蔡寬麒，周林，劉博藝，張燕

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基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器的設(shè)計

蔡寬麒1，周林1，劉博藝2，張燕1

（1.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2.海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228）

為了解決農(nóng)戶在切割甜桿時因人工切割導(dǎo)致勞動力的消耗大、效率低下、安全系數(shù)低等問題，對甜桿理化分析，通過研究刀片切割、翻土取根等過程，設(shè)計出基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器，整機(jī)利用圓柱凸輪使得刀片可往復(fù)切割甜桿，利用雙搖桿機(jī)構(gòu)使后置鏟土裝置進(jìn)行翻土取根，液壓系統(tǒng)的設(shè)計可調(diào)節(jié)切割高度。該機(jī)器提升了甜桿切割的安全性和效率，可為甜桿切割機(jī)的設(shè)計提供技術(shù)參考，對促進(jìn)甜桿切割產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

圓柱凸輪；甜桿；切割機(jī)器；液壓系統(tǒng)

甜桿又稱甜高粱，是高粱的一個種類，有作物中的“駱駝”之美譽(yù)[1-3]。甘甜桿富含糖分，可作為糖料、飼料和能源作物的基本原料，被人們譽(yù)為“高能作物”[4-6]。我國已將甜桿的推廣應(yīng)用列為國家“九五”重點推廣項目[7]，因此甜桿切割機(jī)器的研制可創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)價值，具有研究意義。

目前農(nóng)戶對甜桿的切割還是大部分以人力切割為主，而隨著甜桿大批量種植，人力切割消耗勞動力大，生產(chǎn)效率低，無法適應(yīng)快速的甜桿經(jīng)濟(jì)發(fā)展[8]，而目前國內(nèi)對甜桿切割機(jī)器的研制比較少，例如1996年馬來西亞博特拉大學(xué)工業(yè)部研發(fā)出新型甜高粱切割系統(tǒng)[9]，該系統(tǒng)利用4刀片旋轉(zhuǎn)加移動式切割方式，其優(yōu)勢在于可以改變作物的切割高度，但是其無法做到對切割后甜桿的根部進(jìn)行除根處理；再如雷雨春等設(shè)計的甜高粱聯(lián)合切割機(jī)，可進(jìn)行強(qiáng)制撥禾喂入和多組刀片分層扶持切割但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗能大，不適用于小農(nóng)戶使用，并且對根部無法進(jìn)行處理。

為了解決甜桿切割消耗人力過大、無法進(jìn)行除根處理、切割效率低、無法滿足甜桿規(guī)模化生產(chǎn)的問題，設(shè)計了一款連接簡單、操作方便、基于液壓調(diào)節(jié)切割高度，并能夠?qū)Ω窟M(jìn)行處理的可拆卸式的基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1為基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器的結(jié)構(gòu)示意圖，該機(jī)械包括：上刀片組、后置往復(fù)鏟土板、中置往復(fù)運(yùn)動刀片組、液壓調(diào)節(jié)升降組和動力組等組成，整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)器扶手2.推桿3.車輪4.小型柴油機(jī)5.聯(lián)軸器6.前置固定連桿7.固定臂8.前置刀片9.中置往復(fù)運(yùn)動刀10.后置往復(fù)鏟土板11.曲柄臂12.錐形齒輪13.后置固定連桿14.中置錐形齒輪15.傳動齒輪16.圓柱凸輪17.對置圓錐齒18.傳動圓錐齒19.曲柄臂20.泥土擋板21.伸縮連桿22.回油閥門23.液壓裝置24.承載車身 25.舉臂

表1 基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器的主要參數(shù)

1.2 工作原理

本機(jī)械利用錐形齒輪、直齒輪和傳動軸等傳動裝置，將汽油機(jī)的動力傳遞到圓柱凸輪和曲柄搖桿，利用圓柱凸輪和曲柄搖桿將傳遞過來的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為中置往復(fù)運(yùn)動刀片和后置往復(fù)鏟土板的往復(fù)運(yùn)動，再配合前置刀片即可做到大面積的甜桿切割和翻土除根。本機(jī)的后置往復(fù)鏟土板、前置刀片為可拆卸，可實現(xiàn)功能多樣化，減少汽油機(jī)的無用功率消耗。工作人員可將后置往復(fù)鏟土板拆卸，并上下壓動壓桿，利用液壓裝置，將舉臂提升從而做到根據(jù)不同植物的高度調(diào)整刀具高度進(jìn)行打桿。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能分析

