基于Pro/E的水田除草機人機工程學設計及試驗

蔣 郁，馬 旭，齊 龍，鹿芳媛，梁仲維，崔宏偉，鄭文漢

(1.華南農業(yè)大學 a.現(xiàn)代教育中心；b.南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室；c.工程學院，廣州 510642；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128；3.ABB低壓開關有限公司，廣東 江門 529100)

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基于Pro/E的水田除草機人機工程學設計及試驗

蔣 郁1a，馬 旭1b,1c,2，齊 龍1b,1c,2，鹿芳媛1c，梁仲維3，崔宏偉1c，鄭文漢1c

(1.華南農業(yè)大學 a.現(xiàn)代教育中心；b.南方農業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室；c.工程學院，廣州 510642；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128；3.ABB低壓開關有限公司，廣東 江門 529100)

為提高步進式水田除草機的工作效率，減輕操作人員的勞動強度，進而提高除草效果，對步進式除草機進行了人機工程學設計。根據(jù)人體尺寸參數(shù)，除草機整機尺寸設計為長1 420mm、寬530mm、高900mm。利用Pro/E的質量分析模塊對步進式水田除草機進行了質量屬性分析，獲得除草機的整機質量為25.2kg，并估算出操作人員握扶手時的提升力為49N，表明操作除草機的勞動強度較低。對該除草機進行田間性能試驗，結果表明：平均除草率為85.9%，平均傷苗率為4.4%，除草效率為0.173hm2/h，操作人員勞動強度較低，符合水稻田間機械除草的作業(yè)質量要求。

Pro/E；人機工程學；水田除草機；性能試驗

0 引言

水田機械除草是一種無污染和環(huán)境友好型的除草方式，能夠有效地解決水田化學除草劑殘留問題。水田除草機械按操作方式主要分為乘坐式和步進式兩種，乘坐式水田除草機大多采用水田拖拉機底盤牽引后置的機械除草部件[1-2]，作業(yè)效率高；但田間調頭時容易造成傷苗，對操作人員的技術要求較高。步進式水田除草機操作簡單，傷苗率較低，較適用于小田塊作業(yè)[3-5]；但多數(shù)的步進式水田除草機傳動系統(tǒng)較復雜，體積和質量較大，操作人員使用的勞動強度高，長期使用易影響除草效率。

人機工程學重視整體造型和外觀質量，滿足產(chǎn)品在使用過程中的各種要求[6]，因此具有良好人機性能的農機產(chǎn)品不僅能滿足機具基本的作業(yè)要求[7]，還能對提高工作效率、減輕操作人員疲勞程度及預防職業(yè)病具有重要作用。對此，國外已有針對農業(yè)作業(yè)機具的人體工程學方面的研究[8-9]。本文主要根據(jù)水稻機械化除草的農藝要求并結合機械設計理論，利用三維設計軟件Pro/E強大的建模功能[10]完成了步進式水田除草機的三維參數(shù)化實體模型的建立，并進行了虛擬裝配和質量屬性分析，運用人機工程學優(yōu)化整機結構尺寸，并通過機械設計理論設計關鍵機構并校核其機械強度。在此基礎上研制出質量輕、可靠性高的步進式水田除草機，有效地減輕操作人員的勞動強度和疲勞程度。

1 整機結構及工作原理

本文所研究的步進式水田除草機主要由汽油發(fā)動機、摩擦環(huán)離合器總成、機架主梁、主軸、蝸輪蝸桿減速器和除草輪組成，如圖1所示。其中，機架由主梁、把手、腳架、提把和擋泥罩組成。

1.汽油發(fā)動機 2.把手 3.機架主梁 4.主軸 5.擋泥罩 6.蝸桿 7.蝸輪 8.除草輪 9.摩擦環(huán)離合器總成 10.萬向聯(lián)軸器圖1 步進式水田除草機Fig.1 Marching-type paddy weeder

除草機工作時，通過發(fā)動機驅動耙壓式除草輪旋轉除草，耙壓式除草輪上安裝有除草齒片；在旋轉的過程中，除草齒片向下入土將水稻行間的雜草埋壓或連根挖起，同時利用土壤的反作用力為除草機的前進提供動力。除草機利用除草輪翻動土壤達到除草目的，同時補充土壤中的氧氣，消除還原性有毒物如硫化氫等，加速黏重土壤中未腐熟有機肥的分解與養(yǎng)分的釋放[11]，從而使土壤更利于水稻生長。除草過程中，操作人員僅需通過提握把手即可控制除草機行進方向，通過把手上的油門拉線控制除草輪的轉速。

2 整機結構及工作原理

2.1 整機尺寸設計

為了在工作過程中減輕操作人員的勞動負擔，需結合人機工程學對整機結構、質量和尺寸進行設計。通過三維設計軟件Pro/E的虛擬裝配，可以準確測量整機的質量和重心位置，根據(jù)測得數(shù)據(jù)可以估算出操作人員操控除草機時握扶手的提升力。同時，通過參數(shù)化設計調整機架尺寸以優(yōu)化整機的重心設計。

