一體式煙稈拔稈粉碎機(jī)設(shè)計(jì)與仿真

張大斌，余朝靜，舒成松，劉維崗，黃德云，曹 陽(yáng)，張紀(jì)利

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 貴陽(yáng) 550025；2.貴州科爾達(dá)客機(jī)電設(shè)備有限公司，貴陽(yáng) 550003；3.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，南寧 530001)

0 引言

煙草是我國(guó)最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)當(dāng)中有著舉足輕重的作用[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2012年我國(guó)煙草種植面積達(dá)到141.2萬(wàn)hm2，其副產(chǎn)物煙稈的產(chǎn)量為2 330萬(wàn)t[2]。隨著煙草種植面積的增加，大量的煙稈殘留田間，為了避免煙稈及其根部腐爛在土壤中成為病蟲(chóng)害和病毒的傳染源，影響來(lái)年煙草的種植與生長(zhǎng)，需要在煙葉收獲后立即拔除煙稈[3-4]。由于我國(guó)在煙稈收獲方面的機(jī)械化程度低，煙葉采摘結(jié)束后通常由人工進(jìn)行煙稈的清理工作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且拔出后的煙稈通常被隨意棄在煙田中或者就地焚燒，廢棄煙稈資源沒(méi)有得到有效利用，反而嚴(yán)重地污染了環(huán)境[5]。因此，開(kāi)展煙稈的機(jī)械化回收和綜合利用成為現(xiàn)代化煙草農(nóng)業(yè)不可忽視的重要環(huán)節(jié)。

作為煙葉收獲后的重要副產(chǎn)品, 煙稈的資源化利用較廣，如可以用來(lái)制備活性炭[6]，也可以從中提取果膠[7]、低聚木糖[8]等化學(xué)原料，還可以用于造板[9]、造紙[5,10]、生產(chǎn)肥料[11]及生物質(zhì)燃料[7]等。不言而喻，開(kāi)展煙稈的資源化利用具有顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。目前，煙稈的綜合利用大都需要將煙稈送至車(chē)間進(jìn)行二次加工(烘干、粉碎、壓縮成型等)，費(fèi)時(shí)費(fèi)工，而且煙稈密度小，空間大，運(yùn)輸不便。另外，現(xiàn)有拔稈機(jī)械或是效率不高，或是操作不便，或是需要輔助收集、清理工序，整體體現(xiàn)出適應(yīng)性差的特點(diǎn)，而具有煙稈拔起、收集、清理和粉碎的一體化設(shè)備能夠解決煙稈回收利用運(yùn)輸不便等問(wèn)題，以及綜合利用預(yù)處理環(huán)節(jié)存在的主要問(wèn)題，促進(jìn)煙稈的高效綜合利用。目前煙稈拔稈機(jī)構(gòu)的研究還不夠成熟，拔稈機(jī)構(gòu)存在功率消耗大、受力不均、振動(dòng)較大等問(wèn)題。基于以上背景，開(kāi)展了一體式拔稈粉碎機(jī)拔稈機(jī)構(gòu)的研究。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

一體式煙稈拔稈粉碎機(jī)能一次完成煙稈的拔起、抓取、輸送、清理和粉碎拋送等工作，主要由拔稈刀輥、輸送對(duì)輥、粉碎機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及機(jī)架等組成，如圖1所示。其中，拔稈刀輥采用掘蔸式刀輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，輸送對(duì)輥主要由齒梳、輸送對(duì)輥Ⅰ、輸送對(duì)輥Ⅱ、輸送對(duì)輥Ⅲ和浮動(dòng)對(duì)輥Ⅳ組成，粉碎機(jī)構(gòu)采用秸稈揉絲機(jī)，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由齒輪泵、管路、閥件、油箱、PLC、壓力傳感器和3個(gè)液壓馬達(dá)組成。

1.2 工作原理

移動(dòng)式煙稈拔稈粉碎機(jī)配套動(dòng)力為四輪拖拉機(jī)，由拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置為拔稈粉碎機(jī)提供行進(jìn)動(dòng)力和調(diào)節(jié)拔稈入土深度。拖拉機(jī)通過(guò)輸出主軸帶動(dòng)齒輪泵為液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力，由齒輪泵帶動(dòng)3個(gè)液壓馬達(dá)分別為拔稈刀輥、輸送對(duì)輥和粉碎機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)各功能部件的單獨(dú)調(diào)速。

