新能源履帶激光除草機(jī)田間作業(yè)小半徑轉(zhuǎn)向阻力研究

中圖分類號(hào)：S219.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945(2025)14-0059-04

1，2，3，」（1.，鄭州450064;2.河南科技大學(xué)應(yīng)用工程學(xué)院，河南三門峽472099;3.鄭州工商學(xué)院工學(xué)院，）

Abstract:Weedsareextremelyharmfultothegrowthofcornandabsorbalargeamountof nutrientsbelonging tocorn sedlings.Corn fieldsmainlyuseacombinationof manual wedingandchemicalweeding tocarryoutweedingoperations.This weedingmethodhastheproblemsofhighlaborintensityandlowoperationeficiencyMoreover，long-termuseofpesticidesto wedwillseriouslydamagetheecologicalenvironmentofthefarmlandandisnotconducivetothelong-termplantingofcrops. Thedesignedweedingmachinecangreatlyimprovewedingeficiencyandreducetheintensityofmanuallabor.Atthesame time，italsoavoidstheproblemofsoilenvironmentalpolutionandensuresthegoodgrowthofcrops.Theselectionof batery packcapacityandmotorparametersisanindicatorinthedesignofanewenergylaserweeder.Aimingatthesmallradius steringsituationofthenewenergylaserweederinfieldoperations，acalculationmethodoftractionforce，steringresistance torqueandsteringpowerisproposed，andrealvehicletestsarecarriedout.Itisprovedthatthesteringresistanceofthe weederwhenturning withsmallradiusismuchgreaterthanthatwhengoingstraight，andthemotorisoverloadedbymorethan threetimeswhenturningtheweeder.Itisconcludedthattheviewthatthebaterypackcapacityofthenewenergyweeding machineshould beselectedbasedonthe maximumstering resistance torqueand the motor parameter selection should be based onthe power when going straight，which provides a basis for the future design of new energy tracked vehicles.

Keywords: weed mower; steering resistance moment; experimental research;new energy； field operation即可。本文分析了新能源履帶除草機(jī)小半徑轉(zhuǎn)向時(shí)的牽引力，轉(zhuǎn)向阻力矩和轉(zhuǎn)向功率計(jì)算方法，并通過試驗(yàn)證明了方法的正確性，為今后新能源履帶車輛的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

新能源除草機(jī)大部分作業(yè)是田間直行，當(dāng)完成一壟除草后，需要在地頭進(jìn)行小半徑轉(zhuǎn)向，再去對(duì)另一壟進(jìn)行除草。新能源電池組在除草機(jī)上占的空間和重量比重很大，需要通過除草機(jī)作業(yè)時(shí)最大阻力來確定電池組容量，選擇時(shí)既要滿足作業(yè)要求也要使空間、重量盡量減小。電機(jī)的選擇要考慮成本、體積、重量等參數(shù)，如果按照最大轉(zhuǎn)向功率選擇，電機(jī)成本、體積、重量都會(huì)增大，造成浪費(fèi)。因此電機(jī)選擇主要考慮直行時(shí)的功率，轉(zhuǎn)向時(shí)電機(jī)過載，保證能提供過載功率

1除草機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

除草機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

雜草對(duì)玉米的生長危害極大，玉米幼苗期主要雜草有鐵線草、稗草、牛筋草、馬唐、香附子、小飛蓬、馬齒莧、龍葵、三葉鬼針草、豬殃殃、蒼耳和大狗尾草等，

雜草生長迅速，會(huì)大量吸收本屬于玉米苗的營養(yǎng)成本，從而會(huì)使玉米生長不良。

注：1-車架；2-支架；3-支撐板;4-豎向移動(dòng)件；5-橫向移動(dòng)件；6-連接板；7-安裝板；8-攝像頭；9-步進(jìn)電機(jī);10-絲杠導(dǎo)桿；11-豎向?qū)U；12-橫桿；13-步進(jìn)電機(jī)；14-橫向絲杠導(dǎo)桿。

圖1除草機(jī)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，玉米田主要通過人工除草與化學(xué)除草結(jié)合的方法進(jìn)行除草作業(yè)，這種除草方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低的問題，且采用農(nóng)藥除草會(huì)造成田地農(nóng)藥污染，長時(shí)間使用農(nóng)藥除草會(huì)嚴(yán)重破壞農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境，不利于農(nóng)作物的長時(shí)間種植。

除草機(jī)通過豎向螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫向螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和除草機(jī)構(gòu)的設(shè)置進(jìn)行作業(yè)。豎向螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和橫向螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能根據(jù)攝像頭識(shí)別出雜草的位置而使除草機(jī)構(gòu)移動(dòng)至雜草上方，然后控制激光器除草，2組除草機(jī)構(gòu)的設(shè)置能大大提高該除草機(jī)的除草效率且減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也避免了采用農(nóng)藥除草而造成土壤環(huán)境污染的問題，保證了農(nóng)作物的良好生長。

