小型往復式平衡慣性牧草收割機的研制

李巖舟，張振寰，簡進文，王 鋒，李思然

(廣西大學 機械工程學院，南寧 530000)

0 引言

牧草是發展畜禽生產(特別是草食家畜生產)的基礎。牧草中不僅含有家畜必需的各種營養物質，還含有對維持家畜健康特別重要的粗纖維，這是糧食與其它飼料所不能替代的[1]。相關部門最新數據顯示，廣西目前宜草經濟林面積約466.67萬hm2，宜草果樹園區面積約53.33萬/hm2[2]。若拿出以上土地面積的1/4來間套種優質牧草，按照年均45t/hm2牧草來做保守折算，1年全廣西額外增產牧草產量就有0.59億t多[3]。另外，畜禽產品6成以上來自牧草轉換，而廣西優質牧草產量遠遠無法滿足畜牧業的需要。可見，廣西的牧草業發展前景很好。

從農藝生產的角度考慮,牧草種植一般都會留茬后能二次生長進行二次收割。所以，留茬平整度和破頭率是牧草收割的重要參考指標。據了解，國外大多采用大型的圓盤式切割機，雖然實現了對切割、打捆、壓軋的全程一體化，但機器結構復雜和體積過大，導致其機動性差，對地面平坦度要求高。因此，國外大型的圓盤式切割機不適合我國大部分南方地區松軟的土質特點，也難以適應我國大部分南方地區存在的丘陵、盆地、坡地等復雜地勢。我國北方地區大多采用的往復式切割器，靠單動刀片與定刀片形成剪切，雖然剪切力大、夾持平穩，但在刀片往復運動變向瞬間存在的慣性大，產生振動強烈，導致“破頭現象”。我國南方主要采用的小型圓盤式切割機，由于圓盤刀片無夾持作用，切割時土質松軟牧草容易向后倒伏，且切口容易脆斷，從而導致留茬平整度低和破頭率高等問題。

綜上所述，以上介紹的3款牧草收割機都不能很好地適應南方牧草收割的需要。為此，設計出一款小型的、能有效減少破頭率和提高留茬平整度的收割機，以滿足南方牧草收割的迫切需要。

1 原理及機構

1.1 收割機的機構組成

小型平衡慣性牧草收割機主要由機架、動力機構、傳動機構及執行機構4部分組成，如圖1所示。

1.護刃片 2.刀片 3.刀桿 4.曲柄軸 5.連桿 6.桿端軸承 7.法蘭盤 8.傳動軸 9.柴油機 10.立式軸承 11.皮帶 12.皮帶輪 13.犁型曲面擋板 14.車輪 15機架 16.手把

機架包括手扶拖拉機柴油機的固定裝置、支撐傳動軸的軸承、曲柄軸的支撐板、切割器的懸掛裝置和犁型曲面擋板，材料統一選擇鑄鐵和角鋼等材料。犁型曲面擋板如圖2所示。犁型曲面擋板由左右對稱的凹圓弧和凹圓弧組成，隨著輪子向前運動，犁型曲面擋板與牧草存在相對運動，切割后的牧草將沿著犁型曲面擋板的凹圓弧面加速滾落，最后沿著犁型曲面擋板的凸圓弧面減速落至車輪兩側。

圖2 犁型曲面擋板零件圖

動力機構由柴油機、皮帶輪和皮帶組成。其中，柴油機安裝在機架的支撐板上，柴油機軸與皮帶輪通過平鍵配合傳動。

傳動機構由傳動軸、法蘭盤、桿端軸承、連桿及曲柄軸組成。其中，傳動軸安裝于立式軸承孔上；法蘭盤通過壓板和平鍵被固定于傳動軸端面上；連桿為圓形棒料，通過上桿端軸承與法蘭盤配合；曲柄軸通過下桿端軸承與連桿配合。

執行機構由刀桿、動刀片、上護刃片及下護刃片組成。其中，上下刀桿分別在左右兩側加工有通孔，通過轉動副螺栓與曲柄軸配合；刀桿和刀片通過鉚釘鉚合而成；上護刃片夾持著雙動刀片，雙動刀片剪切過程中始終保持貼合，并為上刀桿提供移動槽軌道；下護刃片加工有方槽，為下刀桿提供移動槽軌道。

