生产管理机械化岗位

徐丽明 马帅 闫成功 谭好超 沈聪聪 刘星星

 

  1 整体结构与工作原理

  现有果园株间机械避障除草机对不同直径的果树树干，采用同一刚性系数弹簧，树干直径较小的果树损伤严重等问题，本文设计了一种果园株间机械避障除草机（后文简称除草机），主要包括机架、限深轮、三点悬挂、增速齿轮箱、皮带传动部分、弹力缓冲机构、除草刀盘、避障弹簧调节机构和支撑架。整机结构如图1所示。在除草机作业前，调节三点悬挂与限深轮高度，保证除草刀与地面的距离维持在3~5 cm范围内。机器作业时，拖拉机牵引除草机前进，同时动力输出装置（Power Take-Off，PTO）通过万向传动轴带动增速齿轮箱转动，齿轮增速箱输出的动力经皮带传动传递至除草刀轴，进而驱动除草刀高速旋转，进行果园除草作业。当除草刀盘未碰到树干时，除草机在株间平稳地进行除草作业；当除草刀盘行驶到果园树干位置时，除草刀盘与树干接触受力驱动除草刀盘绕树干旋转，同时使避障弹簧伸长，实现除草刀盘株间避障作业；当除草刀盘避过树干时，除草刀盘与树干接触力消失，除草刀盘在弹簧反作用力作用下重新回到株间进行除草作业。

  2 果园树干弯曲试验

  除草机进行株间避障除草作业时，若除草刀盘对果树树干作用力过大，容易造成果树损伤；若除草刀盘对果树树干作用力过小，除草作业覆盖率较小，无法良好的实现株间避障除草作业。因此，针对不同直径果园树干，利用电子万能材料试验机进行弯曲试验，测量不同直径果树树干临界弯曲载荷大小，并通过理论分析得出理想弯曲载荷大小，可为各直径果树树干对应避障弹簧型号的合理选取、机械避障除草作业仿真试验的设计提供参考依据。树干弯曲性能试验结果如表1所示。

 

 

  3 机械避障除草作业仿真试验

  为模拟机械避障除草作业过程除草刀盘运动轨迹，并根据不同直径果树树干分别选取合适弹簧刚性系数，避免果树损伤的同时达到较高的除草作业覆盖率，对机械避障除草作业过程进行仿真试验。以弯曲试验测得的各直径果树树干理想弯曲载荷为目标，通过改变仿真模型中弹簧的刚性系数大小，使避障除草作业过程中除草刀盘对树干的作用力无限接近理想弯曲载荷，对各直径果树树干对应的弹簧刚性系数进行准确标定，避免因弹力过大对果树造成损伤，为除草机设计中弹簧的合理选型提供参考依据。果树树干与弹簧刚性系数对应关系如表2所示。

 

 

 

  并选取最优的机器前进速度与弹簧刚性系数工作参数组合，保证不损伤果树的前提下，使除草作业覆盖率与机器作业效率的综合效果达到最佳。除草作业覆盖率定义为

 

式中为除草作业覆盖率，%；S为应除草面积，mm2；S2为未除杂草面积mm2；

  仿真试验结果：

  （1）对各机器作业速度水平下的除草作业覆盖率进行综合分析可得，当机器作业速度一定时，除草作业覆盖率随弹簧刚性系数的增大而增大，当弹簧刚性系数K≥48 N/m或树干直径D≥45 mm时，除草作业覆盖率随弹簧刚性系数的变化可忽略不计,因此当树干直径D≥45 mm，统一使用弹簧刚性系数K=48 N/m的弹簧；树干直径D=20~45 mm时的弹簧刚性系数按照标定的树干直径与弹簧刚性系数对应关系进行选取。

