葡萄园自动避障除草机的设计与仿真

　　摘要：针对蓬莱市葡萄园矮化密植的种植特点，设计了一种既能完成行间除草，又能完成株间除草的葡萄园自动避障除草机。应用Unigraphics软件完成除草机的样机三维模型设计，将模型导入ADAMS软件进行虚拟样机仿真，并应用ANSYS软件对立式除草刀进行受力分析。通过仿真，确认这一除草机能够满足葡萄园除草的要求。

　　关键词：葡萄园除草机设计仿真

　　1设计背景

　　近年来，随着蓬莱市葡萄种植的规模增大，草害问题逐渐凸显出来，成为困扰种植户的主要问题之一。目前，葡萄园的除草方式主要有人工除草、化学除草、机械除草。人工除草的主要特点是除草较为干净，能够除去行间及株间杂草，但是劳动强度大，除草效率低。化学除草的主要特点是高效、省时、省力，但容易造成土壤板结及提高杂草的抗药性。机械除草能够克服人工除草与化学除草的缺点，具有效率高、环保、经济效益好等优点。综合分析以上三种除草方式，机械除草是目前最适合蓬莱市葡萄园的除草方式。目前市场上大部分除草机械只能除去葡萄园行间的杂草，对葡萄园株间的杂草则无能为力。因此，需要设计一种结构简单的除草机械，既能除去行间杂草，又能除去株间杂草。

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　　2除草机总体设计

　　2.1工作原理

　　葡萄园自动避障除草机主要由锥齿轮换向器、液压系统、卧式除草刀、立式除草刀、感应触杆等组成。除草机采用标准的三点悬架悬挂在拖拉机上[1-3]，动力由拖拉机发动机通过万向节伸缩传动轴传入，通过锥齿轮换向器改变动力的方向，并将动力分为两部分。一部分经皮带传动传递至卧式除草刀，实现葡萄园的行间除草。另一部分通过液压系统转换传递至液压缸与立式除草刀，实现葡萄园的株间除草。当感应触杆碰触到葡萄藤或水泥立柱时，信号将传递至液压系统，通过电磁换向阀来控制液压缸的伸出与收缩，实现立式除草刀的自动避障功能，保证立式除草刀不损伤葡萄藤，并且不会碰撞立柱。

　　2.2主要参数

　　对所设计的葡萄园自动避障除草机结构进行分析，影响除草效果的主要因素有拖拉机行驶速度、除草刀端点处线速度与拖拉机行驶速度之比、立式除草刀伸出距离、液压缸驱动速度[4-6]。(1)拖拉机的行驶速度。整个除草机悬挂在拖拉机上，所以除草机的工作速度由拖拉机的行驶速度决定，拖拉机的行驶速度则主要由除草装置工况决定。(2)除草刀端点处线速度与拖拉机行驶速度之比λ。卧式除草刀和立式除草刀在进行除草时，刀具对杂草的覆盖率都与λ有关。λ取值越小，刀具对杂草的覆盖率就越低。λ取值越大，刀具对杂草的覆盖率就越高。

　　(3)立式除草刀的伸出距离。立式除草刀的伸出距离决定了株间除草装置避障的效果，伸出距离太长和太短都会影响避障效果，对葡萄植株造成损伤。(4)液压缸的驱动速度。立式除草刀的避障功能需要液压缸驱动来完成，可见，液压缸的驱动速度直接影响避障和除草的效果。

　　3株间除草装置设计与分析

　　3.1装置结构

　　株间除草装置是整个除草机中最重要的部分，由液压马达、立式除草刀、感应触杆、液压缸、斜拉杆等组成。株间除草装置安装于除草机右侧边板上，能够除去葡萄根部的杂草。行间除草时，立式除草刀伸入两棵葡萄树之间进行除草。当感应触杆碰到植株时，液压缸开始作用，使斜拉杆旋转一定的角度，从而使立式除草刀绕过葡萄树进入其余相邻两棵葡萄树之间进行除草。液压缸运动由液压换向阀来保证，感应触杆负责向液压换向阀提供信号。感应触杆采用柔性良好的弹簧钢材料，遇到障碍时能够产生弹性变形，从而保证良好的信号传输[7-8]。

