灌木平茬機仿形機構的設計及仿真分析

冀 振，劉志剛，余劍南，裴承慧

（內蒙古工業(yè)大學機械學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

我國是全球沙化最嚴重的國家之一，沙生灌木具有較強的防風阻沙、維護生態(tài)等作用，通過種植沙生灌木改善土地沙化是比較有效的措施[1]。沙生灌木與其他林木不同，它具有特殊的平茬復壯特性。為了避免沙丘地帶的灌木根頸受到風蝕破壞，需要對其進行適當高度的切割留茬。但是留茬過高或過低都會造成灌木林的死亡，這就要求收割灌木時需要依據其實際生長地形進行仿形切割。目前，國外的平茬設備雖然集成化高，但是不具備仿形功能，無法適應我國種植地形條件惡劣的現(xiàn)狀。我國在很多領域都有仿形設計研究，但國內對平茬機的仿形研究相對較少。現(xiàn)有平茬機仿形功能差，只適合收割栽種土地較平整的人工種植林，不適合原始沙生灌木林及防風固沙林的平茬切割，對沙丘（龜背地形）等特殊地貌仿形效果也不好。另外，其沙地行走性能不佳且割茬高度偏高（留茬高度一般（30～70）mm為宜），無法滿足大面積灌木平茬的需求。因此，為了避免出現(xiàn)因平茬留茬高度不一或茬口表皮撕裂導致的再萌生長能力下降甚至枯死的現(xiàn)象，設計了一種新型灌木平茬機的仿形機構—四連桿仿形機構。該機構不僅仿形效果好，而且能滿足“龜背”地帶的沙生灌木平茬切割要求，使當前平茬復壯工作的緊迫現(xiàn)狀能夠得到極大地緩解。

2 四連桿仿形機構設計

2.1 四連桿仿形機構的工作原理及受力分析

目前，我國農業(yè)機械的仿形機構主要是機械式仿形，其中平行四連桿仿形機構因其具有結構簡單、成本低、經濟性好、安裝調整方便和仿形效果好的特點而被廣泛使用，如在播種機[2]和步行機上的運用。因此，采用平行四連桿機構進行仿形設計，該設計機構主要由固定架、橫向浮動機構、縱向浮動機構、浮動拉簧、鋸盤、齒輪箱罩等部件構成。

所設計的機構是采用縱向與橫向相結合的方式，縱向仿形利用四連桿機構與浮動拉簧組合方式使鋸盤可以隨地形條件上下自由浮動，即進行上下仿形平茬。其中，橫向仿形采用軸與套的連接方式，使橫向浮動架可圍繞固定架中心軸旋轉，即左右仿形平茬。整個機構工作可簡述為：通過對驅動底盤的操作來實現(xiàn)切割部件整體的舉升、翻轉、擺動功能，使機構可以在各種凹凸不平的工況下作業(yè)；另外，萬向滑掌固定在鋸盤下方，萬向滑掌隨地面的高低起伏實現(xiàn)仿形，再結合橫向浮動機構的左右擺動和上下擺動的縱向浮動機構，來實現(xiàn)整機對灌木的仿形切割。誘倒桿扶正和減阻的作用使鋸盤更容易貼近地面直接對灌木根部進行切割，確保切割更加順利的進行。該切割裝置的萬向滑掌和齒輪箱剛性的連接在固定架的連桿上，是依靠力調節(jié)的原理使其進行仿形工作，最終裝配的切割裝置三維實體模型，如圖1所示。

圖1 切割裝置的裝配體Fig.1 Assembly of Cutting Device

下面將主要針對仿形機構的上下運動（左右運動仿真在此不做詳細說明）展開仿真分析，該機構單向仿形作業(yè)的受力分析，如圖2所示。

圖2 xy平面上的受力圖Fig.2 Force Diagram on x y Plane

其受力分析推導過程如下：

式中：Px—平茬機X方向牽引力，N；

Py—平茬機Y方向牽引力，N；

f滑x—沙丘表面對滑掌X方向阻力，N；

f滑y—沙丘表面對滑掌Y方向阻力，N；

G機—機箱的重力，N；

f鋸—沙柳對鋸片的阻力，N；

M車—牽引力對平行四桿在xy平面上的力矩，N.m。

由式（3）分析可知，鋸片受到的阻力大小f鋸與機箱的重力G、土壤阻力f、牽引α角及四桿結構尺寸有關聯(lián)。欲使鋸片穩(wěn)定作業(yè)，則要求滑掌與土壤有適宜的接觸壓力，同時鋸片所受到的阻力的變化范圍越小越好、牽引角的變化范圍越小越好。如果接觸壓力過大，則滑掌下沉便較深、滑動阻力過大。反之，壓力較小，則說明機箱重力小，即鋸片工作不穩(wěn)定。

