新型濕地型多功能工作機切割器設計

尤寬山 宋力 沈靜 沈輝 周竹馨

摘要：為解決當前人工濕地水生植物季節(jié)性收割工作效率低的問題，研發(fā)一種能夠在復雜地形下收獲沉水植物和大面積挺水植物的濕地輕型兩棲式多功能工作機。對工作機的關鍵部件切割器進行設計，設計過程中通過數(shù)學建模與運動學分析，應用ADAMS軟件仿真分析切割器運行期間割刀的位移、速度以及加速度隨時間的變化特性。結(jié)果表明，該新型濕地型多功能工作機的漏割率小于等于2%，收割寬度達2 200 mm，往復式切割器工作穩(wěn)定、切割效果良好，能很好滿足人工濕地水生植物的收割需求。

關鍵詞：新型濕地型多功能工作機;往復式切割器;設計;仿真分析

中圖分類號：S225.5+9?文獻標志碼：A?文章編號：1002-1302（2020）21-0238-03

人工濕地工程為近年來各地方積極推廣的新型水源地工程。該類工程中的水生植物每年春、秋2季需要重復進行收獲、維護，往往大量的工作集中在幾周內(nèi)進行，工作量巨大。濕地水生植物周期性維護的主要方式為采用機械化收割，這提高效率、降低成本，但現(xiàn)在市面上的收割機械大多數(shù)為大型收割機械[1-3]。人工濕地地形具有水域?qū)拸V、水生植物種植面分散、局部地形空間多變、形狀不規(guī)則等特點，勢必會對大型機具的運行、轉(zhuǎn)向、機動性造成影響，而新型濕地型多功能工作機械的研制，能較好地解決這一問題，滿足市場需求。

1 總體結(jié)構(gòu)及切割器設計

1.1 系統(tǒng)組成

新型濕地型多功能工作機由整體車架、底盤、連接架、提升架、動力裝置、功能轉(zhuǎn)換接頭、座椅和工作件等組成，結(jié)構(gòu)見圖1。提升架的作用是調(diào)整工作件的高度，控制切割高度;連接架起到伸長和減震的作用;功能轉(zhuǎn)換接頭使工作裝置的安裝和拆卸更加方便，可裝配不同的工作裝置[4]達到多種功能。工作機除裝配“T”形刀頭用來收割水草和濕地植被外?也可裝配鉆頭用來厚冰鉆孔，起到冰上搶險救災的作用。

1.2 整機技術參數(shù)

新型濕地型多功能工作機技術參數(shù)見表1。

1.3 切割器結(jié)構(gòu)設計

往復式切割器由電機驅(qū)動傳動軸轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)見圖2。

2 切割器運動及功耗分析

2.1 割刀的運動方程

割刀的運動特性[5]是評價切割器性能的關鍵因素，往復式切割器可簡化為曲柄連桿機構(gòu)，由曲柄旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的連桿做往復直線運動，結(jié)構(gòu)見圖3。

現(xiàn)建立動刀片的運動方程：

式中：Vx為動刀片速度，m/s;ω為動刀片的角速度，rad/s;r為曲柄半徑，mm;x為動刀片的位移，m;t為曲柄運動的時間，s;a為動刀片的加速度，m/s2。

由式（4）可知，割刀速度與割刀位移的函數(shù)關系滿足橢圓方程，橢圓的長半軸為rω，橢圓的短半軸為r，如圖4所示。它反映了割刀在任一點的速度都不相同。由上可知，刀片上任一點的速度變化規(guī)律與橢圓方程一致。當位移為0，即x=0時，該點位于刀片的中點，此時Vx取得最大值，即為rω;當位移為r，即x=±r時，該點位于刀片的極左端或極右端，此時Vx取得最小值，即為0。

2.2 切割器的功率損失

切割器工作時的功率損失主要由切割功率損失（Ng）和空轉(zhuǎn)功率損失（Nk）組成[6-7]。

式中：Vm為機組前進速度，取5 km/h;B為機組作業(yè)幅寬，m;L0為割刀切割單位面積的植物莖稈所需要的功值，N·m/m2，取200。

將數(shù)代入公式（5）、（6）可算得：N總=Ng+Nk=2.82 kW。

由上可知，與其他同類型的切割器相比，新型濕地型多功能工作機切割器消耗的功率較小，滿足要求。

3 運動學仿真分析

為直觀分析切割器運行期間刀具的位移、速度和加速度的特性，使用ADAMS軟件進行運動仿真[8-9]。切割器的仿真模型如圖5所示。利用電動機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為550 r/min。

