割草機(jī)切割壓扁裝置運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

鄔 備 王德成 王光輝 付作立 康琛琛

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

割草機(jī)切割壓扁裝置運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

鄔 備 王德成 王光輝 付作立 康琛琛

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

為了降低收獲過(guò)程中的牧草損失，選擇最佳的割草壓扁機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)割草壓扁機(jī)割刀轉(zhuǎn)速和壓扁輥轉(zhuǎn)速及其匹配對(duì)苜蓿收獲質(zhì)量的影響進(jìn)行了研究。利用ADAMS軟件對(duì)割臺(tái)和植株進(jìn)行了虛擬樣機(jī)建模，并利用模型進(jìn)行了苜蓿植株的切割喂入試驗(yàn)，通過(guò)收獲過(guò)程中割刀與植株平均接觸力、壓扁輥與植株平均接觸力、輸送時(shí)間等仿真數(shù)據(jù)，擬合其隨割刀轉(zhuǎn)速和壓扁輥轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)和方程，定義了評(píng)判割草機(jī)對(duì)植株破壞程度的碎草系數(shù)并建立了模型。根據(jù)碎草系數(shù)模型，當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速ng=1 875 r/min，壓扁輥轉(zhuǎn)速ny=749 r/min時(shí)，割草壓扁機(jī)對(duì)苜蓿植株的破壞最小。利用田間試驗(yàn)對(duì)碎草系數(shù)與實(shí)際碎草率的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了驗(yàn)證，兩者的決定系數(shù)R2=0.958 76。通過(guò)碎草系數(shù)預(yù)測(cè)的最低碎草率約為8.38%，比原始樣機(jī)減少了3.97個(gè)百分點(diǎn)，由此可使鮮苜蓿增收約0.47 t/hm2，比原始樣機(jī)產(chǎn)量提高了4.53%。

割草壓扁機(jī)； 虛擬樣機(jī)； 參數(shù)優(yōu)化； 試驗(yàn)

引言

割草壓扁機(jī)是提高苜蓿收獲品質(zhì)必不可少的機(jī)具，能一次性完成牧草的收割、壓扁和鋪條工作。使用割草壓扁機(jī)收獲能使苜蓿莖稈與葉片同時(shí)干燥，減少因葉片過(guò)干而造成的脫落損失。目前，對(duì)割草壓扁機(jī)的研究主要集中在兩方面：降低收獲損失和加快干燥速率。其中，降低收獲損失通過(guò)降低重割率、破碎率和超茬損失率等實(shí)現(xiàn)，主要研究對(duì)象為切割器、壓扁輥和仿形裝置；加快干燥速率通過(guò)提高壓扁率、改變鋪條寬度、優(yōu)化收獲工藝等實(shí)現(xiàn)，主要研究對(duì)象為壓扁輥、草條密度和收獲時(shí)間窗口。

對(duì)于降低割草壓扁機(jī)收獲損失的問(wèn)題已有一些研究成果[1-4]，但是以往的研究多以切割器和壓扁調(diào)制裝置為單個(gè)的研究對(duì)象，而本研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行割草壓扁機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在相同的機(jī)械結(jié)構(gòu)下，圓盤(pán)切割器和壓扁輥的轉(zhuǎn)速配合，對(duì)控制苜蓿的收獲損失有著極大的影響，文獻(xiàn)[5]對(duì)此進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。

技術(shù)資料表明，約翰迪爾、紐荷蘭等部分成熟機(jī)型的割刀壓扁輥轉(zhuǎn)速比位于2.11～4.72之間，不同機(jī)型之間有較大差別，這是因?yàn)椴煌瑱C(jī)型之間的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圓盤(pán)直徑、壓扁輥直徑和兩者之間相對(duì)位置不同。本文以9GYZ-1.2型自走式割草壓扁機(jī)為分析和試驗(yàn)樣機(jī)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)與田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)切割壓扁裝置的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到降低苜蓿割草壓扁機(jī)收獲損失的目的。

1 切割壓扁裝置結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

切割壓扁裝置是割草壓扁機(jī)最核心的部件，由切割器和壓扁輥組成。本文研究的切割壓扁裝置，采用圓盤(pán)式切割器，割幅方向上并列2個(gè)刀盤(pán)，刀盤(pán)上裝配有自由旋轉(zhuǎn)的割刀，刀盤(pán)上方連接安裝有導(dǎo)草板的圓錐形導(dǎo)草滾筒。切割器與后上方的壓扁輥通過(guò)側(cè)板連接構(gòu)成整個(gè)切割壓扁裝置[6-8]。切割壓扁裝置結(jié)構(gòu)如圖1，具體參數(shù)如表1。

