小型自走式割草機仿形裝置仿真分析與試驗

趙振中

摘 要：山地丘陵的苜蓿收割時存在較多問題，為了改善此狀況，技術人員分析了小型自走式割草機仿形裝置，并進行了相關試驗，得出在山區(qū)惡劣地勢上工作時，應將割草機設置為滑掌長度為188毫米，拉力重力比重為0.85以及割臺傾角為4.06°，前進速度為2m/s。經(jīng)過優(yōu)化設計后，利用此割草機在田間進行試驗，發(fā)現(xiàn)割草難度降低了7%，且工作效率提升了75%，改進效果十分顯著。

關鍵詞：小型自走式;割草機;仿形裝置;仿真分析;試驗

隨著我國牧草產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在苜蓿收割環(huán)節(jié)，割草機成為必不可少的設備，增大了市場的實際需求量。當前我國市場主要采用牽引式割草機，其工作性能較好，但更多適用于小地塊作業(yè)。而小型自走式割草機操作靈活且運移方便，適用于山區(qū)丘陵作業(yè)。相較平原草地，山區(qū)丘陵的作業(yè)地面環(huán)境更為惡劣，割草機不但需要具備一定的通過性，且還應保證割草割茬的平整度。為了提升自走式割草機的工作效率，技術人員應合理設計仿形裝置，確保其高效作業(yè)。本文便基于此建立了虛擬樣機模型，并進行了虛擬正交試驗，為割草機的仿形裝置優(yōu)化設計工作提供了更多的參考依據(jù)，提高了割草機的工作性能。

一、仿形裝置分析

1.仿形裝置結構

自走式割草機最為關鍵的裝置便是仿形裝置，其主要包括滑掌、連桿臂、提升液壓缸以及浮動彈簧等零件，且各零件之間形成了聯(lián)合仿形系統(tǒng)。在此系統(tǒng)運行期間，滑掌代表了信號輸入木塊，處理模塊為浮動彈簧，執(zhí)行模塊為連桿臂，輔助支撐模塊為液壓缸等，下圖1為自走式割草機仿形裝置的基本結構。

1-滑掌;2-割刀;3-刀盤;4-拔草滾筒;5-上連桿臂;6-浮動彈簧;7-浮動彈簧支架;8-機架;9-下連桿臂;10-液壓缸;11-液壓缸支座;12-壓扁輥

機器運行時，滑掌接觸地面，割臺處于半懸浮狀態(tài)，承受其重力的結構為浮動彈簧。當?shù)孛娌黄秸麜r，在彈簧與滑掌的作用力下，割臺會上下浮動，可以確保機器穩(wěn)定通過。同時，刀盤可以確保刀刃更加接近地面，有效降低了割茬高度。

2.仿形裝置運動學分析

在仿形裝置中，執(zhí)行與輔助支撐模塊決定著機構的運動規(guī)律，一是在機器進行收割時，割臺會上下浮動，仿形裝置開始進入工作模式，二是機器運移時，割臺需要上下避障，此時其處于升降狀態(tài)。當仿形裝置處于工作模式時，割臺以及機架等裝置形成了平面四連桿結構。

二、虛擬樣機建模與仿真

通過建立虛擬模型可以有效模擬農機的作業(yè)情況，本文在建立仿形裝置虛擬樣機時采用ADAMS動力學仿真軟件，有效模擬仿形裝置工作狀態(tài)時與地面之間的相互作用力，為此后優(yōu)化仿形裝置提供參考依據(jù)。一是建立虛擬樣機模擬山區(qū)丘陵的起伏地面，模擬仿形裝置的工作情況。之后利用Caita建立三維模型，借助軟件系統(tǒng)計算模型的幾何尺寸與轉動慣量。之后在ADAMS環(huán)境中導入三維模型，分析各零件之間的互動情況，并利用ADAMS為模型添加約束關系，實現(xiàn)機架、割臺以及連桿臂之間的旋轉移動，為滑掌與路面之間建立約束關系。

三、虛擬樣機正交試驗

1.試驗方法

通過模擬起伏路面，了解仿形裝置對收割質量的實際影響，找到最佳的設計參數(shù)，之后選擇滑掌長度、割臺傾角以及拉力重力比為綜合評價指標，找出仿形裝置的最佳設計參數(shù)。期間，技術人員在刀尖建立Marker點，測量其到路面的垂直高度確定割茬高度，并利用ADAMS后處理模塊導出仿真期間的割茬高度數(shù)據(jù)，確定割茬高度與平整度的相關指標。

2.試驗結果分析

試驗結果表明，最大觸土深度為負值，這表明割刀并未觸土，絕對值為最小割茬高度。經(jīng)過方差分析發(fā)現(xiàn)，當平均割茬高度為評價指標時，拉力重力比看做誤差項，割臺傾角的影響效果較大。當割茬穩(wěn)定性系數(shù)為評價指標時，前進速度為誤差項，滑掌長度的影響效果較為顯著。當最大觸土深度為評價指標時，前進速度看做誤差項，滑掌長度與割臺傾角的影響更為顯著。

3.田間試驗

通過試驗測得田間地表的平整度為16.13米，而虛擬樣機模型中地表平整度為69.99毫米，實際田間作業(yè)地面更為平整，虛擬樣機中地表起伏更大，作業(yè)條件更為惡劣，符合實際的作業(yè)情況，仿真實驗可以更好的模擬實際作業(yè)情況。通過優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，相同前進速度下，割茬高度降低了約7%，機器工作效率提升了75%，效果顯著。

四、結語

本文分析了自走式割草機仿形裝置的連桿結構，并建立了升降狀態(tài)的仿形裝置模型，利用虛擬樣機模型進行了正交試驗，得出了最佳的工作參數(shù)，即滑掌長度為188毫米，拉力重力比重為0.85以及割臺傾角為4.06°，前進速度為2m/s。技術人員根據(jù)最佳參數(shù)改進了割草機，通過對比發(fā)現(xiàn)，相較之前的樣機，小型自走式割草機割茬高度降低了7%，工作效率明顯提升，為企業(yè)帶來了更大的經(jīng)濟與社會效益。

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