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果園株間除草裝置優(yōu)化設(shè)計探析

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果園株間除草裝置優(yōu)化設(shè)計探析

摘要:針對國內(nèi)大多數(shù)果園除草機(jī)械僅實現(xiàn)行間除草,株間除草設(shè)備因各種因素未能普及,需要大量的人力進(jìn)行二次作業(yè)的現(xiàn)狀,設(shè)計一種新疆果園專用的果園除草裝置,確定了株間除草裝置的運動形式,對裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行理論分析,根據(jù)實際除草與避讓果樹的工作要求,建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,確定機(jī)構(gòu)各參數(shù)之間的關(guān)系,運用MathCAD、Lingo兩款軟件對機(jī)構(gòu)中的液壓缸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。通過理論分析與軟件模擬仿真對比確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù),優(yōu)化結(jié)果滿足了裝置的工作要求與設(shè)計需求。為后續(xù)的設(shè)計與研究提供理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞:株間除草;避讓;優(yōu)化設(shè)計;仿真分析

0引言

2019年新疆特色林果業(yè)種植面積為165萬hm2,果實產(chǎn)量達(dá)1729.44萬t,相比2018年增長了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,幼年果樹株間相鄰區(qū)域雜草生長迅猛,對幼年果樹的成活率和產(chǎn)值時間影響較大[2],且清除雜草耗時耗力,嚴(yán)重影響其經(jīng)濟(jì)效益,因此果園管理過程中株間除草裝置必不可少。國外農(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。德國的A.SLJH和SinghS等人將旋耕裝置與農(nóng)用機(jī)械動力輸出軸相連接,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株間雜草的機(jī)械設(shè)備[4];德國農(nóng)機(jī)企業(yè)Dutzi研發(fā)了一種果園作業(yè)機(jī)械的專用刀具,其結(jié)構(gòu)形式為齒狀旋耕刀[5]。由于國外果園除草設(shè)備與我國的作業(yè)工況和農(nóng)藝要求不符,且機(jī)械自動化程度較高,修理困難、維修成本較高,因此國內(nèi)使用較少。我國對株間除草機(jī)械的研究主要集中在高校與科研院所,大多數(shù)處于試驗階段,還未進(jìn)行推廣應(yīng)用。目前市場上的果園除草設(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)過程中存在少耕、漏耕或傷樹等現(xiàn)象[6],后續(xù)仍需人工再次耕作,此耕作方式不能滿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,降低漏耕率與傷樹率,設(shè)計了一種果園株間除草裝置,能實現(xiàn)果樹株間除草與避讓,根據(jù)作業(yè)工況要求,通過理論分析,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,運用MathCAD和Lingo兩款軟件對機(jī)構(gòu)中的液壓缸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,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)。行間裝置通過懸掛連接動力配套設(shè)備,株間除草裝置的液壓總成與動力配套設(shè)備液壓驅(qū)動相連接,整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1。

1.2工作原理

在除草作業(yè)過程中,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)觸碰桿與果樹相遇,觸碰桿受力會繞果樹進(jìn)行轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動角度大于特定幅值時觸碰壓力控制閥,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動液壓油缸運動,執(zhí)行機(jī)構(gòu)將液壓油缸水平方向的直線運動轉(zhuǎn)換成刀具豎直方向的旋轉(zhuǎn)運動,改變刀具的運動軌跡,使其避開果樹,如圖3(b),此過程中觸碰桿受力作為系統(tǒng)信號輸入,執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為系統(tǒng)執(zhí)行部件;觸碰桿無受力時系統(tǒng)無信號輸入,壓力控制閥關(guān)閉,執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動刀具回轉(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。

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,播種前整地作業(yè)時田間空曠無作物,只需按照順序耕地,此過程中整地機(jī)械作業(yè)方式為無障礙的寬幅作業(yè)。中耕施肥是按照作物種植行間方向進(jìn)行耕作,此時為直線作業(yè)。而果園作業(yè)對象是果樹,行間與株間都需要除草,因此果園除草作業(yè)時將除去株間雜草而不損傷果樹作為除草作業(yè)的目標(biāo),此時果樹成為了除草機(jī)作業(yè)時必須考慮的避讓物體,除草設(shè)備靠近果樹時必須改變作業(yè)路徑避開果樹,避免損傷果樹,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。

1.4存在的問題

果園株間除草裝置由液壓缸驅(qū)動刀具,所以液壓缸的參數(shù)與選型對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)會有如下問題:(1)液壓缸工作壓力不足時,驅(qū)動刀軸十分困難,將導(dǎo)致刀具無法避讓果樹,使傷樹率上升;(2)液壓桿行程不滿足要求時,驅(qū)動刀具旋轉(zhuǎn)角度小于要求角度,易損傷果樹,增大裝置的傷樹率;(3)液壓缸型號過大時,功耗較大,易造成浪費。綜上所述,本文對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)刀具的運動形式以及運動軌跡要求,將執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計為帶擺動油缸的四連桿機(jī)構(gòu),如圖5。根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型和已知桿長和角度參數(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時四連桿機(jī)構(gòu)點O、BH和C的始末位置可由以下公式確定。b=2lsinφ2(1)cos(βH+γ)=b2+1-k22b(2)βH=arccosb2+1-k22b-γ(3)式中γ=90°-φ2,φ=φk,γ=γk。(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:lmin=1+k20sinφk2(4)(2)當(dāng)βH=0時:lmax=12(1-1-k2+115sin2φk2姨)(5)此外還應(yīng)當(dāng)考慮當(dāng)l=lmax時,如果β=βH=0機(jī)構(gòu)將會被卡住,因此規(guī)定最小允許角β=βH=10~30°。

3軟件優(yōu)化求解

3.1MathCAD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。

3.2Lingo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),液壓缸實際型號標(biāo)準(zhǔn)參照相關(guān)研究報道[9],確定液壓缸行程為60mm。查閱資料,選用液壓缸型號為:UYWE1150×80。

4試驗驗證

通過前期理論分析,選取機(jī)具作業(yè)速度為試驗因素,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。試驗結(jié)果如表1。試驗結(jié)果表明:果園株間除草裝置在作業(yè)速度為2~6km/h,避讓成功率為100%,漏耕率為5.19%,各項作業(yè)指標(biāo)均滿足國家林果業(yè)機(jī)械設(shè)計要求。

5結(jié)論

(1)設(shè)計了一種適合新疆果園株間自動除草的裝置,對其工作原理進(jìn)行了分析,簡化了執(zhí)行機(jī)構(gòu)并建立了數(shù)學(xué)模型,通過分析執(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,并對其進(jìn)行了參數(shù)選型。(2)基于MathCAD與Lingo軟件對裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,通過對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)行了驗證試驗,試驗結(jié)果表明株間除草裝置能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計以及果園作業(yè)要求。

作者:梁曉兵 單位:河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院