凸輪搖桿式擺動型玉米株間除草裝置優化設計摘要：近年來，國內外對草害的研究熱度一直未減，除草方式多種多樣，除草設備也在不斷地更新。為了有效地減輕農民的勞動強度，緩解除草劑中化學物質對環境造成的不良影響，加大對機械除草的研發力度勢在必得。結合東北地區玉米種植模式與土壤環境的特點，本文旨在設計一種國內機械除草設備研究中存在不足的苗間除草裝置。主要研究內容和結論如下：株間除草裝置主要是利用凸輪搖桿擺動機構的運動來實現除草刀在苗間的除草作業，該除草裝置旨在降低常規耕作苗間除草時玉米幼苗的受損率，提高苗間除草的效率。主要對株間除草裝置關鍵部件的結構及工作原理進行了分析，建立了裝置除草過程路徑的數學模型，并對除草路徑進行優化處理，在理論分析的基礎上對關鍵部件凸輪搖桿、除草機構進行結構設計。關鍵詞：苗間除草裝置；玉米幼苗；搖桿機構；優化設計緒論我國作為農業大國，農業的快速發展是社會穩定和人民生活水平提高的重要標準。玉米是我國主要農作物之一，也是世界上最重要的食糧作物之一，特別在非洲比較落后的國家，玉米作為其主要口糧，具有重要的經濟和社會價值。我國種植的玉米比較雜亂，地塊大小不一，行距株距多種多樣，玉米的種植主要集中在我國北方地區。對于不同地區的玉米種植，影響玉米產量的因素之間也有很大的差異性，根據有關統計數據顯示，不同的玉米品種，各地方不同的生產管理模式，草害情況等都會直接影響到玉米的產量，其中草害情況對玉米產量的影響最為顯著。雜草是整個農業生態環境中不利的一部分，它的泛濫也是導致玉米減產的重要原因之一。雜草與玉米在生長的過程中存在著競爭關系，它不僅與玉米幼苗爭搶水肥，而且雜草生長速度比作物幼苗要快得多，先生長起來的雜草占據幼苗的生長空間使得幼苗光照嚴重不足，很難正常生長發育起來，最終導致玉米產量受損。苗間除草是我國精細農業田間中耕管理作業的重要部分之一，也是國內除草設備體系中尚未完善的地方。田間中的雜草不僅存在于行與行之間，作物株與株之間的雜草也不可小視，雜草的生命力往往要比作物幼苗要頑強得多，而且生長速度較快，它與作物幼苗爭搶水肥、光照，如果雜草得不到有效地控制將會導致玉米產量和品質大幅度下降。而除草是田間中耕管理十分繁瑣又十分繁瑣的過程，而且需要在雜草很小的時候短時間內將其除掉，雜草生長的周期性較強，除草過程用工量較大。當前，國內主要以化學除草為主，人工除草、機械除草為輔的一種模式。噴灑除草劑是一種化學除草方式，是我國目前農民采用最多的一種除草手段，除草劑中含有的一些化學物質的確可以有效的殺死雜草，但同時也會影響到作物幼苗的正常生產，不宜過多使用；在我國貧困山區最原始的人力除草最為常見，雖然除凈率高、除后雜草不易存活，但勞動強度大。近年來，有關工作部門為了有效地減輕農民的勞動強度，緩解除草劑中化學物質對環境造成的不良影響，開始大力開發高效環保的機械除草設備。國內對田間作物行間除草設備的研發技術已經比較成熟，研制出了各式各樣的除草機。但是，對于生長在玉米苗與苗之間的雜草，由于雜草比較靠近玉米植株，用現有的除草機無法達到除草的目的，這也是機械除草中將要面臨的一個很大的難題。有鑒于此，開發和設計一種新型的株間除草設備至關重要，通過對除草機關鍵部件的研究設計來降低整機功耗意義重大。凸輪搖桿式擺動型玉米株間除草裝置結構及工作原理裝置結構組成除草裝置主要由轉軸、彈簧、齒輪、凸輪、除草刀片等組成，如圖2-1所示。該設備主要通過轉軸、齒輪以及凸輪搖桿等關鍵工作部件之間的密切配合來實現玉米株間除草避苗的過程，進而達到玉米幼苗間除草的目的，這種方法即高效又實用。