步進式水田除草機工作時，操作人員在除草機后方提起把手控制方向和行進速度，把手位置設計的合理性對工作過程中操作人員的勞動強度有關鍵影響。把手位置設置過低，操作人員長時間彎腰工作，對腰肌造成勞損；把手設置過高，操作人員長時間抬舉，對其肩頸部位造成勞損。同時，把手與機具重心的相對位置影響操作人員提握把手的力，從而影響操作人員的勞動強度。根據(jù)GB/T 10000-1988《中國成年人人體尺寸》中關于手功能高和肘高的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[12]可知(見圖2)：成年人的手功能高在656～828mm之間，肘高一般在925～1 128mm之間。

(a) 肘高和手功能高示意圖 (b) 步進式除草機尺寸示意圖圖2 人體尺寸和除草機尺寸示意圖Fig.2 Dimension of human and paddy weeder

因此，除草機在工作時把手高度H設計為900mm能避免操作人員長時間彎腰操作或抬舉機器，滿足人機工程學要求。如圖2(b)所示，步進式水田除草機整機的設計尺寸為長(L)×寬(W)×高(H)為1 420mm×530mm×900mm。

2.2 重心測量及提升力計算

在Pro/E導入各零部件進行整機的虛擬裝配，利用質量分析模塊對步進式水田除草機進行整機質量和重心測量和分析。首先建立質量分析的坐標系。除草機的工作位置，以地面水平方向為x軸，以垂直方向為y軸，以除草輪軸為z軸，以兩個除草輪的中心連線的中點為原點建立坐標系，如圖3(a)所示。除草機的質量為25.2kg，重心O′的位置為x′=236mm，y′= 177mm，z′= -1mm。通過重心位置可以估算出操作人員握扶手時的提升力F，為避免長期操作造成勞損，操作人員提起扶手時，提升力F應不超過50N。除草機的整機受力示意圖，如圖3(b)所示。

(a) 除草機的質量屬性

(b) 除草機受力分析圖3 除草機質量屬性及受力分析Fig.3 Analysis of mass property and force state of paddy weeder

其中，原點O為除草機的支點，地面對除草機的反作用力FG過原點垂直向上；除草機的重力G垂直向下，作用在除草機的重心上；提升力F垂直向上作用在把手上。根據(jù)力矩平衡公式，有

(1)

其中，R為除草輪半徑，值為200mm，代入數(shù)據(jù)可以求出操作人員手握扶手時的提升力F為49N，勞動強度較低，符合設計要求。

3 除草機性能試驗

3.1 試驗條件

為測試運用人機工程學理論優(yōu)化后的步進式水田除草機的工作性能，于2015年8月25日在廣東省肇慶市農業(yè)機械化研究所綜合試驗站進行除草機田間試驗。試驗田塊面積約0.5hm2，試驗地點田間概況如圖4所示。試驗所用水田的栽種水稻品種為廣八優(yōu)169，除草試驗在移栽后第19天進行，此時秧苗平均高度為216mm，秧苗平均株距為160mm，機插秧行間寬度為300mm，秧苗長勢良好，未見明顯病蟲害，移栽后未進行人工除草或噴灑除草劑。水稻行間的雜草主要有水田稗、千金子和粟米草等，行間雜草平均密度為96株/m2，平均高度為105mm，根系長度為28mm。

3.2 試驗方法

選取除草率Pr和傷苗率Qr作為步進式水田除草機作業(yè)質量的評定指標。除草率和傷苗率分別定義為

(2)

(3)

其中，T為試驗區(qū)域內水稻行間雜草總株數(shù)；S為除草作業(yè)后試驗區(qū)域內水稻行間剩余雜草株數(shù)(根系完整、莖部未受折斷等嚴重損害，可繼續(xù)生長的雜草定義為剩余雜草)；X為除草作業(yè)后試驗區(qū)域內被壓折、連根拔起和倒伏的損傷秧苗株數(shù)(根系受損、莖部折斷及子葉受損嚴重不能正常生長的秧苗定義為受損秧苗)；Y為試驗區(qū)域內的總秧苗數(shù)。

為了測試輕簡式步進水田除草機的工作性能是否符合要求，泥腳深度選取160mm和300mm兩個水平，除草輪轉速選取120、140、160r/min 3個水平，對除草機進行全因素試驗，按照試驗因素不同水平組合，共進行6次試驗。

對除草機的工作效率進行統(tǒng)計分析，觀察不同時間段除草機的工作效率變化，根據(jù)工作效率隨操作時間變化是否顯著判定操作人員長期使用除草機的勞動強度高低。試驗過程中測取除草機的工作效率，除草機工作效率R定義為

(4)

