自行式桑樹切割機的設計與仿真制造

李海平，王 瑞，葉自旺，李豐延，成 銘，鐘社養

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

0 引言

我國是世界蠶絲業的發源地，蠶絲業生產已有5 000多年的悠久歷史。目前，我國有成片桑園面積70.9萬hm2，全國有養蠶農戶約2 000萬戶，蠶絲產量約10萬t。桑樹每年的秋冬季需要割去上部不充實的枝干，才能在來年獲得更嫩更綠的桑葉，而人工割桑枝是一項勞動效率低、勞動強度大的活動，為此設計了一種桑樹切割機。

桑樹切割技術要求：桑樹剪伐破壞了桑樹本身分生理平衡，而且對桑樹的生長帶來了一定的影響。因此，要求在剪伐過程中截面平整光滑、無裂傷、無破皮。這樣不僅能加快其傷口愈合速度，減少桑葉產量；同時，可以根據桑樹的生長特點，不同時期剪伐，根據留桿高度不同的要求，進行調整留桿高低。[1]因此，在設計中提出了一種手動調節升降裝置，以應對各種高度的要求。同時，要求對切鋸的切割轉速和行進速度進行匹配，以滿足切鋸的平整性要求。

栽植密度：根據土壤條件，桑樹品種等因素綜合考慮，新植桑園宜密植，促豐產。如采用“沙二x倫109”等雜交桑種種植，在肥水條件較好的園地上，一般可667hm2植6 000株桑苗左右(株、行距70.15cm)；在肥水條件較差、有機質少、干旱貧瘠的園地，可選用本地桑種種植，特別是用直播苗更好，種植密度宜大一些，可667hm2植8 000株左右(株、行距為70.12cm)[2]。

桑樹種植技術要點為：用苗量5 000～7 000株/667hm2；大行行距66.7cm，小行行距30cm；株距16.7～20cm。大量的苗株及較小的行距與株距[2]。要求切割機構具有較小的體積、較大的切割效率，以增加產量，同時減輕勞動強度。

桑樹切割是蠶桑生產的重要組成部分，目前我國的桑樹切割多采用人工剪伐和半機械化剪伐。人工剪伐勞動強度大，剪伐不均勻，效率低；而半機械化剪伐時，機器在田間移動困難，效率低，成本高。因此，開發研制價格低廉、性能優良的小型桑樹收割機對提高農業機械化水平及促進農業現代化建設具有十分重要的現實意義。

1 設計原理及機構

1.1 設計原理

自行式桑樹切割機如圖1所示。針對桑樹單位種植量大、切割工作量大的特點，研制了自行式桑樹切割機。該機在行走裝置上安裝多自由度可調節式切割鋸，對種植行上的桑樹進行切割，通過手動調節切割鋸左右和高度調節裝置，從而滿足不同位置、不同高度的切割要求。自行式桑樹切割機的行走裝置可以使其在經過苗帶的同時進行切割，提高了切割效率，減輕了人工勞動。其機構優點是結構簡單，環境適應性強，可靠性高。切割鋸切割后的桑樹苗切鋸平面平整，破裂程度低。該機具與450W電機和2 000W電鏈鋸配套使用。采用自行式結構設計實現了農業的半機械化，提高了工作性能，減少了勞動強度及對環境的污染。

1.桑樹 2.自行式桑樹切割機

1.2 總體設計

自行式桑樹切割機結構示意圖如圖2所示。

1.車架 2.電機 3.車輪 4.萬向輪 5.手推桿 6.切割鋸平臺 7.切割鋸 8.絲桿升降裝置 9.左右移動平臺

1)行走功能的實現：作業時，蓄電池放出直流電，帶動直流電機通過減速器把動力通過齒輪傳動傳遞到主動力軸上，主動力軸通過帶傳動將動力傳遞給車輪，從而帶動車體向前運動。

2)切割功能的實現：在車架上方安裝有左右移動平臺，通過手動調節可以使刀具進行左右移動，使刀具到達合適的切割位置。平臺上方安裝有絲桿升降裝置，通過手動調節絲桿使切割平臺進行上下移動，以滿足不同的留桿要求。電鏈鋸安裝在切割平臺上，因為切割鋸通過螺栓固定，所以具有良好的易修理及可替換性。

其主要技術參數如下:

