林间车载式刺五加割灌机的设计与试验

Design and Experiment of the In-forest Vehicle-mounted Acanthopanax senticosu Brush Cutter

摘要

为解决刺五加割灌设备对地形适应力差、割灌效率低的问题，设计一款前置搭载于拖拉机上的林间圆锯式刺五加割灌机，通过结构设计明确整机由支撑调节、传动、割灌及拨料4大核心机构组成，对其支撑调节机构、拨料机构进行设计，并分析割灌机构圆锯片的运动轨迹和锯切力，验证其功率符合要求。以圆锯转速、行进速度和切割高度为影响因素进行田间试验，用数据处理软件处理试验数据。结果表明，行进速度对割灌机割净率影响最大，其次是圆锯转速，切割高度影响最小。结合Design-Expert 13软件构建割净率回归模型并优化参数，得到各因素对割净率的影响程度由大到小为行进速度、圆锯转速、切割高度，当圆锯转速为1 925 r/min、行进速度为4.2 km/h、切割高度为39.6 cm时，割净率达99.4%，作业效果最优。该设备可满足林地复杂地形下刺五加高效割灌需求，为刺五加规模化种植的机械化修剪提供技术支撑。

Abstract

The aim of this research was to address the issues of poor terrain adaptability and low cutting efficiency of the Acanthopanax senticosu brush cutting equipment. Design an in-forest circular saw type Acanthopanax senticosu brush cutter mounted on the front of a tractor. Through structural design， it was clarified that the entire machine consisted of four core mechanisms： support adjustment， transmission，brush cutting and feeding. The support adjustment mechanism and feeding mechanism were developed， and the motion trajectory and cutting force of the circular saw blade in the cutting mechanism were analyzed to validate that its power met the requirements. Field experiments were conducted with the rotational speed of the circular saw， traveling speed， and cutting height as influencing factors， and the experimental data were processed using data processing software. The results indicated that traveling speed had the greatest impact on the cutting efficiency of the brush cutter， followed by the rotational speed of the circular saw， while cutting height had the least effect. Using Design-Expert13 software， a regression model for cut rate was constructed and parameters were optimized. It was obtained that the influence degrees of each factor on the cut rate from large to small were the traveling speed， the rotational speed of the circular saw， and the cutting height. When the rotational speed of the circular saw was 1 925 r/min， the traveling speed was 4.2 km/h， and the cutting height was 39.6 cm， the cut rate reached 99.4%， resulting in the best cutting performance. This equipment can meet the efficient brush cutting needs of Acanthopanax senticosus in complex forest terrain， providing technical support for mechanized pruning in large-scale Acanthopanax senticosus planting.

Graphical abstract

关键词

刺五加 / 割灌机 / 结构设计 / 割灌试验 / 圆锯片 / 割净率 / 参数优化

Key words

Acanthopanax senticosu / brush cutter / structural design / brush cutting experiment / circular saw blades / cut rate / parameter optimization

0 引言

作为我国传统中药材，刺五加（Acanthopanax senticosus）同时具备药用与食用双重价值。该植物含有皂苷、黄酮等多种活性成分，在抗疲劳、抗肿瘤等领域展现出显著的药理活性，其根皮、茎秆、嫩叶及果实等部位均具有开发利用价值，市场应用前景广阔^［1］。随着民众生活水平的提升以及心脑血管疾病患者数量的增加，刺五加的需求量正持续攀升，然而其野生资源却日渐匮乏，人工种植由此成为满足市场需求的必然途径^［2］。

在我国东北及华北地区，刺五加的种植范围较广，其分布区域多集中于丘陵缓坡地带 ^［3-4］。在1~2年生刺五加植株上开展割灌修剪作业，能够促进其植株更新，进而提高产量与品质^［5］。然而，目前我国常用的小型割灌机、人工工具及小型背负式割灌设备，存在劳动强度偏高、安全性能欠佳等弊端，难以满足大面积作业的需求^［6-8］；国外生产的割灌设备体积大，难以适应林地复杂的地形条件，因而无法满足刺五加割灌作业的生产需求^［9-12］。拖拉机具备优良的越野通过能力与动力适配特性，适用于林地环境下的作业，且其机械化作业方式可显著减轻人工劳动强度^［13］。因此，设计并研究可搭载于拖拉机上、能够适应林地地形且割净率较高的割灌设备，对于刺五加的开发利用具有重大价值。