其中，D為測試時間內除草機走過的路程(m)；W為除草機工作的寬度(m)；t為測試時間(h)。操作人員在泥腳深度為160mm、除草輪轉速為160r/min的試驗條件下使用除草機工作2h，以0.4h為1個時間段，測量每個時間段的工作效率。采用單因素方差分析操作時間對除草機工作效率是否顯著。

3.3 試驗結果

步進式水田除草機的性能試驗結果如表1所示。

表1 田間試驗結果Table 1 Results of field test

試驗結果表明：相同泥腳深度的條件下，除草輪轉速增大除草率隨之增大，傷苗率隨之增大。相同除草輪轉速的條件下，泥腳深度增大則除草率隨之減小，傷苗率隨之增大。當泥腳深度為160mm、除草輪轉速為160r/min時除草效果最好，除草率為88.3%、傷苗率為4.3%，滿足機械除草的作業(yè)質量要求；當泥腳深度為300mm、除草輪轉速為120r/min時除草效果較差，此時除草率為82.5%、傷苗率為4.1%；綜合田間試驗結果得除草機除草率的平均值為85.9%，傷苗率的平均值為4.4%，符合期望要求。

除草機工作2h內，不同時間段測得的工作效率如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知：除草機的平均工作效率為0.173hm2/h。對表2數(shù)據(jù)進行單因素方差分析，分析結果如表3所示。由方差分析可知：除草機工作時間與工作效率無顯著相關關系，由此可以判斷操作人員長時間使用除草機的勞動強度較低，不會對工作效率產(chǎn)生影響。

表2 除草機工作效率數(shù)據(jù)Table 2 Data of working rate of paddy weeder

表3 除草機工作效率數(shù)據(jù)方差分析Table 3 Analysis of variance for the data of working rate of paddy weeder

查F分布表，若F因素>F0.2，說明因素對結果影響不顯著。

4 結論

1)根據(jù)機械設計理論結合中國水稻生產(chǎn)的實際情況及人機工程學要求，對自主研制的步進式水田除草機進行了整機尺寸設計，其長(L)×寬(W)×高(H)的值為1 420mm×530mm×900mm。利用Pro/E的質量分析模塊對除草機進行質量屬性分析，分析結果表明：除草機的質量為25.2kg，重心O’的位置為x’=236mm、y’=177mm、z’=-1mm。通過重心位置可以估算出操作人員握扶手時的提升力為49N，結果符合人機工程學設計要求。

2)選取泥腳深度和除草輪轉速作為試驗因素對步進式水田除草機進行了全因素試驗，測試了除草機的工作性能。結果表明：隨著轉速增大，除草率增大，傷苗率降低；隨著泥腳深度增大，除草率減小，傷苗率增大。除草效果最好的參數(shù)組合為泥腳深度160mm、除草輪轉速160r/min，此時除草率為88.3%、傷苗率為4.3%。綜合試驗結果可知：除草機除草率的平均值為85.9%，傷苗率的平均值為4.4%，平均除草效率為0.173hm2/h，操作人員勞動強度低，符合水田機械除草的作業(yè)質量要求。

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The Ergonomical Design and Test of Paddy Weeder Based on Pro/E

Jiang Yu1a, Ma Xu1b,1c,2, Qi Long1b,1c,2, Lu Fangyuan1c, Liang Zhongwei3,Cui Hongwei1c, Zheng Wenhan1c

(1.a.Modern Educational Technology Center; b.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment; c.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China,Changsha 410128, China; 3.ABB Low Voltage Switch Ltd.,Jiangmen 529100,China)

In order to enhance the working rate of the marching type paddy weeder,to reduce the labor strength of the operator, by which the weeding performance could be improved, the ergonomics was applied to design the marching type paddy weeder in this research. The overall dimension of the paddy weeder was 1420, 530 and 900mm corresponding to length, width and height. The mass attribute analysis of the paddy weeder was conducted by the mass analysis module of Pro/E.The overall mass of the paddy weeder was acquired 25.2kg and the lifting force of the operator was thus estimated 49N which indicated low labor strength.Performance test in the field was conducted which showed that the average weeding rate of the paddy weeder was 85.9%, the average seedling injury rate was 4.4% and the working rate was 0.173hm2/h with low labor strength, which conforms the quality requirement of mechanical weeding in paddy field.

Pro/E; ergonomics; paddy weeder; performance test

2016-02-02

國家自然科學基金項目(51575195)；廣東省科技計劃項目(2014B020207003)；現(xiàn)代農業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系建設專項(CA RS-01-33)；廣州市珠江科技新星專項(2014J2200041)；廣東省自然科學基金項目(2015A030313402)；廣東省教育廳科研項目(2013KJCX0034)

蔣 郁(1983-)，女，湖南益陽人，實驗師，博士研究生，(E-mail)nova-yy@scau.edu.cn。

齊 龍(1979-)，男，哈爾濱人，副研究員，博士，(E-mail) qilong@scau.edu.cn。

S224.1+41

A

1003-188X(2017)03-0093-05