圖1 切割壓扁裝置結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程Fig.1 Structure and working process of cut-condition device1.苜蓿植株 2.導(dǎo)草板 3.導(dǎo)草滾筒 4.側(cè)板 5.上壓扁輥 6.下壓扁輥 7.刀盤(pán) 8.滑掌 9.割刀

如圖1所示，切割壓扁裝置工作時(shí)，裝置與地面呈4°左右的傾角[9]。割刀切斷苜蓿莖稈，圓錐形導(dǎo)草滾筒與導(dǎo)草板為苜蓿植株提供向后上方的推力，使苜蓿進(jìn)入壓扁輥完成壓扁過(guò)程。此外，切割器、導(dǎo)草滾筒、壓扁輥和側(cè)板各零部件在工作時(shí)形成氣流場(chǎng)，苜蓿植株在切割和喂入的過(guò)程中受到與自身重力相當(dāng)?shù)臍饬魍屏10]。

表1 切割壓扁裝置參數(shù)Tab.1 Parameters of cut-condition device

2 定性分析

根據(jù)樣機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題和試驗(yàn)過(guò)程中觀察到的現(xiàn)象，對(duì)割刀和壓扁輥轉(zhuǎn)速匹配問(wèn)題進(jìn)行定性分析。為了保證割刀工作穩(wěn)定，切割速度應(yīng)大于最低極限速度，一般為50～90 m/s[11]，但是割刀速度越大，重割幾率越大，且割刀與導(dǎo)草裝置速度一致，因此割刀速度還影響苜蓿的輸送速度。壓扁輥轉(zhuǎn)速對(duì)苜蓿的收獲損失有較大影響[5]，壓扁輥轉(zhuǎn)速同時(shí)還影響苜蓿的喂入量和喂入速度。對(duì)于兩者的速度匹配，隨著割刀速度增加，割刀對(duì)苜蓿的作用力會(huì)隨之變化，單位時(shí)間通過(guò)喂入?yún)^(qū)域的刀片數(shù)增加使得重割幾率變大。而當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速基本確定，由以往實(shí)際田間試驗(yàn)和文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)論可知，壓扁輥轉(zhuǎn)速較大時(shí)，其本身會(huì)造成較大收獲損失，但是輸送速率加快，重割幾率減?。粔罕廨佫D(zhuǎn)速較小時(shí)，輸送速率減小，由于不能及時(shí)向后輸送，苜蓿受到導(dǎo)草裝置和割刀的反復(fù)沖擊和切割，造成收獲損失，而這一過(guò)程又與割刀轉(zhuǎn)速相關(guān)。

綜上所述，割刀和壓扁輥速度匹配問(wèn)題實(shí)際上是機(jī)器部件對(duì)苜蓿植株的破壞作用及向后輸送速度的問(wèn)題，機(jī)器部件的作用和苜蓿植株向后輸送過(guò)程具有極大的隨機(jī)性，其具體的過(guò)程難以理解，精確的定量分析十分困難，因此，本文利用ADAMS軟件建立模型，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行仿真分析。

3 仿真分析

3.1 模型建立

3.1.1植株模型建立

圖2 Bushing約束受力分析Fig.2 Force analysis of Bushing constraint in ADAMS

ADAMS軟件中的Bushing約束可實(shí)現(xiàn)剛體之間的柔性連接，將苜蓿植株近似等效為通過(guò)Bushing連接的多段中空剛體短套。Bushing約束的力學(xué)本質(zhì)是具有6個(gè)分量的彈簧結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在建立約束后，系統(tǒng)分別于兩段剛體上建立一個(gè)同向的坐標(biāo)系，通過(guò)檢測(cè)兩坐標(biāo)系之間的相對(duì)位移x、y、z，相對(duì)角位移θx、θy、θz，各方向上的相對(duì)速度v和相對(duì)角速度ω，定義兩剛體之間各方向上的相互作用力和作用力矩方程。

(1)