1 整机结构和工作原理

1.1 基本结构

林间车载式刺五加割灌机安装于拖拉机前部，整机的总尺寸为3 800 mm×1 800 mm×1 600 mm，主要包含支撑调节机构、传动系统、割灌机构与拨料机构4个部分，其总体构造如图1所示。支撑调节机构能够调节割灌系统作业时锯片的离地高度以及拨料系统的高度，从而适应不同的作业路况与环境条件。传动系统由链轮、万向联轴节和变速箱组成，为其他系统传输动力。割灌机构由3个锯片交叉组成，对灌木进行割灌。拨料机构能促使经割灌处理的灌木向同一侧倾倒。在拨料机构的后面设有挡板，起到防止枝条被卷入传动系统，造成卡机，并对作业人员进行保护。

1.2 工作原理

林间车载圆锯式刺五加割灌机的工作过程为：作业时，操作人员将拖拉机挂挡，拖拉机的后动力输出轴提供动力，经减速链轮后，通过万向联轴节传输动力至前面的变速箱，之后带动各链轮转动，从而带动割灌机构与拨料机构，对刺五加进行切割，并将割灌后的枝条拨到右侧，实现连续割灌作业。

2 关键部件设计

2.1 支撑调节机构的设计

刺五加主要生长于山地阔叶林或针阔混交林下，在自然生长条件下一年刺五加生长的高度达0.5~1.2 m，在人工栽培且光照、水分和土壤等条件适宜的情况下，一年刺五加生长的高度可能达1.5~2 m，且树分枝较多^［14-17］。因此，需要设计符合刺五加生长环境的支撑调节机构。

支撑调节机构的支撑架被固定在拖拉机的前保险杠位置，这个机构配备有2个升降油缸，分别对割灌机构以及拨料机构的离地高度进行调控，可让拨料机构在距离地面0.7~1.5 m实现调节，割灌机构则在距离地面0~0.5 m进行调节。支撑调节机构作为关键传动部件，借助链条传动的方式，使动力系统和割灌机构以及拨料机构有效连接，达成圆锯高速旋转切割功能与拨料作业的同步协调运行。

借助支撑调节机构有的动态高度调整功能，割灌机可在复杂地形状况下达成作业高度的适应性调节，这一机制有效应对林区路面出现的不规则起伏，还能防止因切割后灌木枝丫坠落对设备产生干扰，保障了割灌作业过程的连续性和稳定性。在工作期间，依据刺五加植株的实际高度以及割灌作业所提出的具体需求，针对拨料机构与割灌机构实施相应的高度调节操作，支撑调节机构的设计情况如图2所示。支撑调节机构借助液压缸对割灌机构以及拨料机构在行进方向以及竖直方向上的位置进行控制。在作业开展的过程当中，操作人员利用手柄来调节液压缸，液压缸会随之带动割灌机构与拨料机构调整到合适的位置，以此保证割灌机构处于合理的作业高度。

支撑调节机构作为承载割灌机构的核心部件，除具备高度调节功能外，在真实工况条件下的运行性能直接决定其操作稳定性以及系统可靠性，割台机架在作业过程中会产生形变现象，这种形变对割灌机的安全性能有着较大影响，要改善这种状况，需优化支撑调节机构的结构设计，同时提升其机械强度，这是保障割灌机安全高效运行的关键^［18-20］。

基于有限元分析方法，利用ANSYS Workbench平台对割台机架结构进行静力学分析，分析过程中参数的变化，动力方程为

\mathit{M}\mathit{a}+\mathit{C}\mathit{v}+\mathit{K}\mathit{x}=\mathit{F}\left(t\right)。（1）

式中： M 为质量矩阵； C 为阻尼矩阵； K 为刚度系数矩阵；\mathit{x}为矢量位移；\mathit{v}为矢量速度；\mathit{a}为矢量加速度；\mathit{F}\left(t\right)为矢量力。

