果园割草机割茬高度机构运动分析与设计

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果园生草作为-项成熟技术，在世界苹果生产先进国家被广泛应用，我国绿色食品发展 中心于 1988年将果园生草纳人绿色食品果业生产体系并 向全国推广。果园生草能够改善果园环境小气候，改变土壤水分、热量、通气状况及土壤微生物的种类、数量和土壤酶活性因子；能够改善土壤的团玲构，扩大根系分布范围，提高根系吸收能力，延长根系生长时间；增加果树害虫的天敌数量种群，减少化肥和农药的使用量，减少农业环境污染 ，促进低碳果业发展 ，提高果品品质和产量 ；同时，可以防止水土流失。果园生草具有良好的生态效益、社会效益和显著的经济效益，是果业生产提质增效的有效途径-z J。

果园生草的作用需要在杂草适当控制的时候才能得以发挥。随着果园种植面积的不断扩大，控制果树行间草的生长态势所需工作量 日益增长，果园劳动成本增加。为了减轻劳动强度，提高劳动效率 ，设计了3GC-600型果园割草机，结构如图1所示。由于果园种植果品和地形的差异，因此对割草机割茬高度有不同的要求。针对 3GC-600型果园割草机割茬高度需要调整的要求 ，分析与刀盘高度变化范围相配合的割茬高度调整机构。

收稿日期：2012-08-23基金项目：国家苹果产业技术体系(CARS-28)果园机械岗；国家公益性行业科研(农业)专项经费项目(201203016)作者简介：李建平 (1978-)，男，河北保定人，讲师，硕士，(E-mail)ljpnd527###126.corn。

1.发动机 2.机架 3.机架上盖 4.刀盘部装 5.割茬高度调节机构6.前轮 7.后桥驱动 8.换挡机构 9.割茬高度 lO.把手图 1 3GC-600型果园割草机Fig.1 3GC-600 mover of orchard1 选择割茬高度调整机构要实现3GC-600型割草机割茬高度的调整，主要有两种方式：-是将割刀装置固定在机架上，通过调节机架与前后轮之间的垂直距离来调节刀盘与地面的距离，从而实现割茬高低的调整。此种调节方式简单，但是高度调节结构复杂，生产成本高，需要分别调整4个轮子与机架的距离，同时还存在刀盘与地面的调平问题。手动分别调节 4个轮子高度时，刀盘与地面的平行误差较大，此偏差较大会对作业质量和割茬高度有很大影响 j。二是刀盘位置高低调节方式，将机架与割草机的前后轮固定，通过调整刀盘的上下位置来调节割茬高低。

为了保证割茬高度整齐，保持不同割茬高度时刀盘与地面的平行，3GC-600型割草机选用平行四杆机构来调节刀盘的上下位置，从而实现割茬调整，具有结构简单、调节快捷简便且能够很好地保持刀盘与地面的平行的特点。对3GC-600型割草机升降参数进201 3年 8月 农 机 化 研 究 第 8期行分析，找到其相互之间的数学模型，并以此为基础给出割草机平行四杆割茬高度调整机构参数确定的方法。最后，利用三维仿真软件通过模型构建和运动仿真对升降参数的选择进行验证。

2 数学模型及参数选择2.1 割茬高度调整机构简图平行四杆式3GC-600型果园割草割茬高度调整机构如图2所示。绕z轴转动高度调节手柄，通过扭杆的转动带动拉杆 在xoy平面内绕 0点旋转。刀盘与拉杆 CD和 c D 固定在-起 ，与拉杆 BC和 C构成了平行四杆机构。通过拉杆 AB的拉动，整个割草机割茬高度调整机构构成了-个曲柄摇杆机构 J，通过杆 OA转动来调节刀盘的高度。其 中，B点位为- 球面空间运动副，从而杆 AB可以在-定空间范围内自由转动。

图 2 高差高度调整机构简图Fig.2 Altitude adjustment mechanism2.2 数学模型建立杆 OA与扭杆在 0点固连在-起，调节手柄绕 Z轴转动，带动杆 OA在 xoy平面内绕 0点转动相同角度。图3为杆 OA的转动图。

