双圆盘果园生草刈割机由小型拖拉机、连接架、传动机构、升降杆、减速器和切割装置等组成。其中, 切割装置采用前悬挂连接在小型拖拉机上, 通过液压缸控制起落, 从而调整割茬高度。该切割装置由圆形刀盘、拨草滚筒和经过化学热处理的合金钢刀片组成, 刀片与刀盘铰接, 碰到障碍物时能够回弹, 提高了使用寿命, 该刈割机结构如图1所示。

图1

Fig. 1

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	图1 圆盘式果园刈割机结构图Fig. 1 Structure drawing of the disc lawn mower

果园生草刈割机技术参数设计如表1所列。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 刈割机技术参数 Table 1 Technical parameters of the grass mower 技术参数Technical parameter 数值Figure 配套动力Power/ kW 5.7 重量Weigh/kg 137 刀盘直径Disc diameter/mm 320 工作幅宽Working width/mm 820 刀片数Blade number/piece 6 工作速度Forward velocity/(km· h-1) 2~4 切割高度Cutting height/mm 50~60

表1 刈割机技术参数 Table 1 Technical parameters of the grass mower

旋转式切割器工作时, 刀片的运动由旋转运动和直线运动合成, 刀片某一点对地面的轨迹为余摆线, 刀片刃线对地面所扫过的面积为余摆带, 其带宽与刀片伸出高度相近似^{[7, 8]}。刀片根部的速度最低, 在任意时刻, 根部刃口的绝对速度为:

v_g= (r2ω2+2rωvjcos(ωt+γ)+vj2。 (1)

当ω t+γ =π +2kπ (k=0, 1, 2, …, n)时:

v_g=v_gmin=rω -v_j。 (2)

式中: v_g为切割速度(m· s^-1); v_gmin为刀片刃口最低速度(m· s^-1); r为刀片内端半径(mm); ω 为角速度(rad· s^-1); v_j为刈割机前进速度(r· s^-1)。

研究资料显示, 旋转式无支承切割时刀片刃口最小极限速度为30 m· s^-1, 其切割速度v_g应大于最小极限速度, 一般为 50~90 m· s^{-1 [9, 10, 11]}, 刈割机切割器转速为:

n= 30(vj+vg)πr。 (3)

式中:r= D(2-h), D为刀盘直径(mm); h= πDvjmvg, h为刀片伸出长度(mm), m为刀片数。

当刈割机各参数一定时, 其最大前进速度可根据上述公式得到:

v_jmax=(mhv_g)/π D。 (4)

式中:v_jmax为刈割机最大前进速度(m· s^-1)。

由于切割装置是刈割机最关键的部分, 其结构好坏直接影响割草效率, 也会间接影响果树的生长发育。

目前应用于我国果园最常见的有两种切割器, 一是往复式, 其切割平稳, 能耗较低, 但是容易缠草、发生堵塞; 另一种是圆盘式, 其耗能高, 但是切割力大, 破草率低, 所以本研究采用圆盘式割草装置进行工作过程仿真试验。先用Solidworks软件建立刈割机切割装置的三维仿真模型^{[12, 13, 14]}, 如图2所示。并对机构进行静态干涉检查, 没有发现问题。

图2

Fig. 2

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	图2 圆盘切割器的仿真模型Fig. 2 Simulation model of the disc cutting unit

将Solidworks画出的零件图组成装配图, 保存为parasolid(.x_t)格式, 导入ADAMS中, 然后对导入的模型添加约束和运动副, 设置好切割器的旋转速度、前进速度和材料等参数, 点击工具栏中的仿真按钮, 在Simulation中, 设置仿真终止时间(end time)为0.03, 步长(steps)保持为1 000, 开始运动仿真, 可以得到切割装置中刀片最外部端点的运动轨迹^[15]。仿真完成后, 追踪该端点的运动曲线, 如图3所示。

图3

Fig. 3

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	图3 运动轨迹Fig. 3 The trajectory figure of the blade

在得到运动轨迹的基础上, 可以通过仿真, 得到圆盘切割器转过一周时刀片的重割和漏割面积图(图4)。

图4

Fig. 4

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	图4 切割面积图 蓝色部分Ⅰ 表示漏割区, 绿色部分Ⅱ 表示一次重割区, 黑色部分Ⅲ 表示二次重割区。Fig. 4 Chart of cutting area Ⅰ , leakage cutting area; Ⅱ , one-time repeated cutting area; Ⅲ , second-time repeated cutting area.

