基于Pro/E的水田除草机人机工程学设计及试验

蒋 郁，马 旭，齐 龙，鹿芳媛，梁仲维，崔宏伟，郑文汉

(1.华南农业大学 a.现代教育中心；b.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室；c.工程学院，广州 510642；2.南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128；3.ABB低压开关有限公司，广东 江门 529100)



基于Pro/E的水田除草机人机工程学设计及试验

蒋 郁1a，马 旭1b,1c,2，齐 龙1b,1c,2，鹿芳媛1c，梁仲维3，崔宏伟1c，郑文汉1c

(1.华南农业大学 a.现代教育中心；b.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室；c.工程学院，广州 510642；2.南方粮油作物协同创新中心，长沙 410128；3.ABB低压开关有限公司，广东 江门 529100)

为提高步进式水田除草机的工作效率，减轻操作人员的劳动强度，进而提高除草效果，对步进式除草机进行了人机工程学设计。根据人体尺寸参数，除草机整机尺寸设计为长1 420mm、宽530mm、高900mm。利用Pro/E的质量分析模块对步进式水田除草机进行了质量属性分析，获得除草机的整机质量为25.2kg，并估算出操作人员握扶手时的提升力为49N，表明操作除草机的劳动强度较低。对该除草机进行田间性能试验，结果表明：平均除草率为85.9%，平均伤苗率为4.4%，除草效率为0.173hm2/h，操作人员劳动强度较低，符合水稻田间机械除草的作业质量要求。

Pro/E；人机工程学；水田除草机；性能试验

0 引言

水田机械除草是一种无污染和环境友好型的除草方式，能够有效地解决水田化学除草剂残留问题。水田除草机械按操作方式主要分为乘坐式和步进式两种，乘坐式水田除草机大多采用水田拖拉机底盘牵引后置的机械除草部件[1-2]，作业效率高；但田间调头时容易造成伤苗，对操作人员的技术要求较高。步进式水田除草机操作简单，伤苗率较低，较适用于小田块作业[3-5]；但多数的步进式水田除草机传动系统较复杂，体积和质量较大，操作人员使用的劳动强度高，长期使用易影响除草效率。

人机工程学重视整体造型和外观质量，满足产品在使用过程中的各种要求[6]，因此具有良好人机性能的农机产品不仅能满足机具基本的作业要求[7]，还能对提高工作效率、减轻操作人员疲劳程度及预防职业病具有重要作用。对此，国外已有针对农业作业机具的人体工程学方面的研究[8-9]。本文主要根据水稻机械化除草的农艺要求并结合机械设计理论，利用三维设计软件Pro/E强大的建模功能[10]完成了步进式水田除草机的三维参数化实体模型的建立，并进行了虚拟装配和质量属性分析，运用人机工程学优化整机结构尺寸，并通过机械设计理论设计关键机构并校核其机械强度。在此基础上研制出质量轻、可靠性高的步进式水田除草机，有效地减轻操作人员的劳动强度和疲劳程度。

1 整机结构及工作原理

本文所研究的步进式水田除草机主要由汽油发动机、摩擦环离合器总成、机架主梁、主轴、蜗轮蜗杆减速器和除草轮组成，如图1所示。其中，机架由主梁、把手、脚架、提把和挡泥罩组成。

1.汽油发动机 2.把手 3.机架主梁 4.主轴 5.挡泥罩 6.蜗杆 7.蜗轮 8.除草轮 9.摩擦环离合器总成 10.万向联轴器图1 步进式水田除草机Fig.1 Marching-type paddy weeder

除草机工作时，通过发动机驱动耙压式除草轮旋转除草，耙压式除草轮上安装有除草齿片；在旋转的过程中，除草齿片向下入土将水稻行间的杂草埋压或连根挖起，同时利用土壤的反作用力为除草机的前进提供动力。除草机利用除草轮翻动土壤达到除草目的，同时补充土壤中的氧气，消除还原性有毒物如硫化氢等，加速黏重土壤中未腐熟有机肥的分解与养分的释放[11]，从而使土壤更利于水稻生长。除草过程中，操作人员仅需通过提握把手即可控制除草机行进方向，通过把手上的油门拉线控制除草轮的转速。

2 整机结构及工作原理

2.1 整机尺寸设计

为了在工作过程中减轻操作人员的劳动负担，需结合人机工程学对整机结构、质量和尺寸进行设计。通过三维设计软件Pro/E的虚拟装配，可以准确测量整机的质量和重心位置，根据测得数据可以估算出操作人员操控除草机时握扶手的提升力。同时，通过参数化设计调整机架尺寸以优化整机的重心设计。