式中k——?jiǎng)偠认禂?shù)C——阻尼系數(shù)

f、t——預(yù)載荷F——力

T——力矩

由圖2中坐標(biāo)系的相對(duì)位置關(guān)系，易知式(1)中k11、k22對(duì)應(yīng)苜蓿稈的剪切剛度，k33對(duì)應(yīng)拉壓剛度，k44、k55對(duì)應(yīng)彎曲剛度，k66對(duì)應(yīng)扭轉(zhuǎn)剛度。材料力學(xué)中，彈性模量與相應(yīng)截面幾何性質(zhì)的乘積表示為各類(lèi)剛度，GIp為扭轉(zhuǎn)剛度，EI為彎曲剛度，EA為拉壓剛度，GA為剪切剛度[13]，其中Ip為極慣性矩，I為截面慣量，A為截面積，結(jié)合文獻(xiàn)[14-17]，確定苜蓿莖稈拉伸彈性模量E=898.7 MPa，剪切彈性模量G=59.52 MPa，由此可確定Bushing約束的剛度系數(shù)k。植株模型的幾何性質(zhì)及力學(xué)參數(shù)的計(jì)算和設(shè)定結(jié)果如表2、3所示。此外，確定阻尼系數(shù)C為相應(yīng)剛度系數(shù)的1%[18]，各預(yù)載荷為零。

3.1.2仿真模型建立

利用Solidworks軟件將植株和機(jī)器的三維模型保存成Parasolid格式，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件中并定義各材料的材料、質(zhì)量等信息。

除了在各個(gè)短圓套剛體之間添加Bushing約束建立植株模型外，還需要對(duì)仿真模型添加如下約束：

表2 植株模型幾何參數(shù)Tab.2 Geometric properties of plant model

表3 植株模型力學(xué)參數(shù)Tab.3 Physical properties of plant model

(1)利用Impact函數(shù)定義植株模型與割刀、導(dǎo)草滾筒、導(dǎo)草板及壓扁輥之間的接觸，接觸類(lèi)型為solid-solid，利用Coulomb法定義摩擦力，摩擦因數(shù)的設(shè)定參考玉米摘穗輥對(duì)玉米莖稈的摩擦因數(shù)[19]，設(shè)定植株與割刀、導(dǎo)草滾筒、導(dǎo)草板之間的摩擦因數(shù)為0.5，與人字齒壓輥之間的摩擦因數(shù)為1.5。

(2)利用Bushing約束定義切割前植株與地面的柔性連接。

(3)利用Applied Force工具在植株模型的上部添加一個(gè)單向力，方向指向上下壓扁輥接觸線后方并設(shè)定為Space Fixed，該力模擬切割器、壓扁輥運(yùn)轉(zhuǎn)形成的氣流場(chǎng)對(duì)植株的作用。

(4)分別定義刀盤(pán)、導(dǎo)草滾筒與機(jī)架之間，壓扁輥與機(jī)架之間的旋轉(zhuǎn)副并添加驅(qū)動(dòng)，改變驅(qū)動(dòng)參數(shù)可模擬不同的割刀轉(zhuǎn)速和壓扁輥轉(zhuǎn)速。

(5)定義機(jī)架與地面之間的平移副并添加驅(qū)動(dòng)，改變驅(qū)動(dòng)參數(shù)可模擬不同的機(jī)器前進(jìn)速度。

圖3 苜蓿植株切割喂入虛擬樣機(jī)Fig.3 Virtual prototype of alfalfa cutting and feeding

完成所有的約束和驅(qū)動(dòng)添加后，進(jìn)行靜力平衡計(jì)算，平衡下的模型如圖3。

3.2 仿真控制

要實(shí)現(xiàn)苜蓿植株收獲過(guò)程的仿真，除了添加上述約束和驅(qū)動(dòng)外，還要利用ADAMS的傳感器和腳本控制技術(shù)進(jìn)行輔助控制。

本仿真需要設(shè)置傳感器對(duì)割刀切割植株莖稈剪切力進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到割刀與植株之間的接觸力大于切斷所需剪切力時(shí)，利用仿真腳本控制植株模型與地面之間約束失效，即植株莖稈被切斷。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]中所記錄的苜蓿植株最大剪切應(yīng)力，選取其最小值，并根據(jù)仿真中所使用的植株模型截面尺寸，確定保證切斷剪切力為21.85 N。割刀與植株碰撞力檢測(cè)函數(shù)為CONTACT(.Harvest Simulation.CONTACT_1, 0, 1, 0)，設(shè)置當(dāng)該函數(shù)檢測(cè)到的接觸力大于或等于21.85 N時(shí)，傳感器觸發(fā)且以Continue的方式繼續(xù)執(zhí)行仿真腳本。