2.2 四連桿仿形機構的尺寸設計

根據要求的仿形量大小，確定平行四連桿的各桿尺寸。灌木平茬機仿形機構的仿形量大小依據平茬地形環(huán)境的不同而不同，通常上、下仿形量均是（100～300）mm，如圖3所示。

圖3 平行四桿機構在x y方向上的參數Fig.3 Parallel Four-Bar Mechanism Parameters in x y Direction

上下仿形總量h的大小為：

式中：L—平行四桿的長度，mm；

α—平茬機的牽引角，°；

α1—平茬機的上仿形角，°。

當平行四連桿的上下連桿越長，則牽引角α變化范圍越小；上下連桿越短，則牽引角α變化范圍越大。保證機構能夠穩(wěn)定仿形，牽引角盡量越小越好，而上下連桿長些有力。一般切割機上的牽引角α為（0～15）°之間（α是一般切割時的牽引角），α2在（6～28）°之間（α2是最大切割時的下仿形牽引角），α+α1在（20～45）°（α1是最小切割時的上仿形牽引角）。因此，參照國內外切割機的一些資料和依據平茬機的仿形特點設計牽引角α=10°，上仿形角α1=26°，下仿形角α2=26°，連桿間的距離l AD=100mm。按照上仿形量進行計算（即一側仿形量），可設最大仿形量h=300mm，根據式（4）可得連桿的長度：

當桿長約為L=500mm時，求解上、下仿形量h：

滿足上、下仿形量（100～300）mm的標準。

3 四連桿機構的仿真分析

3.1 多剛體虛擬樣機模型的仿真

ADAMS軟件可以完成任意復雜機械系統(tǒng)的靜力學、運動學和動力學虛擬樣機模型的仿真分析。為滿足需求，通過ADAMS創(chuàng)建切割裝置的簡易虛擬樣機模型對四連桿仿形機構展開運動仿真分析。平茬機的四連桿仿形機構隨著沙丘表面上下運動時，切割裝置相對于沙丘的軌跡線及切割裝置運動的后處理軌跡線，如圖4所示。

圖4 模型的軌跡線及后處理軌跡線Fig.4 Trajectory and Post-Processing Trajectory Diagram of Model

根據后處理軌跡線圖，隨機抽取幾組坐標值，求得留茬高度的平均值為34.277mm，滿足留茬高度要求（不能超過70mm）。

3.2 四連桿仿形機構的優(yōu)化設計

為了仿真出最好的仿形效果，下面需要通過試驗設計進行分析。由于仿形運動的連桿長度及相對位置的改變，將會引起切割裝置仿形效果的變化，所以將其中一條連桿上相應的位置坐標點作為變量，計算分析一組最優(yōu)的設計變量，進而最優(yōu)的四桿仿形機構也會被設計出來。通過圖4的后處理軌跡圖得到大沙丘的高度為234mm，然而留茬高度要求為不能超過70mm，所以絕對高度的取值范圍為234mm

表1 試驗設計統(tǒng)計表Tab.1 Statistical Table of Experimental Design

經過對統(tǒng)計數據分析得出：符合要求的試驗設計是4、6、7、8和12，其中第6組的試驗數據最好，此時設計變量坐標為（479.47，96.67），絕對留茬高度是263.16mm，留茬高度為29.16mm，連桿長度變?yōu)?83mm，仿形機構變?yōu)榉瞧叫兴倪B桿仿形機構，平均留茬高度為31.705mm。留茬高度降低了2.572mm，與傳統(tǒng)平行四連桿仿形機構相比，試驗設計得到的非平行仿形機構具有更好的仿形效果。

為了能夠更加直觀地對比平行四連桿仿形與非平行四連桿仿形機構的仿形效果，需要再次進行仿形運動。紅色軌跡線是平行四桿機構的仿形軌跡線，藍色軌跡線是非平行四連桿機構的仿形軌跡線，如圖5所示。

圖5 試驗設計軌跡線及后處理軌跡線的對比Fig.5 Comparison of Trajectories and Post-Processing Trajectories of Experimental Design

根據圖5的試驗設計研究對比分析得出：通過非平行四連桿仿形機構進行仿形切割平茬確實降低了平均留茬高度，且符合參數化分析的目的。

4 平茬切割試驗

為檢驗四連桿平行機構和非平行機構對沙生灌木的平茬性能，進行了沙生灌木切割試驗。中國西北干旱區(qū)是中國沙漠最為集中的地區(qū)，約占全國沙漠總面積的80%[5]。為了使試驗的數據具有可靠性且符合大部分的沙漠的情況，在庫布齊沙漠進行試驗數據的測量（庫布齊沙漠是中國第七大沙漠，具有代表性）[7]。

