果園除草機(jī)避讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

李建新　李文春　陳廷官　張宏文　張勇

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)果園除草機(jī)械大多僅實(shí)現(xiàn)行間除草，少數(shù)能實(shí)現(xiàn)株間除草的設(shè)備因各種因素未能普及，須要大量的人力進(jìn)行2次作業(yè)的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種新疆果園專用的除草設(shè)備，采用錯(cuò)開的2組彈齒耙與旋轉(zhuǎn)的除草刀具，可完成株間、行間除草。利用Adams軟件建立避讓裝置模型并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，可得除草刀具運(yùn)動(dòng)學(xué)特性曲線，通過對(duì)結(jié)果的分析可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，并為后續(xù)的設(shè)計(jì)與研究提供理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：果園除草機(jī);避讓系統(tǒng);設(shè)計(jì);仿真

中圖分類號(hào)： S224.1+5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）09-0248-04

自“十一五”以來，新疆林果業(yè)持續(xù)高速發(fā)展。據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2016年新疆林果總種植面積已達(dá)到1.5×106 hm2，優(yōu)質(zhì)林果年產(chǎn)量已突破1×1010 kg，在新疆果農(nóng)經(jīng)營(yíng)性收入中林果業(yè)收入的比例可達(dá)到30%[1]。在果園的生產(chǎn)管理中，機(jī)械化與自動(dòng)化除草，已經(jīng)成為了果園管理中不可或缺的環(huán)節(jié)[2]。

國(guó)外對(duì)果園除草機(jī)械研究起步較早，發(fā)展較迅速。德國(guó)的Asl等通過在拖拉機(jī)后加裝旋耕機(jī)改裝成果園耕耘機(jī)[3];Zekic[DD（-1*2][HT6]′等研制了一種EXL140型自動(dòng)化株間除草設(shè)備[4];Fumagalli等研發(fā)了一種能夠分層耕作的齒狀旋耕刀[5];由于國(guó)內(nèi)外的種植模式與農(nóng)藝要求不同，加之結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，因此未能在國(guó)內(nèi)引進(jìn)和推廣。我國(guó)對(duì)果園自動(dòng)化除草機(jī)械的研究較少，大多是使用微型耕耘機(jī)，存在著生產(chǎn)效率偏低、勞動(dòng)強(qiáng)度較大，在其耕作過程中容易出現(xiàn)少耕、漏耕或傷樹、耕作效果不佳等問題[6]，須要人力進(jìn)行2次補(bǔ)耕，已經(jīng)不能適應(yīng)大面積種植的新疆果園[7-8]。

針對(duì)上述問題，為了實(shí)現(xiàn)株間和行間一次性除草作業(yè)，提高機(jī)械除草作業(yè)效率，設(shè)計(jì)一種果園自動(dòng)化除草機(jī)械，能實(shí)現(xiàn)精確旋轉(zhuǎn)避讓除草，對(duì)避讓系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，通過對(duì)結(jié)果的分析可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)的設(shè)計(jì)與研究提供理論依據(jù)和參考。

1 果園耕耘避讓系統(tǒng)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)是由耕耘裝置與避讓裝置2個(gè)部分組成。耕耘設(shè)備主要由懸掛架、機(jī)架、彈齒耙與限深輪等組成。其利用兩組相互錯(cuò)位的彈齒耙進(jìn)行行間耕作，可達(dá)到最大面積的除草與疏松土壤;避讓裝置由調(diào)節(jié)板、液壓缸、刀軸與除草刀具等組成，通過可旋轉(zhuǎn)的刀具在果樹株間內(nèi)伸入或伸出，達(dá)到株間除草與避讓果樹或障礙物的目的，果園耕耘機(jī)避讓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 工作原理

