果園株間除草裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

梁曉兵

（河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南鄭州451191）

0 引言

2019年新疆特色林果業(yè)種植面積為165萬(wàn)hm2，果實(shí)產(chǎn)量達(dá)1 729.44萬(wàn)t，相比2018年增長(zhǎng)了7.8%[1]，新疆特色林果業(yè)種植已形成較大規(guī)模，在全國(guó)占有重要地位，是新疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障。目前，林果業(yè)全程機(jī)械化作業(yè)進(jìn)程中果樹(shù)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(shù)株間相鄰區(qū)域雜草生長(zhǎng)迅猛，對(duì)幼年果樹(shù)的成活率和產(chǎn)值時(shí)間影響較大[2]，且清除雜草耗時(shí)耗力，嚴(yán)重影響其經(jīng)濟(jì)效益，因此果園管理過(guò)程中株間除草裝置必不可少。

國(guó)外農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)，除草機(jī)械設(shè)備十分成熟。德國(guó)的A.SL JH和Singh S等人將旋耕裝置與農(nóng)用機(jī)械動(dòng)力輸出軸相連接，組裝成一種新型果園整地機(jī)械[3]；意大利農(nóng)機(jī)廠商Rinieri自主研發(fā)了一種適用于清除果樹(shù)株間雜草的機(jī)械設(shè)備[4]；德國(guó)農(nóng)機(jī)企業(yè)Dutzi研發(fā)了一種果園作業(yè)機(jī)械的專(zhuān)用刀具，其結(jié)構(gòu)形式為齒狀旋耕刀[5]。由于國(guó)外果園除草設(shè)備與我國(guó)的作業(yè)工況和農(nóng)藝要求不符，且機(jī)械自動(dòng)化程度較高，修理困難、維修成本較高，因此國(guó)內(nèi)使用較少。我國(guó)對(duì)株間除草機(jī)械的研究主要集中在高校與科研院所，大多數(shù)處于試驗(yàn)階段，還未進(jìn)行推廣應(yīng)用。目前市場(chǎng)上的果園除草設(shè)備大多是小型的耕耘機(jī)，生產(chǎn)效率低、適用性差，在作業(yè)過(guò)程中存在少耕、漏耕或傷樹(shù)等現(xiàn)象[6]，后續(xù)仍需人工再次耕作，此耕作方式不能滿(mǎn)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(jī)械除草作業(yè)效率，降低漏耕率與傷樹(shù)率，設(shè)計(jì)了一種果園株間除草裝置，能實(shí)現(xiàn)果樹(shù)株間除草與避讓?zhuān)鶕?jù)作業(yè)工況要求，通過(guò)理論分析，建立其避讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，確定機(jī)構(gòu)各參數(shù)之間的關(guān)系，運(yùn)用MathCAD和Lingo兩款軟件對(duì)機(jī)構(gòu)中的液壓缸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為果園設(shè)備的研制提供理論依據(jù)和參考。

1 果園除草裝置

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

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(cè)或兩側(cè)。行間裝置通過(guò)懸掛連接動(dòng)力配套設(shè)備，株間除草裝置的液壓總成與動(dòng)力配套設(shè)備液壓驅(qū)動(dòng)相連接，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意

1.2 工作原理

在除草作業(yè)過(guò)程中，拖拉機(jī)牽引除草裝置前進(jìn)，株間除草裝置的刀具處于兩果樹(shù)株間并垂直于機(jī)具前進(jìn)方向，觸碰桿處于未受力狀態(tài)，此時(shí)株間除草裝置為直線作業(yè)方式，如圖3（a）；隨著機(jī)具不斷前進(jìn)，當(dāng)觸碰桿與果樹(shù)相遇，觸碰桿受力會(huì)繞果樹(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于特定幅值時(shí)觸碰壓力控制閥，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)液壓油缸運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將液壓油缸水平方向的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成刀具豎直方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，改變刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡，使其避開(kāi)果樹(shù)，如圖3（b），此過(guò)程中觸碰桿受力作為系統(tǒng)信號(hào)輸入，執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為系統(tǒng)執(zhí)行部件；觸碰桿無(wú)受力時(shí)系統(tǒng)無(wú)信號(hào)輸入，壓力控制閥關(guān)閉，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)刀具回轉(zhuǎn)，保持正常直線作業(yè)方式，如圖3（d）。為了保持穩(wěn)定的作業(yè)質(zhì)量，除草作業(yè)過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓油缸為保壓狀態(tài)。工作原理如圖2。

