桑树的修建工作直接关系着桑叶的产量,因为桑叶产量与桑树品种、树龄、有效条数、栽植密度、病虫害程度及收获型式等因素息息相关。为了尽可能提高桑叶产量,必须要定期对桑树进行修剪。桑树是一种分枝能力与再生能力均较强的树木品种,在其修剪的过程中必须要采取合理、高效的修剪机。目前,我国桑树修剪机主要分为两大种类,即单枝修剪机与整株修剪机。

应用最为广泛的包括背负式修剪机、手动修枝剪、电动修剪机等,优点是便于操作、修剪效果良好,缺点是工作效率低下、劳动量巨大,而且伴随着空气污染、噪声污染等问题;而国外主要采用整株修剪机,对整个树木进行修剪,具有较高的自动化程度,工作量少,缺点是维修保养的费用相对较高且适用性较低,实践应用中具有一定的局限性。为进一步提高修剪效率,降低成本,减少能耗与污染,针对桑树生长的实际特点,基于我国桑树修剪工作亟需解决的问题,设计了一种新型双边齐切式桑树修剪机,其优势在于能够基于实际工作条件与修剪需求,适应性调节修剪宽度与修剪高度,能够有效替代传统手工修剪,大大提高了修剪效率,降低了修剪成本及工作强度。

1、材料与方法

1.1 总体结构

1)功能及需求。设计的双边齐切式桑树修剪机的设计目标包括:(1)桑树行距2m，株高50cm，按照桑树的实际种植情况计算修剪机的外形尺寸;(2)对树形方面没有要求。由于综合考虑因不同桑树的生长差异，因此必须要赋予修剪机灵活调节机制，保证其能够适应不同的修剪需求与修剪工作条件，满足不同地区对桑树修剪的实际需求，实现对不同形状桑树的新梢齐切作业，为桑树园的规范化管理创造有利条件。修剪作业如图1所示。

图1修剪作业图

1．桑树2．修剪锯片3．修剪臂4．拖拉机作业沟壑5．拖拉机6．桑树种植垄

2)工作原理。修剪机主要包括传动装置、液压执行装置、修剪臂执行装置、空间轨道移动装置、行走悬挂装置,此外还包括机甲、液压油管、传动软轴及行走轮等,如图2所示。

工作原理:拖拉机负责提供液压动力,经动力输出轴把动力传递到增速换向器上,此过程中原始动力转换为双边动力;之后,双边动力经由皮带轮实现二级增速,增速后经由多轴器、软轴传送到旋转锯片上,驱动锯片旋转[1,2,3]。工作过程中,由于液压缸的作用,修剪臂会出现形状变化。拖拉机存在对外液压输出接口,经由这一接口液压动力可以传输至八联手动液压回路换向阀,再利用换向阀对各个液压缸的操作进行控制。

3)技术参数。为了得到最佳的修剪效果,经过多次试验与反复改进,明确了修剪机的主要技术参数。具体如下:修剪机尺寸为长2000mm、宽1000mm、高2000mm;整车质量1000kg及以下;液压压力7MPa,匹配功率30kW以上;最佳修剪速度0.65m/s;纯修剪率0.036～0.054hm2/h。

图2修剪机结构装置图

1.2 关键零部件设计

1)锯片参数的优化。

锯片锯切时,可分解为两个方向的运动,即直线进给运动及锯片刃口的旋转运动。取任意时刻,计算得出锯片刃口绝对速度为

Vg=V2+2UVcos(wt+β)+U2−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√Vg=V2+2UVcos(wt+β)+U2(1)

当wt+β=π+2kπ(k=0,1,2,3,…,n)时,公式(1)可转化为公式(2),即

Vg=Vgmin=V-U(2)

当wt+β=2kπ(k=0,1,2,3,…,n)时,公式(1)可转化为公式(3),即

Vg=Vgmax=V+U(3)

与锯片的进给速度U相比,锯片刃口线速度V明显更大,则锯片转速为

n=60×VπDn=60×VπD(4)

式中Vg—锯片刃口的绝对速度(m/s);

Vgmin、Vgmax—锯片刃口的最小速度与最大速度(m/s);

W—锯片的角速度(m/s);

U—锯片的进给速度(m/s);

D—锯片直径(m)。

研究显示,无支撑切割锯片刃口的最小速度为30m/s。由于修剪机的动力来源是拖拉机,试验中锯片的进给速度分别是0.6、0.8m/s,而修剪材料选择桑树枝条,直径约为25mm左右,为了尽可能提高修剪效率,必须要增大单位时间内的修剪面积,因此标准圆盘锯片的直径应选择230mm与250mm。将上述数据代入到公式(4)中,可以计算出锯片的最小锯切转速是2200r/min。