由圖6-a可知，割刀的位移是正弦曲線，曲線的波峰和波谷的極限值是動刀片在2個不同方向上的最大位移[10]。由圖6-b可知，當曲柄以恒定速度旋轉(zhuǎn)時，在連桿驅(qū)動下，割刀速度變化可以近似為簡諧運動。動刀片的Vmax在起始位置，動刀片速度為0時在動刀片位移最大處。由圖6-c可知，割刀的加速度也顯示為近似簡諧運動。動刀片的amax在動刀片位移最大處，而最小加速度值出現(xiàn)在初始點。

4 性能試驗

選取在水生植物生長茂盛的秋季進行濕地輕型兩棲式多功能工作機綜合性能測試（圖7），測試結(jié)果見表2。通過實測參數(shù)進行分析可知，該新型濕地型多功能工作機基本實現(xiàn)了在人工濕地復雜區(qū)域條件中對水生植物進行大面積連續(xù)性作業(yè)，收割深度可以在適當?shù)姆秶鷥?nèi)進行調(diào)整，為適應復雜地形、兩棲作業(yè)的功能，且工作機性能穩(wěn)定可靠，達到動力與效率的整體平衡[10-12]。

5 結(jié)論

對濕地輕型兩棲式多功能工作機的關鍵部件進行運動分析，從理論上證明割刀位移、速度以及加速度均為關于時間的正弦和余弦函數(shù)。

運用三維建模軟件SolidWorks建立模型，并導入ADAMS仿真軟件添加連接與驅(qū)動，進行運動仿真分析，得到割刀位移、速度和加速度隨時間的變化特性，動刀片Vmax在起始位置，動刀片速度為0時在動刀片位移最大處;動刀片的amax在動刀片位移最大處，而最小加速度值出現(xiàn)在初始點。

試驗表明，新型濕地型多功能工作機在滿足設計要求的同時也能保證工作效率和漏割率。對于新型濕地型多功能工作機的傳動系統(tǒng)以及切割器刀片的高度確定還需進一步研究，以達到更好的切割效果。

新型濕地型多功能工作機是處理水生植物收割問題的一種高效工具，可以解決人工勞動強度大、效率低等問題。本研究工程機往復式切割器的設計過程中利用三維軟件構(gòu)建了三維實體模型，并進行動態(tài)仿真模擬，驗證了工作裝置運行的合理性。

參考文獻：

[1]錢爭光，茹利軍. 6-CDW-220型微型采茶機的設計[J]. 中國茶葉加工，2015（2）：58-60，71.

[2]席海亮，趙春花. 基于ADAMS的4GH120型牧草收割機切割器運動仿真分析[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學學報，2013（6）：160-163.

[3]唐 斌，李顯旺，袁建寧，等. 工業(yè)大麻微型收獲機械的技術與發(fā)展分析[J]. 中國農(nóng)機化學報，2018，39（2）：17-21.

[4]湯 躍，趙 進，邱志鵬，等. 基于虛擬樣機的桁架式噴灑車穩(wěn)定性動力學仿真[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46（7）：72-78.

[5]袁 潔. 往復式甘蔗收割機設計及仿真分析[D]. 昆明：昆明理工大學，2017.

[6]劉 源，李浙昆，吳海濤，等. 往復式切割器速度參數(shù)優(yōu)化設計與分析[J]. 農(nóng)機化研究，2011，33（8）：42-47.

[7]謝 斌，李靜靜，魯倩倩，等. 聯(lián)合收割機制動系統(tǒng)虛擬樣機仿真及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（4）：18-24.

[8]北京農(nóng)業(yè)工程大學. 農(nóng)業(yè)機械學（下冊）[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2010.

[9]施印炎，陳 滿，汪小旵，等. 蘆蒿有序收獲機切割器動力仿真與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2017，48（2）：110-116.

[10]施印炎，章永年，汪小旵，等. 基于Pro/E的莖葉類蔬菜有序收獲機設計[J]. 農(nóng)機化研究，2017（3）：139-143.

[11]宋 力，沈 靜. 輕型兩棲式多功能工作機在人工濕地水生植物維護中的應用[J]. 江蘇水利，2019（7）：5-8.

[12]宋 力. 新型濕地型多功能工作機研發(fā)現(xiàn)狀[J]. 人民長江，2019（12）：92-94.孫孝龍，徐 森，周衛(wèi)陽，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)和深度學習的養(yǎng)蠶智能監(jiān)控系統(tǒng)設計[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2020，48（21）：241-244.