冀 振，刘志刚，余剑南，裴承慧

（内蒙古工业大学机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051）

1 引言

我国是全球沙化最严重的国家之一，沙生灌木具有较强的防风阻沙、维护生态等作用，通过种植沙生灌木改善土地沙化是比较有效的措施[1]。沙生灌木与其他林木不同，它具有特殊的平茬复壮特性。为了避免沙丘地带的灌木根颈受到风蚀破坏，需要对其进行适当高度的切割留茬。但是留茬过高或过低都会造成灌木林的死亡，这就要求收割灌木时需要依据其实际生长地形进行仿形切割。目前，国外的平茬设备虽然集成化高，但是不具备仿形功能，无法适应我国种植地形条件恶劣的现状。我国在很多领域都有仿形设计研究，但国内对平茬机的仿形研究相对较少。现有平茬机仿形功能差，只适合收割栽种土地较平整的人工种植林，不适合原始沙生灌木林及防风固沙林的平茬切割，对沙丘（龟背地形）等特殊地貌仿形效果也不好。另外，其沙地行走性能不佳且割茬高度偏高（留茬高度一般（30～70）mm为宜），无法满足大面积灌木平茬的需求。因此，为了避免出现因平茬留茬高度不一或茬口表皮撕裂导致的再萌生长能力下降甚至枯死的现象，设计了一种新型灌木平茬机的仿形机构—四连杆仿形机构。该机构不仅仿形效果好，而且能满足“龟背”地带的沙生灌木平茬切割要求，使当前平茬复壮工作的紧迫现状能够得到极大地缓解。

2 四连杆仿形机构设计

2.1 四连杆仿形机构的工作原理及受力分析

目前，我国农业机械的仿形机构主要是机械式仿形，其中平行四连杆仿形机构因其具有结构简单、成本低、经济性好、安装调整方便和仿形效果好的特点而被广泛使用，如在播种机[2]和步行机上的运用。因此，采用平行四连杆机构进行仿形设计，该设计机构主要由固定架、横向浮动机构、纵向浮动机构、浮动拉簧、锯盘、齿轮箱罩等部件构成。

所设计的机构是采用纵向与横向相结合的方式，纵向仿形利用四连杆机构与浮动拉簧组合方式使锯盘可以随地形条件上下自由浮动，即进行上下仿形平茬。其中，横向仿形采用轴与套的连接方式，使横向浮动架可围绕固定架中心轴旋转，即左右仿形平茬。整个机构工作可简述为：通过对驱动底盘的操作来实现切割部件整体的举升、翻转、摆动功能，使机构可以在各种凹凸不平的工况下作业；另外，万向滑掌固定在锯盘下方，万向滑掌随地面的高低起伏实现仿形，再结合横向浮动机构的左右摆动和上下摆动的纵向浮动机构，来实现整机对灌木的仿形切割。诱倒杆扶正和减阻的作用使锯盘更容易贴近地面直接对灌木根部进行切割，确保切割更加顺利的进行。该切割装置的万向滑掌和齿轮箱刚性的连接在固定架的连杆上，是依靠力调节的原理使其进行仿形工作，最终装配的切割装置三维实体模型，如图1所示。

图1 切割装置的装配体Fig.1 Assembly of Cutting Device

下面将主要针对仿形机构的上下运动（左右运动仿真在此不做详细说明）展开仿真分析，该机构单向仿形作业的受力分析，如图2所示。

图2 xy平面上的受力图Fig.2 Force Diagram on x y Plane

其受力分析推导过程如下：

式中：Px—平茬机X方向牵引力，N；

Py—平茬机Y方向牵引力，N；

f滑x—沙丘表面对滑掌X方向阻力，N；

f滑y—沙丘表面对滑掌Y方向阻力，N；

G机—机箱的重力，N；

f锯—沙柳对锯片的阻力，N；

M车—牵引力对平行四杆在xy平面上的力矩，N.m。

由式（3）分析可知，锯片受到的阻力大小f锯与机箱的重力G、土壤阻力f、牵引α角及四杆结构尺寸有关联。欲使锯片稳定作业，则要求滑掌与土壤有适宜的接触压力，同时锯片所受到的阻力的变化范围越小越好、牵引角的变化范围越小越好。如果接触压力过大，则滑掌下沉便较深、滑动阻力过大。反之，压力较小，则说明机箱重力小，即锯片工作不稳定。