作業(yè)時(shí)，刀輥液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀輥旋轉(zhuǎn)，刀輥反轉(zhuǎn)，刀輥彎刀由煙壟壟底開(kāi)始切削土壤，以疏松煙壟土壤，并將煙蔸掘出地面；在拔稈橫刀作用下將整棵煙稈和土塊向后拋擲至后部輸送對(duì)輥，以避免煙稈與刀輥的纏繞、堵塞；進(jìn)入輸送對(duì)輥的煙稈在多級(jí)對(duì)輥的旋轉(zhuǎn)推送和拋擲作用下，實(shí)現(xiàn)煙稈的輸送、煙蔸去土等工序；對(duì)輥液壓馬達(dá)通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)輸送對(duì)輥Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)，并由輸送對(duì)輥Ⅲ通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)各級(jí)輸送對(duì)輥，在浮動(dòng)輸送對(duì)輥Ⅳ作用下被強(qiáng)制喂入到粉碎機(jī)構(gòu)，完成煙稈的均勻粉碎并拋送至收集車(chē)，實(shí)現(xiàn)煙稈的連續(xù)拔稈粉碎作業(yè)。

1.刀輥 2.齒梳 3.輸送對(duì)輥Ⅰ 4.三點(diǎn)懸掛 5.刀輥液壓馬達(dá) 6.刀輥傳動(dòng)減速箱 7.輸送對(duì)輥液壓馬達(dá) 8.輸送對(duì)輥Ⅲ9.擺臂 10.輸送對(duì)輥Ⅳ 11.煙稈粉碎機(jī) 12.粉碎機(jī)液壓馬達(dá) 13.機(jī)架 14.殼體 15.輸送對(duì)輥Ⅱ 16.拔稈耕深調(diào)節(jié)輪

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 拔稈刀輥設(shè)計(jì)

2.1.1 拔稈刀輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拔稈是煙稈收獲的工藝難點(diǎn)，既要求不漏拔、拔稈功耗低，又要求保持煙蔸完整性、適應(yīng)性好。拔稈刀輥?zhàn)鳛榘味挿鬯闄C(jī)的核心工作部件，其結(jié)構(gòu)和參數(shù)對(duì)拔稈作業(yè)的拔稈質(zhì)量、工作穩(wěn)定性、功率消耗和機(jī)組的平衡性等指標(biāo)有較大影響。本文采用掘蔸式拔稈刀輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要由刀軸、左旋彎刀、右旋彎刀 、拔稈橫刀、刀座及刀盤(pán)等組成，如圖2所示。

1.刀盤(pán) 2.左旋彎刀 3.右旋彎刀 4.拔稈橫刀 5.刀軸

該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：掘蔸式拔稈刀輥利用旋耕原理，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)根莖掘起刀輥上安裝彎刀和拔稈橫刀，工作時(shí)旋轉(zhuǎn)刀輥的刀片隨著機(jī)具的前進(jìn)反轉(zhuǎn)入土挖掘，并將煙蔸掘出。該機(jī)對(duì)不同煙壟具有良好的適應(yīng)性，能有效解決煙稈的漏拔和拔斷問(wèn)題，并能有效降低刀輥切土阻力和拔稈作業(yè)功耗[12]；同時(shí)，刀輥式結(jié)構(gòu)還能對(duì)煙壟起到耕整作用，減少了第2年煙田耕整工作量。

2.1.2 彎刀主要參數(shù)確定

彎刀作為拔稈刀輥的主要工作部件，主要作用是對(duì)煙壟進(jìn)行切削，以疏松煙壟土壤并將煙蔸掘出地面，并對(duì)煙稈向后拋擲輸送，以完成連續(xù)拔稈作業(yè)。因此，為滿(mǎn)足拔稈要求并減少刀輥纏草和提高彎刀正切面拋土性能，對(duì)Ⅲ型彎刀進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)來(lái)作為拔稈機(jī)刀輥彎刀。其主要參數(shù)有：回轉(zhuǎn)半徑、側(cè)切刃、正切刃、正切部彎折半徑和工作幅寬等[13]，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

