高輝松 方偉健 崔銀軒 韓釗 薛金林

摘要 針對(duì)果園除草尤其是株間除草機(jī)械化作業(yè)難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)開發(fā)具有割幅可調(diào)功能的割草機(jī)對(duì)于提高果園除草機(jī)械化作業(yè)具有重要意義?；诠麍@除草機(jī)械化作業(yè)特點(diǎn)，確定了基于連桿機(jī)構(gòu)的割幅可調(diào)割草機(jī)方案;建立了割草機(jī)調(diào)幅機(jī)構(gòu)的理論模型，并對(duì)割草機(jī)調(diào)幅機(jī)構(gòu)作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算;在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)了割草機(jī)調(diào)幅機(jī)構(gòu)的優(yōu)化軌跡，并對(duì)機(jī)構(gòu)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，選擇直線形軌道，并進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明：直線形軌道的效率隨著滑桿的移動(dòng)從48.389%增至85.975%，能滿足設(shè)計(jì)要求。在預(yù)定割幅范圍的雜草均能被割除，且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中載荷突變值較小，對(duì)材料強(qiáng)度要求較低。該調(diào)幅機(jī)構(gòu)能夠滿足工作要求，可為產(chǎn)品開發(fā)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 自動(dòng)避障;割草機(jī);液壓系統(tǒng)

中圖分類號(hào) S 224.1 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 0517-6611（2021）14-0196-04

Abstract Aiming at the difficulty of weeding mechanization in orchard， especially in interplant weeding，it is of great significance to design and develop a mower with adjustable cutting width for improving the weeding mechanization in orchard. ?In this paper， based on the characteristics of weeding mechanization in orchard， the scheme of adjustablewidth mower based on link mechanism was determined. The theoretical model of mowers amplitude modulation mechanism was established，and the operating parameters of mower amplitude modulation mechanism were designed and calculated. ?On this basis， the optimal orbit of amplitude modulation mechanism of the mower was designed and developed， and the relevant parameters were theoretically calculated. According to the theoretical calculation results， the circular orbit was selected and simulated. Simulation results showed that the linear orbits efficiency changed from 48.389% to 85.975% with the movement of the slider， it could satisfy the designed requirements. All of the grass in the predetermined swath could all be cut. The mutation value of the load in the ?moving process was lower，thus the strength demand of materials was lower. The amplitude modulation mechanism could satisfy the work demands and provide theoretical basis for the related products development.

Key words Automatic obstacle avoidance;Mower;Hydraulic system

基金項(xiàng)目 江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目（CX（18）1007A02）。

作者簡(jiǎn)介 高輝松（1978—），男，山東臨沂人，講師，博士，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程研究。

*通信作者，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備智能化研究。

收稿日期 2020-12-07

割草機(jī)在果園除草作業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，能夠有效提升果園除草作業(yè)的效率。但是，果樹株間雜草依靠傳統(tǒng)割草機(jī)無(wú)法有效清除，而割幅可調(diào)割草機(jī)能夠在很大程度上解決果園株間除草機(jī)械化作業(yè)難的問(wèn)題。割幅可調(diào)割草機(jī)調(diào)幅機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及研發(fā)對(duì)于提高果園生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有重要意義。王新彥等[1]對(duì)零轉(zhuǎn)彎半徑割草機(jī)的研究表明固定割幅割草機(jī)無(wú)法滿足不同環(huán)境下的割草需求。江蘇科技大學(xué)研發(fā)的一種液控變割幅坐騎式割草機(jī)可以通過(guò)液壓泵作為動(dòng)力源，依靠液壓泵直接推動(dòng)支撐板來(lái)實(shí)現(xiàn)割幅的調(diào)整，并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)整[2]。類似地，淮陰工學(xué)院研發(fā)的可調(diào)割幅旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)，其調(diào)整割幅通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)左右割刀得以實(shí)現(xiàn)[3]。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的一種調(diào)幅式果園割草機(jī)，其調(diào)幅是通過(guò)液壓系統(tǒng)直接推動(dòng)仿形臂支架得以實(shí)現(xiàn)的[4]。鄭儒宏[5]設(shè)計(jì)的零轉(zhuǎn)彎半徑割草機(jī)變割幅割草器可以通過(guò)將子刀盤改變的方式來(lái)調(diào)整割幅，但該方式較為復(fù)雜。馮運(yùn)發(fā)等[6]通過(guò)運(yùn)用圖像識(shí)別技術(shù)和伺服電機(jī)，在零轉(zhuǎn)彎半徑割草機(jī)上實(shí)現(xiàn)了割幅的自動(dòng)調(diào)整。婁玉印等[7]研發(fā)了一種可控連桿式多自由度割草機(jī)，其在提高自由度的同時(shí)減少了割盤數(shù)目，導(dǎo)致割草效率降低。目前市面上銷售的隨行自走式果園割草機(jī)（有些采用雙離合結(jié)構(gòu)），實(shí)現(xiàn)了機(jī)具行走與割草作業(yè)的分別控制[8-9]。國(guó)內(nèi)已有廠商通過(guò)增加可伸縮的刀盤，并由齒輪箱輸出端帶動(dòng)刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了割幅調(diào)整[10]。國(guó)外，德國(guó)克拉斯公司生產(chǎn)的中央傳輸側(cè)懸掛割草機(jī)，采用兩點(diǎn)懸掛，動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速達(dá)1 000 r/min，但其割幅調(diào)整不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化[11]。白璐璐[12]設(shè)計(jì)的割草機(jī)可通過(guò)調(diào)節(jié)仿形臂擺動(dòng)角度來(lái)適應(yīng)不同的果園生草帶寬度。

