基于虚拟正交试验果园垄面割草机侧刀盘切割性能分析

李雪军, 王鹏飞, 丁顺荣, 杨欣*, 李建平, 刘洪杰,袁常伟, 裴晓康, 毛雷

(1.河北农业大学机电工程学院, 河北 保定 071000; 2.河北农业大学电子信息科学与技术学院, 河北 保定 071000)

近年来，我国标准化果园采用生草技术，有利于改善果园小气候，可以起到疏松土壤、减轻土壤管理劳动强度、增加土壤透气性和有机质含量的作用[1-3]。果园生草超过30 cm时应及时切割覆盖，能够有效避免草与果树争肥，从而保证果树健康成长，提高果实品质[4-5]。由于矮砧密植园受建园地形限制，果树双侧1.0 m范围内垄面较高，坡度较大，难以实现机械化切割作业，只能采用人工割草，劳动强度大、费时费力。国内研制的果园割草机，大多适合平坦地形，没有垄面作业部件，不能很好满足标准化果园的地形需求。内蒙古农业大学研制的9YG—130前置式双圆盘割草机工作平稳，适应于稠密、倒伏和缠连的杂草地带[6]；中国农业大学研制的苜蓿刈割机械具有良好的仿形装置，可实现坡地作业，割刀无触土现象，但由于机具较大，多适用于牧场作业[7]；广西科技大学针对旋转式割草机耗能多、往复式割草机易堵塞问题设计了一款手推式双刀割草机，可以实现果园平地割草作业，但需要人工辅助作业，作业效率较低[8]；浙江大学针对割草机大部分为手扶式或手持式结构设计了一款可与拖拉机配套的小型旋转式割草机，整机在小地块上通过性较好，但机具前进速度慢，重割率偏高，不能在坡地作业[9]。现有机型没有相对应的果园垄面切割装置，不能适应一定角度的坡起作业，且部分割草机运动参数设计不合理，存在一定的缺陷。由于割草机侧盘工作环境为30°垄坡，因此对垄面切割刀盘进行优化设计以使其在结构和稳定性等方面适应果园作业要求是极其必要的。虚拟样机技术可达到减少研发实际样机的成本，缩短试验周期的效果。因此基于虚拟样机技术对垄面割草刀盘工作过程进行仿真[10]。对其参数进行优化设计，从而提高果园垄面割草机的切割效率，为标准化果园机械化割草作业提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 田间试验设计

1.1.1试验材料及工具 试验所用杂草来自河北省保定市顺平县辛庄村河北农业大学园艺学院试验基地(北纬38°，东经115°)，主要有黄花蒿、野蓟、牵牛花草等品种，杂草的平均高度为1 152 mm，平均密度为14棵·m-2，试验地面平整，无大块碎石。

1.1.2重割率测定 重割率是单位面积收获的全部杂草植株中无头草节的质量和总质量之比。沿着机器前进方向在20个测点中随机测5点，每个样品点采用四分法取样，记录数据，并按照单位面积进行换算。将5个点中的所有杂草进行称重，记录数据后将无头草节选取出并单独称重，计算重割率[11]。

(4)

式中，Se为重割率，%；gw为单位面积实际收获无头草节质量，g·m-2；gy为单位面积应收获草质量，g·m-2。

1.1.3机具前进速度与不漏割条件 当果园垄面割草机的各参数一定时，根据公式(1)可得机具前进速度[12-14]。

Vjmax=(mhVg)/πD

(1)

当Vg/Vj≥2πr/mh时，割草机割刀不漏割。

1.2 虚拟样机试验原理及方法

切割装置是果园垄面割草机的核心部件，其结构的可靠性直接关系到割草作业的质量和效率，同时间接影响果树的生长发育。通过虚拟样机技术对切割刀盘进行仿真优化，可有效减少研发成本。垄面坡度较低(0～30°)，为缓坡，因此，切割作业与平面切割原理相似，通过软件进行30°切割仿真作业。

1.2.1切割装置模型建立 通过Autodesk inventor软件对侧刀盘零件进行建模并将其装配，果园垄面割草机侧盘切割器主要由主轴、切割圆盘、刀片等组成，如图1所示。

注：1—切割刀盘；2—主轴；3—刀片。

1.2.2仿真模拟 将建好的模型导入ADAMS软件中，由于原有的装配关系和质量属性均失效，需要给各零件重新赋予质量和转动惯量，对导入的模型添加约束和运动副，设置切割器的旋转速度、前进速度和材料等参数[15-18]，在工具栏中的仿真命令设置终止时间为0.4，步数为1 000，开始运动仿真，可以得到刀片、刀刃处最外端和内端的运动轨迹，仿真完成后追踪两个端点的运动曲线。侧盘在30°工作状态下切割如图2所示。

