolidWorks建立仿形裝置模型，將其轉換為Parasolid格式導入ADAMS，此格式可有效減少原有數據的丟失[1]。導入模型后，刪除非必要的零件以簡化模型并縮短仿真時間。同時為模型設置材料屬性，確保仿真中質量和轉動慣量的準確計算，以實現有效的仿形。

為模擬丘陵山區果園路面的起伏狀況，需建立路面模型，經查閱文獻后，研究決定采用正弦函數路面作為仿真路面，具有一定的可行性[12]。路面模型可分為3段，中間段起伏路面設定起伏高度為 100mm ，單坡長 1000mm ，總長 6000mm ，前后端均為平整地，作為機具運動起點與終點。為證明所建立地面模型的有效性，對地面進行平整度評估驗證是否符合丘陵果園地表起伏現況。平整度測量計算方法：在一定工況下的各個行程中，沿機具前進方向，在地形最高點取基準線，選取一定的水平長度，將其分為多等分，測得各個等分點至地面的距離，計算各行程距離平均值和標準差，以各行程標準差平均值來表示平整度，如式 （5）～ 式（7）所示。

式中： x_j 第 j 個行程等距點至最高點距離平均值，mm;x_ji 1 一第 j 個行程中第 i 個點到最高點距離，mm ;m_j 第 j 個行程中等距點個數；S_j 第 j 個行程距離標準差， mm ：s 地表平整度；M^? 一工況中行程數。

根據平整度計算方法得出所創建正弦波路面模型的平整度為35.4，在丘陵果園中已達到較為困難作業路面標準。

模型建立設置完成后需根據實際約束關系添加合適的約束副。本次仿真中，仿形切割角保持不變，故可將角度調節部分零件進行固定處理，不參與運動變化。仿形連接桿與連接架間的連接部位采用旋轉副連接，機架與地面模型之間以移動副連接從而產生運動，利用固定副將地面與軟件內ground相固定，不產生移動。此外，為了使仿真過程不發生穿透現象，仿形有效進行，在仿形輪與地面、側滑板與地面間添加接觸副。機具在運動過程中會產生上下浮動，為探究刀片運動狀態，在刀片旋轉圓前端點和后端點各自建立marker點，方便在后處理中得到切割過程中刀片端點位移情況，通過計算處理獲得割茬高度的變化情況。設立完成后的仿形裝置虛擬樣機模型如圖3所示。

圖3虛擬樣機模型 Fig.3Virtual prototype model

2.2 仿真分析

為使仿真有效進行，機架前進設置驅動函數step（time，0，0，0.2，0.5） ，即前進速度在 0～0.2 S時從0上升到 0.5m/s，0.2 s后保持恒定，模仿實際作業前進。通過ADAMS軟件自帶的Verify工具在仿真前查看并驗證模型自由度、約束等設置的合理性。模型終止時間定為 14s ，步數設定為4000步，通過后處理模塊可獲得割刀在豎直方向的位移數據，從而換算得出各點割茬高度數據。現已知地面模型為正弦曲線，通過對比二者曲線可知仿形過程是否有效。

如圖4和圖5所示，刀尖前后部位隨地面進行上下浮動，由于側滑擋板的存在使得切割器在地面凸點接觸地面后進行小段平移而后下降，仿形裝置對地面變化做出有效反饋。該裝置的仿形輪與側滑擋板可順利采集地面變化信息，連接桿接收信息后可上下擺動從而進行仿形作業。對刀片前后端點數據進行匯總，其覆蓋區域為已切割區域，切割區域坐標與地面坐標相減可得本樣機割茬高度數據，用以評估割草機切割作業效果。在此基礎上，通過修改虛擬樣機前進速度、前割盤傾角和側滑板長度，對仿形裝置最優工作參數進行探究。

圖5仿真過程 Fig.5Simulation process

3 多目標優化設計

3.1 試驗設計

通過ADAMS進行虛擬樣機仿真試驗是為了模擬現實丘陵果園作業過程中的割草效果，并探究仿形裝置設計參數對切割效果的影響，找到在多波動路面下的最佳設計參數。ISIGHT是一款多學科優化設計軟件，提供較強的試驗設計DOE模塊，可計劃安排試驗進行數據優化處理，找出機具最佳設計參數[13.14]