1.2 收割機的機構運動順序

如圖3、圖4所示：柴油機通過皮帶輪為傳動軸傳遞扭矩，傳動軸帶動法蘭盤進行周轉，法蘭盤帶動上桿端軸承周轉運動，下桿端軸承通過曲柄軸帶動刀片在護刃片槽中進行直線往復運動；牧草切割完后，沿著特殊設計的犁型曲面擋板滾落到車輪兩側。由于雙動刀片的運動方向相反、運動速度大小相等，將有效平衡刀桿運動慣性，減輕切割牧草過程中引產生的振動，降低牧草破頭率和提高留茬平整度。

圖3 傳動結構簡圖

圖4 傳動示意圖

1.3 運動流程圖

機器的具體傳動順序如圖5所示。柴油機通過皮帶裝置帶動傳動軸運動，傳動軸通過法蘭盤帶動上桿端軸承進行周轉，上桿端軸承帶動連桿做平面運動，連桿上的下桿端軸承帶動曲柄軸做往復旋轉運動，最后曲柄軸帶動刀桿做往復直線運動。

圖5 運動流程圖

2 關鍵部件的設計

2.1 雙曲柄機構設計

曲柄和連桿之間采用桿端軸承構成擺轉副，本項目所用桿端軸承如圖6所示。桿端軸承采用球形結構，球形承受徑向和軸向同時存在的聯合負荷，減少零件之間的磨損，延長壽命，使機構運動順暢。

雙曲柄機構半徑選擇：由于割刀行程S=25mm，曲柄的轉速n=1 000/rmin，根據單動刀片的公式Vm=2sn/60和Vm=rn/15，得到r=s/2=12.5mm。

由于本項目采用雙動刀片切割，所以所需半徑為單動刀片切割裝置的1/2，雙曲柄半徑r=6.25mm。

圖6 桿端軸承

Fig.6 rod end bearing

2.2 切割刀片裝置的設計

由于在切割牧草時牧草的切割阻力較大，因此刀片采用光刃刀片，如圖7所示。由于刃角嚴重影響切割，并且當刃角由14°增加到20°時，切割阻力增加15.8%，若采用小角度刃角。容易崩裂會損壞刀片。所以，采用刃角中間值17°制作刀片刃角[3]。

圖7 切割裝置

2.3 傳動軸的設計

柴油機通過皮帶輪傳動動力輸入傳動軸中部，傳動軸兩端與曲柄相連。計算傳動軸與曲柄相連處軸的直徑，則

式中p—傳動軸輸入功率(kW)；

n—傳動軸轉速(r/min)；

d—傳動軸與曲柄相連處軸的直徑(mm)；

A—傳動軸自身系數。

已知傳動軸輸入功率p為3kW，材料為40Cr調質，傳動軸n=700r/min，A=80，則d=15.66mm[4]。

3 動力學分析

由于往復式切割雙動刀片有相反方向往復慣性力，要控制雙動刀片切割速度在一定范圍內，較高的切割速度會給構件較大負荷，從而會影響零件使用壽命。

根據平衡公式法得

其中，Md為割刀質量；rp為曲柄盤重心的回轉半徑；Mc為連桿質量；r為曲柄半徑；Mp為曲柄盤質量；n為曲柄轉速。

經測量：Md=0.65kg,Mc=0.35kg,Mp=0.67kg，rp=0.02m，r=0.04m,n=700r/min。代入公式得λ=0.45，符合要求。

4 有限元仿真

將三維軟件UG完成的模型中的關鍵零件導入Ansys軟件，進行有限元分析，驗證本機械設計的合理性。選擇曲柄軸、上護刃片，下護刃片作為研究對象，通過實驗驗證本機器的可行性與安全性。

1)設定材料。設置曲柄軸為45鋼，密度為7.85×106kg/m3，彈性模量為GPa，泊松比為0.3，并設置其物理屬性。

2)劃分網格。使用3D四面體網格生成器，對曲柄軸進行網格劃分，設置單元網格5mm，節點數為9 375。

3)添加約束。曲柄軸主要在3個圓柱體的圓柱內表面受力，采用隱式接觸算法考慮。曲柄軸與其他部件的接觸主要為面面接觸，設置靜摩擦因數為0.2，約束曲柄軸只能繞中心圓柱旋轉，其他自由度固定。

