履带式果园除草机除草装置的设计与仿真分析

邱进栋， 岳元满， 黄晓鹏， 万芳新

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

杂草对营养和水分的吸收能力较强，还会寄生病虫害，果园管理中除草问题十分突出[1-4]。近年来，随着人口老龄化问题越来越严重，劳动力资源匮乏的问题日渐突出，很多地区出现了老果园无人管理的现象，极大地影响了我国果业的发展[5-7]。传统的化学除草方式对土壤和水体造成不可修复的伤害，采用人工除草方式劳动强度较大、效率低[8]。应用机械除草方式较为环保，效率一般为人工除草的10～15倍，可有效节约劳动力成本。我国传统果园多位于浅山丘陵地带，果园内杂草具有分布广、繁殖快和难清除等特征[9]。因此，亟需对果园除草装置进行优化设计，以提高果园管理效率、减轻工人劳动强度、提高果农的经济收入[10-13]。

在前期实地调查研究的基础上，设计了一种履带式果园除草装置，通过ANSYS有限元分析软件对除草刀及刀轴进行静力学分析，研究了三种除草刀的可靠性，确定了除草刀在刀轴上的合理安装方式和参数，最终选择出适宜的除草刀型。

1 履带式果园除草装置结构设计

履带式果园除草机具有操控方便、转弯灵活、越障能力强、能量消耗低、适用性强等特点，是浅山丘陵地带果园除草的有力机具。履带式果园除草机整机三维模型如图1所示，除草工作装置结构简图如图2所示。

图1 除草机三维模型

图2 除草工作装置结构简图

除草工作装置由柴油发动机提供动力，经皮带传动将动力传递至除草机后部离合器，然后经双排主动链轮传递至除草工作装置。除草工作装置的升降由液压系统控制，整体升举液压装置主要调节草的留茬高度，便于在合适的区域、合理的深度进行除草。除草刀通过除草刀轴连接在除草装置连接架上，通过单排链传递动力，构成作业装置的主要部件。除草装置作为一个可移动的整体与“快速拆装架”连接，实现除草的目的。除草装置挂在快速拆装架上，并通过连接卡锁将除草装置整体连接在快速拆装架上，横向位调节液压装置用于除草装置连接位置的调节以及横向作业位置的调节。除草装置在安装架上安装完毕后，通过整体升举液压装置可调节除草装置整体的高度，通过纵向深度调节液压装置可进行深度和角度的微调。

2 除草装置关键部件设计

2.1 除草刀设计

为了获得良好的除草效果，设计了T型、Y型、直型三种类型除草刀，对比寻优获得适宜于实际作业的型式。

T型除草刀兼有砍切和滑切两种切断方式，刀片用螺丝固定在刀架上，更换刀片非常方便，并且在高速转动过程中受离心力的作用最终作用在刀片上的力较大，便于完成除草作业，刀片的总重量适中，高速转动过程中平稳性好，能耗损失低，适合长期推广使用。T型刀的结构如图3所示，除草刀支架的总高度为158 mm，刀片安装座的实际长度为110 mm，宽度为36 mm，安装刀片的孔径为10 mm，刀片支撑架与刀座安装的孔径为20 mm，横向安装的刀片与支撑架相连接的孔径为12 mm。

Y型除草刀由两片弯刀组合成Y字型，将割草的一侧开刃，安装在刀座上，刀片在高速转动过程中完成除草任务。Y型除草刀结构如图4所示，整体长度尺寸为115 mm，宽度为50 mm，除草刀安装孔中心位置与刀片端部的尺寸为80 mm，安装孔直径为20 mm，单个刀片的弯曲角度为45°。

直型除草刀结构如图5所示，刀体整体长度115 mm，厚度12 mm，刀体两面都开刃，长时间工作磨损后可以调换方向，提高除草刀的使用寿命。除草刀刀尾部宽度为75 mm，除草刀与刀轴连接孔的直径为20 mm。

2.2 刀轴设计

将刀轴的连接方式设计为分体螺栓连接式，刀轴花键套与轴管分别用法兰盘连接，两端法兰通过凹凸卡口与光洁平整的平面连接，确保花键轴与轴管的连接同轴度。花键与法兰锻造为一个整体，轴管与法兰在确保同轴度的前提下焊接在一起。刀轴在作业时承受较大转矩与冲击，在轴结构设计时根据扭转强度计算条件可以估算出轴的半径尺寸。

图3 T型除草刀结构

图4 Y型除草刀结构

图5 直型除草刀结构

(1)

式中：τT为扭转切应力(MPa)；T为轴所受的扭矩(N·mm)；ωT为轴的扭转截面系数(mm2)；n为轴的转速(r/min)；P为轴传递的功率(kW)；d为计算截面处轴的直径(mm)；[τT]为许用扭转切应力(MPa)。