外形尺寸/mm：620×780×800

可調節豎直距離/mm：0～240

可調節水平距離/mm：0～260

行進速度/mm·s-1：375

電鏈鋸轉速/r·min-1：400

配套動力/W：450W的直流電動機

桑樹切割器形式：自行式

1.3 關鍵部件設計

多自由度可調節式移動平臺如圖3所示。

1.導軌 2.水平移動平臺 3.升降調節裝置 4.切割鋸平臺

多自由度可調節式移動平臺包括左右移動平臺及絲桿升降裝置。

1)水平方向調節的實現：左右移動平臺包括平行導軌，水平移動平臺通過導軌進行左右滑動，并在合適的位置通過固定裝置固定。

2)豎直方向調節的實現：水平移動平臺上方固定有絲桿升降裝置，通過旋轉絲桿上的升降調節裝置，切割鋸平臺可以進行上下移動，以滿足對各種留桿要求的適應性。

2 虛擬仿真與設計分析

將三維造型軟件UG完成的模型導入到Adams虛擬樣機中,并進行動態仿真，目的在于設計機械是否可運行及是否存在機械運動過程的零件干涉問題。

2.1 自行式桑樹切割機仿真模型建立

將三維造型軟件UG完成的自行式桑樹切割機模型導入到Adams虛擬樣機中并添加相關約束，得到所需仿真模型，如圖4所示。

2.2 桑樹稈莖仿真模型的建立

切割機械進行虛擬仿真時，為了得到切割機構與桑樹稈莖發生碰撞接觸時的相互作用力，通過Adams仿真軟件中的柔性建模建立桑樹的虛擬仿真模型，再通過與自行式桑樹切割機進行約束得到在切割過程中的機構性能參數。

圖4 自行式桑樹切割機仿真約束示意圖Fig.4 Sketch map of simulation restriction of self-propelled mulberry cutter

2.2.1 桑樹稈莖的建立

桑樹稈莖呈長條狀，密度較大，但由于切割的稈莖一般直徑較小，在收到電鏈鋸切割作用時發生的變形程度較大，又因為被切割桿與主稈莖生長在一起，為了使模擬情況與實際情況符合，將桑樹桿莖作為長條形可變形柔性體進行處理。通過離散柔性連接件法建模，得到相關模型。

在切割時，桑樹稈莖的平均直徑為4cm，平均彈性模量為11GPa，泊松比為0.33。建立桑樹桿莖模型時，為了簡少計算量，將桑樹簡化為圓柱體，利用離散柔性連接件法構建桑樹仿真模型。因為桑樹桿莖的密度均勻，在柔性建模時，為了使結果盡可能趨于實際值，將稈莖離散為20節。在相關參數列表中輸入有關參數，完成桑樹桿莖的建模。

2.2.2 桑樹稈莖添加約束

由于被切割稈莖與主稈莖生長在一起，同時考慮到主稈莖通過根系與土壤連接，與土壤連接緊密，所以在建模過程中需要建立土壤簡化模型，并在建立的柔性體與土壤間添加固定約束，以得到合理的仿真結果。仿真模型如圖5所示。

圖5 桑樹桿莖仿真模型約束示意圖Fig.5 Schematic diagram of mulberry stalk simulation model constraint

2.3 切割構件仿真模型的建立

切割構件進行運動仿真時，首先在Adams仿真平臺建立建立虛假仿真模型，并通過此模型與之前建立的桑樹稈莖模型進行聯合仿真，才能獲得切割構件的性能參數。

2.3.1 切割構件的創建

由于切割構件選用的是電鏈鋸，特點是刀刃呈L形，為了保證模型與真實情況相符合，同時簡化計算過程，在分析過程中只研究單個刀片在切割過程的運動狀態。在UG中建立刀具模型，完成對切割構件的建立，仿真模型如圖6所示。

圖6 刀片模型示意圖Fig.6 Schematic diagram of the blade model

2.3.2 切割構件的仿真約束

電鏈鋸在切割過程中可以等效為多個圓盤鋸進行切鋸，所以在計算時運用部分圓盤鋸計算公式對電鏈鋸的切鋸點情況進行計算。

設被鋸切件的斷面面積為A=b×hmm2,進行純切鋸的時間為t，則生產率f(mm2/s)為

若切鋸時的進給速度為U(mm/min),切鋸全部斷面的行程為L(mm)，則

為了保證切鋸效果，在切鋸過程中行進速度不能過快。在Adams中設切割器在切割時的前進速度為U=375mm/s，根據桑樹生長特點和電鏈鋸厚度，設斷面面積為A=50mm×5mm；根據桑樹種植特點，設切鋸全部斷面的行程為L=50mm,則f=31.25mm2/s。

假設切割器切割時以鋸片長度方向上的中點為切割點，則由轉動剛體內點的速度與剛體角速度的關系可得切割點的線速度，即

式中v—切割點的線速度(m/s)；

ω—根部切割器的刀盤角速度(rad/s)；

R0—刀刃頂點半徑(m)；

R1—刀刃根點半徑(m)。

其中，n為根部切割器的刀盤轉速(r/min)[3]。

根據電鏈鋸尺寸得到相應的圓盤鋸尺寸參數為：R0=200mm,R1=190mm,轉速n=400r/min。因此，得到v=8 272mm/s。

由計算結果可知：刀具切割速度遠大于車體前進速度，并且在切割過程中單個刀片產生切割作用的時間極短，所以在研究單個刀片作用時可以近似地認為刀片只發生對桑樹稈莖的切割運動。在Adams仿真平臺中，對刀具添加相對于地面的移動副，設置其與地面的相對移動速度為8 272mm/s。