果園耕耘機(jī)避讓系統(tǒng)由拖拉機(jī)的牽引力提供耕作動(dòng)力;由2組錯(cuò)開的彈齒耙進(jìn)行耕作，可保證耕作效率;由三點(diǎn)懸掛裝置與限深輪共同作用調(diào)節(jié)行間耕作深度。拖拉機(jī)牽引力為避讓裝置提供前進(jìn)動(dòng)力，液壓系統(tǒng)為避讓裝置提供旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。果園耕耘機(jī)避讓系統(tǒng)在前進(jìn)作業(yè)時(shí)，當(dāng)機(jī)械觸碰桿未碰到障礙物時(shí)，刀具進(jìn)行無障礙的寬幅作業(yè);當(dāng)碰到障礙物時(shí)，機(jī)械觸碰桿受力彎曲并繞刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)，作用于壓力控制閥，液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓缸快速動(dòng)作，避讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行，使刀具繞著刀軸的向后旋轉(zhuǎn)，改變刀具的工作路徑，在旋轉(zhuǎn)避讓的同時(shí)，機(jī)械觸碰桿會(huì)持續(xù)受力，并使刀具持續(xù)旋轉(zhuǎn);當(dāng)?shù)毒咝D(zhuǎn)到一定位置時(shí)，機(jī)械觸碰桿與障礙物分離，壓力控制閥關(guān)閉，液壓缸動(dòng)作，使刀具迅速?gòu)?fù)位，恢復(fù)到正常除草工作位置，且復(fù)位速度大于避讓速度，刀具進(jìn)行除草作業(yè)時(shí)液壓缸為保壓狀態(tài)，以此為周期循環(huán)作業(yè)[9]。避讓裝置不需要額外的動(dòng)力輸入，能夠有效節(jié)能與提高工作效率。工作原理見圖2。

1.3 刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)分析

果園耕耘機(jī)避讓系統(tǒng)采用拖拉機(jī)作為系統(tǒng)的動(dòng)力，而作業(yè)速度與除草質(zhì)量緊密相關(guān)， 耕作質(zhì)量隨前進(jìn)速度的增加而

逐漸降低，所以機(jī)具的前進(jìn)速度不能過快，但是速度過慢又會(huì)造成機(jī)具功率的浪費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益差，因此耕作速度的選定應(yīng)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)際工作環(huán)境，確定機(jī)具的前進(jìn)速度為 0.55～1.39 m/s。

刀具端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的切線速度為

vt=l+d+ss·vm。（1）

式中：vt為刀具端點(diǎn)的線速度，m/s;vm為機(jī)具的前進(jìn)速度，m/s;l為安全距離，cm;d為果樹直徑，cm;s為刀具長(zhǎng)度，s=50 cm;果樹直徑d取1.6 cm，將安全距離l、機(jī)具前進(jìn)速度vm與刀具長(zhǎng)度s帶入式（1）中可計(jì)算得vt=0.56～1.71 m/s。

以除草刀具為研究對(duì)象，建立直角坐標(biāo)系;以拖拉機(jī)前進(jìn)的方向?yàn)閥軸，除草刀具正常工作時(shí)指向的方向?yàn)閤軸（圖3），則有：

x=Rcosωty=vmt-Rsinωt。（2）

式中：vm為耕耘機(jī)避讓系統(tǒng)前進(jìn)速度，m/s;R為除草刀具的長(zhǎng)度，mm;ω為除草刀具的旋轉(zhuǎn)速度，rad/s;ωt為除草刀具的轉(zhuǎn)角，rad。

刀具端點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)速度與拖拉機(jī)前進(jìn)的速度之比定義為果園耕耘機(jī)避讓裝置的側(cè)旋轉(zhuǎn)速比[11]：

λ=vrvm=Rωvm。（3）

由式（2）、（3）可得運(yùn)動(dòng)軌跡方程：

由式（4）可知，果園耕耘機(jī)避讓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡與刀具的長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)速以及機(jī)具的前進(jìn)速度有關(guān)。側(cè)旋轉(zhuǎn)速比決定避讓裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡、耕作效率以及漏耕率與傷樹率，所以適當(dāng)?shù)膫?cè)旋轉(zhuǎn)速比對(duì)避讓裝置耕作具有重大的作用。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 避讓裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在除草作業(yè)中刀具承受較大的沖擊力;避讓時(shí)要求系統(tǒng)能迅速響應(yīng)，具有較大的力與轉(zhuǎn)矩;而在果園作業(yè)過程中，執(zhí)行動(dòng)作頻率較高;為適應(yīng)不同果園的作業(yè)，其耕作速度不同，執(zhí)行元件的速度也隨之變化。而液壓傳動(dòng)具有承載能力大、易于獲得很大的力和轉(zhuǎn)矩、易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，可滿足本裝置的設(shè)計(jì)要求，因此采用液壓傳動(dòng)作為避讓裝置的動(dòng)力，通過調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)中壓力、流量和方向來實(shí)現(xiàn)避讓動(dòng)作。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是避讓裝置的運(yùn)動(dòng)核心，可直接影響除草效果。已知執(zhí)行元件為液壓缸，執(zhí)行機(jī)構(gòu)滿足預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求，設(shè)計(jì)避讓裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為帶擺動(dòng)油缸的四連桿機(jī)構(gòu)[12]（圖4）。