步进式水田除草机工作时，操作人员在除草机后方提起把手控制方向和行进速度，把手位置设计的合理性对工作过程中操作人员的劳动强度有关键影响。把手位置设置过低，操作人员长时间弯腰工作，对腰肌造成劳损；把手设置过高，操作人员长时间抬举，对其肩颈部位造成劳损。同时，把手与机具重心的相对位置影响操作人员提握把手的力，从而影响操作人员的劳动强度。根据GB/T 10000-1988《中国成年人人体尺寸》中关于手功能高和肘高的统计数据[12]可知(见图2)：成年人的手功能高在656～828mm之间，肘高一般在925～1 128mm之间。

(a) 肘高和手功能高示意图 (b) 步进式除草机尺寸示意图图2 人体尺寸和除草机尺寸示意图Fig.2 Dimension of human and paddy weeder

因此，除草机在工作时把手高度H设计为900mm能避免操作人员长时间弯腰操作或抬举机器，满足人机工程学要求。如图2(b)所示，步进式水田除草机整机的设计尺寸为长(L)×宽(W)×高(H)为1 420mm×530mm×900mm。

2.2 重心测量及提升力计算

在Pro/E导入各零部件进行整机的虚拟装配，利用质量分析模块对步进式水田除草机进行整机质量和重心测量和分析。首先建立质量分析的坐标系。除草机的工作位置，以地面水平方向为x轴，以垂直方向为y轴，以除草轮轴为z轴，以两个除草轮的中心连线的中点为原点建立坐标系，如图3(a)所示。除草机的质量为25.2kg，重心O′的位置为x′=236mm，y′= 177mm，z′= -1mm。通过重心位置可以估算出操作人员握扶手时的提升力F，为避免长期操作造成劳损，操作人员提起扶手时，提升力F应不超过50N。除草机的整机受力示意图，如图3(b)所示。

(a) 除草机的质量属性

(b) 除草机受力分析图3 除草机质量属性及受力分析Fig.3 Analysis of mass property and force state of paddy weeder

其中，原点O为除草机的支点，地面对除草机的反作用力FG过原点垂直向上；除草机的重力G垂直向下，作用在除草机的重心上；提升力F垂直向上作用在把手上。根据力矩平衡公式，有

(1)

其中，R为除草轮半径，值为200mm，代入数据可以求出操作人员手握扶手时的提升力F为49N，劳动强度较低，符合设计要求。

3 除草机性能试验

3.1 试验条件

为测试运用人机工程学理论优化后的步进式水田除草机的工作性能，于2015年8月25日在广东省肇庆市农业机械化研究所综合试验站进行除草机田间试验。试验田块面积约0.5hm2，试验地点田间概况如图4所示。试验所用水田的栽种水稻品种为广八优169，除草试验在移栽后第19天进行，此时秧苗平均高度为216mm，秧苗平均株距为160mm，机插秧行间宽度为300mm，秧苗长势良好，未见明显病虫害，移栽后未进行人工除草或喷洒除草剂。水稻行间的杂草主要有水田稗、千金子和粟米草等，行间杂草平均密度为96株/m2，平均高度为105mm，根系长度为28mm。

3.2 试验方法

选取除草率Pr和伤苗率Qr作为步进式水田除草机作业质量的评定指标。除草率和伤苗率分别定义为

(2)

(3)

其中，T为试验区域内水稻行间杂草总株数；S为除草作业后试验区域内水稻行间剩余杂草株数(根系完整、茎部未受折断等严重损害，可继续生长的杂草定义为剩余杂草)；X为除草作业后试验区域内被压折、连根拔起和倒伏的损伤秧苗株数(根系受损、茎部折断及子叶受损严重不能正常生长的秧苗定义为受损秧苗)；Y为试验区域内的总秧苗数。

为了测试轻简式步进水田除草机的工作性能是否符合要求，泥脚深度选取160mm和300mm两个水平，除草轮转速选取120、140、160r/min 3个水平，对除草机进行全因素试验，按照试验因素不同水平组合，共进行6次试验。

对除草机的工作效率进行统计分析，观察不同时间段除草机的工作效率变化，根据工作效率随操作时间变化是否显著判定操作人员长期使用除草机的劳动强度高低。试验过程中测取除草机的工作效率，除草机工作效率R定义为

(4)

其中，D为测试时间内除草机走过的路程(m)；W为除草机工作的宽度(m)；t为测试时间(h)。操作人员在泥脚深度为160mm、除草轮转速为160r/min的试验条件下使用除草机工作2h，以0.4h为1个时间段，测量每个时间段的工作效率。采用单因素方差分析操作时间对除草机工作效率是否显著。

