李巖舟，張振寰，簡(jiǎn)進(jìn)文，王 鋒，李思然

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530000)

0 引言

牧草是發(fā)展畜禽生產(chǎn)(特別是草食家畜生產(chǎn))的基礎(chǔ)。牧草中不僅含有家畜必需的各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還含有對(duì)維持家畜健康特別重要的粗纖維，這是糧食與其它飼料所不能替代的[1]。相關(guān)部門(mén)最新數(shù)據(jù)顯示，廣西目前宜草經(jīng)濟(jì)林面積約466.67萬(wàn)hm2，宜草果樹(shù)園區(qū)面積約53.33萬(wàn)/hm2[2]。若拿出以上土地面積的1/4來(lái)間套種優(yōu)質(zhì)牧草，按照年均45t/hm2牧草來(lái)做保守折算，1年全廣西額外增產(chǎn)牧草產(chǎn)量就有0.59億t多[3]。另外，畜禽產(chǎn)品6成以上來(lái)自牧草轉(zhuǎn)換，而廣西優(yōu)質(zhì)牧草產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足畜牧業(yè)的需要。可見(jiàn)，廣西的牧草業(yè)發(fā)展前景很好。

從農(nóng)藝生產(chǎn)的角度考慮,牧草種植一般都會(huì)留茬后能二次生長(zhǎng)進(jìn)行二次收割。所以，留茬平整度和破頭率是牧草收割的重要參考指標(biāo)。據(jù)了解，國(guó)外大多采用大型的圓盤(pán)式切割機(jī)，雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)切割、打捆、壓軋的全程一體化，但機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜和體積過(guò)大，導(dǎo)致其機(jī)動(dòng)性差，對(duì)地面平坦度要求高。因此，國(guó)外大型的圓盤(pán)式切割機(jī)不適合我國(guó)大部分南方地區(qū)松軟的土質(zhì)特點(diǎn)，也難以適應(yīng)我國(guó)大部分南方地區(qū)存在的丘陵、盆地、坡地等復(fù)雜地勢(shì)。我國(guó)北方地區(qū)大多采用的往復(fù)式切割器，靠單動(dòng)刀片與定刀片形成剪切，雖然剪切力大、夾持平穩(wěn)，但在刀片往復(fù)運(yùn)動(dòng)變向瞬間存在的慣性大，產(chǎn)生振動(dòng)強(qiáng)烈，導(dǎo)致“破頭現(xiàn)象”。我國(guó)南方主要采用的小型圓盤(pán)式切割機(jī)，由于圓盤(pán)刀片無(wú)夾持作用，切割時(shí)土質(zhì)松軟牧草容易向后倒伏，且切口容易脆斷，從而導(dǎo)致留茬平整度低和破頭率高等問(wèn)題。

綜上所述，以上介紹的3款牧草收割機(jī)都不能很好地適應(yīng)南方牧草收割的需要。為此，設(shè)計(jì)出一款小型的、能有效減少破頭率和提高留茬平整度的收割機(jī)，以滿足南方牧草收割的迫切需要。

1 原理及機(jī)構(gòu)

1.1 收割機(jī)的機(jī)構(gòu)組成

小型平衡慣性牧草收割機(jī)主要由機(jī)架、動(dòng)力機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)4部分組成，如圖1所示。

1.護(hù)刃片 2.刀片 3.刀桿 4.曲柄軸 5.連桿 6.桿端軸承 7.法蘭盤(pán) 8.傳動(dòng)軸 9.柴油機(jī) 10.立式軸承 11.皮帶 12.皮帶輪 13.犁型曲面擋板 14.車(chē)輪 15機(jī)架 16.手把

機(jī)架包括手扶拖拉機(jī)柴油機(jī)的固定裝置、支撐傳動(dòng)軸的軸承、曲柄軸的支撐板、切割器的懸掛裝置和犁型曲面擋板，材料統(tǒng)一選擇鑄鐵和角鋼等材料。犁型曲面擋板如圖2所示。犁型曲面擋板由左右對(duì)稱的凹圓弧和凹圓弧組成，隨著輪子向前運(yùn)動(dòng)，犁型曲面擋板與牧草存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割后的牧草將沿著犁型曲面擋板的凹圓弧面加速滾落，最后沿著犁型曲面擋板的凸圓弧面減速落至車(chē)輪兩側(cè)。

