摘要
我国水果种植面积大，产值高，但机械化率较低，随着劳动力成本逐步提高、果园劳动力逐步老龄化，对果园作业的机械化、智能化需求迫切。针对山地果园地面不平整，对割草机爬坡和地形适应性要求高的特点，并考虑作业便捷安全要求，开展了山地果园电控割草机设计与试验研究，完成了山地果园电控割草机样机试制，进行整机试验验证，实现在山地地形下稳定的割草作业。本文的主要工作包括： （1）完成了山地果园仿形割草机整体机械结构设计。根据山地果园作业环境的特点和割草需求，提出割草机爬坡、通过性、不平整地面适应性及智能化等方面的设计指标要求。为提高作业灵活性，选用了仿形割台和履带式底盘两部分组成的整体结构方案。 在仿形割台结构设计方面，完成了切削机构、仿形机构以及切削角度调节机构设计。针对作业幅宽和通过性要求，通过分析计算确定割台切削机构类型、尺寸，根据杂草切割线速度需求选择割刀转速范围，并通过割刀模态分析避开共振转速。针对果园作业环境地形复杂的特点，设计纵向仿形机构，并添加缓冲限深机构，使得割台在作业过程中可以适应不平整地形，通过力学计算得出机构仿形量为±12cm。为提高切削效率，降低能耗，设计了调节范围为0-50°的切削角度调节机构。 在履带式底盘设计方面，根据爬坡范围、通过性及负载要求，进行履带式底盘整体结构设计，设计了独立悬挂机构，使得底盘可以在高度差为10cm的地形上稳定运行；进行了底盘结构布局设计，完成了履带式底盘试制，底盘最大爬坡角度为25°，最大行进速度为1.2m/s。 通过集成仿形割台和履带式底盘，完成了果园仿形割草机结构设计，理论割幅为610mm，切削角度调节范围为0-50°，切削转速范围为0-6000rpm，具备被动仿形功能，可适应山地果园的行走和割草需求。 （2）完成了果园割草机控制系统软硬件设计。根据割草机割草作业调控、安全性需求和智能化要求，结合整体机械结构特点，进行割草机整体控制系统设 计。与机械结构一致，割草机控制系统分为割台控制与底盘控制两部分，通过整体无线遥控以及内部有线控制，实现单一信号源对割草机整机控制，解决了割台与底盘的协同控制问题，控制程序保留了自主控制功能接口。在调控信号处理方面，通过对不同控制信号的采样分析，解决了输入遥控器的信号解析、串口通信信息解算问题。在电机调控方面，设计了割刀驱动电机控制算法和切削角度调节机构控制算法，完成了履带式底盘驱动电机控制算法。通过试验表明在预设转速5400rpm时，最大偏移转速为8.2rpm。将控制系统集成应用到所设计的割台和底盘，完成了果园割草机样机设计与试制。 （3）进行了割草机稳定性试验以及作业效果测试试验。为了验证所研制割草机的割幅、仿形功能以及切削角度调节功能，进行了割草机稳定性检测试验。试验结果表明，样机平均有效割幅利用率为96.59%；在地面不平度2.39-6.72cm、最大地面高度差为19.6cm的地形条件下，割草机清茬率达98.1%以上；切削角度调节最大偏差小于4.0°。在切削效果符合规定的前提下，为获取样机切削转速与前进速度在试验范围内的最佳组合，开展了作业效果测试试验，试验结果表明，前进速度0.4m/s、切削转速6000rpm时，综合能耗系数最小、切削效率最高。 综上，本文根据山地果园割草需求，通过机械结构设计、控制系统设计与实现，完成了山地果园电控割草机样机试制，通过稳定性试验和整机切削试验验证，割草机整机运行平稳，可适应山地地形的爬坡和仿形割草作业要求，可为日后割草机设计提供参考。
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