基于EDEM的履帶式果園除草機除草過程仿真分析

何存財， 熊世磊， 嵇君霖， 郭 凱， 孫建民， 萬芳新， 姚亞萍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

雜草是果園中普遍存在的有害植物，不僅有較強的營養(yǎng)和水分吸收能力，還可為害蟲提供生存場所，導(dǎo)致果樹產(chǎn)生病蟲害[1-5]。近年來，隨著我國人口老齡化問題的不斷加劇，果樹種植面積不斷擴大，勞動力不足的問題也日漸突出，很多地區(qū)出現(xiàn)了果園機械化程度不足、機械設(shè)備使用不協(xié)調(diào)、無人管理以至于任由雜草生長的現(xiàn)象，極大影響了我國果業(yè)的發(fā)展[6-9]。

傳統(tǒng)上的除草方式有兩種，一種是利用人工除草，勞動強度高，效率低；另一種是利用化學(xué)藥劑進行化學(xué)除草，造成土壤、水體、以及空氣污染[10-11]。因此，在節(jié)約勞動力成本、減少生態(tài)環(huán)境污染前提下，設(shè)計一款符合我國果園種植行情，提高果園管理效率的除草機已經(jīng)勢在必行[12-15]。因此，課題組在調(diào)查研究的基礎(chǔ)上設(shè)計了一款履帶式果園除草機。除草工作裝置是果園除草機的核心部件，本文利用EDEM離散元仿真軟件對除草工作裝置工作過程進行仿真分析，研究不同前進速度、不同工作時刻下的除草狀況以及刀片和刀軸的受力情況，確定適宜的前進速度，以期為果園除草作業(yè)和除草工作裝置結(jié)構(gòu)的改進和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 履帶式果園除草機的整機結(jié)構(gòu)及工作原理

課題組自主研發(fā)的履帶式果園除草機整體布局如圖1所示、整機裝配簡圖如圖2所示，該機主要由行走裝置、傳動裝置、液壓控制系統(tǒng)、柴油機動力裝置、智能控制系統(tǒng)、除草作業(yè)裝置等六大部分組成。工作時，柴油發(fā)動機提供的動力通過傳動裝置一部分經(jīng)皮帶傳送到變速箱，用于驅(qū)動整機的行走，另一部分經(jīng)中間過渡帶輪傳送到機架后部，用于驅(qū)動除草裝置進行除草作業(yè)。整個作業(yè)控制過程可由手動和遙控兩種模式實現(xiàn)，其中作業(yè)高度可通過液壓系統(tǒng)進行控制。

除草工作裝置是整個履帶式果園除草機的核心部件，主要是由除草刀、除草刀軸、除草裝置連接架等部件組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。除草機工作過程中的除草效果與主要工作部件的受力情況有關(guān)，故本文基于離散元法軟件EDEM對除草過程進行仿真分析。

圖1 履帶式果園除草機整體布局1.智能控制系統(tǒng)；2.液壓控制系統(tǒng)；3.除草作業(yè)裝置；4.傳動裝置；5.行走裝置；6.動力裝置

圖2 履帶式果園除草機整機裝配簡圖1.履帶驅(qū)動輪；2.操作臺；3.駕駛位；4.液壓油箱；5.整體升舉液壓缸；6.縱向深度調(diào)節(jié)液壓缸；7.卡鎖控制液壓缸；8.除草裝置連接架；9.單排鏈；10.除草刀軸；11.除草刀；12.橫向位調(diào)節(jié)液壓缸；13.快速拆裝架；14.雙排鏈；15.帶傳動裝置；16.張緊輪；17.支撐架；18.柴油發(fā)動機；19.變速箱

圖3 除草工作裝置結(jié)構(gòu)簡圖1.雙排主動鏈輪；2.雙排鏈；3.雙排從動鏈輪；4.快速拆裝架；5.除草裝置連接架；6.橫向位調(diào)節(jié)液壓缸；7.除草刀；8.除草刀軸 9.掛接卡鎖；10.深度調(diào)整液壓缸；11.卡鎖控制液壓缸；12.單排鏈；13.液壓連接桿；14.整體升舉液壓缸

2 除草過程模擬仿真

2.1 除草過程仿真模型的建立

除草過程仿真模型如圖4所示。通過設(shè)定一系列參數(shù)，確定出草葉模型，待破碎模型開啟后，將草葉模型設(shè)置成虛擬模型，同時將轉(zhuǎn)軸、刀片和蓋板旋轉(zhuǎn)參數(shù)設(shè)置成204.1 rad/s，直線運動參數(shù)設(shè)置為0.7 m/s，開始時間設(shè)置為4 s。

