Projekt i analiza dynamiczna mechanizmu profilującego dla zawieszanych maszyn do koszenia i spulchniania na terenach pagórkowatych i górzystych

Dlaczego koszenie stromych pól jest trudniejsze, niż się wydaje

Dla rolników hodujących bydło i owce na terenach pagórkowatych lucerna to koło ratunkowe: ta wytrzymała roślina żywi zwierzęta przez długie, suche okresy. Jednak czyste ścinanie i spulchnianie lucerny na stromym, nierównym gruncie jest zaskakująco trudne. Tradycyjne maszyny koszące zaprojektowano pod pola płaskie. Na nierównych stokach mogą one wrzynać się w glebę, zostawiać postrzępione łodygi na nierównych wysokościach, a nawet uszkadzać drogi sprzęt. W niniejszym badaniu opisano nową maszynę do koszenia i spulchniania, która automatycznie podąża za nierównościami górskich pól, utrzymując ostrza na stałej wysokości i chroniąc jednocześnie uprawę oraz glebę.

Uprawa na zboczach i nierównym terenie

Tereny pagórkowate i górzyste w Chinach są kluczowe dla krajowego sektora użytków zielonych i hodowli zwierząt, ale ich pola rzadko przypominają proste prostokąty dolinnych gospodarstw. Stoki osiągają kąty 20–35 stopni, powierzchnia gleby na krótkich odcinkach unosi się i opada o 20–30 centymetrów, a dziury lub niewielkie garby o wysokości około 5 centymetrów są powszechne. Istniejące maszyny do koszenia i spulchniania, zaprojektowane głównie do równin, mają w tym środowisku problemy: przejeżdżają zbyt sztywno po wybojach, wciskają ostrza w glebę lub unoszą się tak wysoko, że zostawiają wysoką, nierówną ścinkę. To marnuje cenny paszę i może osłabić odrost lucerny. Rolnicy potrzebują więc urządzeń mniejszych, zwrotniejszych i potrafiących „profilować” grunt — automatycznie podążać za jego kształtem przy zachowaniu bezpiecznej, stałej wysokości cięcia.

Nowy balans oparty na sprężynach

Naukowcy zaprojektowali zawieszaną maszynę do koszenia i spulchniania, której stół tnący wisi za traktorem i jest utrzymywany przez starannie rozmieszczony układ sprężyn i łączy. Dwie główne części dzielą zadanie. Urządzenie profilujące pozwala stołowi tnącemu na niewielką rotację, dzięki czemu może się przechylać wraz ze stokiem, natomiast mechanizm sprężynowy zawieszenia porusza się głównie w pionie, pochłaniając pionowe nierówności. Oba elementy wykorzystują mocne sprężyny naciągowe dobrane i umieszczone tak, aby część ciężaru stołu była podtrzymywana przez sprężyny, a tylko kontrolowana część naciskała na grunt. Zamiast polegać na hydraulice, jak w poprzednich projektach, to podejście czysto mechaniczne ma na celu utrzymanie siły docisku do gruntu — „ciśnienia na grunt” — poniżej około 2000 niutonów, jednocześnie zachowując ostrza wystarczająco blisko gleby, by ciąć skutecznie.

Próby projektu na wirtualnych wzgórzach i dziurach

Zanim zbudowano i przetestowano maszynę w terenie, zespół skonstruował szczegółowy model 3D i uruchomił go w programie do wielociałowej dynamiki o nazwie RecurDyn. Przeprowadzili wirtualny przejazd maszyny po komputerowo wygenerowanych torach testowych imitujących rzeczywisty teren: sinusoidalne, falujące powierzchnie z wypukłościami 25 centymetrów; długie strome odcinki o kącie 30 stopni; oraz ścieżki z licznymi dziurami o głębokości 5 centymetrów i garbami wysokości 5 centymetrów. Symulacje rejestrowały, jak bardzo stół tnący poruszał się w pionie, o ile poszczególne sprężyny się rozciągały lub ściskały oraz jak mocno stół naciskał na ziemię w różnych punktach. W tych warunkach wysokość stołu tnącego regulowała się w zakresie około 21–48 centymetrów, a siły kontaktu w kluczowych punktach utrzymywały się głównie w przedziale 0–1500 niutonów — bezpiecznie poniżej granicy projektowej. Sprężyny profilujące konsekwentnie odkształcały się bardziej niż sprężyny wsporcze, potwierdzając, że wykonują większość precyzyjnej pracy podążania za podłożem.

Z modelu komputerowego do prawdziwych pól lucerny

Aby sprawdzić, czy wirtualne wyniki przełożą się na praktykę, badacze przetestowali prototyp na polu lucerny w prowincji Gansu. Kosiarka była zaczepiona do standardowego ciągnika o mocy 90 koni mechanicznych i uruchamiana na prawdziwych pagórkowatych działkach. Zgodnie z chińskimi normami dla maszyn koszących i spulchniających, dwie proste miary podsumowują wydajność: wysokość pozostającej ścinki oraz odsetek ściętych łodyg poprawnie spulchnionych do równomiernego schnięcia. Po wielokrotnych przejazdach i pomiarach maszyna pozostawiła średnią wysokość ścinki 63,2 milimetra — poniżej limitu 70 milimetrów — i spulchniła około 95,1 procent lucerny, przekraczając wymagane 90 procent. Co istotne, kosiarka zachowała dobre podążanie za podłożem i nie wykazywała oznak wrzynania się w glebę ani pomijania dużych obszarów, nawet przy zwiększaniu prędkości w normalnym zakresie roboczym.

Co to oznacza dla rolników na trudnym terenie

Dla czytelnika ogólnego przekaz jest prosty: dzięki inteligentnie wyregulowanemu układowi sprężyn zamiast złożonej hydrauliki, ta nowa kosiarka może „unosić się” nad nierównym, stromym terenem, utrzymując ostrza w bezpiecznej, stałej odległości od gleby. To prowadzi do czystszych cięć, bardziej równomiernego suszenia plonu i mniejszego ryzyka uszkodzenia sprzętu. Chociaż badanie wskazuje, że w przyszłości należy dopracować konstrukcję pod kątem zmęczenia materiału i bardziej ekstremalnego terenu, prototyp już pokazuje, że staranna mechaniczna konstrukcja może zwiększyć plony i poprawić jakość paszy dla rolników gospodarujących na stromych, nierównych polach, które często są pomijane przez konwencjonalne maszyny.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: zbiór lucerny, pagórkowate gospodarstwa, maszyny koszące, sprężynowy mechanizm profilujący, dostosowanie do terenu