基于虛擬正交試驗果園壟面割草機側刀盤切割性能分析

李雪軍, 王鵬飛, 丁順榮, 楊欣*, 李建平, 劉洪杰,袁常偉, 裴曉康, 毛雷

(1.河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院, 河北 保定 071000; 2.河北農(nóng)業(yè)大學電子信息科學與技術學院, 河北 保定 071000)

近年來，我國標準化果園采用生草技術，有利于改善果園小氣候，可以起到疏松土壤、減輕土壤管理勞動強度、增加土壤透氣性和有機質含量的作用[1-3]。果園生草超過30 cm時應及時切割覆蓋，能夠有效避免草與果樹爭肥，從而保證果樹健康成長，提高果實品質[4-5]。由于矮砧密植園受建園地形限制，果樹雙側1.0 m范圍內(nèi)壟面較高，坡度較大，難以實現(xiàn)機械化切割作業(yè)，只能采用人工割草，勞動強度大、費時費力。國內(nèi)研制的果園割草機，大多適合平坦地形，沒有壟面作業(yè)部件，不能很好滿足標準化果園的地形需求。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學研制的9YG—130前置式雙圓盤割草機工作平穩(wěn)，適應于稠密、倒伏和纏連的雜草地帶[6]；中國農(nóng)業(yè)大學研制的苜蓿刈割機械具有良好的仿形裝置，可實現(xiàn)坡地作業(yè)，割刀無觸土現(xiàn)象，但由于機具較大，多適用于牧場作業(yè)[7]；廣西科技大學針對旋轉式割草機耗能多、往復式割草機易堵塞問題設計了一款手推式雙刀割草機，可以實現(xiàn)果園平地割草作業(yè)，但需要人工輔助作業(yè)，作業(yè)效率較低[8]；浙江大學針對割草機大部分為手扶式或手持式結構設計了一款可與拖拉機配套的小型旋轉式割草機，整機在小地塊上通過性較好，但機具前進速度慢，重割率偏高，不能在坡地作業(yè)[9]。現(xiàn)有機型沒有相對應的果園壟面切割裝置，不能適應一定角度的坡起作業(yè)，且部分割草機運動參數(shù)設計不合理，存在一定的缺陷。由于割草機側盤工作環(huán)境為30°壟坡，因此對壟面切割刀盤進行優(yōu)化設計以使其在結構和穩(wěn)定性等方面適應果園作業(yè)要求是極其必要的。虛擬樣機技術可達到減少研發(fā)實際樣機的成本，縮短試驗周期的效果。因此基于虛擬樣機技術對壟面割草刀盤工作過程進行仿真[10]。對其參數(shù)進行優(yōu)化設計，從而提高果園壟面割草機的切割效率，為標準化果園機械化割草作業(yè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗設計

1.1.1試驗材料及工具 試驗所用雜草來自河北省保定市順平縣辛莊村河北農(nóng)業(yè)大學園藝學院試驗基地(北緯38°，東經(jīng)115°)，主要有黃花蒿、野薊、牽?；ú莸绕贩N，雜草的平均高度為1 152 mm，平均密度為14棵·m-2，試驗地面平整，無大塊碎石。

1.1.2重割率測定 重割率是單位面積收獲的全部雜草植株中無頭草節(jié)的質量和總質量之比。沿著機器前進方向在20個測點中隨機測5點，每個樣品點采用四分法取樣，記錄數(shù)據(jù)，并按照單位面積進行換算。將5個點中的所有雜草進行稱重，記錄數(shù)據(jù)后將無頭草節(jié)選取出并單獨稱重，計算重割率[11]。

(4)

式中，Se為重割率，%；gw為單位面積實際收獲無頭草節(jié)質量，g·m-2；gy為單位面積應收獲草質量，g·m-2。

1.1.3機具前進速度與不漏割條件 當果園壟面割草機的各參數(shù)一定時，根據(jù)公式(1)可得機具前進速度[12-14]。

Vjmax=(mhVg)/πD

(1)

