前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機切割裝置設計與分析

李小龍，張克平，蘇占科，孫步功

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院）

0 引言

苜蓿是世界范圍種植的一種多年生豆科作物，因其富含蛋白質(zhì)、草質(zhì)優(yōu)良為多種禽畜所喜食，且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有顯著的固氮節(jié)肥和增產(chǎn)效果[1-2]。苜蓿產(chǎn)業(yè)是發(fā)展畜牧業(yè)和種植業(yè)之間的紐帶，市場需求大且效益好。然而，苜蓿收獲質(zhì)量和機械化水平較低，嚴重制約我國苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國優(yōu)質(zhì)苜?？偣┙o量約為510 萬t，其中，國內(nèi)產(chǎn)量為360 萬t，進口量至少需要150 萬t，可見對優(yōu)質(zhì)苜蓿產(chǎn)品的需求量大，對高效低損的苜蓿收獲機械的需求越來越迫切[3-4]。

目前較為成熟的苜蓿收獲機械主要適用在種植面積廣、收獲平坦的平原地帶，在山地丘陵地區(qū)作業(yè)時存在坡度大、轉彎難、收獲質(zhì)量低等問題。近年來，付作立等[5]對旋轉切割器進行了設計與田間性能試驗研究；閆文彬等[6]對牧草切割器進行了設計及性能分析；趙滿全等[7]對雙圓盤割草機進行結構設計與計算。而針對丘陵山地苜蓿刈割壓扁機作業(yè)過程中切割器的運動性能研究以及割刀運動狀況分析鮮見報道。

為此，本文以面向丘陵山地作業(yè)的前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機切割裝置為研究對象，對切割器、割刀等核心工作部件進行結構設計與參數(shù)計算，通過模擬丘陵山地復雜路面，對切割器作業(yè)性能進行仿真研究，以期為高性能的苜蓿刈割壓扁機的設計與優(yōu)化提供依據(jù)。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機的整機結構如圖1 所示，主要由機架、切割裝置、壓扁裝置、傳動機構、懸掛裝置組成，可一次性完成苜蓿的切割、輸送、壓扁、鋪條等作業(yè)。其中，切割裝置主要由刀盤、滾筒、滑掌、割刀等組成。壓扁裝置主要由壓扁輥、輥軸、間隙調(diào)節(jié)彈簧等組成。傳動機構主要由齒輪傳動、鏈傳動等組成。

圖1 前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機整體結構圖Fig.1 Overall structure of front-drive alfalfa cutting and flattening machine

綜合考慮苜蓿收割地形、拖拉機動力以及收獲要求，參照刈割壓扁機作業(yè)標準，確定整機主要參數(shù)如表1 所示。

表1 前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of front-drive alfalfa cutting and flattening machine

1.2 工作原理

刈割壓扁機通過三點懸掛方式安裝在拖拉機的前置懸掛機構上，由拖拉機輸出軸提供整機動力，動力通過萬向節(jié)傳動軸傳遞至機架中端換向器，實現(xiàn)換向不變速，經(jīng)十字軸驅(qū)動左鏈傳動機構傳遞到主軸，主軸將動力分3 路傳遞：兩路通過錐齒輪傳遞到切割裝置，驅(qū)動滾筒和刀盤反向旋轉；另一路將動力傳遞到右鏈傳動機構，驅(qū)動主、從動壓扁輥嚙合轉動。機器工作時，拖拉機帶動整機前進，刀盤在前進方向帶動割刀高速旋轉切割苜蓿并向后慣性拋送，減少苜蓿與刀盤的接觸，部分苜蓿倒伏在刀盤上，圓柱形滾筒和導草板將刀盤上的苜蓿向后上方輸送至壓扁輥間，切割器和壓扁輥高速回轉運動形成氣流場，同時能為苜蓿向后上方輸送提供推力作用，避免積聚堵塞和重割，在主、從動壓扁輥嚙合擠壓下完成苜蓿壓扁并拋出，在地面鋪成具有一定寬度和厚度的草條，完成苜蓿切割及壓扁作業(yè)。

2 切割裝置設計與分析

2.1 切割器結構設計

切割器是刈割壓扁機的核心工作部件，主要實現(xiàn)對苜蓿的刈割和將苜蓿甩入壓扁輥間的功能，其結構參數(shù)直接影響苜蓿的切割質(zhì)量和整機的作業(yè)效率[8]。本機切割器采用圓盤式結構（如圖2 所示），主要由刀盤、割刀、滑掌、擋草板、導草板、立軸、錐齒輪傳動機構、滾筒等構成。通過一對錐齒輪傳動機構將動力由主軸傳遞到立軸，驅(qū)動立軸帶動刀盤和滾筒轉動，利用刀盤邊緣安裝的割刀高速旋轉切斷苜蓿，滾筒、導草板、擋草板對切斷的苜蓿主要起向后輸送作用。

