生产管理机械化岗位

徐丽明 于畅畅 刘星星 袁全春 马帅 段壮壮 邢洁洁

　　现代除草技术主要可分为化学除草和非化学除草两大类，但化学除草剂的大量使用破坏了生态环境并使病虫产生“抗药性”。因此，非化学除草技术研究的重要性越来越凸显。机械除草技术是常用的非化学除草方式，主要分为行间机械除草技术和株间机械除草技术，前者已比较成熟，但株间机械除草技术仍是一个比较新的研究领域，相关研究进展较缓慢。

　　本团队针对行距3m、株距为1m的篱架式栽培葡萄的株间机械除草作业，设计了一种株间自动避障除草机（图1），主要包括：机器主体、油缸、除草部件、平行四杆机构、接触压力采集机构、避障触发机构、触杆等。

　　具体工作过程为：工作时，拖拉机牵引机器沿x正方向前进，同时通过动力输出装置（power takeoff，PTO）、利用万向传动轴向除草机输出动力，使除草部件伸入株间进行除草作业；当遇到葡萄藤时，随着机器的前进，避障触发机构中的触杆在葡萄藤的阻挡作用下围绕着O4逐渐旋转，当达到阈值角度时，触发控制系统生成控制信号控制油缸伸出，使除草部件沿y的正方向运动（缩回），进入行间；避开葡萄藤后，避障触发机构在回位弹簧和阻尼器（防止避障触发机构回位过程中产生剧烈震荡，产生错误控制信号）的作用下，逐渐恢复原位，当转角小于阈值角度时，油缸缩回，除草部件沿y的负方向运动（伸出），重新进入株间进行除草作业。

　　自动避障机构是篱架式栽培葡萄的株间自动避障除草机的关键部件，本文建立了自动避障机构工作过程的运动学模型，进行了理论计算与分析，并在ADAMS中对自动避障机构建立了相应的参数化模型，仿真得到除草部件边沿A0B0的简化轨迹（图2）。

　　为了研究自动避障机构各相关几何参数对未除杂草面积的具体影响情况，进而获得显著性因素，进行了仿真试验。以未除杂草面积S3 作为试验指标，以触杆较长直线部分的长度L、中间过渡圆弧的角度θ和组合参数D为因素，其中组合参数D是触杆与除草部件边缘的3个距离d1、d2、d3，在ADAMS中进行了正交试验，试验因素及水平选取如表1所示，每组试验重复3次。

　　根据试验结果对指标未除杂草面积S3进行方差分析，如表2所示。根据表2可知，对于指标未除杂草面积S3，单因素中，只有组合参数D是显著的，而触杆较长直线部分的长度L和中间过渡圆弧的角度θ并不显著，交互作用中只有θ×D是显著的，显著性D＞θ×D，说明组合参数D对作业效果影响最大。并对组合参数D进行了单因素试验。

　　为了得到最优几何参数，在ADAMS中进行优化仿真试验，在ADAMS中，以未除杂草面积S3为优化目标，对影响参数d1、d2、d3进行优化，得到优化结果d1为225mm， d2为300mmd3为212mm。设定d1、d2和d3的优化值为225mm、300mm和212mm，在ADMAS中仿真得到优化后除草部件前后边沿点的避障轨迹（图3、图4），可见，优化后的避障轨迹基本符合理论分析。为了验证除草机虚拟样机模型仿真优化结果是否合理，试制了株间避障除草机样机，进行了田间试验（图5）。

　　田间试验表明，优化后连续避障的平均除草作业覆盖率为94.6%，比优化前提高约8个百分点，标准偏差显著降低为2.98%，即优化后除草作业效果平稳性提高，每次试验中未除草面积差异较小。总体而言，在保证不损伤植株的前提下，优化后的除草效果有了较大的提高，且除草作业稳定性更好。本研究为后续篱架式栽培葡萄株间避障除草机改进设计提供了参考。