基于ProE的复合式水田除草器设计与运动仿真分析1.doc

基于Pro/E的复合式水田除草器设计与运动仿真分析
本文运用Pro/E软件设计了一种由指辊和刀辊组合的新型复合式水田除草器，工作时可对杂草进行拉拔、埋压等复合式机械作用。应用Pro/E软件中的运动仿真模块对除草关键部件进行了运动学仿真，得到了机具前进速度一定时指辊的指齿顶点在3种不同转速下工作的运动轨迹，通过对运动轨迹的分析可优化除草部件的最佳转速范围。
稻田草害是水稻产量下降和品质降低的主要原因，据统计全国每年由草害引起的产量损失率在15%以上。化学除草以快速、高效、经济等优点是目前应用最广泛的一种除草方式，然而随着除草剂的大面积使用，出现了很多负面问题，如杂草的抗药性、作物药害和生态环境污染等。因此，近年来机械除草、农业防除和生物防治等非化学除草技术得到了更多的研究和应用。
机械除草是一种绿色的除草方式，不仅能够控制草害，而且通过除草部件与土壤的作用能够促进水稻根系对肥料的吸收，有利于水稻中后期的生长。
常用的水田除草器主要有刮刀式、齿爪式和辊轮式等，主要通过切割、拉拔或埋压等机械作用完成杂草的去除工作。目前国内外水田除草器大多采用单一的机械作业方式，如日本和同产业MSJ-4型步进式水稻田间除草机，行间除草部件采用单一随动的除草辊；日本生研机构与井关和久保田公司合作开发的一种高精度水田除草机行间除草部件采用单一的旋转耙齿，然而单一的机械作用方式，除草效果很难满足要求。因此，本研究设计了一种由指辊和刀辊组合的新型复合式水田除草器。
采用传统的设计方法，需要制造多个物理样机，设计周期长、成本高，而虚拟样机设计可以很好地简化这一过程。Pro/ENGINEER是一款基于特征的全参数化建模软件，目前有80多个专用模块，功能强大。利用Pro/E可方便的设计除草器各零部件的三维立体模型并进行整体装配，运用其机构运动仿真模块能够进行各零部件运动干涉检查及除草部件工作时作用点的运动轨迹、位置和速度分析。
1 复合式水田除草器设计
1.1 总体设计
应用Pro/E设计的复合式水田除草器主要包括前滑板、支架、指辊和刀辊4个部分，如图1。除草器总长为750mm，总宽为280mm，满足机插秧稻田标准行距300mm的要求。通过设计的前滑板可上下调节除草深度10～50mm，能适应不同时期除草深度的要求；指辊和刀辊中心距设定为300mm。
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图1 复合式除草器三维总体图
在应用Pro/E装配及仿真的过程中，指辊和刀辊与支架的轴线间使用可以转动的销钉连接，水田除草器总体框架与Pro/E坐标平面之间采用滑动连接。前滑板与支架使用螺丝固定，方便上下调节。
工作时，除草器挂接在水田拖拉机上，通过动力传送系统带动指辊和刀辊沿前进方向顺时针转动。指辊主要通过旋转与前进的综合作用，拉拔、扯断杂草，并将拔出和扯断的杂草向后抛出，然后由布置在其后方的刀辊将这些杂草埋压，同时起到整地的作用。指辊和刀辊自身都做到不漏耕，即2者配合作用的同时，也相当于1次除草过程中作业2次，加强除草效果。
1.2关键部件设计
1.2.1 前滑扳设计 除草器工作过程中，前滑板起着重要作用，既要防止产生壅土，又要防止压苗。因此前滑板底面应该前高后低呈弧形，且侧边板应有足够的高度，如图2。此外，两侧由圆弧过度，利用除草器前进时对水面或泥面上产生的侧向分力，冲击稻苗将其分列至除草器两侧，防止稻苗被指辊或刀辊作用，降低伤苗率。
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图2 前滑板
为满足不同时期，不同除草深度的要求，所设计的前滑板与支架的相对位置可上下调节，挂接在不同的位置，除草器工作的深度不同。当滑板与支架挂接在最上面的孔时，滑板底面与指辊和刀辊的高度差最小，即工作深度最浅，能适应刚插秧不久时第1次中耕除草深度10～20mm的要求；挂接在中间的孔时，能适应第2次中耕除草深度20～30mm的要求；第3阶段除草时，作物的根系发达，残留草根开始蔓延，除草工作深度为40～50mm才能达到除草的目的，此时可以挂接在下孔。
1.2.2 指辊和刀辊的设计 指辊在工作过程中，随着指辊的旋转指齿能除掉较小的草；遇到大草、长草时，指齿通过旋转将其拔出或扯断，并将长草向后抛出。结构如图3，轮毂直径为80mm，指齿的高度为60mm，指齿宽度为25mm。每个轮毂上布置6排指齿，相邻两排指齿交错排列，可增大同一排指齿间距，减少工作阻力，且不漏草。
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图3 指辊