1.主動軸2.主動齒輪3.擺桿4.凸輪5.刀軸6.除草刀7.從動齒輪8.支座9.回位彈簧10.從動軸圖2-1凸輪搖桿式擺動型玉米株間除草裝置結構圖圖2-2凸輪搖桿式擺動型玉米株間除草裝置三維模型工作原理機器在作業之前，需要我們先將凸輪搖桿式擺動型苗間除草裝置安裝在事先設計好的與之配套的中耕除草機設備之上，接著才是進入到工作狀態。設備在沒有工作時兩除草刀始終是處于閉合的狀態，在田間工作時隨機組不斷前進，除草刀開始對玉米幼苗之間的雜草進行切除作業，在除草刀即將觸碰到玉米幼苗時，智能檢測控制系統端發出反饋信號傳遞給電機控制系統使得電動機開始工作；電動機驅動主軸轉動，主軸將動力傳遞給齒輪，然后旋轉的齒輪再將動力傳給凸輪，最后凸輪把擺桿推開進而與之相連的除草刀由閉合狀態迅速分離，從而達到了成功避苗的目的，待除草刀經過玉米幼苗后，在兩側彈簧的作用下除草刀片又回到閉合狀態，從而完成了一次除草避苗的全過程，其除草避苗過程的示意圖如圖2-3所示。圖2-3凸輪搖桿式擺動型苗間除草裝置除草避苗過程凸輪搖桿式擺動型玉米株間除草裝置關鍵部件設計除草刀片的設計除草刀片是本裝置最關鍵部件之一，為保證該裝置盡量發揮出更高性能，應結合地區環境、工作環境和功耗等因素對該部件仔細研究。其研究方向包括選用鋼材、切刃曲線設計及尺寸等。刀片結構尺寸的優化設計如圖3-1所示，除草刀片的結構尺寸包括刀寬L1，除草刀回轉中心與刀尖距離L2和至刀背距離L3，除草刀的寬度直接影響到除草作業程度的好壞，如果尺寸過小就會大大降低苗間覆蓋率，除草率也會隨之降低，尺寸過大則會增加整機功耗，根據前人大量的實驗研究，一般取l/2≤L1≤l，l為壟臺寬度。我國東北壟作地區壟臺的尺寸大部分在175mm左右，根據相關研究結果取L1=0.6l=105mm。選取適當的刀片回轉中心能夠大大減小其工作時所需的阻力矩，取l/4<L2<L1，則L2取65mm，L3取11mm。1.玉米苗2.除草刀3.玉米壟臺圖3-1除草刀片結構尺寸示意圖刀刃曲線設計苗間除草裝置最直接的工作部件就是除草刀片，除草刀的結構尺寸對除草效果、傷苗率以及整機功耗有一定的影響。同時，為了避免發生刀尖纏草的現象，可以將刀片設計成斜切口，機具在工作的過程當中，當遇到雜草的時候，就能夠通過刀片的兩端劃開，滑切的存在也可以有效地降低功率消耗。在設計刀片刃口線時采用阿基米德螺線式曲線。其曲線方程為： （3-1）式中r—曲線上某點的極徑，mm；r0—曲線開始極徑，mm；K—滑切角值與極徑的比例系數；θ—曲線上某點的極角，rad。通過查閱《農業機械設計手冊》最終確定r0為110mm，K取0.75除草機刀片在作業的過程中始終與土壤接觸，因此刀片應選用耐磨性較好的材料，45號鋼表面經過熱處理后其硬度可以達到HRC45；如果除草刀片厚度過薄在進行熱處理時很容易產生較大的彎曲量，因此除草刀不宜過薄，本設計中選擇除草刀的厚度為8mm，除草刀三維圖如圖3-2所示。1.除草刀片2.刀片固定桿圖3-2除草刀三維圖凸輪搖桿機構設計由前一章對凸輪搖桿式擺動型苗間除草裝置工作原理的分析可知，凸輪機構的結構參數直接影響到苗間除草時除草效果和避苗性能，凸輪輪廓曲線的形式直接決定了除草避苗的運動路徑，本采用解析的方法設計凸輪機構的曲線基本思路，在控制刀片除草的過程中根據避苗軌跡要求，選擇各個時刻合適三維凸輪角度，弄清擺桿的最大移動量。