果園株間除草裝置優化設計探析
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摘要：針對國內大多數果園除草機械僅實現行間除草，株間除草設備因各種因素未能普及，需要大量的人力進行二次作業的現狀，設計一種新疆果園專用的果園除草裝置，確定了株間除草裝置的運動形式，對裝置的執行機構進行理論分析，根據實際除草與避讓果樹的工作要求，建立執行機構的數學模型，確定機構各參數之間的關系，運用MathCAD、Lingo兩款軟件對機構中的液壓缸參數進行優化設計。通過理論分析與軟件模擬仿真對比確定執行機構參數，優化結果滿足了裝置的工作要求與設計需求。為后續的設計與研究提供理論依據和參考。
關鍵詞：株間除草；避讓；優化設計；仿真分析
0引言
2019年新疆特色林果業種植面積為165萬hm2，果實產量達1729.44萬t，相比2018年增長了7.8%[1]，新疆特色林果業種植已形成較大規模，在全國占有重要地位，是新疆經濟發展的重要保障。目前，林果業全程機械化作業進程中果樹之間的雜草清除較為困難，依舊采用人工清除雜草的方式，幼年果樹株間相鄰區域雜草生長迅猛，對幼年果樹的成活率和產值時間影響較大[2]，且清除雜草耗時耗力，嚴重影響其經濟效益，因此果園管理過程中株間除草裝置必不可少。國外農機產業較為發達，除草機械設備十分成熟。德國的A.SLJH和SinghS等人將旋耕裝置與農用機械動力輸出軸相連接，組裝成一種新型果園整地機械[3]；意大利農機廠商Rinieri自主研發了一種適用于清除果樹株間雜草的機械設備[4]；德國農機企業Dutzi研發了一種果園作業機械的專用刀具，其結構形式為齒狀旋耕刀[5]。由于國外果園除草設備與我國的作業工況和農藝要求不符，且機械自動化程度較高，修理困難、維修成本較高，因此國內使用較少。我國對株間除草機械的研究主要集中在高校與科研院所，大多數處于試驗階段，還未進行推廣應用。目前市場上的果園除草設備大多是小型的耕耘機，生產效率低、適用性差，在作業過程中存在少耕、漏耕或傷樹等現象[6]，后續仍需人工再次耕作，此耕作方式不能滿足目前新疆果園的需求[7-8]。綜上所述，為了去除果園株間雜草，提高機械除草作業效率，降低漏耕率與傷樹率，設計了一種果園株間除草裝置，能實現果樹株間除草與避讓，根據作業工況要求，通過理論分析，建立其避讓執行機構數學模型，確定機構各參數之間的關系，運用MathCAD和Lingo兩款軟件對機構中的液壓缸參數進行優化設計，為果園設備的研制提供理論依據和參考。
1果園除草裝置
1.1整機結構果園除草裝置
由行間和株間除草兩大裝置組成。株間除草裝置主要由觸碰桿、液壓缸、刀軸與刀具等組成，可連接在行間裝置的單側或兩側。行間裝置通過懸掛連接動力配套設備，株間除草裝置的液壓總成與動力配套設備液壓驅動相連接，整機結構如圖1。
1.2工作原理
在除草作業過程中，拖拉機牽引除草裝置前進，株間除草裝置的刀具處于兩果樹株間并垂直于機具前進方向，觸碰桿處于未受力狀態，此時株間除草裝置為直線作業方式，如圖3（a）；隨著機具不斷前進，當觸碰桿與果樹相遇，觸碰桿受力會繞果樹進行轉動，轉動角度大于特定幅值時觸碰壓力控制閥，控制執行機構驅動液壓油缸運動，執行機構將液壓油缸水平方向的直線運動轉換成刀具豎直方向的旋轉運動，改變刀具的運動軌跡，使其避開果樹，如圖3（b），此過程中觸碰桿受力作為系統信號輸入，執行機構作為系統執行部件；觸碰桿無受力時系統無信號輸入，壓力控制閥關閉，執行機構驅動刀具回轉，保持正常直線作業方式，如圖3（d）。為了保持穩定的作業質量，除草作業過程中執行機構液壓油缸為保壓狀態。工作原理如圖2。