圖2 切割器結構圖Fig.2 Structure diagram of cutting device

2.2 切割器主要參數(shù)的確定

刀盤直徑和轉速是切割器設計的兩個關鍵參數(shù)，直接影響整機割幅、前進速度和割刀數(shù)量等多項參數(shù)[9]。旋轉式切割器一般采用前驅(qū)式作業(yè)方式，割幅應大于拖拉機兩輪胎最外側間距，本機切割器驅(qū)動方式采用上傳動式。為減少苜蓿輸送阻力，并避免切斷的植株與刀盤多次碰撞降低質(zhì)量，刀盤結構采用光滑圓形刀盤，左右兩個刀盤向內(nèi)側反向旋轉產(chǎn)生流場，為苜蓿完成壓扁工序提供輸送條件。設計并確定刀盤直徑為795 mm，刀盤中心距為855 mm，整機割幅為1.75 m。

割刀切割速度影響苜蓿切割質(zhì)量。切割速度過低，增加切割阻力，產(chǎn)生參差不齊的切斷面；切割速度過高，功率消耗大，機身容易產(chǎn)生振動，降低機器安全性能。當切割速度大于割刀內(nèi)端點最低極限速度30 m/s 時，無支撐切割才能順利進行，一般切割速度控制在50～90 m/s，取切割速度為60 m/s，切割器轉速n 滿足：

式中：Vg——割刀切割速度，m/s；Vj——機器前進速度，取15 km/h；r——割刀內(nèi)端點半徑，m。

將已知參數(shù)代入，計算得到切割器轉速n=1 795 r/min，取整后n=1 800 r/min。

割刀是切割器的關鍵部件，研究表明，較低留茬高度能夠刺激苜蓿內(nèi)部生長素，促進苜蓿下一茬發(fā)育和增加分枝數(shù)，故將割刀伸出刀盤的部分進行向下折彎處理，可有效降低割茬高度，并對切斷的苜蓿有向上的推力，降低割刀的重割率[10]。設計割刀結構如圖3 所示，截面為梯形的光刃刀片，刃長為107 mm，厚度為3 mm，將割刀兩邊進行刃角為60°處理，便于高效切斷苜蓿。

圖3 割刀結構圖Fig.3 Cutter structure diagram

圓形刀盤上一般安裝2～4 柄割刀，每個刀盤上的割刀數(shù)量滿足

式中：m——每個刀盤上的割刀數(shù)量；n'——割刀轉速，r/min；h——割刀刃長，m。

將已知參數(shù)代入，計算得m=3.3，綜合考慮切割完整性和機器穩(wěn)定性后，每個刀盤上安裝4 柄割刀，滿足圓形刀盤的割刀數(shù)量要求[11]。割刀選用65Mn 鋼制作，對刃口處進行淬火處理，通過銷軸安裝在刀盤上，作業(yè)時繞銷軸作旋轉運動。當與土壤和硬性物體發(fā)生碰撞時，割刀偏轉可反方向轉回刀盤內(nèi)，能延長割刀使用壽命。

旋轉式割草機不漏割條件滿足

刈割壓扁機前進速度范圍為10～15 km/h，代入已知參數(shù)，，可以保證刈割作業(yè)時不發(fā)生漏割現(xiàn)象[7]。

2.3 割刀運動學分析

圓形刀盤上4 柄割刀均可繞銷軸自由轉動，在立軸的驅(qū)動下，割刀繞銷軸和刀盤圓心均作向心運動，割刀運動分析如圖4 所示。圖4 中：F——割刀繞刀盤圓心轉動產(chǎn)生的慣性離心力；S——割刀繞銷軸轉動產(chǎn)生的慣性離心力；N——割刀對銷軸的拉力；C——割刀質(zhì)心；O1——刀盤圓心；O2——銷軸軸心；R——刀盤圓心與銷軸軸心間距離。切割器在啟動、穩(wěn)定和制動3 種狀態(tài)下，割刀與銷軸間摩擦作用較小，故產(chǎn)生的摩擦力忽略不計。