在静力学分析中，由静态载荷和恒定载荷组合构成的静力载荷不随时间变化。通过排除次要影响因素，可对式（1）进行简化，得到公式为

{\mathit{K}}_{\mathrm{C}}\mathit{x}={\mathit{F}}_{\mathrm{J}}。（2）

式中：{\mathit{F}}_{\mathrm{J}}为静力载荷；{\mathit{K}}_{\mathrm{C}}为常量矩阵。

借助SolidWorks平台搭建的割台机架三维模型，借助STEP文件格式达成与ANSYS Workbench仿真系统的数据交互，完成模型导入之后，在Workbench环境对材料属性参数做设置。本研究采用的机架结构是用Q235碳钢方管焊接而成的，其具体的材料性能参数见表1。

根据所设定的材料参数，本研究对割台机架开展了有限元网格离散化处理工作，由于该机架结构的几何特征相对简单，可直接借助ANSYS Workbench平台所提供的自动网格划分功能来达成离散化进程。网格划分生成后，需施加相应的边界条件和载荷工况，以准确模拟机架的实际工作状态。首先会对机架底部施加全自由度约束，紧接着施加重力载荷，以此来考察结构响应。需要指出的是，该机架所承受的主要载荷来自变速箱、下拨料机构、割台与锯片。割台机架的载荷分布示意简图如图3所示。

基于割台机架的静力学分析结果，通过有限元计算获得结构的变形和应力分布特性。图4分别展示了结构整体的位移分布情况、等效应力云图和等效弹性应变云图。由位移分布情况可知，机架整体位移量最大处位于上支撑臂位置，位移量为0.245 49 mm，机架结构产生的最大位移量处于设计允许范围内，不会影响割灌机割台的正常作业性能，符合设计要求。由等效应力云图可知，机架承受的最大应力{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}=12.946 MPa，其强度条件为

{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\le \frac{\left[\sigma \right]}{\left[S\right]}。（3）

式中：［σ］为屈服强度；［S］为安全系数。

作为林业机械装备，割灌机对结构精度的要求相对宽松。参考机械设计手册后，取安全系数［S］=2，结合表1中材料性能参数，Q235的屈服强度为［\sigma］=235 MPa，经过计算得出割台机架结构的最大许用应力为{\sigma }_{\mathrm{b}}=117.5 MPa，机架工作时的最大应力水平低于该许用值，因此割台机架的设计满足强度要求。根据等效弹性应变云图可知，其最大弹性应变量为7.718 6\times10^-5 mm/mm，远低于材料的极限挠度值3.3\times10^-3 mm/mm。有限元分析结果显示，机架结构在刚度性能、强度指标以及变形控制等方面均达到设计要求，满足强度设计要求。

2.2 拨料机构的设计

为提高割灌作业效率并实现灌木的有序收集，在割灌机割灌机构的上方设计了拨料装置，以促使割下的灌木沿同一方向倾倒，便于后续收集处理，其具体结构如图5所示。由图5可见，拨料机构主要由链传动机构构成，包含拨进机构和拨出机构2个功能模块，分别安装于割灌机的前部和顶部，采用轴座配合锁紧螺栓的装配方式确保结构稳定性。动力传递系统由安装于主传动轴的主动链轮和集成于张紧装置的从动链轮组成，通过键连接实现可靠的动力传输。在工作过程中，主传动轴将扭矩传递至主动链轮，进而驱动链条带动从动轮同步运转，完成对灌木枝丫的拨挡作业。

作业过程中，拨进机构通过送料链条将刺五加引导至锯片切割区域，以便切割工作的开展。为适应不同的作业条件，拨进机构能够调节与前进方向的夹角，从而提高割灌作业效率。当割灌机构完成对刺五加茎干的切割后，再由上方的拨出机构将其拨向一侧。

拨料链条选用滚子链，主要基于链传动系统具有传动可靠性高、环境适应性强、传动效率优异及所需预紧力较小等特点。根据割灌机割幅尺寸参数，设计拨料链总长度为3 400 mm，拨料链速度作为关键性能指标，其选取需满足以下约束条件^［21］。

