摘要：針對蓬萊市葡萄園矮化密植的種植特點，設計了一種既能完成行間除草，又能完成株間除草的葡萄園自動避障除草機。應用Unigraphics軟件完成除草機的樣機三維模型設計，將模型導入ADAMS軟件進行虛擬樣機仿真，并應用ANSYS軟件對立式除草刀進行受力分析。通過仿真，確認這一除草機能夠滿足葡萄園除草的要求。

　　關鍵詞：葡萄園除草機設計仿真

　　1設計背景

　　近年來，隨著蓬萊市葡萄種植的規模增大，草害問題逐漸凸顯出來，成為困擾種植戶的主要問題之一。目前，葡萄園的除草方式主要有人工除草、化學除草、機械除草。人工除草的主要特點是除草較為干凈，能夠除去行間及株間雜草，但是勞動強度大，除草效率低。化學除草的主要特點是高效、省時、省力，但容易造成土壤板結及提高雜草的抗藥性。機械除草能夠克服人工除草與化學除草的缺點，具有效率高、環保、經濟效益好等優點。綜合分析以上三種除草方式，機械除草是目前最適合蓬萊市葡萄園的除草方式。目前市場上大部分除草機械只能除去葡萄園行間的雜草，對葡萄園株間的雜草則無能為力。因此，需要設計一種結構簡單的除草機械，既能除去行間雜草，又能除去株間雜草。

　　農業論文投稿刊物：《農業工程學報》是由中國科學技術協會主管，中國農業工程學會主辦的全國性學術期刊。國際刊號ISSN：1002-6819;國內刊號CN：11-2047/S，郵發代號：18-57。讀者對象為農業工程學科及相關領域的科研、教學及生產科技人員、技術管理及推廣人員和大院校師生。

　　2除草機總體設計

　　2.1工作原理

　　葡萄園自動避障除草機主要由錐齒輪換向器、液壓系統、臥式除草刀、立式除草刀、感應觸桿等組成。除草機采用標準的三點懸架懸掛在拖拉機上[1-3]，動力由拖拉機發動機通過萬向節伸縮傳動軸傳入，通過錐齒輪換向器改變動力的方向，并將動力分為兩部分。一部分經皮帶傳動傳遞至臥式除草刀，實現葡萄園的行間除草。另一部分通過液壓系統轉換傳遞至液壓缸與立式除草刀，實現葡萄園的株間除草。當感應觸桿碰觸到葡萄藤或水泥立柱時，信號將傳遞至液壓系統，通過電磁換向閥來控制液壓缸的伸出與收縮，實現立式除草刀的自動避障功能，保證立式除草刀不損傷葡萄藤，并且不會碰撞立柱。

　　2.2主要參數

　　對所設計的葡萄園自動避障除草機結構進行分析，影響除草效果的主要因素有拖拉機行駛速度、除草刀端點處線速度與拖拉機行駛速度之比、立式除草刀伸出距離、液壓缸驅動速度[4-6]。(1)拖拉機的行駛速度。整個除草機懸掛在拖拉機上，所以除草機的工作速度由拖拉機的行駛速度決定，拖拉機的行駛速度則主要由除草裝置工況決定。(2)除草刀端點處線速度與拖拉機行駛速度之比λ。臥式除草刀和立式除草刀在進行除草時，刀具對雜草的覆蓋率都與λ有關。λ取值越小，刀具對雜草的覆蓋率就越低。λ取值越大，刀具對雜草的覆蓋率就越高。

　　(3)立式除草刀的伸出距離。立式除草刀的伸出距離決定了株間除草裝置避障的效果，伸出距離太長和太短都會影響避障效果，對葡萄植株造成損傷。(4)液壓缸的驅動速度。立式除草刀的避障功能需要液壓缸驅動來完成，可見，液壓缸的驅動速度直接影響避障和除草的效果。

　　3株間除草裝置設計與分析

　　3.1裝置結構

　　株間除草裝置是整個除草機中最重要的部分，由液壓馬達、立式除草刀、感應觸桿、液壓缸、斜拉桿等組成。株間除草裝置安裝于除草機右側邊板上，能夠除去葡萄根部的雜草。行間除草時，立式除草刀伸入兩棵葡萄樹之間進行除草。當感應觸桿碰到植株時，液壓缸開始作用，使斜拉桿旋轉一定的角度，從而使立式除草刀繞過葡萄樹進入其余相鄰兩棵葡萄樹之間進行除草。液壓缸運動由液壓換向閥來保證，感應觸桿負責向液壓換向閥提供信號。感應觸桿采用柔性良好的彈簧鋼材料，遇到障礙時能夠產生彈性變形，從而保證良好的信號傳輸[7-8]。