當Vg/Vj≥2πr/mh時，割草機割刀不漏割。

1.2 虛擬樣機試驗原理及方法

切割裝置是果園壟面割草機的核心部件，其結構的可靠性直接關系到割草作業(yè)的質量和效率，同時間接影響果樹的生長發(fā)育。通過虛擬樣機技術對切割刀盤進行仿真優(yōu)化，可有效減少研發(fā)成本。壟面坡度較低(0～30°)，為緩坡，因此，切割作業(yè)與平面切割原理相似，通過軟件進行30°切割仿真作業(yè)。

1.2.1切割裝置模型建立 通過Autodesk inventor軟件對側刀盤零件進行建模并將其裝配，果園壟面割草機側盤切割器主要由主軸、切割圓盤、刀片等組成，如圖1所示。

注：1—切割刀盤；2—主軸；3—刀片。

1.2.2仿真模擬 將建好的模型導入ADAMS軟件中，由于原有的裝配關系和質量屬性均失效，需要給各零件重新賦予質量和轉動慣量，對導入的模型添加約束和運動副，設置切割器的旋轉速度、前進速度和材料等參數(shù)[15-18]，在工具欄中的仿真命令設置終止時間為0.4，步數(shù)為1 000，開始運動仿真，可以得到刀片、刀刃處最外端和內(nèi)端的運動軌跡，仿真完成后追蹤兩個端點的運動曲線。側盤在30°工作狀態(tài)下切割如圖2所示。

注：0—一次切割區(qū)域; 1—重割區(qū)域; 2—漏割區(qū)域。

1.3 正交試驗設計

在割草機虛擬實驗中發(fā)現(xiàn)其幾何參數(shù)和運動參數(shù)決定了收獲區(qū)域的面積和重割割區(qū)面積，其中割草機的前進速度、刀盤旋轉速度、刀片數(shù)以及刃線長度是影響重割率的幾個關鍵要素，根據(jù)果園壟面割草機的設計參數(shù)，結合拖拉機檔位規(guī)定和果園園藝要求，選擇虛擬切割裝置的行進速度為2～3.4 m·s-1，刀盤旋轉速度為2 000～3 000 rad·min-1，刀片數(shù)為2～4，刃線長度為55～65 mm，選用四因素三水平，通過Design-Expert軟件進行正交試驗，將重割率作為綜合評價標準，并以此設計試驗因數(shù)和水平[19-21](表1)。

表1 虛擬試驗因素水平

1.4 樣機試驗驗證

1.4.1試驗機具設計 整機結構如圖3所示，果園壟面割草機主盤整體為焊接結構，懸掛裝置設于主盤的前端，切割裝置分為主盤和側盤切割，主盤由兩把直徑620 mm旋轉方向相反的刀盤組成，可以將雜草集中于主盤中央排出。側盤切割裝置與主盤右側刀盤轉向相同的直徑400 mm刀盤。主刀盤的動力由拖拉機后輸出軸傳入中央變速箱中提供,側盤的動力由主盤上的一個變速箱通過萬向節(jié)傳動軸連接的側盤變速箱提供。行走裝置用來進行壟面仿形，并控制割茬高低，可通過限位板上不同孔位的安裝，實現(xiàn)高度調節(jié)。側盤可折起0～30°實現(xiàn)壟面草體切割作業(yè)要求。