1）被拨挡物能自由抛离。

为确保灌木枝条在出料端有效脱离，拨料链系统设计需符合以下条件

mr{\omega }^{\mathrm{2}}>mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha。（4）

式中：m为灌木枝条质量，kg；r为拨料链轮半径，m；\omega为拨料链轮角速度，rad/s；g为重力加速度，取9.8 m/s²；\alpha为拨料链倾角，°。

由于\omega=0，\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha=1，因此拨料链最低速度v_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}应满足下列条件

v_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}>\sqrt[]{rg}=\mathrm{0.98}\mathrm{m}/\mathrm{s}。（5）

2）灌木枝丫拨料速度适宜。

合理的拨料速度设计应满足物料平衡原则，即拨料装置单位时间处理的枝丫量须与割灌机作业效率相匹配。拨料链速度可通过以下动力学模型计算确定

V_{\mathrm{T}}=\frac{V_{\mathrm{M}}B}{kh}=\mathrm{2.4}\mathrm{m}/\mathrm{s}。（6）

式中：V_{\mathrm{T}}为拨料链速度，m/s；V_{\mathrm{M}}为割灌机前进速度，m/s；B为割灌机割幅，m；k为枝丫积聚系数，取13.3；h为拨料齿高度，m。

设计割灌机拨料链的速度为2.4 m/s，拨料链将割灌后的灌木枝条朝同一方向拨倒，便于提高后续收集作业的工作效率。

3 割灌机构的分析与设计

3.1 运动轨迹分析

割灌机构采用圆锯片回转锯切的方式实现灌木的横向切割作业。圆锯片在作业过程中呈现复合运动特征：其绕中心轴线以角速度\omega作高速旋转运动（主切削运动），同时随割灌机以线速度u沿进给方向平移（进给运动）。因此，锯齿齿尖a的相对运动为同一时间内齿尖圆周运动位移与机器前进位移的矢量和，这2种运动的复合作用使锯齿尖点a的运动轨迹呈现摆线特征，如图6所示。

圆锯片在绕轴线O旋转切割的同时沿x轴方向平移运动，据此建立锯齿尖端a的运动轨迹，其方程为

\left\{\begin{array}{c}{x}_a=ut+R\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\omega t\\ y_a=R\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t\end{array}\right.。（7）

式中：R为圆锯片半径，m；\omega为圆锯片角速度，rad/s；u为割灌机行进速度，m/s；x_a为齿尖a在x方向上的位移，m；y_a为齿尖a在y方向上的位移，m。

其速度方程为

\left\{\begin{array}{l}{V}_x=\frac{d{x}_a}{dt}=u+\omega R\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t\\ V_y=\frac{d{y}_a}{dt}=-\omega R\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\omega t\end{array}\right.。（8）

\left\{\begin{array}{c}{V}_a^{\mathrm{2}}=V_x^{\mathrm{2}}+V_y^{\mathrm{2}}=u^{\mathrm{2}}+{\omega }^{\mathrm{2}}{R}^{\mathrm{2}}+\mathrm{2}\omega R\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t\\ V_a=\sqrt[]{u^{\mathrm{2}}+{\omega }^{\mathrm{2}}{R}^{\mathrm{2}}+\mathrm{2}\omega R\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\omega t}\end{array}\right.。（9）

圆锯锯片的齿尖在割灌作业过程中的进给量为

U_{\mathrm{Z}}=\frac{\mathrm{60}\times \mathrm{1}\mathrm{000}U}{Zn}。（10）

式中：U_{\mathrm{Z}}为圆锯锯片齿尖的进给量；U为进给速度；Z为圆锯锯片的齿数；n为圆锯锯片的转速，r/min。

为明确运动轨迹计算中的关键几何参数，圆锯片的主要尺寸参数设计值见表2。

根据上述参数，计算得锯片的齿尖在割灌作业时的进给量U_{\mathrm{Z}}为1.4 mm/s。

3.2 切削力分析

圆锯片对灌木进行锯切时，圆锯锯片的切削力大小受到环境、灌木本身性质以及锯切参数等许多因素的影响，其实际切割的过程是十分复杂的^［22-23］。为便于研究，仅针对相关主要因素进行分析，忽略次要因素，并采用经验公式计算圆锯锯片的切削力。割灌机构中单个圆锯片在割灌作业时的受力情况分析如图7所示（F_r 为径向力；F_x 为水平力；F_t 为切向力）。