筆者在分析現(xiàn)有調(diào)幅機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種新的設(shè)計(jì)思路，開發(fā)出一種基于連桿機(jī)構(gòu)的割幅可調(diào)割草機(jī)，并分析其效率隨參數(shù)的變化情況，得到最終的優(yōu)化解。

1 割幅可調(diào)割草機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1 方案分析及確定

目前存在的割幅可調(diào)割草機(jī)大多分為以下三類，采用繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的方式來(lái)進(jìn)行描述[13]。

第一類為伸縮式割幅可調(diào)割草機(jī)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 1所示。該割草機(jī)依靠滑桿1的往復(fù)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)割幅可調(diào)節(jié)，其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。但是，當(dāng)滑桿1向右移動(dòng)時(shí)，其結(jié)構(gòu)類似于懸臂梁，對(duì)材料強(qiáng)度的要求隨之提高。

第二類是擺動(dòng)式割幅可調(diào)割草機(jī)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 2所示。刀盤2遇到障礙時(shí)擺動(dòng)，壓縮彈簧3，割幅減小;經(jīng)過(guò)障礙后，彈簧力使得刀盤2復(fù)位，割幅增加。其優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其刀盤的回位需要依靠彈簧，長(zhǎng)久工作后彈簧會(huì)老化，復(fù)位能力下降。

基于以上割草機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，筆者提供一種新的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一種基于連桿機(jī)構(gòu)的割幅可調(diào)割草機(jī)，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖 3所示。它使用液壓缸產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)推動(dòng)滑桿1，使其產(chǎn)生往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿2帶動(dòng)割盤中心4在預(yù)定軌道上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)割盤中心3和4的聯(lián)動(dòng)，割盤中心4用來(lái)消除因滑桿1的移動(dòng)而產(chǎn)生的漏割區(qū)域。刀片的旋轉(zhuǎn)通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由于滑桿1的移動(dòng)依靠的是液壓缸產(chǎn)生的動(dòng)力，所以不會(huì)出現(xiàn)因工作時(shí)間久而產(chǎn)生復(fù)位能力下降的現(xiàn)象。割盤中心支撐在軌道5中，支撐點(diǎn)數(shù)目增加，對(duì)材料的強(qiáng)度要求降低。

1.2 自由度計(jì)算

按照以下公式計(jì)算自由度[14]：

F=3×n-2×l-1×h（1）

式中，n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù);l為低副數(shù);h為高副數(shù);F為自由度數(shù)。

經(jīng)過(guò)分析可知，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)n為3，低副數(shù)l為4，高副數(shù)h為0。

由公式（1）可得，自由度數(shù)F為1。

經(jīng)計(jì)算可知，該機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目為1，所以在對(duì)滑桿1施加主動(dòng)力后，整體的運(yùn)動(dòng)方式可以唯一確定。

2 割草機(jī)調(diào)幅機(jī)構(gòu)模型的建立

該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路核心在于尋找一種軌道，使得連桿2作用在割盤中心4上的力在割盤中心4運(yùn)動(dòng)方向上的分力大小應(yīng)盡可能大，從而提高效率。

2.1 圓弧形軌道

圓弧形軌道各參數(shù)如圖4所示，圖中點(diǎn)A、B、C在同一直線上。

假定θ 恒為0°，連接圓心O和點(diǎn)A，設(shè)其長(zhǎng)度為 d，則d2=L2+R2，又因?yàn)長(zhǎng)和R均為定值，所以d也為定值。當(dāng)滑桿1移動(dòng)時(shí)，d值必定變化，與分析結(jié)果相矛盾，所以θ 不能恒為0°。

