株间除草机设计与仿真研究_马宁.pdf

2023 年 5 月下南方论坛29South Forum株间除草机设计与仿真研究*马宁，杨彩虹，贾德山，马涛（宁夏民族职业技术学院，宁夏 吴忠 751100）摘要：【目的】国内现有的株间除草机除草效率低、能耗高、适应性不强。【方法】课题组设计了一种新型株间除草机，分析了整机结构及工作原理、除草范围及运动轨迹、避障液压控制系统原理以及除草刀具设计，对该新型株间除草机关键零部件进行了静应力和模态分析仿真校核，并以避障液压杆芯的往复运动速率和避障弹簧弹性系数为试验对象，进行了双因子交叉仿真试验。【结果】该新型株间除草机除草率随着弹簧弹性系数的增大而逐步提高，当弹性系数超过40 N/mm时，除草率增长率趋于水平，杆芯运动速率的最值对弹性系数变化而对应的除草率影响不大；除草率随着杆芯往复运动速率的增大而逐步降低，避障弹簧弹性系数的最值对杆芯往复运动速率变化而对应的除草率影响较大。【结论】1）该新型株间除草机可以实现自动避障，并保证清除果树附近的杂草，设计合理、可靠；2）没有对除草机滑杆机架、避障主杆及总成铰链机构连接轴进行轻量化设计，缺少对除草机其他铰链机构动作的仿真分析。关键词：株间除草机；仿真校核；避障；仿真试验中图分类号：S224.1 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.10.008株间杂草会极大地影响果树的生长及产量，所以株间除草对于果树栽培管理至关重要。传统的株间除草主要为人工除草和化学品除草，这两种方式不但除草效率低下，影响果树的产量及生长，而且会带来化学污染，不符合无公害水果的发展趋势，与现代化果园的发展及环保要求相差甚远。而国内现有的株间除草机存在除草效率低、能耗高、适应性不强等诸多缺点。因此，亟需设计一种高效、安全、适应性强、成本低的株间除草机1。1 株间除草机结构及工作原理株间除草机果园作业时通过拖拉机牵引前进，除草刀盘旋转动力与避障液压缸动作都是通过拖拉机液压泵提供的2。除草机工作时除草刀盘高速旋转，进行杂草的清除，当除草刀盘接近果树时，紧靠除草刀盘前的弧形避障触杆先碰到果树，从而打开避障开关，此时在避障液压缸作用下，避障主杆带动除草刀盘进行避障动作，从而实现自动避障过程，保证了果树附近杂草的清除3。株间除草机结构如图1所示。2 株间除草机运动轨迹参数在进行株间除草作业时，除草机最主要的两个运动是滑杆机架对应除草机主机架的直线往复运动和除草避障主杆的圆周运动4。对这两个机械臂的动力学分析主要采用第二拉格朗日方程描述的系统动力学方程：i=ddtLqi-Lqi （1）式中，i为连杆数目，i=1,2,n；qi为第i个关节的转动角度；qi为第i个关节的转速；i为第i根连杆所受力矩。1.除草机主机架；2.滑杆机架液压缸；3.滑杆机架；4.避障液压缸；5.复位弹簧；6.避障开关；7.避障主杆；8.弧形避障触杆；9.除草刀液压马达；10.除草刀盘罩。图1株间除草机结构简图在进行除草作业时会遇到不同行宽的果园，此时可以通过液压缸对滑杆机架进行500 mm以内的不同行宽的调整。调整时通过操作三位四通阀对滑杆机架液压缸活塞进行伸缩移动，从而带动滑杆机架做相对于除草机主机架的往复运动，根据实际的作业情况调整不同的宽度5。当调整位置合适后关闭三位四基金项目：2022年宁夏自治区教育厅高等学校科学研究优秀青年教师支持项目“果木株间除草机改进设计”（宁夏高校科研项目2022-217）作者简介：马宁（1983），男，回族，宁夏吴忠人，硕士研究生，讲师，研究方向为交通运输。