根據(jù)避讓裝置的運(yùn)動(dòng)原理和執(zhí)行動(dòng)作，確定帶擺動(dòng)油缸的四連桿機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本參數(shù);本研究根據(jù)給定角β、轉(zhuǎn)動(dòng)性系數(shù)ξ以及搖桿OB的值繪制出機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)圖，根據(jù)刀具的運(yùn)動(dòng)方式選擇以吊環(huán)固定方式的單級(jí)油缸，通過使用圖解分析法找到搖桿運(yùn)動(dòng)的2個(gè)極限位置Smax與Smin，確定活塞桿的運(yùn)動(dòng)行程，選用液壓缸型號(hào)。

由刀具的工作狀態(tài)可得擺動(dòng)桿OB的擺動(dòng)范圍為 0～90°，根據(jù)避讓裝置的結(jié)構(gòu)，可知參數(shù)轉(zhuǎn)動(dòng)性W系數(shù)ξ=OB/OC=0.274，lOB=8.6 cm，lOC=31.4 cm。

考慮到當(dāng)OB與OC成1條直線（α=0°或180°）時(shí)，機(jī)構(gòu)將被卡住，因此最小允許角α=20°～35°。

為了避免機(jī)構(gòu)卡死，方便機(jī)構(gòu)動(dòng)作的執(zhí)行，將啟動(dòng)角選用為∠BOC=20°，通過余弦計(jì)算公式計(jì)算Smax與Smin。

Smax2=IOB22+IOC2-IOB2·IOC·cosβ2;（5）

Smin2=IOB12+IOC2-IOB1·IOC·cosβ1。（6）

由式（5）、（6）解得Smax=33.9 cm;Smin=28.4 cm。液壓油缸的形成Smax-Smin=5.5 cm。查閱資料，預(yù)選用液壓缸型號(hào)為UYWE11 50×80。

2.2 液壓缸鉸接板的設(shè)計(jì)

液壓缸鉸接板作為帶擺動(dòng)油缸的四連桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的搖桿，同時(shí)也是刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件。它是避讓裝置的核心零部件之一。將其設(shè)計(jì)成板類零件，能夠更好地與刀軸相互配合，有效地降低運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，零件能夠滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，重要的是這個(gè)結(jié)構(gòu)能夠按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)的工作要求驅(qū)動(dòng)刀軸旋轉(zhuǎn)，滿足以下設(shè)計(jì)要求：（1）滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)中搖桿的基本尺寸，刀軸軸心與液壓缸鉸接點(diǎn)的距離l=8.6 cm;（2）鉸接點(diǎn)液壓缸與刀軸的軸心不在同一條水平線上，且呈現(xiàn)45°夾角;（3）液壓缸鉸接板與刀軸通過鍵相互配合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠并能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作;（4）方便拆卸與維修，容易更換（圖5）。

2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)控制板的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)動(dòng)控制板是避讓裝置信號(hào)輸入的執(zhí)行部件，機(jī)械觸碰桿與零件通過螺栓固定在轉(zhuǎn)動(dòng)控制板上，機(jī)械觸碰桿與轉(zhuǎn)動(dòng)控制板無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)觸碰桿受到外力作用時(shí)，會(huì)隨轉(zhuǎn)動(dòng)控制板一同繞刀軸旋轉(zhuǎn)，并作用在液壓控制閥上，使避讓信號(hào)輸入。其設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下條件：（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，易拆卸，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng);（2）轉(zhuǎn)動(dòng)阻力小，可正反轉(zhuǎn);（3）使機(jī)械觸碰桿等信號(hào)輸入零件方便安裝拆卸;（4）與鉸接板相互接觸但不干擾（圖6）。

3 仿真分析

3.1 虛擬樣機(jī)的建立

采用SolidWorks軟件建立果園避讓系統(tǒng)的三維模型，通過Adams與SolidWorks專用的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換Parasolid接口來完成模型的轉(zhuǎn)換。為便于Adams的仿真和分析， 忽略次要因素，對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，把不影響仿真效果的固定機(jī)架及螺栓等去除[13]。以刀具的旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，刀具工作位置的指向?yàn)閤軸方向，鉛垂向上為y軸方向，前進(jìn)方向?yàn)閦軸方向。根據(jù)避讓裝置的實(shí)際工作過程，以及各構(gòu)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)整個(gè)裝置的零部件添加約束條件和驅(qū)動(dòng)力，如圖7所示。虛擬樣機(jī)建立完畢后，為后期仿真做準(zhǔn)備，進(jìn)行模型校驗(yàn)，顯示正確信息。刀具是避讓裝置運(yùn)動(dòng)的核心，本研究通過刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)裝置的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行計(jì)算與分析，選取刀具的端點(diǎn)并創(chuàng)建標(biāo)記點(diǎn)為Marker_70。