考虑到除草轴的强度要求，本设计中轴的材料选45钢，且采用空心轴，初步估算轴的直径：

(2)

因轴承受较大的载荷和弯矩，A0取最大值126。根据计算结果，取轴的最小载荷直径为dmin=30 mm。

通过设计计算，整个刀轴分为连接链轮轴段、支撑轴承座轴段、连接刀座轴段三部分。除草刀轴结构如图6所示。

图6 除草刀轴结构

3 除草装置关键部件有限元分析

3.1 除草刀的有限元分析

将用Solidsworks作图软件设计好不同类型除草刀装配体的三维图导入到有限元分析软件中，选择自由网格化进行划分[14-18]，网格化后的除草刀分别如图7(a)、图8(a)和图9(a)所示。对除草刀进行指标约束，选择除草刀与刀轴连接处孔的内圆面进行固定约束，对刀片施加266 N与刀片平行并与刀刃相反的力。

通过 ANSYS 分析软件对三种类型除草刀进行静态分析研究。T型除草刀在外力作用下的变形如图7(b)所示，产生的最大变形量为8 mm，发生在刀片两端边缘处；产生的应变如图7(c)所示，最大应变为1.15×10-6，最小应变为2.80×10-7；发生的应力变化如图7(d)所示，最大受力为0.17 N。通过数据分析，发现应力较为集中的危险截面主要集中在刀片两端边缘处。根据对T型刀片的静力分析，发现可以选择更换刀片的材料来提高强度，避免在刀片两端边缘处发生刀片折断的现象。

Y型除草刀在相同外力作用下的变形量如图8(b)所示，产生的最大变形量为4.5 mm，发生在两面刀片作用面上；产生的应变如图8(c)所示，最大应变为2.4×10-6，最小应变为2.7×10-7；产生的应力如图8(d)所示，最大受力为0.49 N。通过分析，应力主要集中在刀片中部边缘处。

图7 T型除草刀有限元分析

直型除草刀在相同外力作用下的变形量如图9(b)所示，产生的最大变形量为8.5 mm，发生在刀片外边缘处；产生的应变如图9(c)所示，最大应变为1.56×10-6，最小应变为1.73×10-7；产生的应力如图9(d)所示，最大受力为0.3 N。应力较为集中的危险截面主要集中在刀片中部边缘处。

图8 Y型除草刀有限元分析

图9 直型除草刀有限元分析

综合分析，在相同的作用力下，T型除草刀的刀片最大受力较小，最大应变量最小，应力集中不明显，具有较好的工作可靠性；T型刀最大变形量虽较Y型刀略大，但变形量处于两端边缘处，且面积较小，对除草率的影响不大。因此，选用T型刀作为最终刀型。

3.2 除草刀轴的有限元分析

将建立好的除草刀轴三维图导入到有限元分析软件中，选择自由网格化划分方式进行划分，网格化后的除草刀轴如图10(a)所示。由于轴的两端受重力和支持力的作用，假设作用于轴的两端固定，经计算，除草刀轴所受的主动扭矩为159.6 N·m。

通过 ANSYS 分析软件对除草刀轴进行静态分析研究，除草刀轴在设定外力作用下的变形量如图10(b)所示，产生的最大变形量为3.4 mm，发生在刀轴的中间位置；产生的应变如10(c)所示，最大应变为2.7×10-5，作用位置为刀轴左侧轴承座处；产生的应力如图10(d)所示，最大受力为9.8 N。应力较为集中的危险截面主要集中在刀轴左端。

图10 除草刀轴有限元分析

经分析，刀轴在工作过程中存在安全隐患，为避免应力集中引起断裂，建议在轴管内部轴向焊接钢筋，加强轴管整体强度，减小刀轴工作过程中的变形量，在刀轴与轴管的连接处进行加强筋辅助焊接。

4 结论

在前期实地调查的基础上，通过深入研究，设计了一种履带式果园除草装置。

(1)该履带式果园除草装置动力强劲，通过性强，转弯灵活，操作方便，适宜在浅山丘陵地带的老果园作业。除草装置结构紧凑，易于拆装，工作平稳。T型除草刀刀片成本经济，更换方便，能够满足除草的要求。

(2)通过有限元分析软件对T型除草刀、Y型除草刀、直型除草刀及刀轴的受力进行分析，结果表明施加同样大小的作用力，T型除草刀的刀片最大应变量最小，应力集中不明显，最大变形发生在刀片两端边缘处，且面积较小，具有较好的工作可靠性；刀轴在加工过程中需改变轴管与刀轴的连接方式，在焊接过程中利用加强筋辅助即可满足工作要求，具有较强的工作稳定性。