袁　潔，尹志宏，朱佳明

（昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

雙動(dòng)刀往復(fù)式甘蔗切割器設(shè)計(jì)及分析

袁潔，尹志宏，朱佳明

（昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650500）

為了解決小型甘蔗切割器單動(dòng)刀工作時(shí)存在的平衡能力差、切割速度低、容易卡滯堵塞等問(wèn)題，進(jìn)行了小型甘蔗切割器的改進(jìn)設(shè)計(jì)。采用雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩組刀片彼此反向切割的雙動(dòng)切割裝置機(jī)構(gòu)，對(duì)割刀位移、速度、加速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，并對(duì)動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)確定了最佳切割速比K=1.8。研究結(jié)果為甘蔗切割器的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)提供了參考依據(jù)。

雙動(dòng)；甘蔗切割器；運(yùn)動(dòng)學(xué)；切割速比

0　引言

甘蔗收割機(jī)機(jī)械化已成為我國(guó)甘蔗生產(chǎn)迫切需要解決的問(wèn)題。由于我國(guó)甘蔗種植區(qū)域多數(shù)是丘陵地帶，且受季風(fēng)和臺(tái)風(fēng)的影響，目前我國(guó)市場(chǎng)上還沒(méi)有適合我國(guó)甘蔗種植和收獲情況的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的甘蔗收獲產(chǎn)品［1，2］。目前，大部分小型收割機(jī)的切割傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的組合帶動(dòng)割刀實(shí)現(xiàn)往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，但是往復(fù)式甘蔗切割機(jī)多為單動(dòng)刀，工作時(shí)平衡能力差，動(dòng)刀運(yùn)動(dòng)頻率低，容易卡滯堵塞。而雙動(dòng)刀往復(fù)式是兩組刀片彼此相向切割，作業(yè)速度快，工作效率更高［3～6］。因此針對(duì)這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種雙動(dòng)刀往復(fù)式切割器并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行研究，以獲得較好的結(jié)構(gòu)參數(shù)和切割功效。

1　基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

1.1基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙動(dòng)刀往復(fù)式切割器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由箱體1、上臂2、下臂3、動(dòng)力輸入軸4、大錐齒輪5、小錐齒輪6和偏心機(jī)構(gòu)組成。動(dòng)力輸出軸一端為花鍵形式與外接動(dòng)力連接，另一端與大錐齒輪固定連接；小錐齒輪6安裝在偏心機(jī)構(gòu)總成上，并與大錐齒輪5嚙合；偏心機(jī)構(gòu)總成與上臂2、下臂3分別連接，帶動(dòng)其做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其中偏心軸式雙曲柄連桿機(jī)構(gòu)主要由搖桿和連桿組成，通過(guò)上下兩組對(duì)稱(chēng)的曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上下動(dòng)刀組做往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，完成切割作業(yè)。

圖1　傳動(dòng)箱剖面結(jié)構(gòu)示意圖

1.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理

往復(fù)式雙動(dòng)刀甘蔗切割器采用前置式與小型輪式拖拉機(jī)掛接，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖

偏心軸上有兩個(gè)平行且錯(cuò)開(kāi)一定角度的偏心輪，上下擺臂軸分別外接上下臂。外接動(dòng)力通過(guò)花鍵帶動(dòng)輸入軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力輸入軸通過(guò)與其固定安裝的大錐齒輪以及與其嚙合的小錐齒輪將動(dòng)力傳至偏心軸處，帶動(dòng)偏心軸以及上下偏心臂旋轉(zhuǎn)。上偏心臂通過(guò)銷(xiāo)釘帶動(dòng)上擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)，下偏心臂通過(guò)銷(xiāo)軸帶動(dòng)下擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)，上臂與下臂分別由上擺臂軸與下擺臂軸帶動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2　主要部件設(shè)計(jì)及參數(shù)確定

