甘蔗種排種裝置的切斷機構設計和有限元分析

黃才貴，劉興國，陳 堅

（南寧學院，廣西壯族自治區 南寧 530200）

我國是世界上甘蔗生產的第三大國，僅次于巴西和印度[1]。甘蔗作為我國主要的糖料作物之一，種植的區域主要位于廣西、廣東、云南和海南等地，糖料的產量占比達到了糖料總面積的85%以上。但是受限于我國甘蔗生產機械化程度較低，導致勞動成本高、作業效率低、勞動強度大。據統計，從2008年—2016年，甘蔗種植面積已連年下降[2]，目前約73×104hm2。甘蔗種植機械化水平較低，廣西甘蔗機械化耕作率達98%，而甘蔗的機械化種植率僅55%左右，且勞動強度大、排種均勻性不高、耗種量大（可達0.921 15 kg/m2）、出芽率不高，還有許多技術瓶頸亟待解決。根據農藝要求，甘蔗種植時一般要先將整根甘蔗切成單芽段或多芽段，且不能傷及種芽。目前關于此類切斷機械裝置的技術研究尚不成熟，切斷后甘蔗斷面效果不理想或出現種芽受到擠壓、誤切等破壞情況。其主要原因是甘蔗切斷刀在切斷的過程中對蔗種的沖擊力大，若切斷前不能夾緊則容易導致蔗種切斷的端面裂開，或對種芽造成沖擊擠壓。如韋瑞峯[3]發明的高效智能甘蔗種切割機和王永祥等[4]人發明的甘蔗切種裝置，均沒有相應的蔗種夾緊裝置或機構。基于此，設計一種甘蔗種排種裝置的切斷機構，可以實現甘蔗種的間歇進給、快速切斷，且蔗種輸送過程中的進給量可調。

1 機構的各部分結構設計

總體設計的結構關系圖如圖1、2所示，包括輸送帶、底座、輸送輥，兩根輸送輥分別鉸接于4根底座的支撐桿A上，兩根輸送輥之間通過輸送帶連接形成帶傳動連接；減速電機通過螺紋固定安裝在底座的安裝板上，帶輪A同軸固定安裝在減速電機的輸出軸上，帶輪A通過皮帶與帶輪B形成帶傳動連接，帶輪B和不完全齒輪分別同軸安裝在轉軸B兩端，轉軸B中間部分通過轉動副安裝于底座的支撐桿C上端。

結合圖2，不完全齒輪設置有多個卡齒，多個卡齒鉸接于不完全齒輪的外緣上。不完全齒輪同軸固定安裝在飛輪端面，直齒輪與不完全齒輪嚙形成合關系，直齒輪和錐齒輪B分別同軸安裝在轉軸A兩端，轉軸A中間部分通過轉動副安裝于底座的支撐桿C上端，錐齒輪A與錐齒輪B形成嚙合關系，錐齒輪A與輸送輥同軸連接鉸接于底座的支撐桿A上；滑塊鉸接于飛輪上，滑塊與刀柄形成滑動連接，切刀固定安裝在刀柄一端上，刀柄的另一端鉸接于底座的支撐桿B上端。此外，若將其中的一個或者多個卡齒往不完全齒輪的端面掰動90°，則可減少嚙合的齒數，改變甘蔗種每次進給輸送的長度，進而控制甘蔗種切段長度。

圖2 不完全齒輪與其他部件連接關系圖Fig.2 Connection relationship between incomplete gear and other components

如圖3所示，工作時飛輪逆時針轉動，為了保證甘蔗種進給輸送過程和切斷過程不沖突，滑塊交接點到最近的卡齒的角度要大于直齒輪圓心和水平線的角度約5°~8°為宜。

圖3 不完全齒輪角度位置關系圖Fig.3 Angular position relationship of incomplete gear

見圖4，底座結構作為主要的支撐部件，包括支撐桿A、電機安裝板、支撐桿B、支撐桿C、切斷支撐臺和底板，四根支撐桿A、支撐桿B和支撐桿C均豎直安裝在地板上，其底端固定焊接在底板上，切斷支撐臺底端固定安裝在兩根支撐桿A頂部。

2 工作原理及過程

結合圖1至圖4，將甘蔗種上輸送帶，啟動電機，通過傳動關系可知，當不完全齒輪的有齒部分與直齒輪相互嚙合時，運動傳遞到輸送帶上進而帶動甘蔗種往前進給運動一段距離；直到不完全齒輪的有齒部分與直齒輪脫離嚙合時，直齒輪停止不動，則輸送帶不動，此時甘蔗種停止往前輸送，同時切刀向下擺動，實現切割過程。

圖4 底座結構圖Fig.4 Structure of substructure

3 有限元分析

由于底座作為主要支撐受力部件，且甘蔗種切斷過程中，切刀的切斷工作是循環的，會對底座產生循環的沖擊，所以需要針對底座進行靜態結構力學分析和模態分析。對模型進行三維建模之后，導入到有限元分析軟件里面并設置好結構的材料參數，選用的材料歐式Q235-A，其彈性模量為2.10 E+11 N/m2，泊松比0.288，質量密度為7.861E+03 N/m2，抗剪模量8.23E+10 N/m2，屈服強度為2.35 E+8 N/m2。然后進行網格劃分（劃分的節點數為9704，單元數為4991），給底座的底部添加固定約束，在切斷支撐臺上施加切斷沖擊的受力之后，進行最后的求解分析，得到總變形和應力分析結果見圖5、圖6。由圖中分析結果可知，最大變形量僅為0.151 36 mm，變形量很小，該設計滿足變形要求；最大應力為17.989 MPa，遠小于材料的屈服強度，所以設計滿足強度要求。

圖5 總變形云圖Fig.5 Cloud diagram of total deformation

圖6 總應力云圖Fig.6 Cloud chart of total stress

添加模態分析，設置其前六階的振動情況并進行求解，得到前六階振動頻率分別為58.939 Hz、74.283 Hz、79.121 Hz、84.09 Hz、103.24 Hz、103.38 Hz，后期的切斷刀切割沖擊工作頻率避開這六階振動頻率即可避免共振的發生。

4 結語

本文設計了一種甘蔗種排種裝置的切斷機構，該裝置結構緊湊、合理、操作簡單。通過整體結構和各部分結構的設計，巧妙利用新設計的不完全齒輪機構和擺動導桿機構，可實現甘蔗種的間歇進給、甘蔗切斷過程進給和回程的合理分配。通過對主要起支撐作用的底座進行靜力結構分析和模態分析，結果表明設計合理，這為今后甘蔗種植切斷機械化技術提供借鑒。