株间除草机改进设计研究

马 宁，杨彩虹，李海荣

（宁夏民族职业技术学院，751100，宁夏吴忠）

伴随着我国林果业的快速发展和宁夏葡萄酒产业的迅猛发展，大规模的葡萄种植促进了机械的应用。本地葡萄产业园株行距大，易于杂草发生、危害严重，采用普通的除草机械无法清除株间杂草，仅能除掉果树行间杂草，降低了机械除草的作业效果[1]，但可以株间与行间同时除草的专用设备还有诸多设计问题。本文通过调查发现，株间除草机产生问题的零部件主要是除草铲、刀轴总成。设计要求除草铲外形不能过厚，并且强度要大。本文针对除草铲的失效原因进行分析。

1 株间除草机的工作原理

株间除草机作业时，机械感应触杆未碰触到果树或障碍物时，液压控制系统不工作[2]，株间除草机进行正常宽幅作业；当机械感应触杆碰到果树或障碍物时，机械感应触杆开关轴转动，控制液压系统开始工作，进而控制除草铲沿与机具前进垂直方向绕回转轴旋转，株间除草机改变作业路径，避免除草铲损伤果树。避障工作结束后，株间除草铲再次绕回转轴反向旋转，进行正常宽幅作业，以此往复循环作业。株间除草机结构如图1 所示。

2 除草铲、刀轴总成失效分析及改进设计

通过对实际使用过程的调研发现：除草铲在使用过程中基本深入土壤以下20 cm，并且要不断地转动，特别是在避让后回复过程中不但要受到机械前进时土壤的阻力合力，还受到回复过程的加速阻力，受力大；葡萄树间距较大，其土壤中有不少的砂石。并且为了能快速有效地将草除净，要求除草铲厚度不能太大。对其进行分析后，主要改进措施为重新设计除草铲外形，材料选用20CrMnTi。

3 除草铲、刀轴静应力分析

为了验证除草铲、刀轴总成的强度极限，结合农机行业国家标准及实际试验要求，对除草铲进行静应力分析[3]，看其是否满足材料的强度极限。

3.1 除草铲、刀轴总成模型的材料及网格划分

模型材料选用20CrMnTi[5]，其伸长率δ5≥10%，加工后热处理硬度为HB156～217，密度ρ=7.8 g/cm3，泊松比ν=0.25，弹性模量E=207 GPa，屈服强度σ0.2≥850 MPa，抗拉强度σb≥1 080 MPa。在施加外部载荷时，首先将刀轴进行固定，然后对除草铲中刀口处施加驱动力，如图2 所示。考虑除草铲、刀轴总成模型静应力求解精度与求解时间的平衡，选择整体网格参数为3 mm 进行网格划分，静应力求解可满足分析需要，如图3 所示。

图2 除草铲、刀轴总成受力示意图

图3 除草铲、刀轴总成网格划分图

3.2 除草铲、刀轴总成静应力分析结果

除草铲、刀轴总成静应力云图如图4 所示。除草铲最大应力位置是除草铲与刀轴连接处位置，其值为285.52 MPa。最大位移位置是除草铲最外端铲顶处位置，其最小值为4.324 mm。所受最大应变位置是除草铲与刀杆连接处位置，其值为0.0020。最小安全系数位置是株间除草机螺栓连接孔位置，安全系数最小值为2.9。

图4 除草铲、刀轴总成静应力云图

通过以上静应力分析得出：在最大受力作用下，所设计的除草铲、刀轴总成所受应力小于选用材料20CrMnTi 的屈服强度850 MPa 与抗拉强度1 080 MPa；除草铲、刀轴总成安全系数最小值2.9，大于无相对运动关键部件安全系数的要求1。设计强度满足使用要求。

4 结语

在研究除草铲、刀轴总成时，由于受实验条件的限制，有关株间除草机的工作平稳性还没有进行研究。本文的研究为株间除草机的除草铲、刀轴总成优化设计提供了理论依据与科学合理的方法和一定的参考价值。应用株间除草机可以提高劳动生产率，有利于增加农民收入、提升宁夏林果机械技术进步和促进产业的持续发展。