本仿真利用ADAMS/Solver Commands方式的腳本來(lái)控制仿真，設(shè)置仿真時(shí)長(zhǎng)0.2 s，仿真步數(shù)600步。當(dāng)剪切力的傳感器觸發(fā)時(shí)，上述腳本命令使植株模型與地面之間的Bushing約束失效，同時(shí)該傳感器失效。

3.3 仿真結(jié)果

3.3.1壓扁輥對(duì)植株喂入的影響

在苜蓿收獲過(guò)程中，植株的喂入是由刀盤(pán)導(dǎo)草滾筒和壓扁輥完成的，為了研究壓扁輥對(duì)植株喂入的影響，首先選取2個(gè)極端狀態(tài)，在其他條件不變的情況下，進(jìn)行有壓扁輥?zhàn)饔煤蜔o(wú)壓扁輥?zhàn)饔玫膬纱畏抡?。通過(guò)在仿真腳本中加入命令使植株模型與壓扁輥之間的Contact約束失效，來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)壓扁輥?zhàn)饔玫姆抡妗?/p>

由于植株在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)隨機(jī)性很大，本文在植株模型上取5個(gè)均布的Marker點(diǎn)，利用ADAMS的后處理模塊獲得各點(diǎn)在輸送方向上的速度和位移數(shù)據(jù)，再在每個(gè)軟件取值時(shí)間點(diǎn)(取值時(shí)間間隔約3.3×10-4s)求其平均值，以該值代表植株在該時(shí)間點(diǎn)的速度和位移，得到植株在輸送方向上的喂入速度和喂入位移隨時(shí)間的變化如圖4、5所示。

圖4 壓扁輥對(duì)植株喂入速度的影響Fig.4 Effect of rolls on plant feeding speed

圖5 壓扁輥對(duì)植株喂入位移的影響Fig.5 Effect of rolls on plant displacement

由圖可知，0.05 s之前，割刀還未切割植株，植株速度為零，在氣流作用下有極小的位移；0.05～0.09 s期間，植株只受刀盤(pán)和導(dǎo)草滾筒作用，植株有向后的速度和位移，且壓扁輥不影響此時(shí)間段植株運(yùn)動(dòng)，曲線重合；0.09～0.20 s期間，與無(wú)壓扁輥?zhàn)饔脤?duì)比，有壓扁輥?zhàn)饔脮r(shí)喂入速度在接觸到壓扁輥時(shí)有明顯的下降，甚至隨著機(jī)器前進(jìn)和壓扁輥轉(zhuǎn)動(dòng)有稍許回帶(速度為負(fù)值)，然后在壓扁輥的作用下向后喂入，植株喂入位移增加減緩，說(shuō)明向后喂入受到壓扁輥?zhàn)璧K。

3.3.2割刀轉(zhuǎn)速對(duì)植株運(yùn)動(dòng)的影響

割刀的作用主要是切斷莖稈并向后輸送植株，為了研究割刀轉(zhuǎn)速對(duì)植株運(yùn)動(dòng)的影響，調(diào)節(jié)虛擬樣機(jī)割刀轉(zhuǎn)速在1 500～2 200 r/min范圍內(nèi)變化，等間隔取43個(gè)速度值并分別進(jìn)行苜蓿植株切斷喂入仿真，樣機(jī)的其他參數(shù)保持不變，前進(jìn)速度取1.5 m/s勻速。通過(guò)對(duì)植株切割點(diǎn)進(jìn)行最大速度和最大加速度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)均隨割刀轉(zhuǎn)速的增加而線性增加，這也證明了仿真的正確性。

割刀切割完植株后，順勢(shì)向后輸送至壓扁輥，輸送過(guò)程對(duì)苜蓿的收獲質(zhì)量有較大影響，主要表現(xiàn)在導(dǎo)草滾筒對(duì)植株的接觸破壞以及由割刀轉(zhuǎn)速和輸送時(shí)間快慢造成重割兩方面，本文利用虛擬樣機(jī)，測(cè)量了不同割刀轉(zhuǎn)速下，輸送過(guò)程中割刀導(dǎo)草部件與植株的平均接觸力，該數(shù)值通過(guò)軟件在每個(gè)取值時(shí)間點(diǎn)記錄的CONTACT約束接觸力去零值后求平均得到，結(jié)果如圖6。同時(shí)，通過(guò)軟件檢測(cè)割刀切割以及植株接觸壓扁輥的時(shí)間點(diǎn)，可計(jì)算得出導(dǎo)草滾筒對(duì)植株的輸送時(shí)間如圖7。