3.3 试验结果

步进式水田除草机的性能试验结果如表1所示。

表1 田间试验结果Table 1 Results of field test

试验结果表明：相同泥脚深度的条件下，除草轮转速增大除草率随之增大，伤苗率随之增大。相同除草轮转速的条件下，泥脚深度增大则除草率随之减小，伤苗率随之增大。当泥脚深度为160mm、除草轮转速为160r/min时除草效果最好，除草率为88.3%、伤苗率为4.3%，满足机械除草的作业质量要求；当泥脚深度为300mm、除草轮转速为120r/min时除草效果较差，此时除草率为82.5%、伤苗率为4.1%；综合田间试验结果得除草机除草率的平均值为85.9%，伤苗率的平均值为4.4%，符合期望要求。

除草机工作2h内，不同时间段测得的工作效率如表2所示。根据表2数据可知：除草机的平均工作效率为0.173hm2/h。对表2数据进行单因素方差分析，分析结果如表3所示。由方差分析可知：除草机工作时间与工作效率无显著相关关系，由此可以判断操作人员长时间使用除草机的劳动强度较低，不会对工作效率产生影响。

表2 除草机工作效率数据Table 2 Data of working rate of paddy weeder

表3 除草机工作效率数据方差分析Table 3 Analysis of variance for the data of working rate of paddy weeder

查F分布表，若F因素>F0.2，说明因素对结果影响不显著。

4 结论

1)根据机械设计理论结合中国水稻生产的实际情况及人机工程学要求，对自主研制的步进式水田除草机进行了整机尺寸设计，其长(L)×宽(W)×高(H)的值为1 420mm×530mm×900mm。利用Pro/E的质量分析模块对除草机进行质量属性分析，分析结果表明：除草机的质量为25.2kg，重心O’的位置为x’=236mm、y’=177mm、z’=-1mm。通过重心位置可以估算出操作人员握扶手时的提升力为49N，结果符合人机工程学设计要求。

2)选取泥脚深度和除草轮转速作为试验因素对步进式水田除草机进行了全因素试验，测试了除草机的工作性能。结果表明：随着转速增大，除草率增大，伤苗率降低；随着泥脚深度增大，除草率减小，伤苗率增大。除草效果最好的参数组合为泥脚深度160mm、除草轮转速160r/min，此时除草率为88.3%、伤苗率为4.3%。综合试验结果可知：除草机除草率的平均值为85.9%，伤苗率的平均值为4.4%，平均除草效率为0.173hm2/h，操作人员劳动强度低，符合水田机械除草的作业质量要求。

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[5] 齐龙,马旭,谭祖庭,等.步进式水田中耕除草机的研制与试验[J].农业工程学报,2012,28(14):31-35.

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[10] 钱久年.基于Pro/E的变速器柔性操纵机构在装载机上的应用[J].机械研究与应用,2015(1):85-87.

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[12] 中国标准化与信息分类编码研究所.GB/T10000-1988,中国成年人人体尺寸[S].北京:中国标准出版社,1988.

The Ergonomical Design and Test of Paddy Weeder Based on Pro/E

Jiang Yu1a, Ma Xu1b,1c,2, Qi Long1b,1c,2, Lu Fangyuan1c, Liang Zhongwei3,Cui Hongwei1c, Zheng Wenhan1c

(1.a.Modern Educational Technology Center; b.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment; c.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China,Changsha 410128, China; 3.ABB Low Voltage Switch Ltd.,Jiangmen 529100,China)

In order to enhance the working rate of the marching type paddy weeder,to reduce the labor strength of the operator, by which the weeding performance could be improved, the ergonomics was applied to design the marching type paddy weeder in this research. The overall dimension of the paddy weeder was 1420, 530 and 900mm corresponding to length, width and height. The mass attribute analysis of the paddy weeder was conducted by the mass analysis module of Pro/E.The overall mass of the paddy weeder was acquired 25.2kg and the lifting force of the operator was thus estimated 49N which indicated low labor strength.Performance test in the field was conducted which showed that the average weeding rate of the paddy weeder was 85.9%, the average seedling injury rate was 4.4% and the working rate was 0.173hm2/h with low labor strength, which conforms the quality requirement of mechanical weeding in paddy field.

Pro/E; ergonomics; paddy weeder; performance test

2016-02-02

国家自然科学基金项目(51575195)；广东省科技计划项目(2014B020207003)；现代农业产业技术体系建设专项(CA RS-01-33)；广州市珠江科技新星专项(2014J2200041)；广东省自然科学基金项目(2015A030313402)；广东省教育厅科研项目(2013KJCX0034)

蒋 郁(1983-)，女，湖南益阳人，实验师，博士研究生，(E-mail)nova-yy@scau.edu.cn。

齐 龙(1979-)，男，哈尔滨人，副研究员，博士，(E-mail) qilong@scau.edu.cn。

S224.1+41

A

1003-188X(2017)03-0093-05