雙動(dòng)刀往復(fù)式甘蔗切割器設(shè)計(jì)及分析

袁　潔，尹志宏，朱佳明

（昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

雙動(dòng)刀往復(fù)式甘蔗切割器設(shè)計(jì)及分析

袁潔，尹志宏，朱佳明

（昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

為了解決小型甘蔗切割器單動(dòng)刀工作時(shí)存在的平衡能力差、切割速度低、容易卡滯堵塞等問題，進(jìn)行了小型甘蔗切割器的改進(jìn)設(shè)計(jì)。采用雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩組刀片彼此反向切割的雙動(dòng)切割裝置機(jī)構(gòu)，對(duì)割刀位移、速度、加速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，并對(duì)動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)確定了最佳切割速比K=1.8。研究結(jié)果為甘蔗切割器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)提供了參考依據(jù)。

雙動(dòng)；甘蔗切割器；運(yùn)動(dòng)學(xué)；切割速比

0　引言

甘蔗收割機(jī)機(jī)械化已成為我國(guó)甘蔗生產(chǎn)迫切需要解決的問題。由于我國(guó)甘蔗種植區(qū)域多數(shù)是丘陵地帶，且受季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)的影響，目前我國(guó)市場(chǎng)上還沒有適合我國(guó)甘蔗種植和收獲情況的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的甘蔗收獲產(chǎn)品［1，2］。目前，大部分小型收割機(jī)的切割傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的組合帶動(dòng)割刀實(shí)現(xiàn)往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，但是往復(fù)式甘蔗切割機(jī)多為單動(dòng)刀，工作時(shí)平衡能力差，動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)頻率低，容易卡滯堵塞。而雙動(dòng)刀往復(fù)式是兩組刀片彼此相向切割，作業(yè)速度快，工作效率更高［3～6］。因此針對(duì)這些問題，設(shè)計(jì)一種雙動(dòng)刀往復(fù)式切割器并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行研究，以獲得較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)和切割功效。

1　基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙動(dòng)刀往復(fù)式切割器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由箱體1、上臂2、下臂3、動(dòng)力輸入軸4、大錐齒輪5、小錐齒輪6和偏心機(jī)構(gòu)組成。動(dòng)力輸出軸一端為花鍵形式與外接動(dòng)力連接，另一端與大錐齒輪固定連接；小錐齒輪6安裝在偏心機(jī)構(gòu)總成上，并與大錐齒輪5嚙合；偏心機(jī)構(gòu)總成與上臂2、下臂3分別連接，帶動(dòng)其做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中偏心軸式雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要由搖桿和連桿組成，通過上下兩組對(duì)稱的曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上下動(dòng)刀組做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，完成切割作業(yè)。

圖1　傳動(dòng)箱剖面結(jié)構(gòu)示意圖

1.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理

往復(fù)式雙動(dòng)刀甘蔗切割器采用前置式與小型輪式拖拉機(jī)掛接，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

偏心軸上有兩個(gè)平行且錯(cuò)開一定角度的偏心輪，上下擺臂軸分別外接上下臂。外接動(dòng)力通過花鍵帶動(dòng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力輸入軸通過與其固定安裝的大錐齒輪以及與其嚙合的小錐齒輪將動(dòng)力傳至偏心軸處，帶動(dòng)偏心軸以及上下偏心臂旋轉(zhuǎn)。上偏心臂通過銷釘帶動(dòng)上擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)，下偏心臂通過銷軸帶動(dòng)下擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)，上臂與下臂分別由上擺臂軸與下擺臂軸帶動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2　主要部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1切割器割幅及動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

往復(fù)式切割器是收割機(jī)的主要工作部件，其割幅應(yīng)該盡量大，但大的割幅將會(huì)有大的慣性振動(dòng)與功率消耗，同時(shí)也會(huì)大大降低切割機(jī)在丘陵地帶作業(yè)的靈活性。本切割器的切割方式采用往復(fù)式上下雙動(dòng)刀切割，工作幅寬為0.75m～1.20m。

動(dòng)刀片是切割器的主要工作零部件，對(duì)刀片的要求為材料硬度高，耐磨，具有一定的彈性。如圖3所示，上下割刀刀片兩側(cè)為切割齒刃，且分布有均勻的齒紋，因此切割阻力較大，但不需要磨刀，使用方便切割效率高，切割能力強(qiáng)，并且對(duì)粗、細(xì)莖干均有較好的適應(yīng)性。按照國(guó)際規(guī)定，刀片材料為T9碳素工具鋼，刃部淬火和回火。用于甘蔗切割的往復(fù)式甘蔗切割器按照切割行程S、刀片間距（上刀片間距t1，下刀片間距t2）的關(guān)系可分為Ⅰ型、Ⅱ型兩種型式，其中：

圖3　切割器動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)刀片的幾何形狀對(duì)切割器的工作可靠性和功率消耗有較大影響，因此在本次設(shè)計(jì)中，切割器刀片選擇為外形輪廓為六邊形的梯形動(dòng)刀片，如圖3所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：刃部高度h=55mm，刀片底寬c=62mm，前橋?qū)抌=18mm，刀片厚度d=4mm，滑切角α=22°；兩相鄰刀片間的參數(shù)：刀片節(jié)距t=70mm，相鄰刀片刃口底邊間距e=8mm，割刀行程s=t/2=35mm。