单位切削力为

F_{\mathrm{D}}=\frac{C_{\mathrm{\rho }}{f}_t}{l}+\left(A_t\delta +B_{t}v-C_t\right)。（11）

式中：C_{\mathrm{\rho }}为刀具的变钝系数；l为切削厚度，mm；\delta为锯切角，°；f_t、A_t、B_t为修正系数。

切削长度为

L=\frac{HnT{C}_{\mathrm{1}}{C}_{\mathrm{2}}}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_a\times \mathrm{1}\mathrm{000}}。（12）

式中：H为锯路宽度；T为工作时间；C_{\mathrm{1}}为工作日利用系数；C_{\mathrm{2}}为时间利用系数；{\theta }_a为运动遇角。

运动遇角为

{\theta }_a=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\frac{H_{\mathrm{1}}+\frac{H}{\mathrm{2}}}{R}\right)。（13）

式中：R为锯片半径；H_{\mathrm{1}}为圆锯片中心至地面的垂直距离，通常取H_{\mathrm{1}}=5\sqrt[]{D}/2+30（D为锯片外径）。

切削力的计算公式为

F_t=\left(F_{\mathrm{D}}b\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_a+\beta H\right)\frac{U_{\mathrm{Z}}H}{t}。（14）

式中：b为切削宽度；\beta为影响摩擦力变化强度的系数。

为了避免割灌后对刺五加的茬口造成太大的损坏，减小割灌作业时锯片受到的阻力，按照设计经验，将割灌机的圆锯片切削线速度设计在25~35 m/s。

割灌机圆锯片的转速为

n=\frac{\mathrm{60}{V}_a}{\mathrm{\pi }d}。（15）

式中：n为圆锯锯片的转速，r/min；V_a为锯齿齿尖a的线速度，m/s；d为锯片直径，mm。

计算的圆锯锯片转速要求为1 592~2 228 r/min。

割灌机单个锯片割灌作业时的功率为

P_{\mathrm{D}}=\frac{F_{\mathrm{C}}v}{\mathrm{1}\mathrm{000}}。（16）

式中，F_{\mathrm{C}}为圆锯锯片的切削力，N。

割灌机所需的功率为

P=\mathrm{3}{P}_{\mathrm{D}}。（17）

根据上述参数，得到单个圆锯锯片所需的锯切力为350.8 N，割灌机所需的功率为26.3 kW，符合设计要求。

4 样机多因素正交试验

4.1 试验条件

试验于2024年9月在黑龙江鸡西绿海林业有限公司刺五加种植试验田进行。主要以1年生刺五加作为试验对象，试验地块面积为0.25 hm²，垄高为28.5 cm，垄间距为150 cm，培土深度为45 cm，坡度为17°，平均种植生长密度为0.67 株/m²，刺五加种植平均株距为98.2 cm，试验区长度设置为50 m，试验前需清理每垄间的自然落叶与折断枝条，为保障试验的安全性及结果的准确性，将整备完毕的试验区划分为稳定区（18 m）、测定区（20 m）和停车区（12 m）。

4.2 试验方案

计算出割灌机的合理转速范围之后，将搭建好的样机安装在奔野484型拖拉机前保险杠上方，利用样机进行进一步试验研究，在满足割净率90%以上的条件下，寻找割灌机的最佳圆锯转速、行进速度与切割高度组合，以提高作业效率。选取17垄树型相差不大的刺五加作为试验对象，将17垄刺五加从1到17进行编号和测量，记录下相应编号刺五加的总株数。通过前期分析以及实地考察测量，取圆锯转速1 600~2 200 r/min，行进速度2~4 km/h，切割高度35~45 cm（取平地上圆锯片与地面的高度差），进行三因素三水平正交试验，试验参考因素见表3。