2 車輛的滾動(dòng)阻力

滾動(dòng)阻力是由行動(dòng)裝置阻力和外行駛阻力組成，行動(dòng)裝置阻力是因摩擦和變形，在行動(dòng)裝置和履帶中產(chǎn)生的阻力，行動(dòng)裝置阻力主要取決于除草機(jī)重量、履帶內(nèi)部張力和行駛速度。其值約為車重的 3%～8% 。外行駛阻力是指從外部來對(duì)抗除草機(jī)運(yùn)動(dòng)的阻力，主要包括除草機(jī)車首阻力和空氣阻力。

滾動(dòng)阻力表達(dá)式為

F_r=f×M_g ，

式中： M 為除草機(jī)質(zhì)量 ，f 為滾動(dòng)阻力系數(shù)。

履帶兩側(cè)的滾動(dòng)阻力為

不同土質(zhì)路面的滾動(dòng)阻力系數(shù)2見表1。

計(jì)算和行駛試驗(yàn)(通常為慢?？諜n滑行試驗(yàn))表明，在 60km/h 加速范圍內(nèi)，滾動(dòng)阻力只在相對(duì)狹窄的帶內(nèi)變動(dòng)著。在軟地面上，可取滾動(dòng)阻力為車重的8%～12% ；在硬地面上可取 3%～6% ，本研究取 f= 0.10。

3新能源除草機(jī)在田間作業(yè)時(shí)的牽引力

理想狀態(tài)的除草機(jī)在如下條件下田間作業(yè)。

除草機(jī)在田間地頭做小半徑( 0

式中： M_z 是除草機(jī)轉(zhuǎn)向阻力矩； B 為兩履帶幾何間距； 分別為除草機(jī)左右履帶牽引力； 分別為除草機(jī)左右履帶所受滾動(dòng)阻力。

4除草機(jī)小半徑轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向阻力矩

假設(shè)除草機(jī)在數(shù)學(xué)模型上車體對(duì)稱，不計(jì)履帶寬度影響[3]。不考慮履帶接地段打滑時(shí)普遍采用的轉(zhuǎn)向阻力矩的表達(dá)式為

式中： M 為除草機(jī)質(zhì)量： ?_:μμ 為除草機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)的摩擦阻力 不計(jì)。

系數(shù)： L 為單邊履帶接地長度。

摩擦阻力系數(shù)參考圖3選取。

第二，忽略履帶寬的影響。

第三，除草機(jī)兩邊履帶行駛阻力一樣。

第四，勻速轉(zhuǎn)向，忽略離心力影響。

除草機(jī)直線行駛時(shí)消耗的功率是

注：1為水泥路面；2為柏油路面。

5除草機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)的功率分析

對(duì)除草機(jī)轉(zhuǎn)向的分析是基于以下假設(shè)的：

第一，除草機(jī)在均勻地面上行駛，兩側(cè)履帶接地載荷平均分布，負(fù)重輪在履帶上的滾動(dòng)阻力忽略式中： V₀ 為除草機(jī)直線行駛時(shí)的速度； F_r 為直線行駛時(shí)的行駛阻力， F_r=M_gf.，f 為除草機(jī)行駛阻力系數(shù)， M 為除草機(jī)的質(zhì)量。

除草機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)功率由3部分組成，分別是克服行駛阻力的功率 P_r ，克服地轉(zhuǎn)向阻力矩的功率 P_M ，左右兩側(cè)履帶滑轉(zhuǎn)消耗功率 P_s ，因此，履帶除草機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)消耗的功率為

P=P_r+P_M+P_S

在實(shí)際轉(zhuǎn)向過程中，

式中： F_ΠE，F(xiàn)_ΠE 分別為除草機(jī)轉(zhuǎn)向時(shí)左右側(cè)履帶的驅(qū)動(dòng)力； V_P1，V_P2 分別為除草機(jī)左右側(cè)履帶的實(shí)際速度; V₁ V₂ 分別為除草機(jī)左右側(cè)履帶的理論速度； V_1r，V_2r 分別為除草機(jī)左右側(cè)履帶的滑轉(zhuǎn)速度； ω 為除草機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)向角速度， ω=(V_P2-V_P1)/B;B 為兩履帶幾何間距。

6 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)車參數(shù)：總重 G=500kg ，中心距 B=1000mm 接地長度 L=1 000mm 。

在玉米田進(jìn)行輸出軸扭矩試驗(yàn)玉米田間地頭已硬化，不考慮側(cè)面阻力矩，將實(shí)測轉(zhuǎn)向阻力矩與理論阻力矩關(guān)系列入表2。

由表2和圖4可以看出實(shí)測阻力矩與理論轉(zhuǎn)向阻力矩接近，當(dāng)王壤條件和除草機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，履帶板與地面摩擦產(chǎn)生的阻力矩變化不大。