2.1切割器割幅及動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

往復(fù)式切割器是收割機(jī)的主要工作部件，其割幅應(yīng)該盡量大，但大的割幅將會(huì)有大的慣性振動(dòng)與功率消耗，同時(shí)也會(huì)大大降低切割機(jī)在丘陵地帶作業(yè)的靈活性。本切割器的切割方式采用往復(fù)式上下雙動(dòng)刀切割，工作幅寬為0.75m～1.20m。

動(dòng)刀片是切割器的主要工作零部件，對(duì)刀片的要求為材料硬度高，耐磨，具有一定的彈性。如圖3所示，上下割刀刀片兩側(cè)為切割齒刃，且分布有均勻的齒紋，因此切割阻力較大，但不需要磨刀，使用方便切割效率高，切割能力強(qiáng)，并且對(duì)粗、細(xì)莖干均有較好的適應(yīng)性。按照國(guó)際規(guī)定，刀片材料為T(mén)9碳素工具鋼，刃部淬火和回火。用于甘蔗切割的往復(fù)式甘蔗切割器按照切割行程S、刀片間距（上刀片間距t1，下刀片間距t2）的關(guān)系可分為Ⅰ型、Ⅱ型兩種型式，其中：

圖3　切割器動(dòng)刀片結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)刀片的幾何形狀對(duì)切割器的工作可靠性和功率消耗有較大影響，因此在本次設(shè)計(jì)中，切割器刀片選擇為外形輪廓為六邊形的梯形動(dòng)刀片，如圖3所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：刃部高度h=55mm，刀片底寬c=62mm，前橋?qū)抌=18mm，刀片厚度d=4mm，滑切角α=22°；兩相鄰刀片間的參數(shù)：刀片節(jié)距t=70mm，相鄰刀片刃口底邊間距e=8mm，割刀行程s=t/2=35mm。

2.2無(wú)急回雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到雙刀的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，必須有一個(gè)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的作用是將傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榈镀耐鶑?fù)式運(yùn)動(dòng)，對(duì)往復(fù)式偏心機(jī)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)分析可知，其運(yùn)行方式可以由兩個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)組成，且這兩個(gè)曲柄連桿機(jī)構(gòu)分布在相互平行的兩個(gè)平面上。通過(guò)簡(jiǎn)化，其傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由圖4可知，四邊形O1A1B1O2與O1A2B2O2構(gòu)成對(duì)稱(chēng)的雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，為使在切割過(guò)程中，切割效果穩(wěn)定，采用無(wú)急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。其行程比系數(shù)K=1（極位夾角0=θ=0），存在的充要條件是曲柄與機(jī)架的平方和等于連桿與搖桿的平方和。已知割刀行程s=35mm，根據(jù)作圖分析得曲柄r=8mm，設(shè)定機(jī)架I4=100mm，I2=65mm，根據(jù)公式I21+I24=I22+I23，可得I3=76.4mm，確定了機(jī)構(gòu)中各桿件的長(zhǎng)度及相互位置關(guān)系。

2.3切割器功率消耗估算

切割器在作用過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)用于驅(qū)動(dòng)往復(fù)式切割器上下動(dòng)刀做往復(fù)剪切運(yùn)動(dòng)。影響功率消耗的因素很多，主要有機(jī)組前進(jìn)速度，切割幅寬，上下動(dòng)刀往復(fù)速度，甘蔗莖堅(jiān)硬度等。由于切割器在工作時(shí)的功率消耗影響因素較多，采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算［7］。切割器總的功率消耗p包括切割作業(yè)時(shí)的功率p1及空轉(zhuǎn)功率p2，即：

式中：vm為切割器作業(yè)速度，m/s；

B為切割幅寬，m；

l0為莖干切割比功，J/m2。

本機(jī)與小型手扶拖拉機(jī)配套使用，前進(jìn)速度vm=0.556m/s，即拖拉機(jī)Ⅱ檔=2.0km/h，B=1.0m，切割甘蔗時(shí)l0取300，p2與切割器的安裝技術(shù)有關(guān)，一般每米割幅需消耗功率0.6kw～1.2kw，本切割器取p2=0.9kw。將上述已知參數(shù)代入經(jīng)驗(yàn)公式，得p=1.07kw。