2.2無急回雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到雙刀的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，必須有一個(gè)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的作用是將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈镀耐鶑?fù)式運(yùn)動(dòng)，對(duì)往復(fù)式偏心機(jī)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)分析可知，其運(yùn)行方式可以由兩個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成，且這兩個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)分布在相互平行的兩個(gè)平面上。通過簡(jiǎn)化，其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖4可知，四邊形O1A1B1O2與O1A2B2O2構(gòu)成對(duì)稱的雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，為使在切割過程中，切割效果穩(wěn)定，采用無急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。其行程比系數(shù)K=1（極位夾角0=θ=0），存在的充要條件是曲柄與機(jī)架的平方和等于連桿與搖桿的平方和。已知割刀行程s=35mm，根據(jù)作圖分析得曲柄r=8mm，設(shè)定機(jī)架I4=100mm，I2=65mm，根據(jù)公式I21+I24=I22+I23，可得I3=76.4mm，確定了機(jī)構(gòu)中各桿件的長(zhǎng)度及相互位置關(guān)系。

2.3切割器功率消耗估算

切割器在作用過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)往復(fù)式切割器上下動(dòng)刀做往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)。影響功率消耗的因素很多，主要有機(jī)組前進(jìn)速度，切割幅寬，上下動(dòng)刀往復(fù)速度，甘蔗莖堅(jiān)硬度等。由于切割器在工作時(shí)的功率消耗影響因素較多，采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算［7］。切割器總的功率消耗p包括切割作業(yè)時(shí)的功率p1及空轉(zhuǎn)功率p2，即：

式中：vm為切割器作業(yè)速度，m/s；

B為切割幅寬，m；

l0為莖干切割比功，J/m2。

本機(jī)與小型手扶拖拉機(jī)配套使用，前進(jìn)速度vm=0.556m/s，即拖拉機(jī)Ⅱ檔=2.0km/h，B=1.0m，切割甘蔗時(shí)l0取300，p2與切割器的安裝技術(shù)有關(guān)，一般每米割幅需消耗功率0.6kw～1.2kw，本切割器取p2=0.9kw。將上述已知參數(shù)代入經(jīng)驗(yàn)公式，得p=1.07kw。

3　往復(fù)式雙動(dòng)割刀的運(yùn)動(dòng)仿真及其切割速比

3.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

在雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，因其上下對(duì)稱，取其中一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。如圖所示，曲柄AB為原動(dòng)件，以等角速度1ω轉(zhuǎn)動(dòng)，各構(gòu)件的長(zhǎng)度分別為I1，I2，I3，I4，連桿BC，搖桿CD的轉(zhuǎn)速及角加速度分別為2ω ，3ω，2α，3α。得封閉矢量方程：

分別對(duì)x和y軸投影，得代數(shù)方程：

將式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到有關(guān)角速度和角加速度的矩陣方程：

圖5　四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2切割器運(yùn)動(dòng)仿真

在MATLAB7.0環(huán)境下對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，為了計(jì)算方便，將初始位置取在曲柄轉(zhuǎn)至與X軸正向重合時(shí)，輸入各桿件的長(zhǎng)度以及曲柄角速度，分別得出搖桿與連桿的角速度、角加速度、角位移曲線圖。通過圖6～圖8，我們可以直觀的得連桿與搖桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)分析的目的。

圖6　角速度分析界面

圖7　角加速度分析界面

圖8　角位移分析界面

3.3往復(fù)式割刀切割速比

切割速比對(duì)切割性能的影響較大，切割器在實(shí)際工作時(shí)，如果切割速比K過小，則割茬不整齊，漏割，切割質(zhì)量不穩(wěn)定，若切割比K過大，則可能發(fā)生重割，或造成機(jī)器的振動(dòng)加劇。割刀的進(jìn)距H就是割刀完成一次行程的時(shí)間內(nèi)機(jī)器前進(jìn)的距離，割刀的進(jìn)距對(duì)切割器的工作性能影響較大，表現(xiàn)在切割器動(dòng)刀刃的切割能力方面。割刀進(jìn)距的計(jì)算公式為：

式中：H為割刀進(jìn)距；vm為機(jī)器前進(jìn)速度；n為曲柄轉(zhuǎn)速；

切割速比K表示割刀速度與機(jī)器前進(jìn)速度之間的關(guān)系：

【】【】

經(jīng)過計(jì)算，當(dāng)曲柄主軸轉(zhuǎn)速為900r/min，切割器平均速度vf=1.05m/s，收割機(jī)平均作業(yè)速度vm=0.556m/s時(shí)，切割器選標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型，為保證切割質(zhì)量，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)那懈钏俦取Ｍㄟ^實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)切割速比K≥1.6時(shí)，未發(fā)生割茬不齊或切割質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此，本切割器K=1.8設(shè)計(jì)合理。

4　結(jié)論

針對(duì)單動(dòng)刀甘蔗切割器切割效果不佳的狀況，設(shè)計(jì)了往復(fù)式雙動(dòng)刀甘蔗切割器。雙動(dòng)切割與單動(dòng)切割相比，工作時(shí)的動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)越，刀片往復(fù)次數(shù)高，工作效率更高，作業(yè)速度更快。對(duì)切割裝置中動(dòng)刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)、割刀的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，對(duì)雙動(dòng)割刀進(jìn)行了位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)分析，得出了其最佳切割速比。因此，該機(jī)構(gòu)滿足甘蔗收割時(shí)的作業(yè)要求。

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Design and analysis of the double knives reciprocating cutter

YUAN Jie，YIN Zhi-hong，ZHU Jia-ming

TH16；S225.5+3

A

1009-0134（2016）09-0106-03

2016-05-20

袁潔（1990 -），男，陜西韓城人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。