此外,为了更好地分析n(锯切转速)、U(进给速度)、Z(锯片齿数)及D(锯片直径)对桑树枝条的锯切扭矩及功耗的影响,搭建了锯切试验台架,对桑树枝条的力学特征进行分析,如图3所示。其中,电机为三相异步电机,额定转速2840r/min,额定功率2.2kW。试验中,锯切转速是利用变频器来进行调节的,变频器的量程为0～5N·m,最大转速8000r/min,能够实现对动态锯切扭矩与功耗的准确测量;之后,再利用数据采集系统对数据进行保存与后续处理、分析。

图3锯切试验过程

表1为本次试验因素与水平的具体情况。在忽略交互作用的前提下,数据分析经L8(41×24)混合水平正交表来进行,取3次试验结果的平均值,如表2所示。

对表2所有的数据实行极差分析,计算出最佳组合方案为编号为3的方案,即n(锯切转速)、U(进给速度)、Z(锯片齿数)及D(锯片直径)对应的锯切扭矩为1.17N·m,功耗为0.32kW(下文中对此方案记作n3U1Z1D1),之后对此方案进行重复验证试验。结果表明:方案所对应的锯切扭矩为1.17N·m,功耗为0.32kW,相较于表2中的其他几种组合方案具有明显优势。

为了分析影响锯切功耗的具体因素,对上述试验结果进行方差分析,如表3所示。由表3可知:D、Z与空列是对功耗影响最不显著的因素(P>0.05),可直接归结到误差当中,而n与U是对功耗影响最大的两项因素(P<0.05)。这一结果说明,为了尽可能降低修剪过程中的能耗,应从合理选择锯切转速与进给速度这两方面入手。通过此试验还发现:当进给速度超过0.6m/s之后,桑树枝条的切口便会出现拉伤、灼烧等问题。因此,最终选择锯片转速为3050r/min,锯片直径为240mm,齿数为60,进给速度0.65m/s。在此数据组合下,不仅功耗小,且修剪枝条的切口较为平整,几乎无毛刺,也无拉伤、烧焦等现象,能够达到农艺修剪的标准要求[4,5,6]。

2)传动装置。

传动装置主要起到传递动力的作用[7,8,9],由拖拉机负责提供机械动力,经由传动装置传递到锯片上,使其可以维持高速旋转的状态。拖拉机动力输出轴的挡位是不同的,经过多次试验计算表明:当锯片转速为3000r/min时,能够得到最佳的锯切效果。由此确定了传动装置的最佳增速比为4,动力传递的具体路径如图4所示。

图4拖拉机动力输出传递路径图

3)空间轨道移动装置的设计。

为了更好地适应不同桑树园的修剪需求,满足不同行距、行高的修剪效果,设计了空间轨道移动装置,不仅运动较为平稳、灵敏度高,且在低速移动时不会轻易出现爬行现状,因而磨损也比较小,在机械加工行业有着广泛应用[8,9,10,11]。考虑到不同行距、树高,以及已经确定的外形尺寸、行走速度等,得出该空间轨道装置,需要具有两个“L”型工作台、滑块、导轨、连接板,如图5所示。

图5空间轨道装配图

将修剪臂固定在该装置上之后,就可以实现修剪臂相对于支架的上下左右4个方向的移动。

4)修剪臂装置的设计。

为了进一步满足桑树修剪要求,修剪臂除具备空间移动这一功能之外,还应具备形状变化这一特性[9,10,11,12,13]。修剪臂包括修剪架、刀盘罩壳、修剪锯片、旋转销轴及限位杆,如图6所示。

图6修剪臂装配图

为了赋予修剪臂形态变化功能,必须明确修剪臂机构的自由度问题,其计算公式为

F=3n0-2PL-PH(5)

其中,n0为活动构件数量;PL与PH分别为运动构件中低副数量与高副数量。

由于液压缸有两种调节方式,既能单独调节,也能够同时调节,故修剪臂的形状变化也具备两种液压调节方式[14,15]:①上液压缸保持静止,对下液压缸进行单独调节,此时修剪臂机构的自由度是1,原动件数目是1;之后,下液压缸维持静止,对上液压缸进行调节,修剪臂机构自由度也是1。②同时调节上、下液压缸,对修剪臂的形态变化进行调节,此时修剪臂机构自由度为2。

5)修剪臂受力情况分析。

图7显示的是二维平面内修剪臂的受力情况。修剪臂稳定工作时,O1处受力平衡条件为

Fx-f=0(6)

G1+G2+G3+G4+G5+R-Fy=0(7)

G1(L1cosα+L2cosβ+H1)+G2(L3cosβ+H1)+G3H3+G4H4+G5H5+(R-Fy)H2-M1=0(8)