南方论坛302023 年 5 月下South Forum通阀，使液压管中的油液处于静止状态，从而锁定了滑杆机架相对于除草机主机架的位置。除草机工作幅宽调节如图2所示。A.最小幅宽位置；B.最大幅宽位置；C.不同幅宽的工作区域；S1.最大幅宽除草外曲线；S2.最小幅宽除草外曲线；S3.最内除草位置内曲线；h1.果树间距，单位为mm；h2.除草刀盘进入果株间距离，单位为mm；h3.除草机可调整区域总宽度，单位为mm；P1和P2为在最大幅宽位置的相邻两棵树；P1和P2为在最小幅宽位置的相邻两棵树。图2除草机工作幅宽调节示意图3 株间除草机避障液压系统本文设计的液压系统6主要包括两方面：一是滑杆机架液压缸调整动作的液压系统；二是除草避障液压缸避障动作的液压系统。两套系统共用一套液压油箱、液压泵、滤清器、溢流阀、单向阀，液压泵的转动由拖拉机发动机带动。这两套系统不存在工作时间重叠，通常都是在拖拉机停止时进行滑杆机架液压缸动作；拖拉机前进时进行除草避障液压缸避障动作。除草机液压系统工作原理如图3所示。4 株间除草机除草刀具设计通常，果园内杂草种类繁多，其切断韧性差异较大。并且，杂草中会含有较硬的沙石等，而刀具又以极快的速度旋转，此时不仅会加速刀具磨损，严重情况下会发生刀具断裂，因此刀具必须有较高的硬度和强度7。刀具形状设计可以有效地保证其强度。本文刀具外形采用指数函数进行设计，其刀刃上每一点的坐标都满足：y=2x （2）当刀刃水平长度为a时，该式可写为：x2+y2=a （3）当刀刃长为M时，该式指数函数可以表示为：M(x)=x01+(2x)2dx （4）为了验证刀具是否满足材料的强度极限，对刀具进行静应力分析以保证其符合高强度的作业要求。除草刀具的主要参数如表1所示。1.拖拉机发动机；2.液压油箱；3.叶片泵；4.滤清器；5.单向阀；6.溢流阀；7.滑杆机架两位四通阀；8.滑杆机架液压缸；9.节流阀；10.避障液压缸；11.节流阀；12.除草避障三位四通阀。图3除草机液压系统工作原理图5 株间除草机除草率仿真分析株间除草机在除草过程中，除草刀具不仅要避障迅速，还要保证刀具与果树之间保持尽可能小的安全距离8-9。在除草作业过程中，不考虑除草刀具的磨损和除草机的前进速度，以避障液压杆芯的往复运动速率和避障弹簧弹性系数为试验对象，对除草机进行双因子交叉仿真试验。在进行避障弹簧弹性系数与除草率试验时，随着弹簧弹性系数逐步增大，除草率也在逐步提高，当弹性系数超过40 N/mm，除草率增长率趋于水平，杆芯运动速率的最值对弹性系数变化而对应的除草率影响不大。在进行杆芯往复运动速率与除草率试验时，随着杆芯往复运动速率逐步增大，除草率逐步降低，避障弹簧弹性系数的最值对杆芯往复运动速率变化而对应的除草率影响较大10。6 结论在研究株间除草机的过程中，由于（下转第46页）462023 年 5 月下Agricultural Machinery and Agronomy农机与农艺表5参试品种综合评价品种 等级主要优点主要缺点备注C1D结实率高，千粒重高穗粒数低，有效穗低，整齐度差生育期短C2D结实率高，千粒重高，成穗率高穗粒数低，整齐度差，纹枯病重生育期短C3A分蘖率高，穗大粒多，长势繁茂成穗率低，结实率低C4C穗大粒多，抗性好千粒重低C5C穗适中纹枯病重，千粒重低C6C分蘖率高，长势繁茂株型分散，不利于机收C7C千粒重高穗粒数适中C8A整齐度高，结实率高，产量高株型分散，不利于机收C9A长势繁茂，产量高C10C抗病较好，穗大粒多杂株率高，穗小粒少，千粒重低C11B长势繁茂，穗大粒多 穗小粒少，千粒重低C12B长势繁茂抗性差，穗颈瘟中等发生3 结论试验结果表明，野香优 999（编号C8）、福稻88（编号 C3）和野香优美禾（编号 C9）在当地种植表现出的丰产性和抗逆性较好，比较适合贵州省推广种植13-14。