圖2 犁型曲面擋板零件圖

動(dòng)力機(jī)構(gòu)由柴油機(jī)、皮帶輪和皮帶組成。其中，柴油機(jī)安裝在機(jī)架的支撐板上，柴油機(jī)軸與皮帶輪通過(guò)平鍵配合傳動(dòng)。

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)軸、法蘭盤(pán)、桿端軸承、連桿及曲柄軸組成。其中，傳動(dòng)軸安裝于立式軸承孔上；法蘭盤(pán)通過(guò)壓板和平鍵被固定于傳動(dòng)軸端面上；連桿為圓形棒料，通過(guò)上桿端軸承與法蘭盤(pán)配合；曲柄軸通過(guò)下桿端軸承與連桿配合。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由刀桿、動(dòng)刀片、上護(hù)刃片及下護(hù)刃片組成。其中，上下刀桿分別在左右兩側(cè)加工有通孔，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副螺栓與曲柄軸配合；刀桿和刀片通過(guò)鉚釘鉚合而成；上護(hù)刃片夾持著雙動(dòng)刀片，雙動(dòng)刀片剪切過(guò)程中始終保持貼合，并為上刀桿提供移動(dòng)槽軌道；下護(hù)刃片加工有方槽，為下刀桿提供移動(dòng)槽軌道。

1.2 收割機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)順序

如圖3、圖4所示：柴油機(jī)通過(guò)皮帶輪為傳動(dòng)軸傳遞扭矩，傳動(dòng)軸帶動(dòng)法蘭盤(pán)進(jìn)行周轉(zhuǎn)，法蘭盤(pán)帶動(dòng)上桿端軸承周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下桿端軸承通過(guò)曲柄軸帶動(dòng)刀片在護(hù)刃片槽中進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；牧草切割完后，沿著特殊設(shè)計(jì)的犁型曲面擋板滾落到車(chē)輪兩側(cè)。由于雙動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)方向相反、運(yùn)動(dòng)速度大小相等，將有效平衡刀桿運(yùn)動(dòng)慣性，減輕切割牧草過(guò)程中引產(chǎn)生的振動(dòng)，降低牧草破頭率和提高留茬平整度。

圖3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 傳動(dòng)示意圖

1.3 運(yùn)動(dòng)流程圖

機(jī)器的具體傳動(dòng)順序如圖5所示。柴油機(jī)通過(guò)皮帶裝置帶動(dòng)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)軸通過(guò)法蘭盤(pán)帶動(dòng)上桿端軸承進(jìn)行周轉(zhuǎn)，上桿端軸承帶動(dòng)連桿做平面運(yùn)動(dòng)，連桿上的下桿端軸承帶動(dòng)曲柄軸做往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最后曲柄軸帶動(dòng)刀桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

圖5 運(yùn)動(dòng)流程圖

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 雙曲柄機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

曲柄和連桿之間采用桿端軸承構(gòu)成擺轉(zhuǎn)副，本項(xiàng)目所用桿端軸承如圖6所示。桿端軸承采用球形結(jié)構(gòu)，球形承受徑向和軸向同時(shí)存在的聯(lián)合負(fù)荷，減少零件之間的磨損，延長(zhǎng)壽命，使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)順暢。

雙曲柄機(jī)構(gòu)半徑選擇：由于割刀行程S=25mm，曲柄的轉(zhuǎn)速n=1 000/rmin，根據(jù)單動(dòng)刀片的公式Vm=2sn/60和Vm=rn/15，得到r=s/2=12.5mm。

由于本項(xiàng)目采用雙動(dòng)刀片切割，所以所需半徑為單動(dòng)刀片切割裝置的1/2，雙曲柄半徑r=6.25mm。

圖6 桿端軸承

Fig.6 rod end bearing

2.2 切割刀片裝置的設(shè)計(jì)

由于在切割牧草時(shí)牧草的切割阻力較大，因此刀片采用光刃刀片，如圖7所示。由于刃角嚴(yán)重影響切割，并且當(dāng)刃角由14°增加到20°時(shí)，切割阻力增加15.8%，若采用小角度刃角。容易崩裂會(huì)損壞刀片。所以，采用刃角中間值17°制作刀片刃角[3]。