由表3可以看出轉(zhuǎn)向功率受轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向角速度的影響，受轉(zhuǎn)向半徑影響較大，半徑值稍增加，轉(zhuǎn)向功率就增加，主要原因是除草機(jī)兩履帶輪的速度差變大。

由表4可以看出牽引力受轉(zhuǎn)向半徑和轉(zhuǎn)向角速度的影響較小，與轉(zhuǎn)向阻力矩有關(guān)。

945 943 940 932 930 926 925 924 920 919 919 919 918919 919 □實(shí)測總阻力矩 915 A 四 目 自 AY 理論轉(zhuǎn)向阻力矩 轉(zhuǎn)910 向 Y 905 診 2 2 1 2 3 4 5 駕駛情況

7結(jié)論

1)新能源除草機(jī)電池組容量和電機(jī)參數(shù)選擇要依據(jù)轉(zhuǎn)向阻力矩，除草機(jī)在田間地頭小半徑( 0? R?B/2 )轉(zhuǎn)向時(shí)，提出了轉(zhuǎn)向阻力矩和轉(zhuǎn)向功率計(jì)算的方法。

2)進(jìn)行試驗(yàn)，測出了小半徑下的轉(zhuǎn)向阻力矩，通過公式算出除草機(jī)牽引力和所需功率，進(jìn)而可以選擇電池組和電機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋富藝，姚世興，呂俊標(biāo)，等.新能源汽車新型混合勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J.時(shí)代汽車，2024（5）：115-117.

[2][美]貝克.地面-車輛系統(tǒng)導(dǎo)論[M].《地面-車輛系統(tǒng)導(dǎo)論》翻譯組，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1978：96-104.

[3]胡思．基于軟底質(zhì)條件下履帶作業(yè)車輛行走通過性能研究[D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué)，2023.

[4]孔維康.電傳動(dòng)推土機(jī)多電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性分析及其控制策略研究[D].長春：吉林大學(xué)，2023.

（上接58頁）

3結(jié)論

本文以松散加水流量影響因素為研究方向，首先對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，利用Pearson相關(guān)性分析對(duì)松散加水流量的影響因素進(jìn)行定性和定量分析，結(jié)果表明松散加水流量僅與葉片段溫度有顯著的線性相關(guān)關(guān)系。然后利用主成分分析提取數(shù)據(jù)主成分并基于多元回歸分析模型建立了環(huán)境溫濕度影響下，松散加水流量與烘絲入口水分的關(guān)系模型，并通過模型轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)給定烘絲入口水分，預(yù)測松散加水流量設(shè)定值用于指導(dǎo)生產(chǎn)的目的。對(duì)預(yù)測模型的檢驗(yàn)表明，加水流量預(yù)測結(jié)果與實(shí)際值的誤差為 8.24% ，有效提高了批次間松散加水流量在環(huán)境溫濕度影響下的控制精準(zhǔn)性與穩(wěn)定性，使制絲過程水分控制由人工控制經(jīng)驗(yàn)決策向智能算法科學(xué)決策轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳春，鮮明，殷曉娟，等.基于工藝管控的葉片含水率穩(wěn)定性研究

[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2024(7):69-71.

[2]鐘文燚，陳曉杜，馬慶文，等.基于多因素分析的烘絲機(jī)入口含水率預(yù)測模型的建立與應(yīng)用[J].煙草科技，2015，48(5)：67-73.

[3]常明彬，李曉.基于環(huán)境溫濕度條件的松散回潮加水量預(yù)測模型研究[J]海峽科學(xué)，2016(2)：17-20.

[4]謝升，劉銀初，王勝亮，等.基于環(huán)境溫濕度影響下的烘絲入口水分控制研究及應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2024，43(1)：131-133.

[5]唐軍，周冰，易斌，等.制絲環(huán)境溫濕度對(duì)關(guān)鍵工序間煙草含水率的影響及應(yīng)用研究J.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2023，62(8)：175-181.

[6]劉穗君，王玉芳，李超，等.基于統(tǒng)計(jì)回歸分析的松散回潮出口含水率精準(zhǔn)控制系統(tǒng)[J].煙草科技，2017，50(3)：88-93.

[7]文廣球，江婷，伍先，等.基于主元神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的片煙松散回潮控制系統(tǒng)建模與優(yōu)化[J].煙草科技，2024，57(7)：104-112.

[8]何毅，李斌，普軼，等.基于梯度提升樹的煙草回潮機(jī)出料含水率預(yù)測[J]軟件，2020，41(6)：151-157.

[9]江婷，羅先喜.基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的松散回潮出口水分預(yù)測模型分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2023，52(4)：119-123.

[10]林思地，李健忠，王文才，等.卷煙制絲關(guān)鍵工序含水率穩(wěn)定控制研究[J].造紙裝備及材料，2024，53(2)：76-78.

[11]何曉群.多元統(tǒng)計(jì)分析[M].北京：中國人民大學(xué)出版社，2012.