1)回轉(zhuǎn)半徑。為滿(mǎn)足煙稈的拔稈農(nóng)藝要求和實(shí)現(xiàn)煙壟的耕整作業(yè)，彎刀回轉(zhuǎn)半徑R應(yīng)大于壟高。同時(shí)，在一定的拔稈入土深度和作業(yè)速度下，應(yīng)選擇大回轉(zhuǎn)半徑、小轉(zhuǎn)速以降低機(jī)組功耗[14]，但過(guò)大的回轉(zhuǎn)半徑會(huì)增大機(jī)組外形尺寸。因此，綜合各因素，取R=250mm。

2)彎刀刀刃設(shè)計(jì)。彎刀刀刃的設(shè)計(jì)包括正切刃和側(cè)切刃兩部分。本文彎刀的側(cè)切刃曲線(xiàn)采用等進(jìn)螺旋線(xiàn)(阿基米德螺線(xiàn))，為保證彎刀對(duì)煙蔸根系切斷較少，耕底較為平整，正切刃曲線(xiàn)位于刀輥的外圓柱面上，即在側(cè)視圖上其投影為圓弧。正切刃與側(cè)切刃兩段刃口間以圓弧線(xiàn)光滑過(guò)渡[13]。

3)正切部彎折半徑。彎刀正切部彎折半徑r是彎刀的一個(gè)重要參數(shù)。r過(guò)大時(shí)，彎刀拋土性能較低，不利于煙稈和土塊的拋送，易造成堵塞；而r過(guò)小時(shí)，功率消耗較大，彎折圓弧處易黏土，并且會(huì)降低彎刀彎折處強(qiáng)度，影響使用壽命[13]。試驗(yàn)表明：針對(duì)不同的煙壟條件和土壤特征，取r=30～40mm時(shí)能較好滿(mǎn)足刀輥拔稈要求，文中取r=30mm。

4)工作幅寬。增大彎刀的工作幅寬可減少刀輥上彎刀數(shù)量，以及彎刀對(duì)煙蔸根須的損傷和切斷，有助于煙蔸的完整掘起；而工作幅寬過(guò)大會(huì)增加刀輥的功率消耗，易造成刀輥的纏草和堵塞，還將影響彎刀的剛度。試驗(yàn)表明：針對(duì)不同的煙壟條件和土壤特征，彎刀幅寬取b=30～50mm時(shí)能較好滿(mǎn)足刀輥拔稈要求，文中取b=30mm。

圖3 刀輥彎刀結(jié)構(gòu)圖

2.1.3 彎刀排列設(shè)計(jì)

彎刀的排列方式是決定拔稈粉碎機(jī)性能的重要因素，對(duì)刀輥的拔稈作業(yè)質(zhì)量、功率消耗、平衡性能及使用壽命等都有很大的影響。刀輥常見(jiàn)的排列方式有螺旋線(xiàn)排列、對(duì)稱(chēng)排列、交錯(cuò)平衡排列3種方式[15]。為使刀輥拔稈作業(yè)質(zhì)量較好、工作阻力小、受力均勻和拔稈效率高，本文提出了彎刀在刀輥上的4n±2最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線(xiàn)排列法。該法將彎刀在刀輥上按雙頭螺旋線(xiàn)排列，兩螺旋線(xiàn)旋向相反、升角相同，同條螺旋線(xiàn)上安裝同向刀片，相鄰的螺旋線(xiàn)上安裝反向刀片。彎刀安裝于刀輥軸的刀座上，同一截面上安裝兩把反向彎刀，其刀座間相位夾角為180°。

根據(jù)名義工作幅寬B和截面間距L，初步計(jì)算出切削區(qū)數(shù)mQ、截面數(shù)m、總刀數(shù)N和實(shí)際工作幅寬Bs。

其中，mQ取整數(shù)，N滿(mǎn)足4n±2的數(shù)列規(guī)律(n為自然數(shù))，名義工作幅寬與實(shí)際工作幅寬差值ΔB小于10mm。

依據(jù)煙稈拔稈農(nóng)藝要求，取700mm≤B≤1 100mm，100mm≤L≤150mm，初選名義工作幅寬B=700mm，截面間距L=100mm。計(jì)算得到實(shí)際工作幅寬ΔB=700mm，截面間距L=100mm，截面數(shù)m=8，總刀數(shù)N=14，彎刀相繼工作的相位差為θ=25.7°，同一螺旋線(xiàn)上的相鄰彎刀的相位差U=51.4°。