3.2 仿真結(jié)果分析

在完成對(duì)避讓裝置模型約束條件、運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)力及模型校驗(yàn)后，設(shè)定基本的參數(shù)信息。本研究采用基本式控制方式進(jìn)行仿真，仿真的類型為default（默認(rèn)），仿真時(shí)間為5 s，仿真步數(shù)為1 000步。在仿真過程中，按照果園耕耘機(jī)實(shí)際的工作要求，選定拖拉機(jī)前進(jìn)的速度為1 m/s，果樹株距為2 m，且假設(shè)每個(gè)果樹之間為等距，系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間忽略不計(jì)，通過分析刀具標(biāo)記點(diǎn)Marker-70的2個(gè)工作周期的運(yùn)動(dòng)曲線來闡述避讓裝置的運(yùn)動(dòng)情況。

由圖8可知，4個(gè)特殊點(diǎn)A、B、C、D位置，A-B階段為刀具正常除草作業(yè)的工作路徑，此時(shí)刀具在果樹株間跟隨著拖拉機(jī)做勻速直線運(yùn)動(dòng);B-C階段為刀具避讓果樹的工作路徑，刀具繞著刀軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)進(jìn)行避讓;C-D階段為刀具進(jìn)行復(fù)位的工作路徑，刀具旋轉(zhuǎn)回到原來的工作位置上，進(jìn)行下一周期的除草作業(yè);刀具依次往復(fù)循環(huán)動(dòng)作，刀具的工作周期，取決于實(shí)際果樹的株距與作業(yè)速度。作業(yè)速度為1 m/s時(shí)，刀具完成一個(gè)避讓復(fù)位的時(shí)間為0.54 s，響應(yīng)時(shí)間短，且由曲線可知避讓距離大于果樹直徑，能夠滿足實(shí)際工作的要求。

由圖9可知，刀具3個(gè)工作狀態(tài)的速度變化情況，可看出避讓、復(fù)位動(dòng)作的速度曲線大致符合正余弦函數(shù)曲線，執(zhí)行過程為先加速后減速，要求碰到果樹能及時(shí)避開果樹，且達(dá)到不傷果樹的效果;符合設(shè)計(jì)要求;由圖像的函數(shù)幅值來看可滿足復(fù)位速度大于避讓速度，且用時(shí)短，可保證除草的工作質(zhì)量，能夠在讓樹后迅速地恢復(fù)到工作位置，避免出現(xiàn)漏耕現(xiàn)象，使除草效果達(dá)到最優(yōu)化。

由圖10可知，刀具在避讓動(dòng)作開始于復(fù)位動(dòng)作結(jié)束時(shí)具有較大的慣性力，對(duì)系統(tǒng)具有較大的沖擊力，對(duì)除草質(zhì)量有一定的影響。

4 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種適合新疆果園行間、株間一體化的自動(dòng)避讓除草機(jī)械，探討了除草機(jī)避讓與除草的工作原理，建立了數(shù)學(xué)模型，分析計(jì)算了除草刀具運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)。通過對(duì)裝置的避讓原理進(jìn)行分析，建立了避讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的模型，對(duì)其2個(gè)極限位置進(jìn)行分析計(jì)算，確定了液壓缸的行程，初步對(duì)執(zhí)行元件液壓缸進(jìn)行參數(shù)的選型。基于Adams軟件對(duì)避讓裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)刀具標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與速度進(jìn)行了分析，通過仿真得到了側(cè)旋轉(zhuǎn)速比為λ=0.754時(shí)能夠得到理想的運(yùn)動(dòng)軌跡;當(dāng)側(cè)旋轉(zhuǎn)速比不變，前進(jìn)速度提高到 1.1 m/s 時(shí)，傷樹率明顯增大，降低了除草刀具利用率，增加了除草阻力。通過運(yùn)動(dòng)仿真，檢驗(yàn)了避讓裝置在果樹株距為2 m時(shí)能夠滿足避讓與除草的要求。

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