注：1—主盤裝置；2—主盤變速箱組；3—萬向節(jié)軸；4—側盤變速箱；5—側盤裝置。

1.4.2側盤切割機構設計 側盤結構如圖4所示，側盤切割裝置主要包括側盤刀罩、切割裝置、行走裝置、變速箱和擋草板。

注：1—行走裝置；2—切割裝置；3—側盤刀罩；4—變速箱；5—擋草板。

側盤外殼設計原則是質量較輕，尺寸較小，采用5 mm鋼板(Q235中翔鋼板)作為加工材料。側盤動力通過主盤變速箱(自加工)和傳動軸將動力傳到側盤變速箱后帶動側盤切割刀實現(xiàn)切割作業(yè)。開始作業(yè)時圓盤隨著主軸的旋轉而轉動，由于離心作用，與刀盤鉸接的刀片被甩出進行切割作業(yè)。側盤后右側開口可將雜草排到樹根處，促進果樹發(fā)育，其余雜草通過側盤左側的開口進入主盤，通過主盤協(xié)助排草。側盤切割裝置由圓形刀盤(Q235中翔鋼板)和經(jīng)過化學熱處理的合金鋼刀片(本田HRJ216)組成，刀片與圓刀盤鉸接，碰到硬石等障礙時可回彈，避免割刀的損傷。側盤可通過其自重實現(xiàn)仿形調節(jié)，當側盤地輪在壟坡工作時可近似看成側盤與壟坡平行。通過側輪孔位的調節(jié)和側盤自仿形裝置可實現(xiàn)壟面割茬高度的調節(jié)。果園壟面割草機整機技術參數(shù)如表2所示。

表2 整機技術參數(shù)

1.4.3田間試驗條件 2018年6月15日，在河北省保定市順平縣辛莊村河北農(nóng)業(yè)大學園藝學院試驗基地(N38°，E115°,晴天，28 ℃)進行田間割草試驗。作業(yè)對象為黃花蒿、野薊、牽?；ú莸绕贩N，雜草的平均高度為1 152 mm，平均密度為14棵·m-2，園區(qū)外部環(huán)境為27°，園區(qū)行間環(huán)境溫度為34°，相對濕度34%，土壤硬度73%，土壤含水率2.7%，風速45 m·s-1，土壤類型為壤質土。

1.4.4田間試驗方法 依據(jù)虛擬正交試驗得到的最優(yōu)參數(shù)設定果園壟面割草機前進速度為2 m·s-1，刀盤轉速為2 500 rad·min-1，割幅為400 mm。果樹行間個數(shù)為4，每段作業(yè)長度20 m，依據(jù)國家標準[22]，沿著行間肥力方向以S型曲線，如圖5所示，每隔4 m取一個測點，共取20個測點，每個測點長1 m，寬1 m，割草機往返一次進行作業(yè)。

圖5 測點

2 結果與分析

2.1 虛擬樣機仿真實驗數(shù)據(jù)分析

2.1.1重割率分析 通過因素水平的設定，模擬完成仿真結果后計算其重割率，如表3所示，重割率在15.32%～20.43%之間，當前進速度3.4 m·s-1，刀盤轉速2 000 rad·min-1，刀片數(shù)為2，刃線長度55 mm時，重割率最低。

表3 虛擬試驗評價

2.1.2重割率影響因素方差分析 通過軟件分析可得其方差數(shù)據(jù)和其各因素水平的顯著性結果，如表4所示?？梢钥闯?，對重割率影響因素主次順序為AB、C、B、AC、CD、D、A、BC、BD、AD試驗因素與重割率之間存在二次非線性關系和交互作用。

表4 方差分析

2.1.3重割率影響因素響應面回歸分析 結合各因素對割草機重割率的影響情況，為更好地找到適合的擬合關系，通過軟件進行二次響應面回歸分析，結果如圖6所示。

從圖6可以看出，當固定刀片數(shù)和刃線長度時，重割率隨著前進速度的增加和刀盤轉速的減少而升高；當固定刀盤轉速和刃線長度時，重割率隨著機具前進速度的增加和刀片數(shù)的減少而降低；當固定刀盤轉速和刀片數(shù)時，重割率隨著機具前進速度的增加和刃線長度的減少而降低；當固定前進速度和刃線長度時，重割率隨著刀盤轉速的增加和刀片數(shù)的減少而升高；當固定前進速度和刀片數(shù)時，重割率隨著刀盤轉速的增加而升高，隨著刃線長度的減少而降低；當固定前進速度和刀片數(shù)時，重割率隨著刀盤轉速的增加而升高，隨著刃線長度的減少而降低；當固定前進速度和刀盤轉速時，重割率隨著刃線長度和刀片數(shù)的增加而增加。

圖6 交互作用對重割率的影響

2.2 回歸模型構建與分析

從表5可以看出，本次虛擬實驗結果矯正決定系數(shù)Radj2=0.999>0.80，變異系數(shù)為0.053%，平均值為17.75，標準值為9.487 E-003，說明該虛擬樣機試驗模型極顯著，擬合度較好，可以使用其對果園壟面割草機重割率的影響因素進行初步分析。

