甘蔗切種機可折疊輸送臂設計研究

陳金艦

（湛江幼兒師范?？茖W校（嶺南師范學院基礎教育學院），湛江 524000）

甘蔗種植是制糖工藝的基礎環節，其種植效果直接影響蔗糖的質量。但是，與歐美地區的發達國家相比，我國在甘蔗種植生產過程中的機械化水平還處于初級階段[1]。可折疊輸送臂是甘蔗切種機的重要組成部分，對整體機械性能和甘蔗種植質量都有巨大影響。因此，本文對甘蔗切種機可折疊輸送臂進行設計，以提高我國甘蔗產業的機械化水平和國際競爭力。

1 建立可折疊輸送臂模型

1.1 設計可折疊輸送臂結構

本文設計的可折疊輸送臂主要由上臂、下臂、折疊液壓缸和鏈條刮板等部分組成。上臂一端裝有主動鏈輪軸，通過連接軸與下臂相連。下臂的另一端裝有從動鏈輪軸，鉸接在水平轉盤上，通過液壓缸與切種機連接。經過折疊液壓缸的驅動控制，輸送臂完成打開和折疊動作[2]。輸送臂經過折疊液壓缸的伸縮作用，以轉盤為中心，可以在縱向平面內調整折疊角度，通過液壓管道的串聯實現同步運動，并經由節流閥運作實現對運行速度的控制[3]。為達到實際工作條件下的角度，將折疊液壓缸與安裝板對稱安裝在輸送臂兩側。安裝板隨折疊液壓缸的伸長和收縮而運動，從而帶動上臂進行轉動。上臂轉動的最大位置可與下臂形成一條直線，具有很好的折疊和伸展效果。

1.2 設置可折疊輸送臂參數

本文設定可折疊輸送臂整體的長、寬、高分別為6.85 m、1.10 m、0.75 m，其中上臂長為2.10 m，下臂長為3.80 m，轉盤長度為1.15 m。輸送臂內部寬度為0.70 m，外部寬度為0.75 m，底部轉軸在設定在轉盤中部[4]。上臂與下臂要滿足各自的結構要求，并且為保證足夠的工作空間，二者的轉角需要達到豎直狀態，因此設定上臂可以圍繞連接軸旋轉的最大角度為120°。為進一步擴大輸送臂工作空間，下臂旋轉角度最大角度為20°，可以協調與后部風機的關系。種植時，輸送臂需要轉動到切種機的左右側，因此設定輸送臂圍繞底部轉軸的轉動最大角度為90°。

1.3 求解可折疊輸送臂工作空間

可折疊輸送臂的工作空間是體現其靈活性的關鍵指標。運動實質是根據各關節的旋轉角度，推導并計算坐標的空間位置和姿態。可折疊輸送臂由底部轉盤、下臂和上臂3個組件串聯而成，其旋轉角度分別用θ1、θ2和θ3表示，計算公式可以表示為：

式中，px、py和pz分別表示笛卡爾直角坐標系中任意一點p的坐標；an(n=2,3)表示輸送臂各組件的參數。對基本結構參數進行設置后進行工作空間求解，結果表明，輸送臂落料點最高可達6.453 m，最低可達1.813 m；側面伸出的最長長度為6.012 m，最短為2.279 m?？梢?，工作空間能夠滿足田間作業的需要[5]。

2 可折疊輸送臂的靜力學與振動模態分析

2.1 靜力學分析

對于整個輸送臂來說，需要對上臂、連接軸和下臂分別進行靜力學分析，以驗證結構設計是否合理。上臂與下臂的靜力學分析步驟相同，處于水平位置時的等效力臂最大，計算此狀態的靜力學載荷；上臂與下臂連接位置的結構應力較大，設計的安全系數應符合允許使用的范圍；上（下）臂的中心為最大變形位置，越靠近端部，變形量越大，計算的變形量需符合彈性變形條件，才能滿足結構剛度要求。對連接軸進行約束載荷設置，主要考慮上臂對軸的作用力，采用等效力矩約束載荷和邊界條件。連接軸應力最大的位置位于軸肩處，計算出安全系數需要符合允許使用要求。

2.2 振動模態分析

可折疊輸送臂主要在振動條件下工作，因此需要分析其動力學振動特性。通過建立結構的有限元模態分析模塊，導入組合模型，對輸送臂整體劃分網格，施加約束條件，最后提取四階振動模態。從各振動模態對應的共振頻率可以得到輸送臂的固有頻率，通過分析垂直方向的振動性，提高共振頻率，避免發生共振現象，進而得到振動工作條件下合理性結構。

3 實驗結果與分析

3.1 應力測試

為驗證可折疊輸送臂應力結果的可靠性，以某型號甘蔗切種機為例進行實驗。選取上臂頂端1、上臂中間2、上臂與下臂連接處3、下臂與上臂連接處4、下臂中間5和下臂底座處6這6個截面，進行5次測試。在每一截面側邊上選定應力測試點，將應變片粘貼在相應位置，對可折疊輸送臂施加相應載荷后進行應力動態測試，結果如表1所示。

表1 可折疊輸送臂應力測試結果

從表1可知：上臂頂端與中間位置的應力較小，數值差別不大，靠近連接軸處的應力最大；下臂靠近連接軸處的應力最大，中間位置應力較小，底座處的應力處于二者之間。實際測量數值在變化趨勢上符合安全許可范圍，說明設計結果較為可靠。

3.2 對比測試

為檢驗甘蔗切種機可折疊輸送臂在設計前后的使用性能，在同一片土地進行田間試驗，對比結果如表2所示。

表2 甘蔗切種機性能對比

由表2的性能對比測試結果可知，本文設計的可折疊輸送臂提高了甘蔗切種機的性能，改善了相應的工作情況?？梢?，本文設計的輸送臂達到了預期效果，具有一定的可行性和有效性。

3 結語

本文通過建立可折疊輸送臂模型和分析靜力學與振動模態特征，設計了一種甘蔗切種機的可折疊輸送臂，以提升我國甘蔗種植產業的機械化水平。但是，研制出適合我國甘蔗產地實際地形地貌的種植機械是一個較為復雜的過程，因此本文設計還存在較大的進步和提升空間。后續不僅可以對輸送臂的風機進行優化，還可通過設計減少輸送面板刮板的長度，以進一步提升切種機輸送臂在田間的穩定性和適應能力。