2.1 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計

本文秉持連接簡單、傳動效率高的原則[10-11]，結(jié)合齒輪傳動設(shè)計的傳動機(jī)構(gòu)，其傳動流程圖如圖2所示。汽油機(jī)將動力通過聯(lián)軸器、減速器傳送到動力輸出軸的末端的錐齒輪，錐齒輪帶動兩邊對置錐齒輪轉(zhuǎn)動，通過兩邊的對置錐齒輪將動力傳遞給傳動齒輪，通過上下傳動齒輪的嚙合，將動力遞給圓柱凸輪，圓柱凸輪軸上包含三個從動件，將圓柱凸輪的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為中置往復(fù)運(yùn)動刀片的平動，中置往復(fù)運(yùn)動刀片的平動配合前置刀片，可將甜桿切斷，其次動力傳到凸輪圓柱時，可通過凸輪圓柱末端的圓錐齒輪，將動力傳遞給錐形齒輪使得曲柄臂做圓周運(yùn)動從而帶動搖桿臂做往復(fù)運(yùn)動，搖桿臂端部與后置往復(fù)鏟土板相連，傳遞往復(fù)力，使后置往復(fù)鏟土板快速在土里左右鏟動，通過左右快速鏟動和推動將埋在土里的根部和泥土進(jìn)行翻倒。后置往復(fù)鏟土機(jī)構(gòu)的刀片為弧形刀片，刀片頭部經(jīng)過淬火和高溫處理，使其強(qiáng)度等性能提高，并設(shè)計為臺階式弧形，便于鏟土除根，刀片在高速的往復(fù)運(yùn)動時配合機(jī)械向前推動作用，可以將從地里挖出的泥土受到泥土擋板的作用進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并且將其從刀片上抖落，起到翻土除根作用。其中后置往復(fù)鏟土機(jī)構(gòu)的設(shè)計為可拆卸式的，即可實現(xiàn)機(jī)器功能在多樣化和單一化之間轉(zhuǎn)變，方便機(jī)械的清理和維修。

圖2 傳動流程圖

2.2 汽油機(jī)的選型

汽油機(jī)在選型的時候應(yīng)考慮到其動力性和經(jīng)濟(jì)性，由于動力性和經(jīng)濟(jì)性無法同時達(dá)到最優(yōu)程度，因考慮到該機(jī)械所需動力不大，在滿足基本動力性的前提下，適當(dāng)提高經(jīng)濟(jì)性從而達(dá)到整機(jī)的最優(yōu)[12]。因此在汽油機(jī)選型時盡可能的選用較輕汽油機(jī)，減輕整機(jī)負(fù)載從而減少無用功的損耗，達(dá)到降低燃油使用和排放的目的。本文選用風(fēng)冷二沖程式汽油機(jī)，其參數(shù)如表2所示。

表2 汽油機(jī)參數(shù)

由表2可知，其有效功率P≈1.57 kW，而機(jī)械的輸出功率為：

由汽油機(jī)至輸送鏈的傳動總效率為：

式中：1為聯(lián)軸器傳動效率；2為傳動齒輪傳動效率；3為對心圓錐齒輪傳動效率；4為減速器傳動效率；5為傘齒輪傳動效率；6為軸承傳動效率。

其傳動系統(tǒng)圖如圖3所示，電動機(jī)到工作機(jī)之間傳動效率數(shù)值，如表3所示。

表3 電動機(jī)到工作機(jī)之間傳動效率

注：以上傳動效率根據(jù)《機(jī)械傳動效率表》所選取。表中所述聯(lián)軸器處在電動機(jī)輸出軸上

將數(shù)據(jù)代入式（2）中，求得≈0.89 r/min，將所求得的傳動總效率代入式（1）中，求得電機(jī)輸出功率P＝1.39 kW，在對甜桿的理化研究后，其輸出功率可滿足工作需求。

圖3 傳動系統(tǒng)圖

2.3 切割裝置

2.3.1 切割裝置的組成和工作過程

切割裝置由前置刀具組、中置往復(fù)運(yùn)動刀具組、后置往復(fù)鏟土板裝置組成，其三維圖如圖4所示。前置刀片組固定在汽油機(jī)上，由一根承受力強(qiáng)的定軸伸縮連桿固定，為了能增加對前置刀片的固定和定位能力，本文在固定桿上方設(shè)計了兩根固定臂，固定臂通過桿對前置刀片進(jìn)行加固。

中置往復(fù)運(yùn)動刀片組的末端為汽油機(jī)的動力輸出軸，在動力輸出軸和圓柱凸輪之間通過斜齒輪、傳動齒輪，將汽油機(jī)傳出的動力傳遞到圓柱凸輪的主動件中，圓柱凸輪的主動件穿過傳動齒輪與中置錐形齒輪相連接，圓柱凸輪的主動件轉(zhuǎn)動時帶動從動件上端連有中置往復(fù)運(yùn)動刀片進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。

后置往復(fù)鏟土板后部連有泥土擋板，泥土擋板下端是一個雙搖桿機(jī)構(gòu)，其由兩個搖臂組成，后置往復(fù)鏟土板由后置伸縮連桿將其固定在汽油機(jī)上，前置刀片和后置往復(fù)鏟土板由伸縮連桿便于定位。前置刀片和后置往復(fù)鏟土板為可拆卸模塊單元，其末端有卡槽，與汽油機(jī)上的卡槽相匹配，從而做到安裝和拆卸的目的。