2.2 輸送對(duì)輥設(shè)計(jì)

2.2.1 輸送對(duì)輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的輸送對(duì)輥由齒梳、對(duì)輥Ⅰ、對(duì)輥Ⅱ、對(duì)輥Ⅲ、對(duì)輥Ⅳ和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，主要完成煙稈、土塊等混合物的有效分離和煙稈的穩(wěn)定輸送，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。輸送對(duì)輥由對(duì)輥液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，并通過(guò)鏈傳動(dòng)使各輥均有動(dòng)力，增強(qiáng)了輸送能力。齒梳和對(duì)輥Ⅰ下輥設(shè)置成齒釘結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了煙稈抓取能力，并具有很強(qiáng)的去土效果。對(duì)輥Ⅰ上輥、對(duì)輥Ⅱ和對(duì)輥Ⅲ設(shè)置成鋸齒式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輸送過(guò)程中煙稈的順序調(diào)直、穩(wěn)定輸送和煙蔸附土的清理，并能保證煙蔸根須的完整性。由于1棵完整煙稈的煙蔸部分與莖稈部分尺寸相差較大，為保證輸送對(duì)輥對(duì)喂入粉碎機(jī)構(gòu)的煙稈有壓緊夾持作用，對(duì)輥Ⅳ設(shè)置成齒板式結(jié)構(gòu)并且上輥設(shè)置為浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了煙稈的均勻喂入，保證了煙稈的粉碎質(zhì)量。

1.刀輥 2.齒梳 3.對(duì)輥Ⅰ下輥 4.對(duì)輥Ⅰ上輥 5.對(duì)輥Ⅱ下輥 6.對(duì)輥Ⅱ上輥 7.對(duì)輥Ⅲ下輥 8.對(duì)輥Ⅲ上輥 9.對(duì)輥Ⅳ下輥 10.對(duì)輥Ⅳ上輥 11.對(duì)輥Ⅳ上輥限位稈 12.對(duì)輥鏈傳動(dòng)

2.2.2 輸送對(duì)輥參數(shù)確定

1)輸送對(duì)輥直徑。輸送輥的直徑是影響煙稈的抓取、輸送、清理、喂入及粉碎質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。輸送輥直徑越小，機(jī)組的結(jié)構(gòu)尺寸也就越緊湊；但直徑過(guò)小時(shí)，易引起打滑、纏繞，甚至不能輸送煙稈；輸送輥直徑相對(duì)較大時(shí)，與煙稈的接觸面積會(huì)增大，輸送穩(wěn)定性也會(huì)越好。因此，輸送輥的最小直徑應(yīng)以能穩(wěn)定輸送煙稈為前提[16]。機(jī)組工作時(shí)，煙稈通常是一棵棵順序拔起并進(jìn)入輸送輥中，對(duì)煙稈輸送過(guò)程及其受力進(jìn)行分析如圖5所示。

圖5 輸送輥工作過(guò)程分析

輸送對(duì)輥工作時(shí)，對(duì)煙稈產(chǎn)生的作用力為F,上下輸送輥對(duì)煙稈的摩擦力為f·F。因此，輸送輥能完成煙稈輸送的必要條件為[16]

2F·fcosα≥2Fsinα

故f=tgφ≥tgα，即φ≥α。

式中α——F與上下輸送輥軸心線(xiàn)夾角;

φ——煙稈對(duì)輸送輥表面摩擦角。

1.1 資料來(lái)源 選擇本院收治的卵巢腫瘤患者126例，根據(jù)組織病理學(xué)檢查結(jié)果分為卵巢癌組67例，年齡29～65歲，中位年齡52歲；卵巢良性腫瘤組59例，年齡29～68歲，中位年齡49歲。卵巢癌組中上皮性卵巢癌34例，漿液性卵巢腺癌26例，透明細(xì)胞性卵巢癌7例。卵巢良性腫瘤組中卵巢囊腫37例，卵巢纖維瘤12例，卵巢畸胎瘤5例，卵巢炎性包塊5例。另選擇在本院體檢的健康女性59例列為健康對(duì)照組，年齡26～67歲，中位年齡53歲。所有研究對(duì)象均無(wú)心、肝、肺及胃等重要臟器疾患。本研究經(jīng)醫(yī)院倫理委員會(huì)批準(zhǔn)，患者知情同意。