图3 OA转动图Fig.3 Rotation of OA杆 OA与 轴夹角为 0，绕 0点顺时针转动 角度后到达A 点。此时，A点沿 轴和Y轴的位移为axAl OAcosO-OAcos(0o1)l ，1、Ayal OAsin( )-OAsinO I通过杆AB的拉动，杆BC和杆CD将会在oyz平面内绕 0点沿逆时针方向转动，从而带动刀盘升高。图4为BCD转动图。CB，CD与 z轴和Y轴的夹角均为to，在AB杆的拉动下凹 和CD绕c点沿逆时针方向旋转-角度/3。转动后 B点位移为f△)，口 l CBsin(to )-CBsinto l ，”Az8j CBcosto-CBcos(to )l转动后 D点位移为J△ I CDsin(to卢)-CDsinto I r3、△yDl CDcosto-CDcos(to口)l图 4 B∞ 转动图Fig.4 Rotation of BCD由A，B和 D点的运动分析可知，A点在 xoy平面内沿Y轴方向的位移等于B点在yoz平面内沿Y轴方向位移，即△ ay (4)CB和 CD两杆固连在-起绕 C点转动，使刀盘在竖直方向上的位移为△日/tzD I CDsin( 8)-CDsinto I (5)综合以上对曲柄摇杆机构和平行四杆机构的运动分析，找到了在不同拉杆长度情况下高度调节手柄任意扭转角度 与刀盘升降位移 △日之间的关系。通过数学推导和割草机实际升降操作可知，把手扭转角度 在[Ol。， ]范围内可调，从而转角 与高度位移△日之间的函数为与曲柄摇杆结构各几何尺寸相关的多元高次函数。如果用人工试算或作图法来求解各几何参数是很费时的，因此可在计算机上编制程序，利用优化计算来完成设计。优化计算步骤如下：1)给定约束条件、约束变量的初值和计算步长，即g(0，to，OA，CB，CD)，g0(0，to，OA，CB，CD)，△(0，to，OA，CB，CD)；2)在 ∈[ ， ：]范围内，运用多维约束优化算法程序，通过计算机求得△日。

201 3年 8月 农 机 化 研 究 第 8期此时，满足约束条件的取值g。( ， ，OA，CB，CD)即为设计时选取的结构参数。

2.3 割茬高度调整机构参数确定依据果园割草的园艺要求 ，设定3GC-600型割草机的割茬高度范围是 50～100mm，割草机的割茬被分为6个 固定高度 可调，利用 优化计算 ，得到 OA：90mm，CBCD80ram。规定割茬高度在 中间位置时，高度与 Y轴夹角为 0。，OA沿 轴方向，CB上CD并且 CD与 Y轴夹角为 090。初始位置 (如图 2所示)；规定OA杆顺时针转动角度为正，反之为负～以上参数带人上面的数学推导公式，可以得到不同割茬高度要求时的初始位置的转角，如表 1所示。

表 1 割茬高度与转动角度Table 1 Cutting height and rotational angle割茬高度/m m 转角/(。)5060708090100- 16.13- 9.59- 3.183.189.5916.133 割茬高度调整机构设计建模AIP是Autodesk公司的-款三维设计软件，它提供了从三维模型创建、渲染、动画、模型分析、应力分析、运动仿真、数据转换、产生二维工程图以及支持二次开发等全面功能。利用 AIP进行割茬高度调整机构的设计、分析、数据管理、虚拟试验、仿真与制造在内的计算机辅助设计和生产的综合系统。

依据设定的割草机割茬高度调整机构基本参数，应用AIP软件的零件建模、部件建模、动力学仿真等功能对割茬高度调整机构进行三维建模，并在部件造型环境中对装配模型零件之间的运动关系进行装配约束定义。

通过装配约束的驱动，就可以模拟零件的运动，显示装配部件的运动形式 J。对刀盘的升降和扭杆转动在部件环境中进行约束驱动，验证上述建立的割草机割茬高度调整机构参数数学模型是否存在误差。

如果存在误差，分析出现误差的原因，并进-步完善数学模型。

图 5所示三维装配图为图2初始位置 ，此时平行四杆机构的刀盘拉杆处于水平位置，刀盘位于居中位置，距地面750ram。利用 AIP三维设计软件菜单栏工具中的测量角度工具，测得扭杆扭转角为0。。而后，分别改变刀盘的距地面的高度装配约束进行运动模拟，到达规定割茬高度，对应分别测量扭杆的扭转角度。规定顺时针方向扭转为正，反之为负，得到三维模型中割茬高度与扭杆旋转角度之间的关系，满足割茬高度调整机构参数确定值。

图 5 割茬 高度调整机构模 型Fig.5 Model oflifter利用三维软件运动模拟设计，便可以很准确地确定割茬高度调整机构的位置关系。随着设计进程的推进，还可以采用运动仿真等功能拈，对刀盘拉杆的拉力、扭杆扭矩以及各杆件的尺寸结构进行优化设计，达到机构设计合理、降低生产成本的要求。

4 结论1)通过对割草机割茬高度调整机构的类型分析，选取适合割草机割茬高度调节的平行四杆机构。

2)结合 3GC-600型果园割草机的升降调节形式组合成曲柄摇杆机构，通过对曲柄摇杆机构关键铰接点的运动分析，找到了刀盘升降高度与扭杆扭转角度的数学模型。

3)利用 AIP数字设计软件，构建了割茬高度调整机构的三维数字样机。通过对割茬高度调整机构的运动模拟，验证了数学模型的正确性，缩短了设计周期，优化和完善了割草机割茬高度调整机构。