1.3果園株間作業要求
果園作業不同于田間作業，田間作業的作業對象是空曠的田地或者是成壟的農作物，其作業可分為播種前整地作業以及中耕施肥兩類，播種前整地作業時田間空曠無作物，只需按照順序耕地，此過程中整地機械作業方式為無障礙的寬幅作業。中耕施肥是按照作物種植行間方向進行耕作，此時為直線作業。而果園作業對象是果樹，行間與株間都需要除草，因此果園除草作業時將除去株間雜草而不損傷果樹作為除草作業的目標，此時果樹成為了除草機作業時必須考慮的避讓物體，除草設備靠近果樹時必須改變作業路徑避開果樹，避免損傷果樹，降低刀具磨損。機具在普通田間作業路徑與果園作業路徑如圖4。
1.4存在的問題
果園株間除草裝置由液壓缸驅動刀具，所以液壓缸的參數與選型對保證果園株間除草裝置的工作效率十分重要。若液壓缸選型不當會有如下問題：（1）液壓缸工作壓力不足時，驅動刀軸十分困難，將導致刀具無法避讓果樹，使傷樹率上升；（2）液壓桿行程不滿足要求時，驅動刀具旋轉角度小于要求角度，易損傷果樹，增大裝置的傷樹率；（3）液壓缸型號過大時，功耗較大，易造成浪費。綜上所述，本文對果園株間除草裝置的執行機構進行數學建模，并確定液壓缸的活塞桿行程，進行分析與計算并選型，保證裝置的工作效率。
2建立數學模型
根據刀具的運動形式以及運動軌跡要求，將執行機構設計為帶擺動油缸的四連桿機構，如圖5。根據執行機構模型和已知桿長和角度參數φk和k=Smax/Smin，形成以l為函數的四連桿機構參數，且l=OBH/Smin。當k=S時四連桿機構點O、BH和C的始末位置可由以下公式確定。b=2lsinφ2（1）cos（βH+γ）=b2+1-k22b（2）βH=arccosb2+1-k22b-γ（3）式中γ=90°-φ2，φ=φk，γ=γk。（k2-1）>0，且l只能在0°≤βH≤180°范圍內取正值，可得：（1）當（βH+γk）=180°時：lmin=1+k20sinφk2（4）（2）當βH=0時：lmax=12（1-1-k2+115sin2φk2姨）（5）此外還應當考慮當l=lmax時，如果β=βH=0機構將會被卡住，因此規定最小允許角β=βH=10～30°。
3軟件優化求解
3.1MathCAD求解
由Mathcad軟件求解可得到最優結果：lmin中的取值為k=1.3，a=12.6；lmax中的取值為k=1.1，a=80。
3.2Lingo求解
由Lingo軟件求解可得最優結果：lmin中的取值為k=1.3，a=12.6；lmax中的取值為k=1.1，a=80。以上述求解結果為選型依據，液壓缸實際型號標準參照相關研究報道[9]，確定液壓缸行程為60mm。查閱資料，選用液壓缸型號為：UYWE1150×80。
4試驗驗證
通過前期理論分析，選取機具作業速度為試驗因素，以株間除草裝置漏耕率和避讓成功率為指標進行試驗。試驗結果如表1。試驗結果表明：果園株間除草裝置在作業速度為2～6km/h，避讓成功率為100%，漏耕率為5.19%，各項作業指標均滿足國家林果業機械設計要求。
5結論
（1）設計了一種適合新疆果園株間自動除草的裝置，對其工作原理進行了分析，簡化了執行機構并建立了數學模型，通過分析執行機構的始末位置，確定了執行機構液壓油缸的行程，并對其進行了參數選型。（2）基于MathCAD與Lingo軟件對裝置的執行機構進行優化設計，通過對比理論分析與軟件求解得出優化結果，論證理論分析、數學建模以及軟件求解優化基本正確。確定了果園株間除草裝置的執行機構中的液壓缸參數，并進行了驗證試驗，試驗結果表明株間除草裝置能夠滿足國家標準設計以及果園作業要求。
作者:梁曉兵 單位:河南機電職業學院