注：0—一次切割区域; 1—重割区域; 2—漏割区域。

1.3 正交试验设计

在割草机虚拟实验中发现其几何参数和运动参数决定了收获区域的面积和重割割区面积，其中割草机的前进速度、刀盘旋转速度、刀片数以及刃线长度是影响重割率的几个关键要素，根据果园垄面割草机的设计参数，结合拖拉机档位规定和果园园艺要求，选择虚拟切割装置的行进速度为2～3.4 m·s-1，刀盘旋转速度为2 000～3 000 rad·min-1，刀片数为2～4，刃线长度为55～65 mm，选用四因素三水平，通过Design-Expert软件进行正交试验，将重割率作为综合评价标准，并以此设计试验因数和水平[19-21](表1)。

表1 虚拟试验因素水平

1.4 样机试验验证

1.4.1试验机具设计 整机结构如图3所示，果园垄面割草机主盘整体为焊接结构，悬挂装置设于主盘的前端，切割装置分为主盘和侧盘切割，主盘由两把直径620 mm旋转方向相反的刀盘组成，可以将杂草集中于主盘中央排出。侧盘切割装置与主盘右侧刀盘转向相同的直径400 mm刀盘。主刀盘的动力由拖拉机后输出轴传入中央变速箱中提供,侧盘的动力由主盘上的一个变速箱通过万向节传动轴连接的侧盘变速箱提供。行走装置用来进行垄面仿形，并控制割茬高低，可通过限位板上不同孔位的安装，实现高度调节。侧盘可折起0～30°实现垄面草体切割作业要求。

注：1—主盘装置；2—主盘变速箱组；3—万向节轴；4—侧盘变速箱；5—侧盘装置。

1.4.2侧盘切割机构设计 侧盘结构如图4所示，侧盘切割装置主要包括侧盘刀罩、切割装置、行走装置、变速箱和挡草板。

注：1—行走装置；2—切割装置；3—侧盘刀罩；4—变速箱；5—挡草板。

侧盘外壳设计原则是质量较轻，尺寸较小，采用5 mm钢板(Q235中翔钢板)作为加工材料。侧盘动力通过主盘变速箱(自加工)和传动轴将动力传到侧盘变速箱后带动侧盘切割刀实现切割作业。开始作业时圆盘随着主轴的旋转而转动，由于离心作用，与刀盘铰接的刀片被甩出进行切割作业。侧盘后右侧开口可将杂草排到树根处，促进果树发育，其余杂草通过侧盘左侧的开口进入主盘，通过主盘协助排草。侧盘切割装置由圆形刀盘(Q235中翔钢板)和经过化学热处理的合金钢刀片(本田HRJ216)组成，刀片与圆刀盘铰接，碰到硬石等障碍时可回弹，避免割刀的损伤。侧盘可通过其自重实现仿形调节，当侧盘地轮在垄坡工作时可近似看成侧盘与垄坡平行。通过侧轮孔位的调节和侧盘自仿形装置可实现垄面割茬高度的调节。果园垄面割草机整机技术参数如表2所示。

表2 整机技术参数

1.4.3田间试验条件 2018年6月15日，在河北省保定市顺平县辛庄村河北农业大学园艺学院试验基地(N38°，E115°,晴天，28 ℃)进行田间割草试验。作业对象为黄花蒿、野蓟、牵牛花草等品种，杂草的平均高度为1 152 mm，平均密度为14棵·m-2，园区外部环境为27°，园区行间环境温度为34°，相对湿度34%，土壤硬度73%，土壤含水率2.7%，风速45 m·s-1，土壤类型为壤质土。

1.4.4田间试验方法 依据虚拟正交试验得到的最优参数设定果园垄面割草机前进速度为2 m·s-1，刀盘转速为2 500 rad·min-1，割幅为400 mm。果树行间个数为4，每段作业长度20 m，依据国家标准[22]，沿着行间肥力方向以S型曲线，如图5所示，每隔4 m取一个测点，共取20个测点，每个测点长1 m，宽1 m，割草机往返一次进行作业。

图5 测点

2 结果与分析

2.1 虚拟样机仿真实验数据分析

2.1.1重割率分析 通过因素水平的设定，模拟完成仿真结果后计算其重割率，如表3所示，重割率在15.32%～20.43%之间，当前进速度3.4 m·s-1，刀盘转速2 000 rad·min-1，刀片数为2，刃线长度55 mm时，重割率最低。

表3 虚拟试验评价

2.1.2重割率影响因素方差分析 通过软件分析可得其方差数据和其各因素水平的显著性结果，如表4所示。可以看出，对重割率影响因素主次顺序为AB、C、B、AC、CD、D、A、BC、BD、AD试验因素与重割率之间存在二次非线性关系和交互作用。