2.4 切割機構與桑樹桿莖聯合仿真

切割機構進行切割作業時，電鏈鋸鋸片與桑樹稈莖之間進行重復切削，將稈莖切斷。在此過程中，最重要的是保證切屑進給的穩定性，以防止機構在行進的過程中發生整體斷裂，從而保證切割斷面的光滑和平整。

2.4.1 桑樹稈莖在機構行進的碰撞仿真

為了得到切割的仿真過程，首先要仿真出桑樹稈莖僅與切割構件發生碰撞斷裂的情況，其聯合仿真約束圖如圖7所示。

圖7 桑樹稈莖碰撞實驗仿真約束圖Fig.7 Right limit position Z-T

在電鏈鋸與稈莖間添加碰撞接觸設定仿真時間為2s,設置仿真步數為50步，解算結束后，在后處理模塊中繪制出切割點處的X、Y、Z軸的位移，如圖8～圖10所示。

圖8 X方向位移曲線圖Fig.8 X direction displacement curve

圖10 Z方向位移曲線圖Fig.10 Z direction displacement curve

由圖8～圖10可知：在仿真過程中，電鏈鋸與桑樹稈莖從0.3s時開始接觸，桑樹稈莖在電鏈鋸刀片的沖擊下發生移動；在1.25s時，位移達到最大，刀片與桑樹稈莖發生碰撞擊擊穿，桑樹稈莖發生斷裂。

2.4.2 桑樹稈莖在刀片切割作用下仿真

為了掌握切割過程的情況，在已經建立好的切割構件模型中導入桑樹仿真模型。由于實際生產過程中刀片都存在一定的厚度，所以實際的切割可以等效為一種在小面積上的發生的碰撞。在桑樹稈莖與刀具之間添加碰撞約束，因為單個刀片作用的時間極短，所以設定仿真時間為0.1s，設置仿真步數為50步，其仿真約束圖如圖11所示。

在后處理模塊中繪制出切割點處的X、Y、Z軸的位移，如圖12～圖14所示。

圖11 桑樹稈莖切割實驗仿真約束圖Fig.11 Mulberry stalk cutting constraint graph simulation

圖12 X方向切割位移曲線圖Fig.12 X direction cutting displacement curve

圖13 Y方向切割位移曲線圖Fig.13 Y direction cutting displacement curve

圖14 Z方向切割位移曲線圖Fig.14 Z direction cutting displacement curve

由圖12～圖14可知：在仿真過程中，刀片與桑樹稈莖在刀片的切割作用下發生定向移動，在0.05s時位移達到最大，但之后的曲線并沒有發生位移的驟變，從而證明了刀具在切割過程中對桑樹的斷裂損傷極低，可以滿足對切割斷面平整性的要求。

2.5 自行式桑樹切割機的仿真結果分析

采用UG建立自行式桑樹切割機的實體模型，將其導如Adams虛擬仿真平臺進行仿真，利用Adams平臺的離散柔性體建模，建立桑樹稈莖模型，建立相應的約束，分別對碰撞過程和切割過程進行仿真。

仿真結果表明：桑樹切割過程中，完成切割所需的時間小于前進所需的時間，且同時能夠保證切割質量。這說明，設計中所采用的切鋸轉速以及和行進機構的前進速度是合理的。

3 自行式桑樹切割機的試制與實驗

經過仿真驗證了自行式桑樹切割機的可行性，對留稈高度、切口的一致性和割凈性，各種直徑莖稈的適應性等進行嚴格的調查，確定各零件的具體參數，試制了一臺實驗樣機，并進行實地試驗，測定其收割效率及效果，以驗證其是否滿足實際需求的生產效率。通過測試，得到其生產效率為13～15棵/min，其實物拍攝圖如圖15所示。

圖15 自行式桑樹切割機的實物拍攝圖Fig.15 Physical shooting drawing of self-propelled mulberry cutter

4 結論

1)在切割過程中，為了保證切割的平整性，所以前進速度較慢， 從而保證切割的效果。

2) 為了保證切割效果，同時提高前進速度，電鏈鋸轉速需要盡可能加快。

3) 由仿真結果可知：該自行式桑樹切割機對不同的切割情況具有良好的適用性，工作性能可靠，可以滿足現行市場需求的效率，具有良好的發展前景。