只有在凸輪運動軌跡恰到好處時，才能實現避苗除草的目的。可以借助凸輪機構基本參數和運動方程來設計比較符合要求的輪廓曲線。凸輪機構最大移動量及運動角的確定對玉米幼苗基本物理參數進行測定，測量得到玉米土下15mm左右處根系的寬度大部分都居中在43mm左右。在設計凸輪機構的時候就可以確定好它的直徑應取d1=60mm，這樣一來就能夠保證在幼苗根部生長的最大范圍內進行除草，可以通過圖3-3發現，本文取L=d1。通過圖解法可推導出兩除草刀最大擺動角度為π/4，此時凸輪最大移動量為ψm=π/4。圖3-3凸輪機構最大張角示意圖通過上文對除草裝置的工作過程進行理論分析，可以發現凸輪結構參數對除草效果有著直接的影響，為了滿足除草設備在工作的過程中能夠成功地避開玉米幼苗進行除草，為此設計了凸輪外輪廓曲線所形成的轉動的角度，確定了擺桿的最大位置點。根據凸輪的工作原理，在設計凸輪時，通過運動方程來確定凸輪的外輪廓曲線。如圖3-4a所示，凸輪的運動角由推程運動角?、回程運動角?'、遠休止角?s、近休止角?'s組成。a）凸輪工作段b）避苗運動軌跡圖3-4凸輪工作段及在避苗軌跡上對應的位置為更進一步解釋避苗運動軌跡可得其設計要求主要有： (3-2)同時有： (3-3)式中v0—除草機前進速度，m/s；ω—凸輪角速度，rad/s；SCD—凸輪轉過遠休止段，除草刀移動的距離，m；SFB、SEF—凸輪轉過近休止段一半，除草刀移動的距離，m。將式（3-3）代入式（3-2）可求得5π/24<?s<3π/8，?'s<?s。凸輪各區間段要按照一定原則進行劃分：增大凸輪推程工段，確保兩除草刀片能夠快速無誤地分開形成一定的空間距離；凸輪能夠從推進工段慢慢的過渡至回位工段，此過程是為了確保除草刀片安全順利渡過玉米苗；凸輪再由回位工段快速的過渡至推程工段，有效地增加了除草刀在苗與苗之間的停留時間，大大提高了除草效果。由上文避苗路徑的理論分析，得知凸輪近靜止角為11π/36，推出角為2π/3，返回角為2π/3，遠靜止角為13π/36。凸輪運動規律選擇及基本參數確定為了使凸輪運動時不產生振動并減小凸輪外緣與擺桿之間的沖擊，凸輪運用正弦加速度運動機理，擺桿位移的計算公式為： (3-4)式中φ—凸輪運動角，rad；Ψ—凸輪擺角，rad。凸輪機構的基圓半徑Rb和中心距LOA，都是根據凸輪外輪廓曲線運動規律得到的。如圖3-5所示，凸輪機構的中心距取合理的值時，可大大降低機構作業的總推力，FN為凸輪作用在擺桿上的推力，計算凸輪機構中心距的公式為： (3-5)式中Mr—擺桿的工作力，N；JA—擺桿繞軸心轉動的慣動矩，kg﹒m；LAT—搖桿回轉中心與凸輪接觸點的距離，m。圖3-5凸輪機構基本參數本文取凸輪機構的中心距為LOA=63.5mm。選擇基圓半徑的基本依據是要保證平底從動件凸輪外輪廓都呈現外凸的形式，即凸輪的曲率半徑Rk始終大于0。 (3-6)其中 (3-7)在Rk=0時，基圓半徑Rbmin=35mm，在設計中取基圓半徑Rb為37mm。凸輪機構輪廓曲線的設計如圖3-6所示，以點O為坐標原點，建立平面直角坐標系xOy。圖3-6凸輪機構輪廓曲線設計根據運動的理論分析，利用反轉的方法得出凸輪輪廓曲線在二維坐標軸上的計算公式： (3-8)式中θK——凸輪廓線的極角，rad；ρK——凸輪廓線的極徑，m。其中 (3-9) (3-10)將從動件運動角參數和相應的凸輪轉角代入式(3-8)，可以計算出凸輪輪廓的坐標值，凸輪三維模型如圖3-7所示。