　　3.2运动轨迹分析

　　为了研究株间除草装置自动避障的性能，需要在ADAMS软件中建立株间除草装置的模型，对整个装置添加转动、移动、碰撞、同轴等约束。插入弹簧单元，弹簧刚度系数为5N/mm。插入阻尼单元，其大小可根据拖拉机的行驶速度、液压缸的初始速度、阻力等参数确定[9]。建立葡萄藤的三维模型，设定各葡萄藤的间距为100mm，当拖拉机行驶速度为10～15km/h时，整机运动相对较为平稳。因此，可设定整机与葡萄藤的相对运动速度为380mm/s，初始时斜拉杆与拖拉机行驶速度之间的夹角为60°。

　　设定油缸的驱动速度，并通过建立传感器模拟感应触杆。设置液压缸的驱动速度和拖拉机的行驶速度，进行仿真分析。为了研究立式除草刀最优的液压缸驱动速度，初选驱动速度为40mm/s、50mm/s、60mm/s、70mm/s，仿真立式除草刀回转中心在四种不同驱动速度下的运动轨迹。由仿真分析结果可知，液压缸运动速度越快，立式除草刀回转中心运动轨迹越远离葡萄藤，在除草过程中越能避免对葡萄藤产生损伤，但同时除草刀未覆盖的面积也越大，越容易造成杂草漏除。因此，需要综合考虑，选取较为适宜的液压缸驱动速度。四条运动轨迹中，当液压缸驱动速度为60mm/s时，运动轨迹上任意一点到葡萄藤的距离均大于立式除草刀的回转半径，能够有效防止除草刀损伤葡萄藤，并有一定的余量，能够较好地满足除草要求。

　　3.3运动学分析

　　通过对立式除草刀回转中心进行测量，得到立式除草刀回转中心的位移、速度、加速度曲线。立式除草刀回转中心位移、速度、加速度不会出现较大的冲击，能够平缓地完成整个除草工作。因此，可以预测在避障除草过程中，不会出现刀具忽快忽慢、时缓时急的现象，也就不容易造成除草过程的中断，使整个除草过程的可靠性增强。

　　4立式除草刀有限元分析

　　立式除草刀材料采用60Si2Mn弹簧钢，为增强立式除草刀的硬度，刀片经过表面淬火处理，刀片外圆及端面均经过刃磨。立式除草刀是整个除草过程中的关键部件，对整个除草过程起到重要作用，因此，需要对其进行动力学分析，防止立式除草刀受到损坏。将由Unigraphics软件完成的立式除草刀三维模型导入ANSYS软件，设置模型弹性模量、泊松比及材料密度，采用Solid45单元对模型进行网格划分[10]。立式除草刀盘内孔连接刀轴，对内孔进行固定，在刀具两切削刃方向施加1200N力，然后进行求解计算。结果表明，立式除草刀应力最大值为81.75MPa，远小于材料的许用应力1180MPa，因此能够满足葡萄园的除草要求。

　　5结束语

　　根据蓬莱市葡萄种植的特点，设计了一种葡萄园自动避障除草机。应用ADAMS软件仿真液压缸的驱动速度，得出最优的驱动速度。应用ANSYS软件对株间除草装置进行运动轨迹分析和运动学分析，结果表明装置能够自动避开障碍物而不损伤葡萄藤，并且能够有效除去葡萄株间杂草。

　　参考文献

　　[1]杜文圣，王睿晗，周天文.葡萄园自动避障除草机的设计[J].机械制造，2018，56(5)：42-44.

　　[2]徐丽明，于畅畅，刘文，等.篱架式栽培葡萄株间除草机自动避障机构优化设计[J].农业工程学报，2018，34(7)：23-30.

　　[3]刘文，徐丽明，邢洁洁，等.作物株间机械除草技术的研究现状[J].农机化研究，2017，39(1)：243-250.

　　[4]刘玉洁，陈聪.基于物联网的果园避障除草机定位导航控制系统研究[J].农机化研究，2018，40(9)：223-226.

　　[5]王会明，侯加林，赵耀华，等.拖拉机液压悬挂机构自动控制系统[J].农业机械学报，2006，37(10)：42-45，49.

　　作者：杜文圣，王睿晗