由輸送輥工作過(guò)程分析可知，若輸送煙稈直徑為d,經(jīng)輸送對(duì)輥壓緊后變?yōu)閍，輸送輥半徑為r，則

O1O2=2r+a=2rcos2α+d

因φ≥α，所以得

秸稈對(duì)輸送輥表面摩擦角φ為17°～27°，文中取煙稈對(duì)輸送輥摩擦角為φ=20°，取d=40mm，a=30mm，計(jì)算得到輸送輥直徑為D≥43mm。

2)輸送輥轉(zhuǎn)速。本課題煙稈粉碎顆粒主要用于生物質(zhì)燃料的壓縮成型，目前適用于煙稈粉碎長(zhǎng)度的準(zhǔn)確公式還沒(méi)有，借鑒喂入機(jī)構(gòu)及粉碎原理相似的青飼料收獲機(jī)的粉碎長(zhǎng)度計(jì)算公式[17]，則

lp=60000Vw/nz

式中l(wèi)p——秸稈切碎長(zhǎng)度(mm)；

Vw——喂入輥的喂入速度(m/s)；

n——切碎器的轉(zhuǎn)速(r/min)；

z——為切碎器上的動(dòng)刀片數(shù)。

已知lp≤40mm，n=1 500r/min，z=3，計(jì)算得到Vw=2.8m/s。

為滿(mǎn)足煙稈粉碎粒徑要求，輸送輥喂入速度需小于Vw。同時(shí)，依據(jù)課題作業(yè)指標(biāo)和拔稈作業(yè)工藝要求，刀輥設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)半徑為R=250mm，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為n2=110r/min，為避免煙稈的堵塞，輸送對(duì)輥線(xiàn)速度需大于刀輥線(xiàn)速度，可得27.5≤n1r1≤28.66。其中，n1為輸送輥轉(zhuǎn)速(r/min)；r1為輸送輥半徑(mm)。轉(zhuǎn)速n1和r1越小，粉碎粒徑越小。然而，n1、r1過(guò)小會(huì)影響拔稈作業(yè)效率，同時(shí)為實(shí)現(xiàn)煙稈的順序調(diào)直和穩(wěn)定輸送，各級(jí)對(duì)輥速度逐級(jí)增加[18]。結(jié)合式(5)、式(7)及以上分析，最終確定各對(duì)輥直徑為D=100mm，對(duì)輥Ⅰ、對(duì)輥Ⅱ、對(duì)輥Ⅲ和對(duì)輥Ⅳ轉(zhuǎn)速分別分別為：nⅠ=551r/min，nⅡ=551r/min，nⅢ=570r/min，nⅣ=570r/min.

2.3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，在集拔稈、輸送、清理、粉碎的一體式煙稈拔稈粉碎機(jī)及其工作參數(shù)和功率分配的研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此，為實(shí)現(xiàn)拔稈粉碎機(jī)工作過(guò)程中拔稈刀輥、輸送對(duì)輥和粉碎機(jī)構(gòu)的單獨(dú)調(diào)速，較好完成煙稈的拔稈、輸送和粉碎作業(yè)，并得到拔稈刀輥、輸送對(duì)輥和粉碎機(jī)構(gòu)的最優(yōu)工作參數(shù)組合和功率消耗，機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)還能簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性。本文設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖6所示。系統(tǒng)通過(guò)拖拉機(jī)輸出主軸驅(qū)動(dòng)齒輪泵提供液壓油源，去驅(qū)動(dòng)拔稈刀輥馬達(dá)后再串聯(lián)驅(qū)動(dòng)輸送對(duì)輥馬達(dá)和粉碎機(jī)馬達(dá)。觸摸屏通過(guò)PLC控制比例流量閥，對(duì)刀輥馬達(dá)、輸送對(duì)輥馬達(dá)和粉碎機(jī)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。在系統(tǒng)中設(shè)置轉(zhuǎn)速傳感器和壓力傳感器，能實(shí)時(shí)顯示各馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和壓力變化，并得到各拔稈刀輥、輸送對(duì)輥和粉碎機(jī)構(gòu)的功率消耗，從而為拔稈粉碎機(jī)功率分配提供了依據(jù)。