试验时，林间圆锯式刺五加割灌机按照设计的试验因素对灌木依次进行切割，统计割灌后刺五加的未割断株数。割净率公式为

R_{\mathrm{1}}=\frac{N_{\mathrm{Z}}-N_{\mathrm{W}}}{N_{\mathrm{Z}}}\times \mathrm{100}\%。（18）

式中：R_{\mathrm{1}}为割净率；N_{\mathrm{Z}}为总株数；N_{\mathrm{W}}为未割断株数。

割灌机的田间试验如图8所示。

4.3 试验结果分析

4.3.1 多因素正交试验结果及分析

多因素正交试验结果见表4。

使用Design-expert13软件对试验数据进行处理，建立割灌机割净率的回归方程模型，模型为

R₁ = 99.32+0.59A+0.692 5B-0.412 5C+0.32AB+0.97AC-0.525BC-3.44A²-2.03B²-2.66C²。（19）

基于试验数据进行方差分析，结果见表5。

根据表5的方差分析结果，割灌机割净率R_{\mathrm{1}}回归模型的P<0.000 1，失拟检验结果的P>0.05，说明模型不存在显著偏差，回归模型是合理的。在回归模型中，圆锯转速A、行进速度B、切割高度C以及AC、BC、A^{\mathrm{2}}、B^{\mathrm{2}}、C^{\mathrm{2}}的P<0.01，说明这些因素对割灌机割净率回归模型的影响极为显著。而AB的P>0.05，表明其对割灌机割净率回归模型的影响不显著，去除对回归模型影响不显著的因素，优化后的割灌机割净率模型为

R₁=99.32+0.59A+0.692 5B-0.412 5C+0.97AC-0.525BC-3.44A²-2.03B²-2.66C²。（20）

对优化后的回归模型进行方差分析，其P<0.01，说明优化后的模型具有可靠性。

贡献率K计算公式为

\delta =\left\{\begin{array}{c}\mathrm{0},\left(W\le \mathrm{1}\right)\\ \mathrm{1}-\frac{\mathrm{1}}{W},\left(W>\mathrm{1}\right)\end{array}\right.。（21）

K_i={\delta }_i+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{\displaystyle \sum _{\begin{array}{c}i=A\\ i\ne j\end{array}}^C}{\delta }_{ij}+{\delta }_{i^{\mathrm{2}}}\left(j=A,B,C\right)。（22）

式中：W为回归方程中各回归量的监测统计量；\delta为回归项对F的考核系数。

通过计算出各单因素的影响程度，计算结果见表6。其中，行进速度B对割灌机割净率的影响最大，其次是圆锯转速A，切割高度C的影响最小。

使用Design-expert13软件绘制出响应面图及交互因素对割灌机割净率的响应曲线，探究圆锯转速A、行进速度B和切割高度C之间的相互作用对割灌机割净率R₁的影响规律。

图9为切割高度C为40 cm时。圆锯转速A和行进速度B对割灌机割净率R_{\mathrm{1}}交互作用的响应曲面图，由图9可知，随着圆锯转速A在1 600~2 200 r/min和行进速度B在3~5 km/h逐渐增加时，割灌机割净率R_{\mathrm{1}}呈现出先增大后减小的趋势。

图10为行进速度B为4 km/h时圆锯转速A和切割高度C对割灌机割净率R_{\mathrm{1}}交互作用的响应曲面图。由图10可知，随着圆锯转速A在1 600~2 200 r/min和切割高度C在35~45 cm逐渐增加时，割灌机割净率R_{\mathrm{1}}呈现出先增大后减小的趋势。

图11为圆锯转速A为1 900 r/min时行进速度B和切割高度C对割灌机割净率R_{\mathrm{1}}交互作用的响应曲面图。由图11可知，随着行进速度B在3~5 km/h和切割高度C在35~45 cm逐渐增加时，割灌机割净率R_{\mathrm{1}}呈现出先增大后减小的趋势。

4.3.2 割灌机构参数优化

根据上述分析结果可知，圆锯转速、行进速度和切割高度需要在一定范围内才能得到较高的割净率。为了进一步提高割灌机割净率，使用Design-expert13软件的Optimization功能，对割灌机割灌机构的参数进行优化，目标函数为