圖2 整機(jī)工作原理

圖3 果園株間除草裝置工作原理

1.3 果園株間作業(yè)要求

果園作業(yè)不同于田間作業(yè)，田間作業(yè)的作業(yè)對(duì)象是空曠的田地或者是成壟的農(nóng)作物，其作業(yè)可分為播種前整地作業(yè)以及中耕施肥兩類(lèi)，播種前整地作業(yè)時(shí)田間空曠無(wú)作物，只需按照順序耕地，此過(guò)程中整地機(jī)械作業(yè)方式為無(wú)障礙的寬幅作業(yè)。中耕施肥是按照作物種植行間方向進(jìn)行耕作，此時(shí)為直線作業(yè)。而果園作業(yè)對(duì)象是果樹(shù)，行間與株間都需要除草，因此果園除草作業(yè)時(shí)將除去株間雜草而不損傷果樹(shù)作為除草作業(yè)的目標(biāo)，此時(shí)果樹(shù)成為了除草機(jī)作業(yè)時(shí)必須考慮的避讓物體，除草設(shè)備靠近果樹(shù)時(shí)必須改變作業(yè)路徑避開(kāi)果樹(shù)，避免損傷果樹(shù)，降低刀具磨損。機(jī)具在普通田間作業(yè)路徑與果園作業(yè)路徑如圖4。

圖4 不同的作業(yè)路徑

1.4 存在的問(wèn)題

果園株間除草裝置由液壓缸驅(qū)動(dòng)刀具，所以液壓缸的參數(shù)與選型對(duì)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(dāng)會(huì)有如下問(wèn)題：

（1）液壓缸工作壓力不足時(shí)，驅(qū)動(dòng)刀軸十分困難，將導(dǎo)致刀具無(wú)法避讓果樹(shù)，使傷樹(shù)率上升；

（2）液壓桿行程不滿(mǎn)足要求時(shí)，驅(qū)動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)角度小于要求角度，易損傷果樹(shù)，增大裝置的傷樹(shù)率；

（3）液壓缸型號(hào)過(guò)大時(shí)，功耗較大，易造成浪費(fèi)。

綜上所述，本文對(duì)果園株間除草裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并確定液壓缸的活塞桿行程，進(jìn)行分析與計(jì)算并選型，保證裝置的工作效率。

2 建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)刀具的運(yùn)動(dòng)形式以及運(yùn)動(dòng)軌跡要求，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為帶擺動(dòng)油缸的四連桿機(jī)構(gòu)，如圖5。

圖5 帶擺動(dòng)油缸的四連桿機(jī)構(gòu)

根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和已知桿長(zhǎng)和角度參數(shù)φk和k=Smax/Smin，形成以l為函數(shù)的四連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)，且l=OBH/Smin。當(dāng)k=S時(shí)四連桿機(jī)構(gòu)點(diǎn)O、BH和C的始末位置可由以下公式確定。

（k2-1）>0，且l只能在0°≤βH≤180°范圍內(nèi)取正值，可得：

（1）當(dāng)（βH+γk）=180°時(shí)：

（2）當(dāng)βH=0時(shí)：

此外還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)l=lmax時(shí)，如果β=βH=0機(jī)構(gòu)將會(huì)被卡住，因此規(guī)定最小允許角β=βH=10～30°。

3 軟件優(yōu)化求解

3.1 MathCAD求解

由Mathcad軟件求解可得到最優(yōu)結(jié)果：lmin中的取值為k=1.3，a=12.6；lmax中的取值為k=1.1，a=80。

3.2 Lingo求解

由Lingo軟件求解可得最優(yōu)結(jié)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(jié)果為選型依據(jù)，液壓缸實(shí)際型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)參照相關(guān)研究報(bào)道[9]，確定液壓缸行程為60mm。查閱資料，選用液壓缸型號(hào)為：UYWE1150×80。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)前期理論分析，選取機(jī)具作業(yè)速度為試驗(yàn)因素，以株間除草裝置漏耕率和避讓成功率為指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：果園株間除草裝置在作業(yè)速度為2～6 km/h，避讓成功率為100%，漏耕率為5.19%，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)均滿(mǎn)足國(guó)家林果業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種適合新疆果園株間自動(dòng)除草的裝置，對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析，簡(jiǎn)化了執(zhí)行機(jī)構(gòu)并建立了數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析執(zhí)行機(jī)構(gòu)的始末位置，確定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)液壓油缸的行程，并對(duì)其進(jìn)行了參數(shù)選型。

（2）基于MathCAD與Lingo軟件對(duì)裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)比理論分析與軟件求解得出優(yōu)化結(jié)果，論證理論分析、數(shù)學(xué)建模以及軟件求解優(yōu)化基本正確。確定了果園株間除草裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的液壓缸參數(shù)，并進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明株間除草裝置能夠滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)以及果園作業(yè)要求。