参考文献：1 陈跃，岑秀能，苏昌龙，等.不同优质稻品种效应分析J.耕作与栽培，2001(4)：25-28+45.2 何少梅，韦冬梅，曾凡洪，等.常规优质稻品种比较试验J.种子世界，2013(8)：32-34.3 姚树萍，余玲，张俊鹏，等.优质杂交稻高产栽培技术J.陕西农业科学，2017(7)：100-101.4 程永盛，廖耀平，陈钊明，等.广东省国标优质杂交稻育种进展J.广东农业科学，2008(11)：3-4.5 黄坚，丘作俊，梁栋，等.优质杂交稻国良优633的选育及栽培技术J.农业科技通讯，2021(9)：245-246.6 刘信，刘春青，王玉玺，等.我国优质稻品牌化发展现状及建议J.中国稻米，2022(2)：12-15.7 梁中尧，李润东，李金玲.罗定市优质香稻美香占2号的栽培及开发利用实践J.南方农业，2021(29)：75-77.8 周少川，柯苇，缪若维，等.水稻核心种育种理论体系的创建与应用J.中国水稻科学，2021(6)：529-534.9 王丰，柳武革，刘迪林，等.广东优质稻发展及稻米品牌建设与展望J.中国稻米，2021，27(4)：107-116.10 李军民.湖南省优质稻米产业链研究D.长沙：湖南农业大学，2007.11 曾波，钟育海，郭利磊，等.我国优质水稻品种发展现状与展望J.种子，2019，38(8)：53-56.12 周少川，李宏，黄道强，等.国标一级优质稻品种黄华占的选育及应用J.湖北农业科学，2012，51(10)：1960-1964.13 王丰，柳武革，刘迪林，等.广东优质稻发展及稻米品牌建设与展望J.中国稻米，2021(4)：107-116.14 王开龙.永丰县水稻种子需求结构及其演变趋势调查报告J.江西农业，2020(2)：106.时间及试验条件的限制，对于除草机滑杆机架、避障主杆及总成铰链机构连接轴没有进行轻量化设计，对于除草机其他铰链机构动作也没有进行仿真分析，但课题组设计的株间除草机依旧为今后相关领域的研究提供了一定的设计思路和参考价值。参考文献：1 贠鑫，吕猛，王文彬，等.果园除草机研究现状与发展趋势J.农业工程，2020，10(1)：18-21.2 杨亚楠.大豆株间机械除草作业深度控制系统设计与试验研究D.哈尔滨：东北农业大学，2018.3 李武德.液压机械传动控制系统在农业机械设计制造中的应用J.时代农机，2018，45(12)：251-252.4 孙文龙.小型半轴式除草机的设计及试验研究D.长沙：中南林业科技大学，2019.5 刘亚超.株间除草机设计、仿真与实验研究D.郑州：河南农业大学，2017.6 王永烁，康建明，彭强吉，等.果树株间避障除草机设计与试验J/OL.吉林大学学报（工学版）：1-112023-02-14.https:/ 周志强.水田机械除草技术的研究现状与发展趋势J.南方农机，2022，53(5)：16-18+28.8 柴民杰，李磊，孟祥龙.北方地区田间机械除草关键技术与装置研究J.南方农机，2017，48(6)：3.9 马宁，杨彩虹，李海荣.株间除草机改进设计研究J.现代农机，2021(6)：57-58.10 老福兴，张秀花，张江红.果园避障除草机研究现状与分析J.河北农机，2021(3)：15-16.（上接第30页）表1除草刀具的主要参数材料密度/（g/cm3）硬度/HRC抗拉强度/MPa屈服强度/MPa刀片数/个刀盘直径/mm60Si2Mn7.85501 1761 2743400