圖7 切割裝置

2.3 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)

柴油機(jī)通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)動(dòng)力輸入傳動(dòng)軸中部，傳動(dòng)軸兩端與曲柄相連。計(jì)算傳動(dòng)軸與曲柄相連處軸的直徑，則

式中p—傳動(dòng)軸輸入功率(kW)；

n—傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速(r/min)；

d—傳動(dòng)軸與曲柄相連處軸的直徑(mm)；

A—傳動(dòng)軸自身系數(shù)。

已知傳動(dòng)軸輸入功率p為3kW，材料為40Cr調(diào)質(zhì)，傳動(dòng)軸n=700r/min，A=80，則d=15.66mm[4]。

3 動(dòng)力學(xué)分析

由于往復(fù)式切割雙動(dòng)刀片有相反方向往復(fù)慣性力，要控制雙動(dòng)刀片切割速度在一定范圍內(nèi)，較高的切割速度會(huì)給構(gòu)件較大負(fù)荷，從而會(huì)影響零件使用壽命。

根據(jù)平衡公式法得

其中，Md為割刀質(zhì)量；rp為曲柄盤(pán)重心的回轉(zhuǎn)半徑；Mc為連桿質(zhì)量；r為曲柄半徑；Mp為曲柄盤(pán)質(zhì)量；n為曲柄轉(zhuǎn)速。

經(jīng)測(cè)量：Md=0.65kg,Mc=0.35kg,Mp=0.67kg，rp=0.02m，r=0.04m,n=700r/min。代入公式得λ=0.45，符合要求。

4 有限元仿真

將三維軟件UG完成的模型中的關(guān)鍵零件導(dǎo)入Ansys軟件，進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證本機(jī)械設(shè)計(jì)的合理性。選擇曲柄軸、上護(hù)刃片，下護(hù)刃片作為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本機(jī)器的可行性與安全性。

1)設(shè)定材料。設(shè)置曲柄軸為45鋼，密度為7.85×106kg/m3，彈性模量為GPa，泊松比為0.3，并設(shè)置其物理屬性。

2)劃分網(wǎng)格。使用3D四面體網(wǎng)格生成器，對(duì)曲柄軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置單元網(wǎng)格5mm，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9 375。

3)添加約束。曲柄軸主要在3個(gè)圓柱體的圓柱內(nèi)表面受力，采用隱式接觸算法考慮。曲柄軸與其他部件的接觸主要為面面接觸，設(shè)置靜摩擦因數(shù)為0.2，約束曲柄軸只能繞中心圓柱旋轉(zhuǎn)，其他自由度固定。

4)施加載荷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)算和分析計(jì)算，可知兩個(gè)小圓柱內(nèi)表面受法向力分別為216.3N和346.2N。

5)結(jié)果分析。通過(guò)Ansys對(duì)曲柄軸進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖8所示。

圖8 曲柄軸等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D

上、下護(hù)刃片的仿真同理，以HT200為材料，結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 上護(hù)刃片等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D

圖10 下護(hù)刃片等效應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D

具體仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 有限元仿真結(jié)果

可見(jiàn)，通過(guò)有限元仿真分析得出各個(gè)零件的等效應(yīng)力值均在允許范圍內(nèi)，且等效應(yīng)變值極小，不會(huì)對(duì)生產(chǎn)使用造成影響，說(shuō)明設(shè)計(jì)達(dá)到要求。

但分析曲柄軸后發(fā)現(xiàn)：與下桿端軸承連接的內(nèi)圓柱面及其與中心圓柱連接部分受力偏大，有可能因應(yīng)力集中而發(fā)生塑性變形或整體斷裂失效，因此對(duì)該零件的優(yōu)化是必須的。

5 機(jī)構(gòu)優(yōu)化

分析有限元仿真的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力集中主要位于零件尖角處，因此考慮在尖角處做圓角處理。在各尖角處開(kāi)半徑為6mm的圓角后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力顯著下降。