3　往復(fù)式雙動(dòng)割刀的運(yùn)動(dòng)仿真及其切割速比

3.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立

在雙曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中，因其上下對(duì)稱(chēng)，取其中一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。如圖所示，曲柄AB為原動(dòng)件，以等角速度1ω轉(zhuǎn)動(dòng)，各構(gòu)件的長(zhǎng)度分別為I1，I2，I3，I4，連桿BC，搖桿CD的轉(zhuǎn)速及角加速度分別為2ω ，3ω，2α，3α。得封閉矢量方程：

分別對(duì)x和y軸投影，得代數(shù)方程：

將式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，得到有關(guān)角速度和角加速度的矩陣方程：

圖5　四桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2切割器運(yùn)動(dòng)仿真

在MATLAB7.0環(huán)境下對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，為了計(jì)算方便，將初始位置取在曲柄轉(zhuǎn)至與X軸正向重合時(shí)，輸入各桿件的長(zhǎng)度以及曲柄角速度，分別得出搖桿與連桿的角速度、角加速度、角位移曲線(xiàn)圖。通過(guò)圖6～圖8，我們可以直觀的得連桿與搖桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而達(dá)到運(yùn)動(dòng)分析的目的。

圖6　角速度分析界面

圖7　角加速度分析界面

圖8　角位移分析界面

3.3往復(fù)式割刀切割速比

切割速比對(duì)切割性能的影響較大，切割器在實(shí)際工作時(shí)，如果切割速比K過(guò)小，則割茬不整齊，漏割，切割質(zhì)量不穩(wěn)定，若切割比K過(guò)大，則可能發(fā)生重割，或造成機(jī)器的振動(dòng)加劇。割刀的進(jìn)距H就是割刀完成一次行程的時(shí)間內(nèi)機(jī)器前進(jìn)的距離，割刀的進(jìn)距對(duì)切割器的工作性能影響較大，表現(xiàn)在切割器動(dòng)刀刃的切割能力方面。割刀進(jìn)距的計(jì)算公式為：

式中：H為割刀進(jìn)距；vm為機(jī)器前進(jìn)速度；n為曲柄轉(zhuǎn)速；

切割速比K表示割刀速度與機(jī)器前進(jìn)速度之間的關(guān)系：

【】【】

經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)曲柄主軸轉(zhuǎn)速為900r/min，切割器平均速度vf=1.05m/s，收割機(jī)平均作業(yè)速度vm=0.556m/s時(shí)，切割器選標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ型，為保證切割質(zhì)量，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)那懈钏俦取Ｍㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)得出，當(dāng)切割速比K≥1.6時(shí)，未發(fā)生割茬不齊或切割質(zhì)量不穩(wěn)定的現(xiàn)象，因此，本切割器K=1.8設(shè)計(jì)合理。

4　結(jié)論

針對(duì)單動(dòng)刀甘蔗切割器切割效果不佳的狀況，設(shè)計(jì)了往復(fù)式雙動(dòng)刀甘蔗切割器。雙動(dòng)切割與單動(dòng)切割相比，工作時(shí)的動(dòng)態(tài)平衡優(yōu)越，刀片往復(fù)次數(shù)高，工作效率更高，作業(yè)速度更快。對(duì)切割裝置中動(dòng)刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)、割刀的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算，對(duì)雙動(dòng)割刀進(jìn)行了位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)分析，得出了其最佳切割速比。因此，該機(jī)構(gòu)滿(mǎn)足甘蔗收割時(shí)的作業(yè)要求。

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Design and analysis of the double knives reciprocating cutter

YUAN Jie，YIN Zhi-hong，ZHU Jia-ming

TH16；S225.5+3

A

1009-0134（2016）09-0106-03

2016-05-20

袁潔（1990 -），男，陜西韓城人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)理論分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。