基于虛擬樣機技術圓盤式果園生草刈割機工作過程仿真與驗證

宋月鵬，張 韜，樊桂菊，高東升，王 征，高 雪

(1.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018;3.山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院，山東 泰安 271018)

果園生草技術是近年來普遍應用于我國果園的一項仿生栽培技術，有利于果園小氣候形成，同時起到疏松土壤、改善土壤結構和增加有機質(zhì)含量的作用[1-4]。生草后及時刈割覆蓋，能夠避免草種與果樹爭肥，從而保證果樹充分吸收營養(yǎng)，提高果實品質(zhì)。

目前，針對山地丘陵地帶的果園生草刈割工作，我國科研人員研究出了不同類型不同特點的刈割機，如9GXQ-1.40型果園刈割機、9GP-45型坡地刈割機、92GZX-1.7旋轉(zhuǎn)刈割機等[5]，這些刈割機基本能夠滿足果園的割草要求，但是依然存以下幾個問題：一是金屬割刀在高速旋轉(zhuǎn)速度下遇到障礙物時，容易斷裂，對人體具有危險性；二是刈割機的運動參數(shù)設置存在缺陷，經(jīng)常出現(xiàn)大面積重割、漏割的情況。針對上述問題，基于虛擬樣機技術[6]，對圓盤式果園生草刈割機工作過程進行仿真，并對刈割機切割裝置的參數(shù)進行了優(yōu)化設計，以期提高刈割機的割草效率，減少農(nóng)機手的勞動強度。

1 總體設計方案

1.1 刈割機結構設計

雙圓盤果園生草刈割機由小型拖拉機、連接架、傳動機構、升降桿、減速器和切割裝置等組成。其中，切割裝置采用前懸掛連接在小型拖拉機上，通過液壓缸控制起落，從而調(diào)整割茬高度。該切割裝置由圓形刀盤、撥草滾筒和經(jīng)過化學熱處理的合金鋼刀片組成，刀片與刀盤鉸接，碰到障礙物時能夠回彈，提高了使用壽命，該刈割機結構如圖1所示。

果園生草刈割機技術參數(shù)設計如表1所列。

1.2 旋轉(zhuǎn)速度的確定

旋轉(zhuǎn)式切割器工作時，刀片的運動由旋轉(zhuǎn)運動和直線運動合成，刀片某一點對地面的軌跡為余擺線，刀片刃線對地面所掃過的面積為余擺帶，其帶寬與刀片伸出高度相近似[7-8]。刀片根部的速度最低，在任意時刻，根部刃口的絕對速度為：

(1)

當ωt+γ=π+2kπ(k=0，1，2,…,n)時：

vg=vgmin=rω-vj。

(2)

式中：vg為切割速度(m·s-1)；vg min為刀片刃口最低速度(m·s-1)；r為刀片內(nèi)端半徑(mm)；ω為角速度(rad·s-1)；vj為刈割機前進速度(r·s-1)。

研究資料顯示，旋轉(zhuǎn)式無支承切割時刀片刃口最小極限速度為30 m·s-1，其切割速度vg應大于最小極限速度，一般為 50～90 m·s-1[9-11]，刈割機切割器轉(zhuǎn)速為：

圖1 圓盤式果園刈割機結構圖Fig. 1 Structure drawing of the disc lawn mower

表1 刈割機技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of the grass mower

(3)

1.3 前進速度的確定

當刈割機各參數(shù)一定時，其最大前進速度可根據(jù)上述公式得到：

vjmax=(mhvg)/πD。

(4)

式中：vjmax為刈割機最大前進速度(m·s-1)。

2 切割裝置建模與仿真

2.1 切割裝置的模型建立

由于切割裝置是刈割機最關鍵的部分，其結構好壞直接影響割草效率，也會間接影響果樹的生長發(fā)育。目前應用于我國果園最常見的有兩種切割器，一是往復式，其切割平穩(wěn)，能耗較低，但是容易纏草、發(fā)生堵塞；另一種是圓盤式，其耗能高，但是切割力大，破草率低，所以本研究采用圓盤式割草裝置進行工作過程仿真試驗。先用Solidworks軟件建立刈割機切割裝置的三維仿真模型[12-14]，如圖2所示。并對機構進行靜態(tài)干涉檢查，沒有發(fā)現(xiàn)問題。

圖2 圓盤切割器的仿真模型Fig. 2 Simulation model of the disc cutting unit

2.2 仿真模擬

將Solidworks畫出的零件圖組成裝配圖，保存為parasolid(.x_t)格式，導入ADAMS中，然后對導入的模型添加約束和運動副，設置好切割器的旋轉(zhuǎn)速度、前進速度和材料等參數(shù)，點擊工具欄中的仿真按鈕，在Simulation中，設置仿真終止時間(end time)為0.03，步長(steps)保持為1 000，開始運動仿真，可以得到切割裝置中刀片最外部端點的運動軌跡[15]。仿真完成后，追蹤該端點的運動曲線，如圖3所示。

圖3 運動軌跡Fig. 3 The trajectory figure of the blade

在得到運動軌跡的基礎上，可以通過仿真，得到圓盤切割器轉(zhuǎn)過一周時刀片的重割和漏割面積圖(圖4)。

藍色部分Ⅰ表示漏割區(qū)，綠色部分Ⅱ表示一次重割區(qū)，黑色部分Ⅲ表示二次重割區(qū)。

Ⅰ, leakage cutting area; Ⅱ, one-time repeated cutting area; Ⅲ, second-time repeated cutting area.