圖6 割刀及導(dǎo)草部件與植株平均接觸力變化曲線Fig.6 Changing curve of average force between plant and cutter

圖7 割刀及導(dǎo)草部件對(duì)植株的輸送時(shí)間變化曲線Fig.7 Changing curve of feeding time of plant

由圖6可知，割刀及導(dǎo)草部件與植株的平均接觸力隨著割刀轉(zhuǎn)速的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，利用虛擬樣機(jī)記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成二元函數(shù)關(guān)系，該擬合方程相關(guān)系數(shù)R=0.754 7，在α=0.01的條件下顯著。由圖7可知，割刀及導(dǎo)草部件對(duì)植株的輸送時(shí)間隨割刀轉(zhuǎn)速呈線性減小趨勢(shì)，擬合方程相關(guān)系數(shù)R=0.537 3，在α=0.01的條件下顯著。

3.3.3壓扁輥轉(zhuǎn)速對(duì)植株運(yùn)動(dòng)的影響

經(jīng)過(guò)割刀切割和導(dǎo)草滾筒的輸送，苜蓿植株到達(dá)壓扁輥，壓扁輥對(duì)其莖稈進(jìn)行壓扁調(diào)制。為了研究壓扁輥轉(zhuǎn)速對(duì)植株運(yùn)動(dòng)的影響，調(diào)節(jié)虛擬樣機(jī)壓扁輥轉(zhuǎn)速在500～1 100 r/min范圍內(nèi)變化，等間隔取37個(gè)速度并分別進(jìn)行苜蓿植株壓扁輸送仿真，虛擬樣機(jī)其他參數(shù)不變，割刀轉(zhuǎn)速取1 883 r/min，樣機(jī)前進(jìn)速度取1.5 m/s勻速。壓扁輥對(duì)苜蓿收獲質(zhì)量的影響，體現(xiàn)在壓扁輥對(duì)植株的接觸破壞以及由輸送時(shí)間快慢造成割刀重割和壓扁輥過(guò)調(diào)制兩方面。通過(guò)上述相同的方法，可以用軟件測(cè)得壓扁輥對(duì)植株的平均作用力和壓扁輥對(duì)植株的輸送時(shí)間，如圖8和圖9所示。

圖8 壓扁輥與植株平均接觸力變化曲線Fig.8 Changing curve of average force between plant and rolls

圖9 壓扁輥對(duì)植株的輸送時(shí)間變化曲線Fig.9 Chaning curve of conditioning time of plant

由圖8可知，壓扁輥對(duì)植株的平均接觸力隨壓扁輥轉(zhuǎn)速增加呈先持平后增加的趨勢(shì)，利用虛擬樣機(jī)記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成二元函數(shù)關(guān)系，該擬合方程相關(guān)系數(shù)R=0.794 9，在α=0.01的條件下顯著。由圖9可知，壓扁輥對(duì)植株的輸送時(shí)間隨壓扁輥轉(zhuǎn)速呈線性減小趨勢(shì)，擬合方程相關(guān)系數(shù)R=0.882 0，在α=0.01的條件下顯著。

3.3.4割刀壓扁輥轉(zhuǎn)速配比對(duì)植株作用的定量分析

根據(jù)上述分析，苜蓿的收獲質(zhì)量主要取決于割刀切割輸送和壓扁輥壓扁輸送2個(gè)階段的收獲過(guò)程。每個(gè)階段均有2個(gè)因素對(duì)收獲質(zhì)量造成影響：機(jī)器部件對(duì)苜蓿的作用力，作用力越大，對(duì)植株的破壞增加，收獲損失增大；每個(gè)階段對(duì)植株的輸送時(shí)間：在切割輸送階段，輸送時(shí)間越長(zhǎng)，植株滯留時(shí)間越長(zhǎng)，重割越多，收獲損失越大；在壓扁輸送階段，輸送時(shí)間越長(zhǎng)，壓扁輥力作用時(shí)間延長(zhǎng)，割刀重割的幾率增大，植株受到破壞的幾率和收獲損失也增大。本文根據(jù)虛擬樣機(jī)仿真和擬合數(shù)據(jù)對(duì)此進(jìn)行量化分析。

定義碎草系數(shù)ε∈(0,1)，該系數(shù)表明割草壓扁機(jī)在收獲過(guò)程中對(duì)苜蓿植株的破壞程度，ε越接近于1，對(duì)植株的破壞越大。碎草系數(shù)應(yīng)包含切割碎草系數(shù)和壓扁碎草系數(shù)兩部分，且屬于加和關(guān)系，即