表4 方差分析

2.1.3重割率影响因素响应面回归分析 结合各因素对割草机重割率的影响情况，为更好地找到适合的拟合关系，通过软件进行二次响应面回归分析，结果如图6所示。

从图6可以看出，当固定刀片数和刃线长度时，重割率随着前进速度的增加和刀盘转速的减少而升高；当固定刀盘转速和刃线长度时，重割率随着机具前进速度的增加和刀片数的减少而降低；当固定刀盘转速和刀片数时，重割率随着机具前进速度的增加和刃线长度的减少而降低；当固定前进速度和刃线长度时，重割率随着刀盘转速的增加和刀片数的减少而升高；当固定前进速度和刀片数时，重割率随着刀盘转速的增加而升高，随着刃线长度的减少而降低；当固定前进速度和刀片数时，重割率随着刀盘转速的增加而升高，随着刃线长度的减少而降低；当固定前进速度和刀盘转速时，重割率随着刃线长度和刀片数的增加而增加。

图6 交互作用对重割率的影响

2.2 回归模型构建与分析

从表5可以看出，本次虚拟实验结果矫正决定系数Radj2=0.999>0.80，变异系数为0.053%，平均值为17.75，标准值为9.487 E-003，说明该虚拟样机试验模型极显著，拟合度较好，可以使用其对果园垄面割草机重割率的影响因素进行初步分析。

表5 系数

通过二次响应面回归分析，得到多元二次响应面回归模型。

Y=17.43-0.49A+0.82B+0.41C+0.61D+1.69AB-0.36AC-0.1AD+0.22BC-0.38BD-0.33CD-0.069A2-0.039B2+0.17C2+0.44D2

(3)

通过上述表4的数据可知，A2、B2的P>0.05，其结果值不显著，应在回归模型中对其进行优化，优化后的回归模型方程如下。

Y=17.43-0.49A+0.82B+0.41C+0.61D+1.69AB-0.36AC-0.1AD+0.22BC-0.38BD-0.33CD+0.17C2+0.44D2

(4)

通过表5可知，回归模型显著检验值、决定系数符合要求，回归模型极显著，拟合度较高。

果园垄面割草机为旋转式割草机，在保证割草机作业速度和降低功耗的前提下，其重割面积越小越好，以此进行优化设计，通过虚拟正交试验二次响应面回归模型进行最优值求解，其边界条件如下。

通过软件模拟计算其求解结果共有35组数据，为保证割草机在垄面工作时重割率最低，因此选择最优参数为：前进速度为2 m·s-1，刀盘转速为2 500 rad·min-1，刀片数为2个，刀片的工作刃线长度为55 mm时重割率最低，为16.6%。

2.2 田间试验验证数据统计分析

通过测量田间试验得到各项性能指标，如表6所示。

表6 侧盘性能试验结果

通过表6可知，重割率比设计要求降低8.4%，割茬高度在设计范围之内，果园垄面割草机侧盘各项性能指标基本满足设计及相关标准要求。重割率虽有明显降低，但是没有达到20%以下，存在一定的误差影响，需要后期多次试验排除影响。

3 讨论

目前，果园垄面采用的黑色控草布覆盖抑制杂草的生长，由于地布较薄，成本较大，易老化，极大地浪费人力、物力，且限制大型机械进园作业。果园垄面割草机主要是针对果园≤30°垄坡割草所设计的机型，本研究所采用的运动学仿真主要针对垄面刀盘运动过程，通过Autodesk inventor软件建立了果园垄面割草机侧盘切割部件及各零件三维实体模型，使用ADAMS软件对其进行运动仿真得到刀盘轨迹，减少了开发实体样机成本且对影响垄面割草重割率的因素进行了详细的分析研究。

国内现有圆盘式果园生草切割机进行的仿真分析工作是基于三因素三水平的正交试验，其缺少对甩刀刃线长度的分析工作，通过研究发现，甩刀刃线长度对重割率的影响水平较高，对垄面割草效果影响显著。实际田间试验重割率比虚拟试验结果较高，其主要原因是测量误差较大，田间杂草高低不一，导致测量无头草节数较为困难；割茬高度比设计较低，主要原因是垄面杂草受重力影响较为生长较为倾斜，割草机切割过程为垄面切割，导致割茬高度较低。

通过对切割部件结构参数进行优化设计，对模型进行四因素三水平虚拟正交试验，得出最佳参数为前进速度A=2 m·s-1，刀盘转速B=2 500 rad·min-1，刀片数C=2，刃线长度D=55 mm时重割率最低，为16.6%；通过二次响应面回归分析，对果园垄面割草重割率影响显著顺序为刀片数>刀盘转速>刃线长度>前进速度；经过田间的样机试验验证，虚拟样机的仿真结果真实可靠，该设计满足果园割草机对草业的技术要求，重割率比设计值降低了8.4%；果园垄面割草机是一种集平地与垄坡与一体的综合割草机，机具可以实现小行间距的正常工作，为标准化果园机械化割草作业提供了理论依据。