表5 系數(shù)

通過二次響應面回歸分析，得到多元二次響應面回歸模型。

Y=17.43-0.49A+0.82B+0.41C+0.61D+1.69AB-0.36AC-0.1AD+0.22BC-0.38BD-0.33CD-0.069A2-0.039B2+0.17C2+0.44D2

(3)

通過上述表4的數(shù)據(jù)可知，A2、B2的P>0.05，其結果值不顯著，應在回歸模型中對其進行優(yōu)化，優(yōu)化后的回歸模型方程如下。

Y=17.43-0.49A+0.82B+0.41C+0.61D+1.69AB-0.36AC-0.1AD+0.22BC-0.38BD-0.33CD+0.17C2+0.44D2

(4)

通過表5可知，回歸模型顯著檢驗值、決定系數(shù)符合要求，回歸模型極顯著，擬合度較高。

果園壟面割草機為旋轉式割草機，在保證割草機作業(yè)速度和降低功耗的前提下，其重割面積越小越好，以此進行優(yōu)化設計，通過虛擬正交試驗二次響應面回歸模型進行最優(yōu)值求解，其邊界條件如下。

通過軟件模擬計算其求解結果共有35組數(shù)據(jù)，為保證割草機在壟面工作時重割率最低，因此選擇最優(yōu)參數(shù)為：前進速度為2 m·s-1，刀盤轉速為2 500 rad·min-1，刀片數(shù)為2個，刀片的工作刃線長度為55 mm時重割率最低，為16.6%。

2.2 田間試驗驗證數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

通過測量田間試驗得到各項性能指標，如表6所示。

表6 側盤性能試驗結果

通過表6可知，重割率比設計要求降低8.4%，割茬高度在設計范圍之內(nèi)，果園壟面割草機側盤各項性能指標基本滿足設計及相關標準要求。重割率雖有明顯降低，但是沒有達到20%以下，存在一定的誤差影響，需要后期多次試驗排除影響。

3 討論

目前，果園壟面采用的黑色控草布覆蓋抑制雜草的生長，由于地布較薄，成本較大，易老化，極大地浪費人力、物力，且限制大型機械進園作業(yè)。果園壟面割草機主要是針對果園≤30°壟坡割草所設計的機型，本研究所采用的運動學仿真主要針對壟面刀盤運動過程，通過Autodesk inventor軟件建立了果園壟面割草機側盤切割部件及各零件三維實體模型，使用ADAMS軟件對其進行運動仿真得到刀盤軌跡，減少了開發(fā)實體樣機成本且對影響壟面割草重割率的因素進行了詳細的分析研究。

國內(nèi)現(xiàn)有圓盤式果園生草切割機進行的仿真分析工作是基于三因素三水平的正交試驗，其缺少對甩刀刃線長度的分析工作，通過研究發(fā)現(xiàn)，甩刀刃線長度對重割率的影響水平較高，對壟面割草效果影響顯著。實際田間試驗重割率比虛擬試驗結果較高，其主要原因是測量誤差較大，田間雜草高低不一，導致測量無頭草節(jié)數(shù)較為困難；割茬高度比設計較低，主要原因是壟面雜草受重力影響較為生長較為傾斜，割草機切割過程為壟面切割，導致割茬高度較低。

通過對切割部件結構參數(shù)進行優(yōu)化設計，對模型進行四因素三水平虛擬正交試驗，得出最佳參數(shù)為前進速度A=2 m·s-1，刀盤轉速B=2 500 rad·min-1，刀片數(shù)C=2，刃線長度D=55 mm時重割率最低，為16.6%；通過二次響應面回歸分析，對果園壟面割草重割率影響顯著順序為刀片數(shù)>刀盤轉速>刃線長度>前進速度；經(jīng)過田間的樣機試驗驗證，虛擬樣機的仿真結果真實可靠，該設計滿足果園割草機對草業(yè)的技術要求，重割率比設計值降低了8.4%；果園壟面割草機是一種集平地與壟坡與一體的綜合割草機，機具可以實現(xiàn)小行間距的正常工作，為標準化果園機械化割草作業(yè)提供了理論依據(jù)。