圓弧形軌道安放位置如圖 5所示。

2.2 直線形軌道

直線形軌道各參數(shù)如圖 6所示。

連桿3在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與軌道5的前后位置如圖6所示。當(dāng)軌道5與 y 方向同向時(shí)，夾角可以一直為0°，為理想狀態(tài)。但是，此時(shí)割盤中心4和6帶動(dòng)的刀片易發(fā)生干涉，且此時(shí)割盤中心2和4下的刀盤割幅范圍內(nèi)容易產(chǎn)生漏割現(xiàn)象，所以軌道5應(yīng)偏轉(zhuǎn)一定角度，但又應(yīng)盡可能與 y 方向平行。

基于以上分析，以點(diǎn)A為圓心，以割盤中心6和4處的刀片半徑之和為半徑畫圓，過(guò)點(diǎn)B畫一直線與該圓相切，切點(diǎn)為D，該直線即為所求軌道。

3 調(diào)幅機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

最小效率的允許范圍為 η min≥45%。

3.1 軌道參數(shù)確定

基于對(duì)實(shí)際割草機(jī)的設(shè)計(jì)要求，圓弧形軌道中的 L和H和直線形軌道中的L 均為設(shè)計(jì)之初確定的常數(shù)。由公式（4）和（7）可得，cos β ×cos θ 應(yīng)盡可能大，效率才能提高。

基于上述分析以及對(duì)割草機(jī)適用果園的果樹株距的調(diào)查，割草機(jī)各參數(shù)如表 1所示。

圓弧形軌道中割盤中心2和6下刀片直徑均為700 mm，割盤中心4下刀片直徑為720 mm。

直線形軌道中割盤中心2和6下刀片直徑均為700 mm，割盤中心4下刀片直徑為730 mm。

3.2 割幅區(qū)域內(nèi)漏割現(xiàn)象分析

為了保證割幅范圍內(nèi)的雜草均能被清除，當(dāng)滑桿1處在行程左右極限位置時(shí)，3組刀片在 y 方向上的投影應(yīng)不存在間隙（即割盤中心6和4重合距離 L1 與割盤中心2和4的重合距離 L2 均不應(yīng)為0）。

通過(guò)軟件監(jiān)測(cè)可得到在 y 方向上2組軌道各割盤中心重合距離的長(zhǎng)度，如表2所示。

由于表 2中各數(shù)值均不為0，所以在滑桿1左右移動(dòng)時(shí)，2種方案的割幅范圍內(nèi)的雜草均能被有效清除，不存在漏割現(xiàn)象。

3.3 效率分析

選取滑桿1運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的若干個(gè)位置，比較其效率。圓弧形軌道和直線形軌道中的效率隨滑桿1位移（最左端為位移起點(diǎn)）的變化如表 3所示。

通過(guò)對(duì)效率 η 的比較發(fā)現(xiàn)，直線形軌道優(yōu)于圓弧型形軌道且最低效率符合既定要求。因此，最后采用直線形軌道。

4 仿真分析

4.1 夾角仿真分析

依據(jù)圖6，對(duì)直線形軌道方案采用CATIA的DMU模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析，并監(jiān)測(cè)其效率隨滑桿1位移的變化情況。

直線形軌道效率隨滑桿1位移的變化如圖 7所示。

仿真表明：當(dāng)軌道呈直線形時(shí)，最低效率為48.389%，最高效率為85.975%，可滿足既定要求。

4.2 速度與加速度分析

割盤中心4加速度隨時(shí)間的變化如圖8所示。

仿真試驗(yàn)表明，加速度的最大突變發(fā)生在第1秒，點(diǎn)1加速度為0.334 7 m/s2，點(diǎn)2加速度為0.034 4 m/s2。

5 結(jié)論

研制了一種割幅可調(diào)割草機(jī)調(diào)幅機(jī)構(gòu)，并通過(guò)軟件仿真得出了軌道效率以及割盤中心4加速度的變化情況，主要結(jié)論如下：

（1）相較于圓弧形型軌道，在滑桿1運(yùn)行到相同行程處時(shí)，直線形軌道的效率較高，且滿足既定的效率要求。

（2）基于上述直線形軌道的參數(shù)，割幅范圍內(nèi)不存在漏割現(xiàn)象，且能夠在較高效率下正常作業(yè)。

（3）直線形軌道加速度的突變值較小，因此載荷的突變也較小，降低了對(duì)材料的強(qiáng)度要求。

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