果園除草機避讓系統(tǒng)設計及仿真

李建新　李文春　陳廷官　張宏文　張勇

摘要：針對國內(nèi)果園除草機械大多僅實現(xiàn)行間除草，少數(shù)能實現(xiàn)株間除草的設備因各種因素未能普及，須要大量的人力進行2次作業(yè)的現(xiàn)狀，設計了一種新疆果園專用的除草設備，采用錯開的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其進行運動仿真，可得除草刀具運動學特性曲線，通過對結果的分析可以驗證設計的合理性，并為后續(xù)的設計與研究提供理論依據(jù)和參考。

關鍵詞：果園除草機;避讓系統(tǒng);設計;仿真

中圖分類號： S224.1+5文獻標志碼： A

文章編號：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)營性收入中林果業(yè)收入的比例可達到30%[1]。在果園的生產(chǎn)管理中，機械化與自動化除草，已經(jīng)成為了果園管理中不可或缺的環(huán)節(jié)[2]。

國外對果園除草機械研究起步較早，發(fā)展較迅速。德國的Asl等通過在拖拉機后加裝旋耕機改裝成果園耕耘機[3];Zekic[DD（-1*2][HT6]′等研制了一種EXL140型自動化株間除草設備[4];Fumagalli等研發(fā)了一種能夠分層耕作的齒狀旋耕刀[5];由于國內(nèi)外的種植模式與農(nóng)藝要求不同，加之結構復雜、成本較高，因此未能在國內(nèi)引進和推廣。我國對果園自動化除草機械的研究較少，大多是使用微型耕耘機，存在著生產(chǎn)效率偏低、勞動強度較大，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]，須要人力進行2次補耕，已經(jīng)不能適應大面積種植的新疆果園[7-8]。

針對上述問題，為了實現(xiàn)株間和行間一次性除草作業(yè)，提高機械除草作業(yè)效率，設計一種果園自動化除草機械，能實現(xiàn)精確旋轉(zhuǎn)避讓除草，對避讓系統(tǒng)進行運動仿真分析，通過對結果的分析可以驗證設計的合理性，為后續(xù)的設計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 整機結構

整機是由耕耘裝置與避讓裝置2個部分組成。耕耘設備主要由懸掛架、機架、彈齒耙與限深輪等組成。其利用兩組相互錯位的彈齒耙進行行間耕作，可達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，達到株間除草與避讓果樹或障礙物的目的，果園耕耘機避讓系統(tǒng)結構見圖1。

1.2 工作原理

果園耕耘機避讓系統(tǒng)由拖拉機的牽引力提供耕作動力;由2組錯開的彈齒耙進行耕作，可保證耕作效率;由三點懸掛裝置與限深輪共同作用調(diào)節(jié)行間耕作深度。拖拉機牽引力為避讓裝置提供前進動力，液壓系統(tǒng)為避讓裝置提供旋轉(zhuǎn)動力。果園耕耘機避讓系統(tǒng)在前進作業(yè)時，當機械觸碰桿未碰到障礙物時，刀具進行無障礙的寬幅作業(yè);當碰到障礙物時，機械觸碰桿受力彎曲并繞刀軸轉(zhuǎn)動，作用于壓力控制閥，液壓系統(tǒng)驅(qū)動液壓缸快速動作，避讓執(zhí)行機構執(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，機械觸碰桿會持續(xù)受力，并使刀具持續(xù)旋轉(zhuǎn);當?shù)毒咝D(zhuǎn)到一定位置時，機械觸碰桿與障礙物分離，壓力控制閥關閉，液壓缸動作，使刀具迅速復位，恢復到正常除草工作位置，且復位速度大于避讓速度，刀具進行除草作業(yè)時液壓缸為保壓狀態(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 刀具運動軌跡的參數(shù)分析

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

逐漸降低，所以機具的前進速度不能過快，但是速度過慢又會造成機具功率的浪費，經(jīng)濟效益差，因此耕作速度的選定應根據(jù)國家標準以及實際工作環(huán)境，確定機具的前進速度為 0.55～1.39 m/s。

刀具端點旋轉(zhuǎn)的切線速度為

vt=l+d+ss·vm。（1）

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

以除草刀具為研究對象，建立直角坐標系;以拖拉機前進的方向為y軸，除草刀具正常工作時指向的方向為x軸（圖3），則有：

x=Rcosωty=vmt-Rsinωt。（2）

式中：vm為耕耘機避讓系統(tǒng)前進速度，m/s;R為除草刀具的長度，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。

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

λ=vrvm=Rωvm。（3）

由式（2）、（3）可得運動軌跡方程：

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

2 關鍵零部件設計

2.1 避讓裝置執(zhí)行機構的設計

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

執(zhí)行機構是避讓裝置的運動核心，可直接影響除草效果。已知執(zhí)行元件為液壓缸，執(zhí)行機構滿足預定的運動規(guī)律要求，設計避讓裝置的執(zhí)行機構為帶擺動油缸的四連桿機構[12]（圖4）。