\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}(x)=R_{\mathrm{1}}(x_A,x_B,x_C)\\ \mathrm{1}\mathrm{600}\le x_A\le \mathrm{2}\mathrm{200}\\ \mathrm{3}\le x_B\le \mathrm{5}\\ \mathrm{35}\le x_C\le \mathrm{45}\end{array}\right.。（23）

求解模型可得出，当圆锯转速为1 925 r/min，行进速度为4.2 km/h，切割高度为39.6 cm时，割灌机割净率可达到99.4%，割灌效果最好。

5 结论

1）本研究针对刺五加割灌设备对地形适应力差、割灌效率低的问题，设计了一款前置装载在拖拉机上面的林间圆锯式刺五加割灌机。进行了支撑调节机构、拨料机构分析与设计，对割灌机构圆锯片进行运动轨迹和锯切力分析，验证其功率符合要求。

2）以圆锯转速、行进速度和切割高度作为影响因素对林间车载圆锯式刺五加割灌机进行田间试验，通过Design-expert13软件分析处理试验数据，得到各因素的影响效果以及交互因素对割灌机割净率的影响规律。通过对因素参数进行约束和优化得到最优参数，当圆锯转速为1 925 r/min、行进速度为4.2 km/h、切割高度为39.6 cm时，割灌机割净率可达到99.4%，割灌作业效果最好。

参考文献

[1] 鲁招弟，张桦，刘忠颖.刺五加的经济价值及栽培技术综述［J］.世界热带农业信息，2022，5：31-33.

[2] LU Z D， ZHANG H， LIU Z Y.Review on economic value and cultivation techniques of Acanthopanax senticosus ［J］.World Tropical Agriculture Information，2022，5：31-33.

[3] 毕连东，吕烨，张丹，等.黑龙江省刺五加培育技术存在问题与分析［J］.中国林副特产，2024（3）：76-77.

[4] BI L D，LYU Y， ZHANG D，et al.Problems and analysis of Acanthopanax senticosus cultivation techniques in Heilongjiang Province［J］.Forest By-Product and Speciality in China，2024（3）：76-77.

[5] 王书越，潘少安，王明睿，等.基于MaxEnt模型评估刺五加在东北地区的空间分布［J］.生态学报，2019，39（9）：3277-3286.

[6] WANG S Y， PAN S A， WANG M R，et al.Assessing the geographic distribution of Acanthopanax senticosus in Northeastern China based on the MaxEnt model［J］.Acta Ecologica Sinica，2019，39（9）：3277-3286.

[7] 魏洪玲，解胜男，田叙辰，等.东北地区不同区域野生刺五加种群结构及动态分析［J］.浙江农林大学学报，2024，41（2）：333-342.

[8] WEI H L， XIE S N， TIAN X C，et al.Population structure and dynamics of wild Acanthopanax senticosus in different regions of Northeast China［J］.Journal of Zhejiang A & F University，2024，41（2）：333-342.

[9] 满源.辽东地区林下刺五加与辽东楤木可持续利用技术研究［D］.沈阳：沈阳农业大学，2019.

[10] MAN Y.Study on sustainable utilization technology of understory Acanthopanax senticosus and Aralia elata in Eastern Liaoning Region［D］.Shenyang：Shenyang Agricultural University，2019.

[11] 刘志刚，王德成，郝兴玉，等.自走式灌木平茬机设计与试验［J］.农业机械学报，2010，41（S1）：95-98，94.

[12] LIU Z G， WANG D C， HAO X Y，et al.Design and experiment on self-propelled shrub cutter［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41（S1）：95-98，94.

[13] 杨淑华，李素全，弋景刚，等.一种拨叉式核桃苗平茬机：CN209201588U［P］.2019-08-06.

[14] YANG S H， LI S Q， YI J G，et al.Shifting fork type walnut seedling stumping machine：CN209201588U［P］.2019-08-06.

[15] 陈永康.2GB—081型背负式割灌机的研制［J］.林业机械与木工设备，1996，24（3）：10-11.

[16] CHEN Y K.Development of 2GB—081 knapsack brush cutter［J］.Forestry Machinery & Woodworking Equipment，1996，24（3）：10-11.