圖4 割刀運動分析圖Fig.4 Cutter motion analysis diagram

切割器從啟動到穩(wěn)定過程中，刀盤處于加速階段，割刀由于慣性會滯后于刀盤轉動，割刀質(zhì)心相對銷軸和刀盤圓心連線存在向后的角度偏轉，當?shù)侗P勻速轉動時，偏轉角度最大[12]。此過程中，銷軸對割刀產(chǎn)生的拉力N 會平衡割刀繞銷軸轉動產(chǎn)生的離心力S 和繞刀盤圓心轉動產(chǎn)生的離心力F的法向分力，其切向分力在割刀轉動方向產(chǎn)生加速度，割刀加速轉動，離心力F 和S 增大，使得割刀增大運動半徑，逐漸向外擺動。

當割刀與銷軸間不存在擺動而相對靜止時，其擺動角速度和離心力S 均為0，此時割刀質(zhì)心與刀盤圓心連線過銷軸軸心，割刀繞刀盤中心作勻速圓周運動，切割器達到穩(wěn)定狀態(tài)，銷軸對割刀產(chǎn)生的拉力剛好滿足割刀繞刀盤圓心運動所需的向心力。

當切割器從穩(wěn)定到制動過程中，刀盤逐漸減速，割刀繞銷軸進行擺動，存在擺動角速度和離心力S。由于慣性作用，割刀質(zhì)心相對銷軸和刀盤圓心連線存在向前的角度偏轉，離心力F 的切向分力在割刀轉動反方向產(chǎn)生加速度，使得割刀減速運動，逐漸向外擺動，當割刀質(zhì)心與刀盤圓心連線過銷軸軸心時，切割器再次達到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 割刀動力學分析

切割器從啟動到穩(wěn)定轉動是短時間提速過程，而割刀從靜止狀態(tài)到開始擺動，會與銷軸產(chǎn)生較大的相對速度，因此割刀與銷軸間存在原始激勵。當切割器穩(wěn)定轉動作業(yè)時，苜蓿植株對割刀轉動提供外在激勵，割刀繞銷軸軸心O2做周期擺動[13]。受力分析如圖5 所示，割刀在該過程中受5 個作用力，2 個力作用在割刀質(zhì)心C 上（離心力F、離心力S），2 個力作用在割刀與銷軸接觸處（拉力N、割刀與銷軸間摩擦力），苜蓿的阻力作用在刀刃處。由于銷軸與割刀間摩擦力較小，不作考慮。

圖5 割刀受力分析圖Fig.5 Cutter force analysis diagram

以O1O2連線為平衡位置的振動微分方程，滿足

式中：J02——割刀繞銷軸軸心O2的轉動慣量；ω1——刀盤角速度；L——割刀質(zhì)心到刀盤圓心距離；r1——割刀質(zhì)心到銷軸軸心距離；θ——割刀質(zhì)心、銷軸軸心分別與刀盤圓心連線間的夾角；φ——割刀繞銷軸轉動的偏角；f——苜蓿植株對割刀的阻力；d——離心力F 距銷軸軸心的垂直距離；h——阻力f 距銷軸軸心的垂直距離；m——割刀質(zhì)量。

由式（4）—式（7）可得：

由式（9）可知，切割扭矩主要取決于刀盤轉速和割刀刃長，當切割器其它參數(shù)一定時，刀盤轉速越快或割刀刀刃越長，會增加切割扭矩，刈割作業(yè)更容易完成，割茬斷面更平整。

3 切割器運動仿真分析

為分析圓盤式切割器在丘陵山地復雜地況作業(yè)效果，利用ADAMS 動力學仿真軟件，建立切割器的虛擬模型，模擬切割器在復雜路面作業(yè)時的運動狀態(tài)，驗證切割器的通過性以及苜蓿割茬平整度。

3.1 建立模型

對切割器作業(yè)時的情況進行模擬，存在切割苜蓿的旋轉運動和前進運動兩個方向上的運動，此時割刀上任一點對地面軌跡為余擺線?？紤]到前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機的兩個圓盤切割器工作狀態(tài)接近，只保留一個切割器觀察仿真效果。在SolidWorks 三維建模軟件中對模型簡化處理并完成其裝配，簡化后的模型主要包括滾筒、刀盤、滑掌和4 片割刀，輸出模型并導入ADAMS 軟件中，對各部件按實際情況添加材料屬性，根據(jù)模型尺寸自動計算質(zhì)量、轉動慣量等信息[14]。

通過建立正弦波三維實體模擬丘陵山地起伏的復雜路面[15]，采用正弦波長為2 m，設置4 個起伏路面，路面起伏高度設置為150 mm。為保證仿真效果，使切割器在啟動和結束階段都處于水平路面，各設置2 m 的長度，水平路面高220 mm。在實際苜蓿收獲條件中，該路面屬于極度惡劣的作業(yè)環(huán)境，正弦波路面方程滿足

