山地の懸架式刈倒・圧倒機の整地機構の設計と動的解析

なぜ急傾斜地での刈取りは見た目以上に難しいのか

丘陵地で牛や羊を飼う農家にとって、アルファルファは生命線だ。乾燥期の長い期間にわたり家畜を養う重要な飼料である。しかし、急傾斜で凹凸のある地面でアルファルファを均一に刈り取り、伏せるのは意外に難しい。既存の刈払機は平坦な圃場を想定して設計されているため、急斜面では土に食い込んだり、不揃いな高さで茎を残したり、高価な機械自体を損傷することすらある。本研究は、山間地の起伏に自動で追従し、刃を安定した高さに保ちながら作物と地面の両方を保護する新しい刈倒・圧倒機を紹介する。

斜面や不整地での農作業の現状

中国の丘陵・山地は草地・畜産業にとって重要だが、その圃場は谷間の整った長方形とは程遠い。斜面勾配は20〜35度に達し、短い距離で土面が20〜30センチ上下し、5センチ程度の凹凸や小さな段差が頻繁に現れる。平地向けに作られた既存の刈倒・圧倒機はこのような環境で苦戦する。凹凸で剛性が高すぎて跳ねると土を抉ることがあり、逆に浮き上がると高い不揃いな切株を残してしまう。それは貴重な飼料の無駄を生み、アルファルファの再生を阻害する可能性がある。したがって、より小型で機敏に動き、いわゆる“プロファイル”機能――地面の形状に自動追従しつつ安全で一定の刈高を維持する――を持つ機械が求められている。

ばねを使った新しいバランス機構

研究者らは、トラクタの後ろに懸架され、ばねとリンク機構で支持される刈倒・圧倒用の切断台を設計した。主要な機構は二つに分かれている。プロファイリング装置は切断台がわずかに回転して斜面に傾けられることを可能にし、一方で懸架用のばね機構は上下方向の衝撃を吸収する。双方とも強力な張力ばねを適切な大きさと位置で配置し、切断台の重量の一部をばねで負担させることで、地面にかかる押し付け力（接地圧）を制御する。従来設計で用いられていた油圧に頼るのではなく、この純機械的なアプローチは接地圧を約2000ニュートン以下に抑えつつ、刃を十分近くに保って確実に刈ることを目指している。

設計を仮想の丘や穴で試す

実機の製作と現地試験に先立ち、チームは詳細な3Dモデルを作成し、多体動力学ソフトウェアRecurDynで解析を行った。仮想マシンを、現実の地形を模したテストトラック上で走行させた。波状の正弦形状でピークが25センチの地面、長い30度の斜面、5センチ深の窪みや5センチ高の突起が点在するコースなどを再現した。シミュレーションは切断台の上下変位、各ばねの伸び縮み、各部の地面に対する接触力を追跡した。これらの条件下で切断台の高さ変動は約21〜48センチの範囲に収まり、主要接点での接触力は概ね0〜1500ニュートンの範囲に留まり、設計上の許容値内であった。プロファイリング用のばねは支持ばねより一貫して大きく変形し、細かい地面追従の役割を果たしていることが確認された。

コンピュータモデルから実際のアルファルファ圃場へ

仮想での挙動が実際にも再現されるかを確認するため、研究者らは甘粛省のアルファルファ圃場で試作機を試験した。刈払機は標準の90馬力トラクタに連結され、実際の丘陵地にかけられた。中国の刈倒・圧倒機に対する基準では、性能は主に残株高さと、刈取茎のうち均一に乾燥するように適切に伏せられた割合の二つで評価される。複数回の走行と測定の結果、平均残株高さは63.2ミリメートルで70ミリメートルの基準を下回り、圧倒率は約95.1パーセントで求められる90パーセントを上回った。重要なのは、通常の作業速度域でもマシンが良好な地面追従性を維持し、土を抉る兆候や大きな見落としが見られなかった点である。

険しい土地の農家にとっての意義

一般読者向けに言えば要点は明快だ。本機は複雑な油圧系に頼るのではなく、巧妙に調整されたばね系を用いることで、斜面や凹凸のある地面を“浮く”ように走行しつつ刃を安全かつ一定の距離に保つことができる。その結果、より均質な切断、より均一な乾燥、機械損傷のリスク低下が期待できる。研究では今後、長期疲労やより過酷な地形への最適化が必要であることが指摘されているが、試作機の結果は、慎重な機械設計が従来の機械では扱いにくかった急斜地・不整地での収量向上と飼料品質向上をもたらし得ることを示している。

引用: Wang, J., Geng, B., Li, P. et al. Design and dynamic analysis of the profiling mechanism for suspended mowing and flattening machines in hilly and mountainous areas. Sci Rep 16, 5663 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35468-8

キーワード: アルファルファ収穫, 丘陵地農地, 草刈機械, ばね式プロファイリング機構, 地形適応