ε=εg+εy

(2)

式中εg——切割碎草系數(shù)

εy——壓扁碎草系數(shù)

本文假設(shè)切割輸送過(guò)程和壓扁輸送過(guò)程對(duì)苜蓿植株的破壞影響效果是相等的，因此εg∈(0,0.5)，εy∈(0,0.5)。

切割碎草系數(shù)應(yīng)與割刀導(dǎo)草部件對(duì)植株平均接觸力和輸送時(shí)間同時(shí)呈正相關(guān)關(guān)系，且力與時(shí)間為乘積關(guān)系。虛擬樣機(jī)可進(jìn)行不同割刀轉(zhuǎn)速下仿真的平均接觸力與輸送時(shí)間乘積計(jì)算，但考慮圖7中擬合方程R2=0.288 71，效應(yīng)量較低，本文直接利用平均接觸力和輸送時(shí)間的兩個(gè)擬合方程相乘，再進(jìn)行平移縮放使得在割刀轉(zhuǎn)速為1 500～2 200 r/min范圍內(nèi)εg∈(0,0.5)，從而確定切割碎草系數(shù)方程

(3)

式中ng——割刀轉(zhuǎn)速，r/min

同理，壓扁碎草系數(shù)也應(yīng)與壓扁輥對(duì)植株平均接觸力和輸送時(shí)間同時(shí)呈正相關(guān)關(guān)系，且力與時(shí)間為乘積關(guān)系。壓扁輥與植株平均接觸力以及壓扁輥輸送時(shí)間的擬合方程R2值較大，效應(yīng)量較高，利用虛擬樣機(jī)，計(jì)算隨壓扁輥轉(zhuǎn)速變化的每次仿真中平均接觸力與輸送時(shí)間的乘積，擬合結(jié)果如圖10所示。

圖10 平均力時(shí)間乘積擬合結(jié)果Fig.10 Fitting results of product of average force and time

將圖10中的擬合方程進(jìn)行平移縮放使得在壓扁輥轉(zhuǎn)速為500～1 100 r/min范圍內(nèi)εy∈(0,0.5)，從而確定壓扁碎草系數(shù)方程

εy=-1.532×10-9ny+8.031×10-6ny-
9.448×10-3ny+3.215

(4)

式中ny——壓扁輥轉(zhuǎn)速，r/min

通過(guò)εg和εy的方程求和可得碎草系數(shù)ε的方程，再通過(guò)極值運(yùn)算，可求得在ng=1 875 r/min，ny=749 r/min時(shí)，割草壓扁機(jī)對(duì)苜蓿植株的破壞影響最小。用Origin軟件繪制碎草系數(shù)隨割刀轉(zhuǎn)速和壓扁輥轉(zhuǎn)速變化的曲面如圖11，顯示了割刀轉(zhuǎn)速為1 500～2 200 r/min，壓扁輥轉(zhuǎn)速為500～1 100 r/min范圍內(nèi)的碎草系數(shù)取值。

圖11 碎草系數(shù)模型曲面Fig.11 Surface plot of crush coefficient model

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)的目的，是為了研究在真實(shí)田間作業(yè)環(huán)境下，割刀與壓扁輥轉(zhuǎn)速的不同配比對(duì)切割收獲質(zhì)量的影響，同時(shí)驗(yàn)證上述碎草系數(shù)模型的準(zhǔn)確性。

通過(guò)更換樣機(jī)壓扁輥驅(qū)動(dòng)帶輪組，實(shí)現(xiàn)低、中、高3種不同的割刀壓扁輥轉(zhuǎn)速比，根據(jù)壓扁輥驅(qū)動(dòng)帶輪組安裝位置的空間大小，選擇不同尺寸帶輪組，計(jì)算得3種轉(zhuǎn)速比依次為1.82、2.49和2.97?？紤]到機(jī)器的前進(jìn)速度會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，在每組轉(zhuǎn)速比下分別進(jìn)行大油門(mén)和小油門(mén)試驗(yàn)，總共6組。試驗(yàn)前，調(diào)節(jié)油門(mén)，用光電式轉(zhuǎn)速儀測(cè)量并設(shè)定割刀轉(zhuǎn)速，大油門(mén)時(shí)割刀轉(zhuǎn)速約2 020 r/min，小油門(mén)時(shí)割刀轉(zhuǎn)速約1 600 r/min。所有6組試驗(yàn)均以樣機(jī)高一擋位進(jìn)行，在每組試驗(yàn)形成的草條上等間隔取3處作為重復(fù)，進(jìn)行試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定。