1.油箱 2.球閥 3.液位計(jì) 4.溫度計(jì) 5.空氣濾清器 6.吸油油濾 7.吸油軟管 8.液壓泵 9.高壓軟管 10.壓力傳感器 11.溢流閥 12.高壓油濾 13.比例流量閥 14.單向閥 15.拔稈刀馬達(dá) 16.轉(zhuǎn)速傳感器 17.比例流量閥 18.比例流量閥 19.喂入輥馬達(dá) 20.粉碎機(jī)馬達(dá) 21.PLC 22.觸摸屏 23.散熱器 24.回油油濾

3 刀輥仿真分析

拔稈粉碎機(jī)作業(yè)時(shí)，刀輥上彎刀一邊隨機(jī)組的前進(jìn)而前進(jìn)，一邊隨刀輥的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是由拔稈粉碎機(jī)的前進(jìn)所具有的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和彎刀的圓周運(yùn)動(dòng)所合成的。因此，刀輥上彎刀端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為[13]

式中vm——機(jī)組前進(jìn)速度；

R——彎刀端點(diǎn)旋轉(zhuǎn)半徑；

w——刀輥旋轉(zhuǎn)角速度。

在刀輥單元切削小區(qū)內(nèi)設(shè)置的彎刀數(shù)Z=2時(shí)，同一切削小區(qū)內(nèi)的第2把彎刀的運(yùn)動(dòng)方程為

彎刀端點(diǎn)位移方程兩邊對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得到彎刀端點(diǎn)速度方程，其表達(dá)式為

式中vx——彎刀端點(diǎn)沿x方向的速度分量；

vy——彎刀端點(diǎn)沿y方向的速度分量。

依據(jù)課題作業(yè)指標(biāo)要求和拔稈粉碎機(jī)拔稈作業(yè)對(duì)切土節(jié)距的要求及功率消耗最小原則，取拔稈機(jī)前進(jìn)速度vm=0.37m/s，刀輥轉(zhuǎn)速為n=110r/min。通過(guò)對(duì)彎刀的運(yùn)動(dòng)分析及在所選取的拔稈粉碎機(jī)前進(jìn)速度和拔稈刀輥轉(zhuǎn)速下，利用MatLab對(duì)彎刀的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，以進(jìn)一步驗(yàn)證所選參數(shù)的合理性。圖7為彎刀拔稈切土軌跡，圖8為彎刀位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。由圖7、圖8可知：在所選參數(shù)下，彎刀運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線(xiàn)，彎刀端點(diǎn)沿x方向的速度分量存在與拔稈機(jī)前進(jìn)方向相反的情況。也就是說(shuō)，vx<0時(shí)，彎刀能向后拋擲煙稈，能滿(mǎn)足拔稈作業(yè)要求[19]。

圖7 彎刀拔稈切土軌跡

圖8 彎刀端點(diǎn)沿x、y方向速度分量變化曲線(xiàn)

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了具有煙稈拔起、抓取、輸送、清理及粉碎拋送的一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了煙稈的機(jī)械化回收，并對(duì)其關(guān)鍵部件拔稈刀輥、輸送對(duì)輥和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2)通過(guò)設(shè)計(jì)與分析，確定了拔稈刀輥彎刀參數(shù)和彎刀的4n±2最優(yōu)數(shù)列雙螺旋線(xiàn)排列。彎刀參數(shù)為：回轉(zhuǎn)半徑R=250mm，正切部彎折半徑r=30mm，工作幅寬b=30mm。另外，得到了輸送對(duì)輥的結(jié)構(gòu)和參數(shù)：其結(jié)構(gòu)主要由齒梳、對(duì)輥Ⅰ、對(duì)輥Ⅱ、對(duì)輥Ⅲ、對(duì)輥Ⅳ和鏈傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，輸送輥直徑為D=100mm；各輸送輥轉(zhuǎn)速分別為：nⅠ=551r/min，nⅡ=551r/min，nⅢ=570r/min，nⅣ=570r/min，并完成了液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和各液壓元件的選型。

3)利用MatLab對(duì)彎刀的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：在所選參數(shù)下彎刀運(yùn)動(dòng)軌跡為余擺線(xiàn)，彎刀端點(diǎn)沿x方向的速度分量存在vx<0，彎刀能向后拋擲煙稈，滿(mǎn)足拔稈作業(yè)要求，驗(yàn)證了所選參數(shù)的合理性。