2.3.2 切割裝置部件設(shè)計

將前置刀片、中置往復(fù)運(yùn)動刀片都設(shè)計為中空，刀片邊緣為弧形尖錐狀，在使刀片美觀、達(dá)到剛度要求的同時使得刀片盡可能的輕，減少無用功的輸出，而圓柱凸輪的轉(zhuǎn)動帶動中置往復(fù)運(yùn)動刀片平動，配合前置刀片進(jìn)行工作，通過對甜桿受力分析如圖5所示，前置刀片對甜桿的力1與中置往復(fù)運(yùn)動刀片對甜桿的力2方向相反，擠壓甜桿，將甜桿切斷。刀具的主要參數(shù)如表4所示。

1.中置往復(fù)運(yùn)動刀片2.伸縮桿3.傘齒輪4.圓錐齒輪5.傳動齒輪A 6.傳動齒輪B 7.聯(lián)軸器8.前置固定桿9.前置固定臂10.前置刀片11.后置固定桿12.搖臂A 13.后置往復(fù)鏟土板錐形齒輪14.搖臂B 15.后置固定臂16.后置往復(fù)鏟土板

后置往復(fù)鏟土機(jī)構(gòu)的刀片為弧形刀片，刀片頭部經(jīng)過淬火和高溫處理，使其強(qiáng)度等性能提高，并設(shè)計臺階式弧形，便于鏟土除根，刀片在高速的往復(fù)運(yùn)動時配合機(jī)械向前推動作用，可將從地里挖出的泥土受到泥土擋板的作用進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并將其從刀片上抖落，起到翻土除根作用，對單個單元進(jìn)行受力分析如圖6所示。

表4前置刀片、中置往復(fù)運(yùn)動刀片參數(shù)

長度/mm寬度/mm高度/mm數(shù)量/個材料工藝 前置刀片中置往復(fù)運(yùn)動刀片 20026016057中碳鋼淬火加高溫回火

圖6 后置往復(fù)鏟土機(jī)構(gòu)受力分析圖

圖中：為泥土自身的阻力，N；為泥土的重量，N；為擋板對泥土的作用力，N；1為鏟土板側(cè)面對泥土的作用力，N；2為鏟土板側(cè)面對泥土的作用力，N；3為擋板對泥土的推力，N。

2.4 液壓升降系統(tǒng)的設(shè)計

為了能夠使機(jī)器滿足其他需求如雜草、甘蔗等植物的切割和連根拔出等功能，利用液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊較大的特點[13]，本文增加了液壓升降系統(tǒng)。機(jī)器扶手施加一個向下的力，力通過推桿作用在液壓系統(tǒng)的活塞上，利用帕斯卡原理將汽油機(jī)、切割裝置抬高，因此可根據(jù)不同高度的植物，對機(jī)器扶手施加不同的力，從而調(diào)整切割裝置高度達(dá)到最適切割高度，如果高度過高，可擰動回油閥門，通過回油閥門不同的開度，即可使得切割裝置下降回任意高度，其高度的可調(diào)范圍在15～90 cm之間。若進(jìn)一步提高自動化程度可加裝植物高度識別裝置和自動調(diào)節(jié)裝置[14]。其高度調(diào)整示意圖如圖7所示。

圖7 高度調(diào)整示意圖

3 結(jié)論

本文利用傳動裝置將汽油機(jī)傳出的能量轉(zhuǎn)變成中置往復(fù)運(yùn)動刀片組、后置往復(fù)鏟土板往復(fù)運(yùn)動來切割甜桿，并結(jié)合液壓高度可調(diào)裝置來實現(xiàn)機(jī)器功能多樣化，合理的利用柴油機(jī)發(fā)出的功率。對甜桿切割機(jī)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)分析，力求在達(dá)到工作效率高的前提下，使得各機(jī)構(gòu)緊湊。甜桿切割機(jī)的實現(xiàn)將解決甜桿切割時人力消耗過大，切割的效率低，安全系數(shù)過低等問題，并且能夠進(jìn)行翻土除根處理，為下次甜桿種植做準(zhǔn)備，提高甜桿的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)甜桿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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The Design of Cutting Machine of Sweet Sorghum Based on Cylinder Cam Mechanism

CAI Kuanqi1，ZHOU Lin1，LIU Boyi2，ZHANG Yan1

( 1.Mechanical and Electrical Engineering College, Hainan University, Haikou 570228, China；2.College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

In order to solve the problem when the farmers cutting sweet rod due to manual labor leads to cutting consumption, low efficiency, low coefficient of safety problems, this paper based on the physical and chemical analysis of sweet lever, the blade cutting through research, dig roots taking process was designed based on a cylindrical Sweet lever cam mechanism of the cutting machine, the machine makes use of cylindrical cam reciprocating cutting blade lever sweet, use double rocker mechanism causes the rear shovel dig means take root, and the design of the hydraulic system to adjust the cutting height. The machine improves the safety and efficiency of cutting sweet bar, can provide technical reference for the sweet bar cutting machine designed for cutting rod promote sweet industry is important.

cylindrical cam；sweet sorghum；cutting machine；hydraulic pressure system

S22

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.011

1006－0316 (2018) 01－0050－06

2017－05－10

海南省自然科學(xué)基金面上項目（617048）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目（201610589002、201610589022、201610589003、201610589065）

蔡寬麒（1996－），男，福建三明人，本科，主要研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計。