3 正交試驗設計

3.1 試驗方法

在對切割裝置虛擬樣機的仿真過程中發(fā)現(xiàn)，其幾何參數(shù)和運動參數(shù)決定了收獲區(qū)域的面積、重割區(qū)與漏割區(qū)面積及收獲的效率，其中，刈割機前進速度、刀盤旋轉(zhuǎn)速度、刀片數(shù)是影響重割率(全割幅范圍內(nèi)測定單位面積平均收獲牧草中無頭草節(jié)質(zhì)量與單位面積應收牧草質(zhì)量之比)和漏割率(全割幅范圍內(nèi)測定未割牧草去掉割茬后的質(zhì)量與單位面積應收牧草質(zhì)量之比)的3個關鍵性因素，參考現(xiàn)有的圓盤刈割機工作參數(shù)，選擇虛擬切割裝置的旋轉(zhuǎn)速度為1 400～2 200 r·min-1，前進速度為2.04～3.40 km·h-1，刀片數(shù)為3，刀片內(nèi)端半徑為160 mm，刀片伸出長度為45 mm。選用 L9(34)正交表進行正交試驗，以重割率和漏割率為綜合評價標準[16-17]，對切割器參數(shù)優(yōu)化設計，其試驗因素水平表如表2所列。

利用正交設計助手軟件設計了9組試驗，如表2所列。

3.2 試驗結果與分析

根據(jù)表2中的試驗數(shù)據(jù)，對結果進行極差分析，運用正交試驗軟件Design-expert得到直觀分析表，如表4所列。

根據(jù)正交設計原理，極差能表示各因素水平對試驗指標的影響大小。對于重割率來說，因素主次順序為B、C、A，較優(yōu)組合為B2C2A2；對于漏割率來說，因素主次順序為B、C、A，較優(yōu)組合為B2C2A2(表3)。根據(jù)綜合平衡法[18]得到切割器動力參數(shù)的最優(yōu)組合是B2C2A2，即旋轉(zhuǎn)速度為2 000 r·min-1，刀片數(shù)為3片，前進速度為2.74 km·h-1時，割草效果較優(yōu)。

4 仿真試驗驗證

4.1 材料與方法

2017年7月，對已有樣機的運動參數(shù)作出改進，刀盤旋轉(zhuǎn)速度由原來的2 200 r·min-1改為2 000 r·min-1，前進速度由原來的3.00 km·h-1改為2.74 km·h-1，刀盤數(shù)不變，為3片。然后在山東農(nóng)業(yè)大學進行田間試驗，依據(jù)國家標準[19]，試驗地面積為4 hm2，地面平整，無大塊碎石。作業(yè)對象是苜蓿(Medicagosativa)，無倒伏。并以秒表、鋼尺、卷尺、電子秤為輔助；在試驗田內(nèi)取5個測試區(qū)，面積均為1 m2，按照要求的割茬高度將所有苜蓿草割下，再將5個測區(qū)內(nèi)割下的苜蓿混合后稱重，即為5 m2應收苜蓿草質(zhì)量；另取兩個測試區(qū)，測區(qū)長1 m，寬1 m，每個測區(qū)內(nèi)刈割機往返一次進行作業(yè)，等距測量4次割幅，取平均值，即為實際割幅；將割下的無節(jié)頭[20]苜蓿收集稱重，即為重割草的質(zhì)量；再將未切割的苜蓿進行切割并收集稱重,即為漏割草的質(zhì)量。

表3 直觀分析表Table 3 Visual analysis table

4.2 統(tǒng)計分析

對該果園生草刈割機的工作參數(shù)優(yōu)化[21]后，重割草質(zhì)量由182.22 g降到146.10 g，漏割草質(zhì)量由15.35 g降到6.30 g，重割率與漏割率有了明顯的減少(表4)。

5 結論

1)基于虛擬樣機技術，利用ADAMS軟件對圓盤式果園生草刈割機的切割器工作過程進行仿真，減少了開發(fā)實體樣機的成本。

2)對于切割器的運動參數(shù)設計了正交試驗，并以重割率和漏割率為評價指標對其進行優(yōu)化設計，在直觀分析后通過綜合平衡法確定了最優(yōu)組合為刀片數(shù)3片，刀盤轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1，前進速度為2.74 km·h-1，能有效減少重割和漏割。

表4 刈割機性能測試結果Table 4 Test results of mower performance

3)經(jīng)過田間的樣機試驗發(fā)現(xiàn)，虛擬樣機的仿真數(shù)據(jù)真實可靠，運動參數(shù)優(yōu)化后，圓盤式果園生草刈割機工作過程中刀片重割率和漏割率分別為14.83%和0.64%，分別較優(yōu)化前提高了5.83%和1.1%。