為了驗證設備的通用性能，先后用平行四連桿機構的樣機和非平行四連桿機構的樣機分別在平整地區(qū)和沙丘地區(qū)進行切割試驗，分別測量其切割數據，觀察其切割平面的狀況。

4.1 平整地區(qū)的切割試驗

先對平整地區(qū)人工種植的沙生灌木進行切割，驗證其切割性能，試驗現(xiàn)場與結果，如圖6所示。

圖6 平整地區(qū)切割試驗與效果Fig.6 Cutting Test and Effect in Flat Area

通過對兩種機構切割后留茬高度的測量，得到留茬高度均在（10～20）mm之間，滿足平坦地帶對灌木留茬高度的要求。平行四桿機構和非平行四桿機構在平坦地區(qū)切割后留下的切割面都比較平整，較好的避免了留茬高度不一，茬口表皮撕裂，比較有利于沙生灌木的再萌復壯。

4.2 沙丘地區(qū)的正交實驗

考慮到沙丘地帶的實際情況，要驗證兩種四連桿機構在沙丘工況下的工作狀況，將機構的桿的長度、行進速度、切割速度和入切角度四種影響平茬質量的主要因素考慮在內展開正交試驗[7]。試驗指標是達到更好的平茬效果，確定各因素對平茬效果影響程度，確定最優(yōu)組合（忽略因素之間的交互作用對平茬效果的影響[9]）。試驗需要考慮的因素為：桿的長度、機構的行進速度、切割速度、入切角，確定的因素水平，如表2所示。

表2 因素水平的確定Tab.2 Determining the Level of Factors

因為是三水平四因素的試驗，選用L9（34）正交試驗表安排試驗[10]。對試驗表中所有的平茬方案進行試驗，將平茬的沙丘坡長平均劃分區(qū)域，各區(qū)域取出一百株沙柳，評價其平茬效果。平茬的最佳效果是沒有撕裂、毛刺和燒糊現(xiàn)象，并且留茬高度為（30～70）mm。平茬試驗的現(xiàn)場和效果，如圖7所示。平茬試驗的方案和結果，如表3所示。

圖7 沙丘地區(qū)切割試驗與效果Fig.7 Cutting Test and Effect in Dune Area

表3 平茬試驗的方案及結果Tab.3 Planting Stubble Test Scheme and Results

為了更為直觀的看出因素對試驗指標的影響規(guī)律和趨勢，以因素水平為橫坐標，試驗指標的為縱坐標，繪制因素水平與指標趨勢圖，如圖8所示。根據因素水平與指標趨勢圖可以得到各因素最佳的水平為A2、B1、C2、D2，所以得到的最佳的試驗方案為A2B1C2D2，而正交試驗方案中的9種方案并沒有此方案，所以需要進行驗證性實驗。為了與正交試驗進行對比，將方案A2B1C2D2與A2B1C2D3進行平茬試驗，平茬效果分別為93和88，即A2B1C2D2（非平行四連桿機構）為最佳的平茬方案。

圖8 因素水平與指標趨勢Fig.8 Factor Level and Indicator Trend Map

5 結論

（1）根據灌木平茬機的平茬要求（灌木的茬口高度小于70mm）和機械結構的理論分析，確定了平茬機仿形機構的上、下仿形量均為（200～300）mm，牽引角α=10°，上仿形角α1=26°，下仿形角α2=26°，連桿間的距離L CD=100mm以及連桿長度L=500mm，進而設計出了一個可以實現(xiàn)仿形功能的平行四連桿仿形機構。

（2）創(chuàng)建ADAMS切割裝置簡易虛擬樣機模型，進行平茬仿真運動分析，得到平行四連桿機構仿形平均高度為34.277mm；對模型進行試驗設計，得到連桿長度為483mm，該機構變?yōu)榉瞧叫兴臈U仿形機構，平均留茬高度為31.705mm，降低了2.572mm，與傳統(tǒng)平行四桿仿形機構相比，試驗設計得到的非平行仿形機構得到更好的仿形效果。

（3）經過平整地區(qū)的切割試驗可以得到，平行四連桿機構和非平行四連桿機構均能很好的完成平茬復壯的工作，得到理想的平茬效果。

（4）經過沙丘地區(qū)的正交試驗可以得到：桿的長度對試驗指標的影響最大，其次是切割速度和行進速度，而入切角的影響最??；在桿的長度483mm、切割速度50m∕min、行進速度15m∕min、入切角15°，即非平行四連桿機構方案A2B1C2D2得到93的最佳試驗效果。