4)施加載荷。通過實驗測算和分析計算，可知兩個小圓柱內表面受法向力分別為216.3N和346.2N。

5)結果分析。通過Ansys對曲柄軸進行有限元分析，結果如圖8所示。

圖8 曲柄軸等效應力和應變云圖

上、下護刃片的仿真同理，以HT200為材料，結果如圖9、圖10所示。

圖9 上護刃片等效應力和應變云圖

圖10 下護刃片等效應力和應變云圖

具體仿真數據如表1所示。

表1 有限元仿真結果

可見，通過有限元仿真分析得出各個零件的等效應力值均在允許范圍內，且等效應變值極小，不會對生產使用造成影響，說明設計達到要求。

但分析曲柄軸后發現：與下桿端軸承連接的內圓柱面及其與中心圓柱連接部分受力偏大，有可能因應力集中而發生塑性變形或整體斷裂失效，因此對該零件的優化是必須的。

5 機構優化

分析有限元仿真的結果發現，應力集中主要位于零件尖角處，因此考慮在尖角處做圓角處理。在各尖角處開半徑為6mm的圓角后，發現應力顯著下降。

此外，觀察圖6發現：與桿端軸軸承配合的伸出桿處有明顯的應力集中。為此，考慮如下兩種優化方案：①增大橫截面積；②設置減載槽。為保持其他部件尺寸不變，采用第2種優化方案。為確定減載槽的最優位置，采取實驗法，通過不斷改變減載槽位置，獲取多組最大應力數值，選取其中最小值實現優化。實驗發現：在桿中心平面上，距旋轉軸32.4mm處開直徑約5mm的半圓形減載槽效果最好。因此，將優化前后的應力分布數據提取，用MatLab軟件擬合曲面，如圖11、圖12所示。由擬合圖可知，最大應力從55N減小為43N，縮小21.8%， 大大增強機構的強度和可靠性。

圖11 優化前應力分布圖Fig.11 Pre optimized stress distribution map

圖12 優化后應力分布圖

6 樣機試制與試驗結果分析

6.1 樣機試制

根據上述計算，小型往復式平衡慣性牧草收割機具有良好的工作可靠性，可以進行試制。實物圖如圖13所示。

圖13 小型往復式平衡慣性牧草收割機拍攝

6.2 樣機試驗

小型往復式平衡慣性牧草收割機的試驗地為學校的牧草種植試驗田，種植的牧草品種為廣西種植最多的皇竹草。試驗方案：試驗分3批次進行，每批次分為4次，第1次選用普通小型往復式牧草切割機(標記為A)進行平地切割約100棵牧草；第2次選用小型往復式平衡慣性牧草收割機(標記為B)進行平地切割100棵牧草 ；第3次選用普通往復式牧草切割機(標記為C)，在地勢崎嶇處進行100棵牧草切割；第4次采用小型往復式平衡慣性牧草收割機(標記為D)，進行地勢崎嶇處100棵牧草切割。試驗測試結果如表2所示。

表2 牧草切割破頭率比較

通過控制變量的方法，分析數據可知：

1)在平坦的牧草試驗地田中，小型往復式平衡慣性牧草收割機破頭率相對于普通切割機大約降低約28%，使得優質牧草生產率大大增加。這是因為對稱設計的動刀片在刀片變向瞬間可抵消大部分慣性，有效地平衡了刀片在切割過程產生的慣性振動。

2)在地勢崎嶇牧草試驗地田中，小型往復式平衡慣性牧草收割機破頭率相對于普通切割機大約降低約20%。這是因為由于地勢崎嶇地帶會使得切割刀的切割刃腳發生變化，再加上地勢崎嶇引起機器自身的震動，會使破頭率大大增加。

3)在地勢較崎嶇的試驗地中，普通牧草切割機切割牧草破頭率增高近30%，對于小型往復式平衡慣性牧草收割機相對于平坦試驗地同樣提高近8%，可見地勢崎嶇不平更加影響牧草破頭率。小型往復式平衡慣性牧草收割機便攜且容易控制方向，在地勢崎嶇地帶仍可以保持較低破頭率。

4)試驗結果表明：在小型往復式平衡慣性牧草收割機試驗切割的過程中，在南方土壤松軟地帶破頭率會降低近兩成，達到技術要求，此機器的設計合理。

7 結論

小型往復式平衡慣性牧草收割機，結構簡單、造價低、性能良好，能較好地實現優質牧草生產，降低破頭率，有利于牧草二次生長，可以填補目前南方市場上畜牧業優質牧草的緊缺，建議在牧草經銷和種植基地及大型牲畜養殖場廣泛地推廣應用。