圖3-7凸輪三維模型圖擺桿長度的確定選擇合適的擺桿長度，可以提高整個裝置的除草效率，以下面就是擺桿長度的計算公式： (3-11)且擺桿邊緣點至軸心的距離也應滿足： (3-12)將相關數據代入上式，可以計算出擺桿長度為65mm。凸輪搖桿式擺動型苗間除草裝置運動軌跡分析與建模除草刀避苗運動軌跡分析如圖4-1所示，L1為兩棵玉米苗之間的距離，d1為玉米苗根部保護區，根據東北地區壟作種植的特征，本章將除草過程中的避苗運動軌跡假設成“菱形”，避苗過程可以細分為三個部分：兩刀片分離過程、除草刀以最大開度角通過苗區過程、兩刀片回位閉合的過程。圖4-1除草裝置避苗運動軌跡規劃除草刀運動軌跡數學模型建立在除草的整個過程中，不同時刻兩除草刀所處的狀態順序為：分離，越苗和閉合三個狀態。分離、閉合過程是合成運動，越苗過程是均勻的直線運動。選擇刀片尖點M進行分析，以除草刀的回轉軸作為坐標原點，X軸的正向為機具的移動方向。除草刀運動軌跡的數學模型如圖4-2所示。在除草的整個過程中，刀片尖點M的軌跡方程為：兩刀片分離過程： (4-1)除草刀越過玉米苗過程： (4-2)除草刀回位過程： (4-3)式中ρ—M點的極徑，m；θ0—初始時M點和坐標原點連線與x軸方向的夾角，rad；S0—從初始到完全張開，除草刀的位移，m；θ1—刀齒張開到最大位置時M點極徑與x軸方向的夾角，rad；ω1—刀片角速度，rad/s；S1—除草刀越苗過程中，其所走的位移，m。由以上幾式可知，除草的整個過程中刀片尖點M的運動路徑與機具移動速度和刀片角速度有關。在確定好除草刀曲線運動軌跡方程后，通過任意改變機具移動速度或刀片角速度都可使得除草刀運動路徑發生變化，以提高苗間除草效果。可計算出三個運動時刻刀尖M點的絕對速度： (4-4)式中va1—除草分離開過程中，M點的絕對速度；va2—除草刀越苗過程中，M點的絕對速度；va3—除草刀閉合過程中，M點的絕對速度。圖4-2除草刀運動學分析由式（4-4）可以看出，刀片的結構尺寸大小及有關參數對除草刀尖點M的絕對速度起到一定的影響。依據前人的研究成果以及自己的理論分析可以得出除草刀片的絕對速度對除草率和傷苗率都具有不同程度的影響。隨著速度的不斷提高，除草效果也隨之增大，但傷苗情況也不斷加劇。通常絕對速度不高于4m/s，除草機的作業速度一般為0.6~1m/s，ρ為0.071m，θ0為11π/180,θ1為13π/45，將已知參數代入上式，可以得到其轉速范圍為130~150r/min。結論因為株間機械除草的工作環境不僅復雜且干擾因素繁多，想要單方面的研究除草機械使其達到理想的苗間除草效果是十分困難的。本文針對玉米苗間除草技術還存在許多不足之處，結合現有機型的結構特點，借助現有的計算機模擬技術設計了一種凸輪搖桿式擺動型玉米苗間除草裝置，借助三維軟件完成了對裝置結構的立體建模。同時對除草裝置的工作過程進行描述，完成了對除草裝置除草避苗軌跡的分析，并建立避苗運動路徑數學模型。對除草裝置的關鍵部件進行結構設計和理論分析，根據玉米幼苗根部分布情況，設計了除草刀的總體尺寸，使裝置在除草率與能耗之間相互調和，使其即擁有良好的工作效率，有盡可能地降低能耗，與此同時杜絕刀尖纏草的現象發生；通過模擬裝置避苗過程確定除草裝置避苗軌跡為“菱形”，將凸輪外緣輪廓設計四個工作區間，將數值代入公式確定凸輪外緣輪廓曲線；采用反轉法建立凸輪輪廓曲線方程，得到了合理的凸輪輪廓曲線，最終確定了擺桿的長度。參考文獻權龍哲,張景禹,姜偉,李