2.2 四连杆仿形机构的尺寸设计

根据要求的仿形量大小，确定平行四连杆的各杆尺寸。灌木平茬机仿形机构的仿形量大小依据平茬地形环境的不同而不同，通常上、下仿形量均是（100～300）mm，如图3所示。

图3 平行四杆机构在x y方向上的参数Fig.3 Parallel Four-Bar Mechanism Parameters in x y Direction

上下仿形总量h的大小为：

式中：L—平行四杆的长度，mm；

α—平茬机的牵引角，°；

α1—平茬机的上仿形角，°。

当平行四连杆的上下连杆越长，则牵引角α变化范围越小；上下连杆越短，则牵引角α变化范围越大。保证机构能够稳定仿形，牵引角尽量越小越好，而上下连杆长些有力。一般切割机上的牵引角α为（0～15）°之间（α是一般切割时的牵引角），α2在（6～28）°之间（α2是最大切割时的下仿形牵引角），α+α1在（20～45）°（α1是最小切割时的上仿形牵引角）。因此，参照国内外切割机的一些资料和依据平茬机的仿形特点设计牵引角α=10°，上仿形角α1=26°，下仿形角α2=26°，连杆间的距离l AD=100mm。按照上仿形量进行计算（即一侧仿形量），可设最大仿形量h=300mm，根据式（4）可得连杆的长度：

当杆长约为L=500mm时，求解上、下仿形量h：

满足上、下仿形量（100～300）mm的标准。

3 四连杆机构的仿真分析

3.1 多刚体虚拟样机模型的仿真

ADAMS软件可以完成任意复杂机械系统的静力学、运动学和动力学虚拟样机模型的仿真分析。为满足需求，通过ADAMS创建切割装置的简易虚拟样机模型对四连杆仿形机构展开运动仿真分析。平茬机的四连杆仿形机构随着沙丘表面上下运动时，切割装置相对于沙丘的轨迹线及切割装置运动的后处理轨迹线，如图4所示。

图4 模型的轨迹线及后处理轨迹线Fig.4 Trajectory and Post-Processing Trajectory Diagram of Model

根据后处理轨迹线图，随机抽取几组坐标值，求得留茬高度的平均值为34.277mm，满足留茬高度要求（不能超过70mm）。

3.2 四连杆仿形机构的优化设计

为了仿真出最好的仿形效果，下面需要通过试验设计进行分析。由于仿形运动的连杆长度及相对位置的改变，将会引起切割装置仿形效果的变化，所以将其中一条连杆上相应的位置坐标点作为变量，计算分析一组最优的设计变量，进而最优的四杆仿形机构也会被设计出来。通过图4的后处理轨迹图得到大沙丘的高度为234mm，然而留茬高度要求为不能超过70mm，所以绝对高度的取值范围为234mm

表1 试验设计统计表Tab.1 Statistical Table of Experimental Design

经过对统计数据分析得出：符合要求的试验设计是4、6、7、8和12，其中第6组的试验数据最好，此时设计变量坐标为（479.47，96.67），绝对留茬高度是263.16mm，留茬高度为29.16mm，连杆长度变为483mm，仿形机构变为非平行四连杆仿形机构，平均留茬高度为31.705mm。留茬高度降低了2.572mm，与传统平行四连杆仿形机构相比，试验设计得到的非平行仿形机构具有更好的仿形效果。

为了能够更加直观地对比平行四连杆仿形与非平行四连杆仿形机构的仿形效果，需要再次进行仿形运动。红色轨迹线是平行四杆机构的仿形轨迹线，蓝色轨迹线是非平行四连杆机构的仿形轨迹线，如图5所示。

图5 试验设计轨迹线及后处理轨迹线的对比Fig.5 Comparison of Trajectories and Post-Processing Trajectories of Experimental Design

根据图5的试验设计研究对比分析得出：通过非平行四连杆仿形机构进行仿形切割平茬确实降低了平均留茬高度，且符合参数化分析的目的。

4 平茬切割试验

为检验四连杆平行机构和非平行机构对沙生灌木的平茬性能，进行了沙生灌木切割试验。中国西北干旱区是中国沙漠最为集中的地区，约占全国沙漠总面积的80%[5]。为了使试验的数据具有可靠性且符合大部分的沙漠的情况，在库布齐沙漠进行试验数据的测量（库布齐沙漠是中国第七大沙漠，具有代表性）[7]。