式中G1～G5—修剪臂每一个构件的重力(N);

Fy—作用在修剪臂上的机架支持力(N);

f—修剪臂和机架之间存在的摩擦阻力(N);

Fx—x轴上修剪臂受到的作用力(N);

M1—O1点修剪臂受到的倾覆力矩(N·M);

L1—上部修剪架的重心与O2之间的距离(m);

L2—中部修剪架长度(m);

L3—中部修剪架的重心与O3之间的距离(m);

H1—底部修剪架x轴上的长度(m);

H2——Fy于O1点的力臂长度(m);

H3～H5—G3～G5于O1点产生的倾覆力矩的力臂长度(m);

α、β—x轴与上部、中部修剪臂的夹角(°)。

将上式进行简化,可得

M1=(G1+G4)(L1cosα+L2cosα+H1)+(G2+G5)(L3cosβ+H1)+G3H3+(R-Fy)H2(9)

对式(9)进行分析可知:当修剪臂的形态发生变化时,只有修剪角α、β相应发生变化,其他均不变,且修剪角α、β与M1之间呈负相关关系。由此可知,为了尽量减小振动,使修剪臂始终处于稳定工作状态,在实际工作过程中,应在满足修剪标准的基础上,尽可能的增大修剪角。

图7修剪臂在x、y轴的受力图

6)液压驱动系统的设计。

设计液压驱动系统是为了便于轨道装置的移动,适应修剪臂的形状变化。该液压驱动系统不仅操作平稳,且控制也比较简单,具体结构如图8所示。

图8液压系统

液压缸推力的计算公式为

F1=πD214×P1×β1F1=πD124×Ρ1×β1(10)

液压缸拉力的计算公式为

F2=π(D21−d2)4×P2×β1F2=π(D12-d2)4×Ρ2×β1(11)

式中D1—活塞的直径(cm);

d—活塞杆的直径(cm);

P1—推侧作动压力(MPa);

P2—拉侧作动压力(MPa);

β1—负荷率。

由式(10)～式(11)可知:在液压缸型号不变的前提下,其自身的推力与拉力完全由负荷率与液压系统压力来决定。试验中,选择D1=3.2cm,d=1.8cm,负荷率80%,液压缸额定工作压力7MPa。由公式(10)计算出液压缸推力为4410N,由公式(11)计算出液压缸拉力为3038N,能够满足工作负载的要求。

2、结果与分析

试验完成之后,于某规范化桑树园进行功能验证。桑树株高2.4m,行距4m,拖拉机行驶速度0.65m/s,修剪锯片直径240mm,转速3050r/min,修剪的高度与宽度分别为2.3m和2.2m,对U1、U2、U3、U4、U5等5处位置齐切作业时的数据进行分析,得到不同位置下修剪的合格率η1和漏割率η2。每次试验重复3次,取最终平均值。合格率和漏割率的计算公式分别为

η1=n3n1×100%η1=n3n1×100%(12)

η2=n2n1+n2×100%η2=n2n1+n2×100%(13)

式中n1—每棵树的有效修剪枝条的总数;

n2—漏割修剪枝条总数;

n3—有效修剪枝条合格数。

修剪结果如表4所示。由表4可知:当修剪速度为0.65m/s、转速为3050r/min、修剪高度与宽度分别为2.3m与2.2m时,修剪机的修剪合格率超过88%,漏割率在3.6%～10.2%之间,修剪效率平均约为16棵/min,远远优于人工修建效率的2～3棵/min。

3、结论

1)为了满足桑树园对树高、树宽、树形不同的修剪要求,具有很好的实用性,设计了一种双边齐切式修剪机,并设计了形状可调的修臂执行装置。试验结果表明:当锯片转速为3050r/min、修剪宽度与高度分别为2.2和2.4m、修剪速度为0.65m/s时,最小与最大漏割率分别为3.6%、10.2%,合格率接近90%左右。样机的功能满足设计要求,但修剪效果有进一步提高的空间。

2)考虑到实际修剪环境的不同,为了保证设计的修剪机具有较高实用性,必须要在不同的作业情况下测试其参数,对所得数据进行分析,再根据数据反馈来对修剪机进行改进。除此之外,因株距、树形等不尽相同,加之地形不平整、修剪机自身震动等,实际工作时难免会出现颠簸等问题,不仅会对修剪机的走直性产生较大影响,还会严重影响修剪合格率及修剪效率。鉴于此,可通过安装弹簧减震装置的方式来解决,将弹簧减震装置安装在修剪机的行走轮上,以此来提高修剪过程中的稳定性。

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基金:安徽省科技重大专项计划项目(201903b06020010).