根據(jù)避讓裝置的運動原理和執(zhí)行動作，確定帶擺動油缸的四連桿機構執(zhí)行機構的基本參數(shù);本研究根據(jù)給定角β、轉(zhuǎn)動性系數(shù)ξ以及搖桿OB的值繪制出機構的運動圖，根據(jù)刀具的運動方式選擇以吊環(huán)固定方式的單級油缸，通過使用圖解分析法找到搖桿運動的2個極限位置Smax與Smin，確定活塞桿的運動行程，選用液壓缸型號。

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

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

為了避免機構卡死，方便機構動作的執(zhí)行，將啟動角選用為∠BOC=20°，通過余弦計算公式計算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，預選用液壓缸型號為UYWE11 50×80。

2.2 液壓缸鉸接板的設計

液壓缸鉸接板作為帶擺動油缸的四連桿執(zhí)行機構中的搖桿，同時也是刀軸轉(zhuǎn)動的驅(qū)動元件。它是避讓裝置的核心零部件之一。將其設計成板類零件，能夠更好地與刀軸相互配合，有效地降低運動不平穩(wěn)，零件能夠滿足執(zhí)行機構的運動強度，重要的是這個結構能夠按照執(zhí)行機構的工作要求驅(qū)動刀軸旋轉(zhuǎn)，滿足以下設計要求：（1）滿足執(zhí)行機構中搖桿的基本尺寸，刀軸軸心與液壓缸鉸接點的距離l=8.6 cm;（2）鉸接點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，結構簡單可靠并能夠?qū)崿F(xiàn)機構動作;（4）方便拆卸與維修，容易更換（圖5）。

2.3 轉(zhuǎn)動控制板的設計

轉(zhuǎn)動控制板是避讓裝置信號輸入的執(zhí)行部件，機械觸碰桿與零件通過螺栓固定在轉(zhuǎn)動控制板上，機械觸碰桿與轉(zhuǎn)動控制板無相對運動，當觸碰桿受到外力作用時，會隨轉(zhuǎn)動控制板一同繞刀軸旋轉(zhuǎn)，并作用在液壓控制閥上，使避讓信號輸入。其設計應滿足以下條件：（1）結構簡單可靠，易拆卸，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動;（2）轉(zhuǎn)動阻力小，可正反轉(zhuǎn);（3）使機械觸碰桿等信號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，對仿真模型進行簡化，把不影響仿真效果的固定機架及螺栓等去除[13]。以刀具的旋轉(zhuǎn)中心為坐標原點，刀具工作位置的指向為x軸方向，鉛垂向上為y軸方向，前進方向為z軸方向。根據(jù)避讓裝置的實際工作過程，以及各構件之間的相對運動關系，對整個裝置的零部件添加約束條件和驅(qū)動力，如圖7所示。虛擬樣機建立完畢后，為后期仿真做準備，進行模型校驗，顯示正確信息。刀具是避讓裝置運動的核心，本研究通過刀具的運動軌跡對裝置的運動進行計算與分析，選取刀具的端點并創(chuàng)建標記點為Marker_70。

3.2 仿真結果分析

在完成對避讓裝置模型約束條件、運動副、驅(qū)動力及模型校驗后，設定基本的參數(shù)信息。本研究采用基本式控制方式進行仿真，仿真的類型為default（默認），仿真時間為5 s，仿真步數(shù)為1 000步。在仿真過程中，按照果園耕耘機實際的工作要求，選定拖拉機前進的速度為1 m/s，果樹株距為2 m，且假設每個果樹之間為等距，系統(tǒng)響應的時間忽略不計，通過分析刀具標記點Marker-70的2個工作周期的運動曲線來闡述避讓裝置的運動情況。

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

由圖9可知，刀具3個工作狀態(tài)的速度變化情況，可看出避讓、復位動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避開果樹，且達到不傷果樹的效果;符合設計要求;由圖像的函數(shù)幅值來看可滿足復位速度大于避讓速度，且用時短，可保證除草的工作質(zhì)量，能夠在讓樹后迅速地恢復到工作位置，避免出現(xiàn)漏耕現(xiàn)象，使除草效果達到最優(yōu)化。

由圖10可知，刀具在避讓動作開始于復位動作結束時具有較大的慣性力，對系統(tǒng)具有較大的沖擊力，對除草質(zhì)量有一定的影響。

4 結論

本研究設計了一種適合新疆果園行間、株間一體化的自動避讓除草機械，探討了除草機避讓與除草的工作原理，建立了數(shù)學模型，分析計算了除草刀具運動的相關參數(shù)。通過對裝置的避讓原理進行分析，建立了避讓執(zhí)行機構的模型，對其2個極限位置進行分析計算，確定了液壓缸的行程，初步對執(zhí)行元件液壓缸進行參數(shù)的選型?；贏dams軟件對避讓裝置進行了運動仿真，對刀具標記點的運動軌跡與速度進行了分析，通過仿真得到了側(cè)旋轉(zhuǎn)速比為λ=0.754時能夠得到理想的運動軌跡;當側(cè)旋轉(zhuǎn)速比不變，前進速度提高到 1.1 m/s 時，傷樹率明顯增大，降低了除草刀具利用率，增加了除草阻力。通過運動仿真，檢驗了避讓裝置在果樹株距為2 m時能夠滿足避讓與除草的要求。

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