式中：H——波峰或波谷距水平路面的垂直距離，m；x——水平距離，m。

3.2 添加約束

利用ADAMS 的約束工具，在ground、滾筒、刀盤、滑掌、割刀以及路面之間添加適當約束。利用固定副約束，保持割刀、滾筒、刀盤之間同步轉動。為模擬切割器真實運動狀況，利用旋轉副約束和旋轉驅(qū)動實現(xiàn)切割器與路面之間的旋轉運動，利用平移副約束和平移驅(qū)動實現(xiàn)切割器相對于路面的前進運動，通過改變驅(qū)動的參數(shù)值，實現(xiàn)切割器在不同轉速和前進速度下的仿真。在路面與ground 之間添加固定副約束。為了實現(xiàn)切割器貼地作業(yè)時的工況，在滑掌與路面之間建立接觸約束。切割器添加約束如圖6 所示。

圖6 切割器添加約束圖Fig.6 Constraint graph of cutting device

3.3 模型求解計算

根據(jù)切割器實際運動速度，忽略上下起伏振動現(xiàn)象，設置前進速度為4 m/s，轉動速度為1 800 r/min。在結果欄對割刀刀尖建立Marker 點，并進行軌跡仿真，仿真時間設定為2.5 s，仿真步長為1 200，得到Maker 點在復雜路面作業(yè)時的運動軌跡，如圖7 所示。仿真結束后，從后處理模塊輸出該點在絕對方向上位移隨時間的變化曲線，如圖8 所示。

圖7 Marker 點運動軌跡圖Fig.7 Marker point motion trajectory diagram

圖8 Marker 點在絕對方向上位移-時間曲線圖Fig.8 Displacement-Time curve of Marker point in absolute direction

分析圖7、圖8 可得，割刀刀尖一點相對于復雜路面能作余擺線運動，在起伏路面的運動過程為周期運動，符合實際運動軌跡。該點在絕對方向上是以一定頻率和振幅波動前進，可以保證切割器的運動滿足苜蓿收割穩(wěn)定性要求。

研究切割器在復雜路面作業(yè)工況，通過對割刀上Marker 點距水平路面的垂直距離，分析在一個周期內(nèi)0.30，0.60，0.65，0.75 s時刻切割器仿真結果。不同時間切割器仿真運動狀況如圖9 所示，Marker點與水平路面間垂直距離曲線如圖10 所示。

圖9 不同時間切割器仿真運動圖Fig.9 Simulated motion diagram of cutting device at different time

仿真從開始到0.75 s 一個周期內(nèi)，割刀在起伏路面上尚未出現(xiàn)入土現(xiàn)象，結合圖10 分析，Marker 點距水平路面的垂直距離在76～78 mm 間浮動變化，與實際設置的路面起伏高度75 mm 接近，表明切割器在復雜路面作業(yè)具備良好的通過性；仿真時間到達0.60 s 時，處于波峰與波谷圓弧路面上的苜蓿，由刀盤前半圈割刀第1 次與苜蓿接觸，留茬較高，而后半圈割刀第2 次與苜蓿接觸，可以保證圓弧路面上的苜蓿留茬高度一致；仿真時間為0.75 s 時，由前半圈割刀工作將其路面上的苜蓿進行收獲。通過切割器與起伏路面間的仿真分析，驗證了該切割器在復雜路面作業(yè)能夠保證割茬高度一致，有利于提高苜蓿質(zhì)量。

圖10 Marker 點與水平路面間垂直距離曲線圖Fig.10 Curve of vertical distance between Marker point and horizontal road

4 結論

（1）設計了一種前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機的切割裝置，對切割器和割刀進行結構設計和參數(shù)計算，確定刀盤轉速為1 800 r/min 和割刀數(shù)目為8 片，可保證刈割作業(yè)時不發(fā)生漏割現(xiàn)象。

（2）對割刀進行運動學和動力學分析，表明切割扭矩主要取決于刀盤轉速和割刀刃長，刀盤轉速越快或割刀刀刃越長，會增加切割扭矩，刈割作業(yè)更容易完成，割茬斷面更平整。

（3）利用ADAMS 軟件，通過模擬丘陵山地復雜路面，對切割器作業(yè)情況進行仿真分析，結果表明：割刀以一定頻率和振幅波動前進，滿足苜蓿收割穩(wěn)定性要求，切割器在復雜路面作業(yè)具備良好的通過性，可以保證割茬高度一致。