此外，觀察圖6發(fā)現(xiàn)：與桿端軸軸承配合的伸出桿處有明顯的應(yīng)力集中。為此，考慮如下兩種優(yōu)化方案：①增大橫截面積；②設(shè)置減載槽。為保持其他部件尺寸不變，采用第2種優(yōu)化方案。為確定減載槽的最優(yōu)位置，采取實(shí)驗(yàn)法，通過(guò)不斷改變減載槽位置，獲取多組最大應(yīng)力數(shù)值，選取其中最小值實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在桿中心平面上，距旋轉(zhuǎn)軸32.4mm處開(kāi)直徑約5mm的半圓形減載槽效果最好。因此，將優(yōu)化前后的應(yīng)力分布數(shù)據(jù)提取，用MatLab軟件擬合曲面，如圖11、圖12所示。由擬合圖可知，最大應(yīng)力從55N減小為43N，縮小21.8%， 大大增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和可靠性。

圖11 優(yōu)化前應(yīng)力分布圖Fig.11 Pre optimized stress distribution map

圖12 優(yōu)化后應(yīng)力分布圖

6 樣機(jī)試制與試驗(yàn)結(jié)果分析

6.1 樣機(jī)試制

根據(jù)上述計(jì)算，小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)具有良好的工作可靠性，可以進(jìn)行試制。實(shí)物圖如圖13所示。

圖13 小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)拍攝

6.2 樣機(jī)試驗(yàn)

小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)的試驗(yàn)地為學(xué)校的牧草種植試驗(yàn)田，種植的牧草品種為廣西種植最多的皇竹草。試驗(yàn)方案：試驗(yàn)分3批次進(jìn)行，每批次分為4次，第1次選用普通小型往復(fù)式牧草切割機(jī)(標(biāo)記為A)進(jìn)行平地切割約100棵牧草；第2次選用小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)(標(biāo)記為B)進(jìn)行平地切割100棵牧草 ；第3次選用普通往復(fù)式牧草切割機(jī)(標(biāo)記為C)，在地勢(shì)崎嶇處進(jìn)行100棵牧草切割；第4次采用小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)(標(biāo)記為D)，進(jìn)行地勢(shì)崎嶇處100棵牧草切割。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 牧草切割破頭率比較

通過(guò)控制變量的方法，分析數(shù)據(jù)可知：

1)在平坦的牧草試驗(yàn)地田中，小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)破頭率相對(duì)于普通切割機(jī)大約降低約28%，使得優(yōu)質(zhì)牧草生產(chǎn)率大大增加。這是因?yàn)閷?duì)稱設(shè)計(jì)的動(dòng)刀片在刀片變向瞬間可抵消大部分慣性，有效地平衡了刀片在切割過(guò)程產(chǎn)生的慣性振動(dòng)。

2)在地勢(shì)崎嶇牧草試驗(yàn)地田中，小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)破頭率相對(duì)于普通切割機(jī)大約降低約20%。這是因?yàn)橛捎诘貏?shì)崎嶇地帶會(huì)使得切割刀的切割刃腳發(fā)生變化，再加上地勢(shì)崎嶇引起機(jī)器自身的震動(dòng)，會(huì)使破頭率大大增加。

3)在地勢(shì)較崎嶇的試驗(yàn)地中，普通牧草切割機(jī)切割牧草破頭率增高近30%，對(duì)于小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)相對(duì)于平坦試驗(yàn)地同樣提高近8%，可見(jiàn)地勢(shì)崎嶇不平更加影響牧草破頭率。小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)便攜且容易控制方向，在地勢(shì)崎嶇地帶仍可以保持較低破頭率。

4)試驗(yàn)結(jié)果表明：在小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)試驗(yàn)切割的過(guò)程中，在南方土壤松軟地帶破頭率會(huì)降低近兩成，達(dá)到技術(shù)要求，此機(jī)器的設(shè)計(jì)合理。

7 結(jié)論

小型往復(fù)式平衡慣性牧草收割機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、性能良好，能較好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)牧草生產(chǎn)，降低破頭率，有利于牧草二次生長(zhǎng)，可以填補(bǔ)目前南方市場(chǎng)上畜牧業(yè)優(yōu)質(zhì)牧草的緊缺，建議在牧草經(jīng)銷(xiāo)和種植基地及大型牲畜養(yǎng)殖場(chǎng)廣泛地推廣應(yīng)用。