为了验证设备的通用性能，先后用平行四连杆机构的样机和非平行四连杆机构的样机分别在平整地区和沙丘地区进行切割试验，分别测量其切割数据，观察其切割平面的状况。

4.1 平整地区的切割试验

先对平整地区人工种植的沙生灌木进行切割，验证其切割性能，试验现场与结果，如图6所示。

图6 平整地区切割试验与效果Fig.6 Cutting Test and Effect in Flat Area

通过对两种机构切割后留茬高度的测量，得到留茬高度均在（10～20）mm之间，满足平坦地带对灌木留茬高度的要求。平行四杆机构和非平行四杆机构在平坦地区切割后留下的切割面都比较平整，较好的避免了留茬高度不一，茬口表皮撕裂，比较有利于沙生灌木的再萌复壮。

4.2 沙丘地区的正交实验

考虑到沙丘地带的实际情况，要验证两种四连杆机构在沙丘工况下的工作状况，将机构的杆的长度、行进速度、切割速度和入切角度四种影响平茬质量的主要因素考虑在内展开正交试验[7]。试验指标是达到更好的平茬效果，确定各因素对平茬效果影响程度，确定最优组合（忽略因素之间的交互作用对平茬效果的影响[9]）。试验需要考虑的因素为：杆的长度、机构的行进速度、切割速度、入切角，确定的因素水平，如表2所示。

表2 因素水平的确定Tab.2 Determining the Level of Factors

因为是三水平四因素的试验，选用L9（34）正交试验表安排试验[10]。对试验表中所有的平茬方案进行试验，将平茬的沙丘坡长平均划分区域，各区域取出一百株沙柳，评价其平茬效果。平茬的最佳效果是没有撕裂、毛刺和烧糊现象，并且留茬高度为（30～70）mm。平茬试验的现场和效果，如图7所示。平茬试验的方案和结果，如表3所示。

图7 沙丘地区切割试验与效果Fig.7 Cutting Test and Effect in Dune Area

表3 平茬试验的方案及结果Tab.3 Planting Stubble Test Scheme and Results

为了更为直观的看出因素对试验指标的影响规律和趋势，以因素水平为横坐标，试验指标的为纵坐标，绘制因素水平与指标趋势图，如图8所示。根据因素水平与指标趋势图可以得到各因素最佳的水平为A2、B1、C2、D2，所以得到的最佳的试验方案为A2B1C2D2，而正交试验方案中的9种方案并没有此方案，所以需要进行验证性实验。为了与正交试验进行对比，将方案A2B1C2D2与A2B1C2D3进行平茬试验，平茬效果分别为93和88，即A2B1C2D2（非平行四连杆机构）为最佳的平茬方案。

图8 因素水平与指标趋势Fig.8 Factor Level and Indicator Trend Map

5 结论

（1）根据灌木平茬机的平茬要求（灌木的茬口高度小于70mm）和机械结构的理论分析，确定了平茬机仿形机构的上、下仿形量均为（200～300）mm，牵引角α=10°，上仿形角α1=26°，下仿形角α2=26°，连杆间的距离L CD=100mm以及连杆长度L=500mm，进而设计出了一个可以实现仿形功能的平行四连杆仿形机构。

（2）创建ADAMS切割装置简易虚拟样机模型，进行平茬仿真运动分析，得到平行四连杆机构仿形平均高度为34.277mm；对模型进行试验设计，得到连杆长度为483mm，该机构变为非平行四杆仿形机构，平均留茬高度为31.705mm，降低了2.572mm，与传统平行四杆仿形机构相比，试验设计得到的非平行仿形机构得到更好的仿形效果。

（3）经过平整地区的切割试验可以得到，平行四连杆机构和非平行四连杆机构均能很好的完成平茬复壮的工作，得到理想的平茬效果。

（4）经过沙丘地区的正交试验可以得到：杆的长度对试验指标的影响最大，其次是切割速度和行进速度，而入切角的影响最小；在杆的长度483mm、切割速度50m∕min、行进速度15m∕min、入切角15°，即非平行四连杆机构方案A2B1C2D2得到93的最佳试验效果。