在对切割装置虚拟样机的仿真过程中发现, 其几何参数和运动参数决定了收获区域的面积、重割区与漏割区面积及收获的效率, 其中, 刈割机前进速度、刀盘旋转速度、刀片数是影响重割率(全割幅范围内测定

单位面积平均收获牧草中无头草节质量与单位面积应收牧草质量之比)和漏割率(全割幅范围内测定未割牧草去掉割茬后的质量与单位面积应收牧草质量之比)的3个关键性因素, 参考现有的圆盘刈割机工作参数, 选择虚拟切割装置的旋转速度为1 400~2 200 r· min^-1, 前进速度为2.04~3.40 km· h^-1, 刀片数为3, 刀片内端半径为160 mm, 刀片伸出长度为45 mm。选用 L₉(3⁴)正交表进行正交试验, 以重割率和漏割率为综合评价标准^{[16, 17]}, 对切割器参数优化设计, 其试验因素水平表如表2所列。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 试验设计及结果 Table 2 Experimental design and results 序号 Order number A B C 指标Index 前进速度 Forward velocity/ (km· h-1) 刀盘转速 Rotation speed/ (r· min-1) 刀片数 Blade/piece 重割率 Recutting ratio/% 漏割率 Leakage/% (1) 2.46 1 800 2 17.12 1.22 (2) 2.46 2 000 3 15.03 0.85 (3) 2.46 2 200 4 24.26 2.82 (4) 2.74 1 800 3 18.78 1.73 (5) 2.74 2 000 4 16.27 0.97 (6) 2.74 2 200 2 17.17 1.71 (7) 3.00 1 800 4 18.33 1.78 (8) 3.00 2 000 2 17.91 1.45 (9) 3.00 2 200 3 18.31 1.28

表2 试验设计及结果 Table 2 Experimental design and results

利用正交设计助手软件设计了9组试验, 如表2所列。

根据表2中的试验数据, 对结果进行极差分析, 运用正交试验软件Design-expert得到直观分析表, 如表4所列。

根据正交设计原理, 极差能表示各因素水平对试验指标的影响大小。对于重割率来说, 因素主次顺序为B、C、A, 较优组合为B₂C₂A₂; 对于漏割率来说, 因素主次顺序为B、C、A, 较优组合为B₂C₂A₂(表3)。根据综合平衡法^[18]得到切割器动力参数的最优组合是B₂C₂A₂, 即旋转速度为2 000 r· min^-1, 刀片数为3片, 前进速度为2.74 km· h^-1时, 割草效果较优。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 直观分析表 Table 3 Visual analysis table 指标 Index 因素 Factor 各水平均值Average 极差R Range R 优水平 Optimization level 水平1 Level 1 水平2 Level 2 水平3 Level 3 重割率 Recutting ratio A 18.803 17.407 18.183 1.396 A2 B 18.077 16.403 19.913 3.510 B2 C 17.400 17.373 19.620 2.247 C2 漏割率 Leakage A 1.630 1.470 1.503 0.160 A2 B 1.577 1.090 1.937 0.847 B2 C 1.460 1.287 1.857 0.570 C2

表3 直观分析表 Table 3 Visual analysis table

2017年7月, 对已有样机的运动参数作出改进, 刀盘旋转速度由原来的2 200 r· min^-1改为2 000 r· min^-1, 前进速度由原来的3.00 km· h^-1改为2.74 km· h^-1, 刀盘数不变, 为3片。然后在山东农业大学进行田间试验, 依据国家标准^[19], 试验地面积为4 hm², 地面平整, 无大块碎石。作业对象是苜蓿(Medicago sativa), 无倒伏。并以秒表、钢尺、卷尺、电子秤为辅助; 在试验田内取5个测试区, 面积均为1 m², 按照要求的割茬高度将所有苜蓿草割下, 再将5个测区内割下的苜蓿混合后称重, 即为5 m²应收苜蓿草质量; 另取两个测试区, 测区长1 m, 宽1 m, 每个测区内刈割机往返一次进行作业, 等距测量4次割幅, 取平均值, 即为实际割幅; 将割下的无节头^[20]苜蓿收集称重, 即为重割草的质量; 再将未切割的苜蓿进行切割并收集称重, 即为漏割草的质量。

对该果园生草刈割机的工作参数优化^[21]后, 重割草质量由182.22 g降到146.10 g, 漏割草质量由15.35 g降到6.30 g, 重割率与漏割率有了明显的减少(表4)。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 刈割机性能测试结果 Table 4 Test results of mower performance 项目 Program 优化后 After optimization 优化前 Before optimization 前进速度 Forward velocity/(km· h-1) 2.74 3.00 割幅Cutting width/mm 820 820 刀盘转速 Rotation speed/(r· min-1) 2 000 1 600 刀片数Blade/piece 3 3 漏割草质量Leakage weight/g 6.30 15.35 重割草质量Recut weight/g 146.10 182.22 重割率Recutting ratio/% 14.83 20.66 漏割率Leakage/% 0.64 1.74

表4 刈割机性能测试结果 Table 4 Test results of mower performance