　　3.2運動軌跡分析

　　為了研究株間除草裝置自動避障的性能，需要在ADAMS軟件中建立株間除草裝置的模型，對整個裝置添加轉動、移動、碰撞、同軸等約束。插入彈簧單元，彈簧剛度系數為5N/mm。插入阻尼單元，其大小可根據拖拉機的行駛速度、液壓缸的初始速度、阻力等參數確定[9]。建立葡萄藤的三維模型，設定各葡萄藤的間距為100mm，當拖拉機行駛速度為10～15km/h時，整機運動相對較為平穩。因此，可設定整機與葡萄藤的相對運動速度為380mm/s，初始時斜拉桿與拖拉機行駛速度之間的夾角為60°。

　　設定油缸的驅動速度，并通過建立傳感器模擬感應觸桿。設置液壓缸的驅動速度和拖拉機的行駛速度，進行仿真分析。為了研究立式除草刀最優的液壓缸驅動速度，初選驅動速度為40mm/s、50mm/s、60mm/s、70mm/s，仿真立式除草刀回轉中心在四種不同驅動速度下的運動軌跡。由仿真分析結果可知，液壓缸運動速度越快，立式除草刀回轉中心運動軌跡越遠離葡萄藤，在除草過程中越能避免對葡萄藤產生損傷，但同時除草刀未覆蓋的面積也越大，越容易造成雜草漏除。因此，需要綜合考慮，選取較為適宜的液壓缸驅動速度。四條運動軌跡中，當液壓缸驅動速度為60mm/s時，運動軌跡上任意一點到葡萄藤的距離均大于立式除草刀的回轉半徑，能夠有效防止除草刀損傷葡萄藤，并有一定的余量，能夠較好地滿足除草要求。

　　3.3運動學分析

　　通過對立式除草刀回轉中心進行測量，得到立式除草刀回轉中心的位移、速度、加速度曲線。立式除草刀回轉中心位移、速度、加速度不會出現較大的沖擊，能夠平緩地完成整個除草工作。因此，可以預測在避障除草過程中，不會出現刀具忽快忽慢、時緩時急的現象，也就不容易造成除草過程的中斷，使整個除草過程的可靠性增強。

　　4立式除草刀有限元分析

　　立式除草刀材料采用60Si2Mn彈簧鋼，為增強立式除草刀的硬度，刀片經過表面淬火處理，刀片外圓及端面均經過刃磨。立式除草刀是整個除草過程中的關鍵部件，對整個除草過程起到重要作用，因此，需要對其進行動力學分析，防止立式除草刀受到損壞。將由Unigraphics軟件完成的立式除草刀三維模型導入ANSYS軟件，設置模型彈性模量、泊松比及材料密度，采用Solid45單元對模型進行網格劃分[10]。立式除草刀盤內孔連接刀軸，對內孔進行固定，在刀具兩切削刃方向施加1200N力，然后進行求解計算。結果表明，立式除草刀應力最大值為81.75MPa，遠小于材料的許用應力1180MPa，因此能夠滿足葡萄園的除草要求。

　　5結束語

　　根據蓬萊市葡萄種植的特點，設計了一種葡萄園自動避障除草機。應用ADAMS軟件仿真液壓缸的驅動速度，得出最優的驅動速度。應用ANSYS軟件對株間除草裝置進行運動軌跡分析和運動學分析，結果表明裝置能夠自動避開障礙物而不損傷葡萄藤，并且能夠有效除去葡萄株間雜草。

　　參考文獻

　　[1]杜文圣，王睿晗，周天文.葡萄園自動避障除草機的設計[J].機械制造，2018，56(5)：42-44.

　　[2]徐麗明，于暢暢，劉文，等.籬架式栽培葡萄株間除草機自動避障機構優化設計[J].農業工程學報，2018，34(7)：23-30.

　　[3]劉文，徐麗明，邢潔潔，等.作物株間機械除草技術的研究現狀[J].農機化研究，2017，39(1)：243-250.

　　[4]劉玉潔，陳聰.基于物聯網的果園避障除草機定位導航控制系統研究[J].農機化研究，2018，40(9)：223-226.

　　[5]王會明，侯加林，趙耀華，等.拖拉機液壓懸掛機構自動控制系統[J].農業機械學報，2006，37(10)：42-45，49.

　　作者：杜文圣，王睿晗