試驗(yàn)過(guò)程按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[20]進(jìn)行，分別測(cè)量碎草率和壓扁率。在進(jìn)行碎草率測(cè)量時(shí)，碎草的質(zhì)量包括了無(wú)頭草節(jié)、小于7 cm的牧草以及落葉的質(zhì)量。圖12為樣機(jī)田間試驗(yàn)，圖13為挑選出的整草與碎草對(duì)比。

圖12 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.12 Picture of prototype working in field

圖13 整草、碎草對(duì)比Fig.13 Comparison of whole plant and crushed plant

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

田間試驗(yàn)于2016年9月29日在河北省石家莊市無(wú)極縣北蘇鎮(zhèn)北蘇村進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)位于北緯38°16′，東經(jīng)114°81′，試驗(yàn)當(dāng)天天氣晴好，氣溫11～21℃，空氣相對(duì)濕度37%，試驗(yàn)對(duì)象為現(xiàn)蕾期紫花苜蓿，作業(yè)地塊平整無(wú)石塊。隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m地塊測(cè)得試驗(yàn)鮮苜蓿產(chǎn)量約為11.8 t/hm2。

為了將不同速度配比下重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果的平均值進(jìn)行兩兩比較，利用最小顯著差數(shù)法(LSD法)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，試驗(yàn)結(jié)果如表4、5所示。

從表中數(shù)據(jù)可以看出，割草壓扁機(jī)用大油門(mén)工作，在割刀壓扁輥轉(zhuǎn)速比分別為1.82、2.49和2.97時(shí)，苜蓿的壓扁率有顯著性不同，具體表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速比越高，壓扁率越小；碎草率在轉(zhuǎn)速比為2.49和2.97時(shí)未見(jiàn)顯著性差別，但是轉(zhuǎn)速比為1.82時(shí)的碎草率顯著偏大，達(dá)到23.69%。當(dāng)割草壓扁機(jī)用小油門(mén)工作，壓扁率在轉(zhuǎn)速比為1.82和2.49時(shí)未見(jiàn)顯著性差別，但是轉(zhuǎn)速比為2.97時(shí)的壓扁率顯著偏小，僅為85.75%；而碎草率在不同的割刀壓扁輥轉(zhuǎn)速比下未見(jiàn)顯著性差別。

表4 大油門(mén)田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Field experiments results at fast speed

注：同一列的不同字母表明兩平均值之間具有顯著性差異，置信度為95%，下同。

表5 小油門(mén)田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Field experiments results at low speed

通過(guò)田間試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證碎草系數(shù)ε模型的正確性，通過(guò)試驗(yàn)時(shí)記錄的割刀轉(zhuǎn)速和壓扁輥轉(zhuǎn)速，可計(jì)算每組試驗(yàn)的碎草系數(shù)ε，以碎草系數(shù)為橫坐標(biāo)，田間實(shí)際測(cè)得碎草率為縱坐標(biāo)，得碎草系數(shù)與實(shí)際碎草率關(guān)系如圖14所示，由圖可知，碎草系數(shù)與實(shí)際碎草率呈線性正相關(guān)，兩者之間決定系數(shù)R2=0.958 76，通過(guò)查閱相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)表，可知該關(guān)系在α=0.01的條件下顯著，驗(yàn)證了碎草系數(shù)模型的正確性。

圖14 碎草系數(shù)與實(shí)際碎草率關(guān)系Fig.14 Relationship between crush coefficient and crushing rate

4.3 優(yōu)化效果分析

在原始樣機(jī)中，割刀壓扁輥轉(zhuǎn)速比為田間試驗(yàn)中的中水平，在大油門(mén)和小油門(mén)田間試驗(yàn)下，其碎草率分別為10.79%和13.91%，取其平均值12.35%作為原始樣機(jī)在苜蓿收獲過(guò)程中的碎草損失率。而在割刀轉(zhuǎn)速ng=1 875 r/min，壓扁輥轉(zhuǎn)速ny=749 r/min時(shí)，碎草系數(shù)為0，由圖14中的方程關(guān)系，其理論碎草率約為8.38%，比原始樣機(jī)減少了3.97個(gè)百分點(diǎn)。由于在苜蓿切割壓扁工藝后續(xù)的撿拾打捆工藝中，撿拾機(jī)構(gòu)無(wú)法撿拾到碎草，從而造成收獲產(chǎn)量損失。按照測(cè)得鮮苜蓿產(chǎn)量約為11.8 t/hm2計(jì)算，用優(yōu)化后的機(jī)器進(jìn)行苜蓿草收獲，由碎草率減少而提高的鮮苜蓿收獲產(chǎn)量約0.47 t/hm2，比原始樣機(jī)產(chǎn)量提高了4.53%。