圖4 除草過程仿真模型

2.2 除草工作過程可視化分析

不同前進速度、不同工作時刻下除草、碎草情況在EDEM軟件模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5和圖6可以看出，相同前進速度下，不同工作時刻的除草結(jié)果相差較大。前進速度為0.4 m/s情況下，t=1.400 1 s時除草工作裝置正在除草，且碎草拋灑程度低于在t=1.8 s時的拋灑程度；前進速度為0.7 m/s情況下，t=1.6 s時除草工作裝置正在除草，且碎草拋灑程度低于在t=1.8 s時的拋灑程度。前進速度為0.7 m/s時的碎草拋灑范圍顯著大于前進速度為0.4 m/s的碎草拋灑范圍。因此，為了降低除草工作過程中碎草拋灑程度，履帶式果園除草機的前進速度應(yīng)越低越好。從模擬除草工作過程直觀分析可以確定，EDEM軟件能夠完成履帶式果園除草機除草工作過程的模擬仿真。

圖5 前進速度為0.4 m/s時除草工作過程仿真

圖6 前進速度為0.7 m/s時除草工作過程仿真

2.3 除草工作過程雜草形狀變化分析

不同前進速度、不同工作時刻下雜草的形狀變化在EDEM軟件模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。從圖7和圖8可以看出，相同前進速度下，不同工作時刻的雜草形狀不同，雜草在機器運動的過程中不斷向設(shè)備前進的方向傾斜。前進速度為0.7 m/s時的碎草程度明顯不如前進速度為0.4 m/s時的碎草程度。因此，為了提高除草、碎草效率，履帶式果園除草機的前進速度也應(yīng)越低越好。

圖7 前進速度為0.4 m/s時草的形狀變化模擬仿真

圖8 前進速度為0.7m/s時草的形狀變化模擬仿真

2.4 不同前進速度下刀片受力分析

在轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時，不同前進速度下刀片的受力情況在EDEM軟件模擬結(jié)果如圖9、圖10所示。從圖9和圖10可以看出，前進速度為0.4 m/s時，刀片未接觸草前，受力基本為零，接觸草之后，隨著時間的變化，刀片受力變化為先緩慢增加至一定值時，保持不變，隨后繼續(xù)增加至最大，最大受力值為0.162 4 N；前進速度為0.7 m/s，當(dāng)?shù)镀唇佑|草前，受力也基本為零，接觸草之后，隨著時間的變化，刀片受力變化為先緩慢增加，隨后降低，然后繼續(xù)增加，最后降低，其中最大受力值為0.4 N。因此，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，前進速度越高，刀片最大受力越大，所以實際除草工作過程中，在滿足正常工作要求的前提下，前進速度越低越好。

圖9 前進速度為0.4 m/s時刀片受力變化仿真

圖10 前進速度為0.7 m/s時刀片受力變化仿真

2.5 不同前進速度下刀軸受力分析

在轉(zhuǎn)速為1 900 r/min時，不同前進速度下刀軸的受力情況在EDEM軟件模擬結(jié)果如圖11、圖12所示。從圖11和圖12可以看出，前進速度為0.4 m/s時，刀片未接觸草前，刀軸受力基本為零，接觸草之后，隨著時間的變化，刀軸受力變化為先緩慢增加，然后降低，隨后增加至最大，最大受力值為0.038 5 N；前進速度為0.7 m/s，刀片未接觸草前，刀軸受力也基本為零，接觸草之后，隨著時間的變化，刀軸受力變化為先快速增加至一定值，隨后降低，然后繼續(xù)增加，最后降低，最大受力值為0.096 5 N。因此，在轉(zhuǎn)速一定的情況下，前進速度越高，刀軸最大受力也越大。

圖11 前進速度為0.4 m/s時刀軸受力變化仿真

圖12 前進速度為0.7 m/s時刀軸受力變化仿真

3 結(jié)論

利用EDEM軟件對履帶式果園除草機除草裝置工作過程進行了模擬仿真分析，得出以下結(jié)論。

(1)通過對除草工作過程的可視化分析和雜草形狀變化分析可知，相同前進速度、不同工作時刻除草效果差異較大，前進速度為0.7 m/s時的碎草拋灑的范圍顯著大于前進速度為0.4 m/s的碎草拋灑范圍，而前進速度為0.7 m/s時的碎草程度則明顯低于前進速度為0.4 m/s的碎草程度。

(2)在轉(zhuǎn)速一定的情況下，前進速度越高，刀片和刀軸的最大受力均越大。為了降低除草工作過程中碎草拋灑程度，提高除草、碎草效果，提高工作部件的使用壽命，在滿足生產(chǎn)效率的前提下，履帶式果園除草機的前進速度越低越好。