  （2）对各弹簧刚性系数水平下的除草作业覆盖率进行综合分析可得，当弹簧刚性系数K（树干直径D）一定时，除草作业覆盖率随机器作业速度的增大而减小。综合考虑除草作业覆盖率与机器作业效率，在保证较高除草作业覆盖率的前提下，选取最优机器作业速度，提高机器作业效率。最优工作参数组合如下：树干直径D=20~25 mm，弹簧刚性系数机器作业速度选取260 mm/s；树干直径D=25~35 mm，机器作业速度选取320 mm/s；树干直径D=35~45 mm，机器作业速度选取380 mm/s；树干直径D>45 mm时，机器作业速度选取440 mm/s。

  （3）由试验结果分析可得，当除草机在选定的最优工作参数组合下进行作业时，除草作业覆盖率均可达到93%以上。

  4 田间试验

  为验证机器的优化参数，加工物理样机，于2021年5月在陕西果园进行田间试验，果树株间避障除草机试验现场及样机如图2所示。试验现场包括不同直径的果树树干行(行距3.5 m，株距1 m)；试验仪器和设备包括果树株间机械避障除草机、大棚王454拖拉机、卷尺（0～5 m，精度为1 mm）、各刚性系数避障弹簧。

        

 

  以仿真试验得出弹簧刚性系数与机器作业速度最优工作参数组合进行田间验证试验，每个工作参数组合进行3组有效试验，测定各工作参数组合水平下的除草作业覆盖率大小，求取平均除草作业覆盖率。机器作业后，果树树干周围只存在小部分杂草未得到清除，除草作业覆盖率较高，且对果树无损伤。机器作业行外侧的杂草，当机器返程作业在相邻行时，可将其良好清除。除草机在相邻行往返作业后，可使中间果树行树干周围和株间杂草良好清除，达到理想除草效果。除草作业效果如图3所示。

 

  果树损伤率定义为

 

  式中Z为果树损伤率，%；X为损伤果树数；Y为避障除草作业果树总数。

  由试验结果分析可得，当除草机在选定最优工作参数组合下进行株间避障除草作业时，实际除草作业覆盖率均可达到90%以上，仿真试验相对于田间试验的最大偏差为3.13%；进行避障除草作业的果树树干共计120棵，均未出现韧皮层裸露和弯曲断裂现象，仿真试验结果准确可靠，得出的最优工作参数组合可用于实际田间试验。以标定最优工作参数组合进行避障除草作业，既可使机械避障除草机良好的适应不同直径的果树树干、避免果树损伤，又可达到较高的除草作业覆盖率和机器作业效率。    

                                             

  5 结论

  本文依据不同直径果树树干的弯曲载荷承受能力，确定不同直径果树树干对应的弹簧刚性系数与机器作业速度的最优工作参数组合，对果树株间机械避障除草机作业性能进行优化，有效避免对果树的损伤，同时达到较高的除草作业覆盖率和机器作业效率。

  （1）利用电子万能材料试验机测定了不同直径果树树干理想弯曲承受载荷；利用 Recurdyn 模拟机械避障过程，对不同直径果树树干对应的弹簧刚性系数进行标定，并确定不同直径树干对应的弹簧刚性系数与机器作业速度的最优工作参数组合，使除草作业覆盖率与机器作业效率综合效果达到最佳。最优工作参数组合具体如下：树干直径D=20~25 mm，机器作业速度选取260 mm/s；树干直径D=25~35 mm，机器作业速度选取320 mm/s；树干直径D=35~45 mm，机器作业速度选取380 mm/s；树干直径D>45 mm时，机器作业速度选取440 mm/s。同时得出当弹簧刚性系数K≥48 N/m或树干直径D≥45 mm时，除草作业覆盖率随弹簧刚性系数的变化可忽略不计，即当树干直径D≥45 mm，统一使用弹簧刚性系数K=48 N/m的弹簧。树干直径D=20~45 mm时的弹簧刚性系数按照标定的树干直径与弹簧刚性系数对应关系进行选取。

  （2）以仿真试验得出的最优工作参数组合进行田间试验验证。结果表明，机械避障除草机在选定的最优工作参数组合下进行田间除草作业时，除草作业覆盖率均可达到90% 以上，并且可实现对果树零损伤。