5 結(jié)論

(1)建立了苜蓿植株的動(dòng)力學(xué)仿真模型以及割草壓扁機(jī)切割喂入仿真模型。利用虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行擬合試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析計(jì)算，從而定義了評(píng)判割草壓扁機(jī)在收獲過(guò)程中對(duì)苜蓿植株破壞程度的碎草系數(shù)模型及方程，得出在割刀轉(zhuǎn)速ng=1 875 r/min，壓扁輥轉(zhuǎn)速ny=749 r/min時(shí)，割草壓扁機(jī)對(duì)苜蓿植株的破壞影響最小。

(2)進(jìn)行了不同割刀壓扁輥轉(zhuǎn)速比下的田間苜蓿收獲試驗(yàn)。當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速約為2 020 r/min，苜蓿的壓扁率在不同割刀壓扁輥轉(zhuǎn)速比下有顯著性不同，轉(zhuǎn)速比越高，壓扁率越??；碎草率在轉(zhuǎn)速比為2.49和2.97時(shí)未見(jiàn)顯著性差別，但是轉(zhuǎn)速比為1.82時(shí)顯著偏大，達(dá)到23.69%。當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速約為1 600 r/min，壓扁率在轉(zhuǎn)速比為1.82和2.49時(shí)未見(jiàn)顯著性差別，但是轉(zhuǎn)速比為2.97時(shí)顯著偏小，僅為85.75%；碎草率在不同的割刀壓扁輥轉(zhuǎn)速比下未見(jiàn)顯著性差別。

(3)對(duì)比并分析了碎草系數(shù)模型計(jì)算的碎草系數(shù)與田間實(shí)測(cè)碎草率，兩者呈線性正相關(guān)，決定系數(shù)R2=0.958 76，驗(yàn)證了碎草系數(shù)模型的正確性。通過(guò)碎草系數(shù)預(yù)測(cè)的最低碎草率約為8.38%，比原始樣機(jī)減少了3.97個(gè)百分點(diǎn)，由此可使鮮苜蓿增收約0.47 t/hm2，比原始樣機(jī)提高了4.53%。

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OptimizationandExperimentsofCut-conditionDeviceWorkingParameteronMowerConditioner

WU Bei WANG Decheng WANG Guanghui FU Zuoli KANG Chenchen

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

In order to lower the harvesting loss of alfalfa crop during the harvesting process, and optimize the working parameter of mower conditioner, the research of harvesting quality influenced by rolls and disks speed was conducted.A virtual prototype of machine and a mechanical model of plant were built by ADAMS software to simulate the process that alfalfa being cut, fed and conditioned.During the simulation at different rolls and disks speeds, average contact force between disks and plant, average contact force between rolls and plant, feeding time and conditioning time were recorded, and fitting equations reflected the relationship between them and working parameter of mower conditioner were built.According to the equations, a crush coefficient model was defined, which can reflect the degree to which the plants would be crushed by machine.As the crush coefficient model shown, when the disks speedngwas 1 875 r/min and the conditioner roll speednywas 749 r/min, the damage of plants caused by machine can be minimized.Field experiments were conducted by using different ratios between disks speed and rolls speed, and real damage rate was measured, the result verified the linear relationship between crush coefficient and real damage rate, in this case, the determination coefficientR2was 0.958 76.According to the field experiments and crush coefficient model, the lowest theoretical crush rate was 8.38%, which was 3.97 percentage points lower than the original crush rate, thus the fresh weight harvesting yield can be increased by about 0.47 t/hm2, which was 4.53% higher than before.

mower conditioner; virtual prototype; parameter optimization; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.009

S225.8

A

1000-1298(2017)10-0076-08

2017-01-13

2017-04-11

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201203024)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CARS-35)

鄔備(1988—)，男，博士生，主要從事草業(yè)機(jī)械研究，E-mail：wu_bei@126.com

王德成(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事畜牧業(yè)機(jī)械研究，E-mail：wdc@cau.edu.cn