采用其中的Box一Behnken設計模塊，其為不完全的多因子三水平方法，可較好得出二階響應面模型，其具有近似的旋轉對稱性，由多正交立方體組成，可有效避免試驗中極端點的出現從而影響試驗的正常進行[14]。通過綜合考慮現有研究資料[5.6]、實際作業需求以及仿真分析的試驗結果，選定機具前進速度、割盤傾角和側滑板長度作為關鍵優化變量，并為每個變量設置了3個不同的水平，具體如表1所示。設計中，機具前進速度設為 0.5～1.5m/s ，以確保作業效率。割盤傾角設為 0^°～10^° ，以適應起伏路面，在保持切割整齊和穩定的同時，也可減少切割過程中的功耗。側滑擋板的長度設定為 150～350mm ，以有效防止刀片觸底，保護機具并確保作業連續性。

表1因素水平表Tab.1Factorlevels

評價指標選取可體現割茬水平的平均割茬高度、割茬穩定性和最低割茬高度，各指標可通過預先在前后刀尖所設立的marker點參數轉化獲得。通過ADAMS后處理模塊可導出仿真全程marker坐標數據，如圖4所示，通過數據轉換可以計算出此次行程中各點的割茬高度。對各個行程中割茬高度數據進行式（8）～式（10）處理即可得平均割茬高度和割茬穩定性。最低割茬高度這一指標，主要是考慮到在起伏較大的地面上作業時，可能會發生刀片入土的情況。通過識別割茬高度中的最低值，可評估刀片是否與地面接觸，從而確保割草機的作業安全。

平均割茬高度計算如式（8）所示。

式中： h_j —第 j 個行程中平均割茬高度， mm 5h_ji —第 j 個行程中第 i 個點割茬高度， mm ：n_j —第 j 個行程中測量點個數。

割茬穩定性計算如式（9）和式（10）所示。

式中： T_j —第 j 個行程中割茬高度標準差， mm 5V_j —第 j 個行程中割茬穩定性系數， % 。最低割茬高度計算如式（11）所示。

基于Box—Behnken設計方法所推演出的試驗表格進行試驗，結果如表2所示。

表2Box—Behnken試驗設計Tab.2 Box—Behnken experimental design

多目標優化代理模型求解前，需根據實際生產討論約束條件。現有割草機割茬高度國家標準[15]為 y₁lt; 70mm ，但其僅針對平坦地區的牧草收割所設立，現有果園生草種植技術要求切割后留茬高度依照草種最低更新高度而定，不同草種高度不同[16.17]，查閱文獻后將標準擬定為 y₁lt;150mm ，由于本仿形試驗中采用 70mm 割茬高度模型，在設定中平均割茬高度應趨向于70mm ;割茬過程中割茬高度穩定性是檢驗割草機作業效果的重要指標，以最大值進行求解；從割草機作業安全出發，割刀是否觸土為重要指標，因此，要求最低割茬高度應處于 0mm 以上，并且選擇最大值以保護刀片，故選用最大值進行求解。3個指標權重有所不同，在保證割茬高度的前提下，應有較好的割茬穩定性，最低割茬高度可適量減小占比，依據農業作業經驗將三者權重比定為2：2：1。以前進速度 x₁ 割盤傾角 x₂ 及側滑板長度 x₃ 三個參數作為輸入變量，平均割茬高度 y₁ 割茬穩定性 y₂ 和最低割茬高度 y₃ 作為目標函數 F 建立數學模型，本文模型及設計變量約束條件如式（12）所示。

3.2 響應面模型建立

通過ISIGHT軟件可對數據進行多目標優化處理取得最優組合，總流程如圖6所示。根據Box—Behnken設計表格，將平均割茬高度、割茬穩定性和最低割茬高度作為優化目標，結合ISIGHT建立Approximation模型，將數據導人Optimization進行最優參數選取。

圖6ISIGHT多目標優化流程圖 Fig.6ISIGHT multi-objective optimisation flowchart

通過Approximation模塊的計算，可以得到平均割茬高度 y₁ 割茬穩定性 y₂ 、最低割茬高度 y₃ 與前進速度x₁. 割盤傾角 x₂ 、側滑板長度 x₃ 之間的二次多項式響應面多自標優化代理模型，如式（13） ～ 式（15）所示。

y₁=37.7953125+1.4925x₁+4.25575x₂+ 0.1141875x₃-0.515x₁²+0.01585x₂²- （204 5.0375×10^-5x₃²-0.017x₁x₂- 0. 00075x₁x₃-0. 009 195x₂x₃