经过指辊作用后，较小的杂草被掩埋，而拔出和扯断后的大草需要布置在后面的刀辊旋转工作实现杂草的埋压。设计的刀辊轮毂直径为80mm，刀片的高度为70mm，与指齿相比增大了杂草的埋压深度。旋转工作时，刀片与土壤的接触为面接触，对田面产生向下、向后的推力，将具有一定流动性的泥土挤压和推开，对泥的撞击和推压效果好，从而将杂草打断或掩埋。此外，刀辊还能起到碎泥整地，翻松土壤的作用，有利于水稻中后期的生长。为防止刀辊工作时，泥浆粘住辊轮，增大旋转阻力而影响除草质量，在每个刀辊的刀片上设计2个半圆孔，减少泥浆拥堵，如图4。
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图4 刀辊
2 除草器运动仿真分析
应用Pro/E机构运动仿真模块对除草器进行运动仿真可以检测各零部件之间运动是否干涉，并模拟工作时除草部件上作用点在不同时刻的位置、速度和运动轨迹曲线。此外，通过运动仿真，可以发现设计缺陷，然后进行修改，不断优化设计结构，减少设计的周期和费用。
2.1 装配和设置伺服电机
在Pro/E环境中，设定指辊和刀辊与支架之间的连接为销钉连接，除草器总体与Pro/E内平面的连接为滑动连接，将
指辊和刀辊与支架之间分别定义1个旋转电机，为分析指辊和刀辊不同转速对其运动轨迹的影响，设定3个不同的转速。就指辊而言，当指齿顶端旋转线速度等于除草器前进的速度为0.6m/s时，对应输入伺服电机的转速为ω=v/r=0.6m/s/0.1m=6r/s，即343.77°/s；指齿顶端旋转线速度小于前进的速度0.6m/s，设定为0.4m/s，对应输入伺服电机的转速为229.30°/s；指齿顶端旋转线速度大于前进的速度0.6m/s，设定为1.04m/s，即输入伺服电机转速为600°/s。同理，刀辊与支架间定义的旋转电机转速由大到小依次为541.98，312.68，208.45°/s。
2.2 机构分析及干涉检查
伺服电机定义完成后，进入机构分析界面，选定运动分析选项，设定开始时间、结束时间及总共生成的帧数和每帧时长等运行参数，设定开始时间为0s，结束时间为2s，点击运行，机构分析开始，除草器开始模拟除草工作运动。分析完成后，可进入回放界面，根据需要从不同的角度查看仿真结果，了解除草器的动态特性，对工作时各零部件的运动进行分析。此外，回放过程也可对除草器各部分进行动态干涉检查。选择全局干涉，当检测到干涉时，干涉区域会加亮并停止回放，然后可以对干涉的部分进行设计更改，直到所有运动没有干涉，符合预期设计要求为止。
2.3 仿真结果及分析
2.3.1 运动仿真结果 以指辊为例，根据设定指辊旋转伺服电机的3个不同旋转速度，分别插入指辊指齿上相同顶点在相同时间内的运动轨迹，得到运动仿真结果的轨迹曲线，如图5。
2.3.2 仿真结果分析 由指辊在3种不同旋转速度下的运动轨迹可以看出：当指辊指齿顶点旋转线速度等于前进速度0.6m/s时，指齿顶点的运动轨迹为一般摆线，如图5-a；当指辊指齿顶点旋转线速度为0.4m/s，小于前进速度0.6m/s时，指齿顶点的运动轨迹为短摆线，如图5-b；当指辊指齿顶点旋转线速度为1.04m/s，大于前进速度0.6m/s时，指齿顶点的运动轨迹为余摆线，如图5-c。
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图5 运动轨迹曲线
根据运动轨迹曲线可知，当指辊指齿顶点的运动轨迹为一般摆线时，指齿尖端与土壤之间没有相对运动，只是在泥面上凿了1个小洞，不能起到拉拔、扯断杂草的作用；当运动轨迹为短摆线时，指齿顶点的绝对水平分速度与除草器的前进方向一致，不仅不能拉拔、扯断杂草，还会出现指齿背向前推土的现象；运动轨迹为余摆线时，指齿与水田泥土有相对运动，因此，指齿能起到拉拔和扯断杂草的作用，并由布置在其后面的刀辊埋压杂草。刀辊的运动轨迹分析同指辊的分析过程。
综上所述，复合式水田除草器能够正常进行除草的条件是指辊指齿顶点和刀辊刀片顶点的运动轨迹为余摆线，即其作用点的旋转线速度必须大于机具的前进速度。旋转线速度和前进速度比越大，余摆线的绕扣就越宽，工作范围越大，除草效果更好，然而必须同时要考虑机具工作的能耗要求，将其控制在一个合理的范围，综合优化除草部件工作时的旋转速度。
3 结论
(1)本研究设计了1种复合式水田除草器，通过关键部件指辊对杂草的拉拔、扯断作用，将拔出和扯断的杂草向后抛出，然后由刀辊将这些杂草埋压，同时起到整地的作用。2者配合作用，可改善除草效果。
(2)本研究应用Pro/E软件建立了复合式水田除草器的三维模型，并对其进行了运动学仿真。分析了机具前进速度一定时，除草部件不同转速下关键作用点的运动轨迹曲线，通过仿真确定除草部件的转动速度范围，为除草机的研制奠定了基础。