[17] CHI C T.A new electric brush cutter［J］.Wseas Transactions on Systems and Controls，2012，7（3）：75-83.

[18] EHLERT D， PECENKA R.Harvesters for short rotation coppice：Current status and new solutions［J］.International Journal of Forest Engineering，2013，24（3）：170-182.

[19] NGUYEN H T.A systems model for short-rotation coppices：A case study of the whitecourt，Alberta，trial site［D］.Edmonton，Canada：University of Alberta，2014.

[20] 冯凡，杨淑华，张秀花，等.林木平茬机的发展现状及发展趋势［J］.河北农机，2020（12）：24-25.

[21] FENG F， YANG S H， ZHANG X H，et al.Current situation and development trend of tree stumping machines［J］.Hebei Agricultural Machinery，2020（12）：24-25.

[22] 孙景彬，刘志杰，杨福增，等.丘陵山地农业装备与坡地作业关键技术研究综述［J］.农业机械学报，2023，54（5）：1-18.

[23] SUN J B， LIU Z J， YANG F Z，et al.Research review of agricultural equipment and slope operation key technologies in hilly and mountains region［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2023，54（5）：1-18.

[24] 吕艳雪.刺五加栽培技术［J］.特种经济动植物，2020（2）：31-32.

[25] LYU Y X.Technology for cultivating Eleutherococcus senticosus ［J］.Special Economic Animal and Plant，2020（2）：31-32.

[26] 韩玉才.刺五加仿野生栽培技术［J］.中国林副特产，2020，166（3）：30-31，34.

[27] HAN Y C.Techniques of wild-imitation cultivation of Acanthopanax senticosus（Rupr.Maxim.） Harms［J］.Forest By-Product and Speciality in China，2020，166（3）：30-31，34.

[28] 张晓杰，尹春梅.刺五加标准化生产技术［J］.吉林林业科技，2018，47（4）：46-48.

[29] ZHANG X J， YIN C M.The standardized production technology of Acanthopanax senticosus ［J］.Journal of Jilin Forestry Science and Technology，2018，47（4）：46-48.

[30] 张天静，李玲，沈宝宇，等.刺五加特征特性及开发利用［J］.园艺与种苗，2018，38（11）：34-37.

[31] ZHANG T J， LI L， SHEN B Y，et al.Characteristics，development and utilization of Acanthopanax senticosus ［J］.Horticulture & Seed，2018，38（11）：34-37.

[32] 杨伟康.柠条平茬机的设计与截梢切割试验研究［D］.南京：南京林业大学，2022.

[33] YANG W K.Experimental study on the design and cutting of caragana stubble leveling machine［D］.Nanjing：Nanjing Forestry University，2022.

[34] 于会鑫.小型履带式双圆锯割灌机的设计与研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2019.

[35] YU H X.Design and research of small track type double circular saw brush cutting machine［D］.Harbin：Northeast Forestry University，2019.

[36] 高海洋.刺五加灌木收割机的设计与技术研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2023.

[37] GAO H Y.Study on design and technology of shrub Manyprickle acanthopanax root［D］.Harbin：Northeast Forestry University，2023.

[38] 陈叶叶.小型履带式灌木平茬机的设计与研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2019.

[39] CHEN Y Y.Design and study of a small crawler shrub grader［D］.Harbin：Northeast Forestry University，2019.

[40] 战丽，于会鑫，刘九庆，等.小型自走式割灌机的设计与研究［J］.农机化研究，2019，41（6）：72-77.

[41] ZHAN L， YU H X， LIU J Q，et al.Design and analysis of small self-propelled brush cutter［J］.Journal of Agricultural Mechanization Research，2019，41（6）：72-77.

[42] 杨春梅，杨博，宋文龙.人工林小型履带采伐机切削力与切削功率的研究［J］.森林工程，2015，31（5）：78-81，85.

[43] YANG C M， YANG B， SONG W L.Study on cutting force and cutting power of small artificial forest tracked harvester［J］.Forest Engineering，2015，31（5）：78-81，85.

基金资助

“十四五”国家重点研发计划项目(2022YFD2202101)