（204號 y₂=26. 144 062 5+0. 665x₁+6. 254x₂+ 0.123625x₃-0.325x₁²-0.16575x₂²- （20號 7.0625×10^-5x₃²+0.038x₁x₂- （20號 0.00035x₁x₃-0.00902x₂x₃ （204號

（20號 y₃=-34.2528125-6.1575x₁+9.41025x₂+ 0. 098 087 5x₃+3. 095x₁²+0. 204 55x₂²+ 1 1.87875×10^-4x₃²+0.045x₁x₂- 0. 00095x₁x₃-0. 019625x₂x₃ （20號

得到代理模型后需要對模型擬合準確性進行評價，其擬合精度通過復相關系數 R² 進行表示，當 R² 值越接近1，代表模型的擬合度越高。由表3可知，在試驗中，平均割茬高度 y₁ 的復相關系數為0.98035，割茬穩定性 y₂ 的復相關系數為0.98865，最低割茬高度y₃ 的復相關系數為 0.98887，3 個代理模型復相關系數都接近于1，擬合準確性較好。除復相關系數外，通過模型誤差分析圖也可較為清晰地看出代理模型擬合是否精準，設計模型誤差分析如圖7所示，預測值與實際值鄰近對角線兩側，擬合度較好。

表3誤差評價 Tab.3Errorevaluation

圖7誤差分析Fig.7Error analysis

3.3多目標優化求解

多目標優化是指多個函數同時達到最優解的問題，其優化結果為一個解集Pareto。本次求解采用NSGA一I遺傳算法求解Pareto解集，求解種群規模為100，種群迭代數為50，交叉率為0.9。ISIGHT軟件自動生成數組較優解，對其中最優解突出顯示，如表4所示，在此僅展示部分解，其中組合5為最優解。當前進速度為 1.308m/s ，割盤傾角為 5.15^° ，側滑板長度為 166.16mm 時，可得多自標最優解。使用虛擬樣機再次進行試驗，驗證多目標代理模型結果精確度。

表4部分數據解Tab.4Partial datasolution

由表5可知，虛擬樣機試驗所得仿真值與響應面模型預測值基本吻合，誤差值小于 5% ，此模型可較好反映虛擬樣機仿形作業過程中試驗情況。

表5仿真驗證Tab.5Simulationverification

4樣機試驗

根據多目標優化最佳參數對已有樣機進行優化改進，對優化參數進行取整，調整割臺傾角為 5^° ，側滑板長度為 166mm 。利用該樣機在丘陵山區的典型坡地進行割草試驗，圖8為樣機進行割草作業試驗。

圖8切割作業 Fig.8 Cutting operation

試驗前對地塊平整度進行測量，地塊平整度為30.4，與虛擬樣機模型地面平整度相近。試驗時，選取10m 長地塊，以三擋位速度各進行一趟作業，對前進速度進行測量記錄。作業完成后對地塊割茬高度進行抽樣測量并取平均值。表6為樣機試驗結果與優化模型預測對比。由于樣機試驗地塊相較于虛擬樣機模型地塊更為平坦，割茬高度實際值更低，割茬穩定性更高，符合實際。機具前進速度越大，平均割茬高度越高，割茬穩定性越強，實際趨勢和結果與預測值基本一致。樣機未優化前工作速度為 1m/s ，平均割茬高度為 73mm 。優化后在同作業速度下割茬高度降低5.5% ，更接近于設定值 70mm 。同割茬高度指標下，機具作業速度提高 35% 。

表6樣機試驗結果Tab.6 Prototype test results

5結論

1）對一種丘陵果園割草機仿形裝置進行運動學分析，建立作業運動狀態下的方程和模型，得到刀尖軌跡點的運動狀態。

2）利用ADAMS軟件建立虛擬樣機仿真模型，通過仿真試驗獲取刀片在作業過程中的刀尖運動軌跡，驗證仿形裝置在丘陵地形作業的可行性。

3）采用Box—Behnken試驗設計方法和ISIGHT軟件平臺，建立以平均割茬高度、割茬穩定性和最低割茬高度為評價指標的多目標優化代理模型。運用NSGA一Ⅱ遺傳算法對關鍵設計參數進行優化，得出最佳設計參數組合：前進速度為 1.308m/s ，割盤傾角為 5.15^° ，側滑板長度為 166.16mm 。

4）根據優化結果進行試驗，設置割草機割臺傾角為 5^° ，側滑板長度為 166mm 。優化后的割草機在相同作業速度下，割茬高度降低 5% ，且在保持相同割茬高度的條件下，作業速度提高 35% 。

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