尤寬山 宋力 沈靜 沈輝 周竹馨

摘要：為解決當(dāng)前人工濕地水生植物季節(jié)性收割工作效率低的問題，研發(fā)一種能夠在復(fù)雜地形下收獲沉水植物和大面積挺水植物的濕地輕型兩棲式多功能工作機(jī)。對(duì)工作機(jī)的關(guān)鍵部件切割器進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中通過數(shù)學(xué)建模與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，應(yīng)用ADAMS軟件仿真分析切割器運(yùn)行期間割刀的位移、速度以及加速度隨時(shí)間的變化特性。結(jié)果表明，該新型濕地型多功能工作機(jī)的漏割率小于等于2%，收割寬度達(dá)2 200 mm，往復(fù)式切割器工作穩(wěn)定、切割效果良好，能很好滿足人工濕地水生植物的收割需求。

關(guān)鍵詞：新型濕地型多功能工作機(jī);往復(fù)式切割器;設(shè)計(jì);仿真分析

中圖分類號(hào)：S225.5+9?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：1002-1302（2020）21-0238-03

人工濕地工程為近年來各地方積極推廣的新型水源地工程。該類工程中的水生植物每年春、秋2季需要重復(fù)進(jìn)行收獲、維護(hù)，往往大量的工作集中在幾周內(nèi)進(jìn)行，工作量巨大。濕地水生植物周期性維護(hù)的主要方式為采用機(jī)械化收割，這提高效率、降低成本，但現(xiàn)在市面上的收割機(jī)械大多數(shù)為大型收割機(jī)械[1-3]。人工濕地地形具有水域?qū)拸V、水生植物種植面分散、局部地形空間多變、形狀不規(guī)則等特點(diǎn)，勢(shì)必會(huì)對(duì)大型機(jī)具的運(yùn)行、轉(zhuǎn)向、機(jī)動(dòng)性造成影響，而新型濕地型多功能工作機(jī)械的研制，能較好地解決這一問題，滿足市場(chǎng)需求。

1 總體結(jié)構(gòu)及切割器設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

新型濕地型多功能工作機(jī)由整體車架、底盤、連接架、提升架、動(dòng)力裝置、功能轉(zhuǎn)換接頭、座椅和工作件等組成，結(jié)構(gòu)見圖1。提升架的作用是調(diào)整工作件的高度，控制切割高度;連接架起到伸長(zhǎng)和減震的作用;功能轉(zhuǎn)換接頭使工作裝置的安裝和拆卸更加方便，可裝配不同的工作裝置[4]達(dá)到多種功能。工作機(jī)除裝配“T”形刀頭用來收割水草和濕地植被外?也可裝配鉆頭用來厚冰鉆孔，起到冰上搶險(xiǎn)救災(zāi)的作用。

1.2 整機(jī)技術(shù)參數(shù)

新型濕地型多功能工作機(jī)技術(shù)參數(shù)見表1。

1.3 切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

往復(fù)式切割器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)見圖2。

2 切割器運(yùn)動(dòng)及功耗分析

2.1 割刀的運(yùn)動(dòng)方程

割刀的運(yùn)動(dòng)特性[5]是評(píng)價(jià)切割器性能的關(guān)鍵因素，往復(fù)式切割器可簡(jiǎn)化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，由曲柄旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的連桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)見圖3。

現(xiàn)建立動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)方程：

式中：Vx為動(dòng)刀片速度，m/s;ω為動(dòng)刀片的角速度，rad/s;r為曲柄半徑，mm;x為動(dòng)刀片的位移，m;t為曲柄運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s;a為動(dòng)刀片的加速度，m/s2。

由式（4）可知，割刀速度與割刀位移的函數(shù)關(guān)系滿足橢圓方程，橢圓的長(zhǎng)半軸為rω，橢圓的短半軸為r，如圖4所示。它反映了割刀在任一點(diǎn)的速度都不相同。由上可知，刀片上任一點(diǎn)的速度變化規(guī)律與橢圓方程一致。當(dāng)位移為0，即x=0時(shí)，該點(diǎn)位于刀片的中點(diǎn)，此時(shí)Vx取得最大值，即為rω;當(dāng)位移為r，即x=±r時(shí)，該點(diǎn)位于刀片的極左端或極右端，此時(shí)Vx取得最小值，即為0。

2.2 切割器的功率損失

切割器工作時(shí)的功率損失主要由切割功率損失（Ng）和空轉(zhuǎn)功率損失（Nk）組成[6-7]。

式中：Vm為機(jī)組前進(jìn)速度，取5 km/h;B為機(jī)組作業(yè)幅寬，m;L0為割刀切割單位面積的植物莖稈所需要的功值，N·m/m2，取200。

將數(shù)代入公式（5）、（6）可算得：N總=Ng+Nk=2.82 kW。

由上可知，與其他同類型的切割器相比，新型濕地型多功能工作機(jī)切割器消耗的功率較小，滿足要求。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

為直觀分析切割器運(yùn)行期間刀具的位移、速度和加速度的特性，使用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真[8-9]。切割器的仿真模型如圖5所示。利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為550 r/min。

由圖6-a可知，割刀的位移是正弦曲線，曲線的波峰和波谷的極限值是動(dòng)刀片在2個(gè)不同方向上的最大位移[10]。由圖6-b可知，當(dāng)曲柄以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，在連桿驅(qū)動(dòng)下，割刀速度變化可以近似為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。動(dòng)刀片的Vmax在起始位置，動(dòng)刀片速度為0時(shí)在動(dòng)刀片位移最大處。由圖6-c可知，割刀的加速度也顯示為近似簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。動(dòng)刀片的amax在動(dòng)刀片位移最大處，而最小加速度值出現(xiàn)在初始點(diǎn)。

4 性能試驗(yàn)

選取在水生植物生長(zhǎng)茂盛的秋季進(jìn)行濕地輕型兩棲式多功能工作機(jī)綜合性能測(cè)試（圖7），測(cè)試結(jié)果見表2。通過實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行分析可知，該新型濕地型多功能工作機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了在人工濕地復(fù)雜區(qū)域條件中對(duì)水生植物進(jìn)行大面積連續(xù)性作業(yè)，收割深度可以在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)進(jìn)行調(diào)整，為適應(yīng)復(fù)雜地形、兩棲作業(yè)的功能，且工作機(jī)性能穩(wěn)定可靠，達(dá)到動(dòng)力與效率的整體平衡[10-12]。

5 結(jié)論

對(duì)濕地輕型兩棲式多功能工作機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，從理論上證明割刀位移、速度以及加速度均為關(guān)于時(shí)間的正弦和余弦函數(shù)。

運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks建立模型，并導(dǎo)入ADAMS仿真軟件添加連接與驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，得到割刀位移、速度和加速度隨時(shí)間的變化特性，動(dòng)刀片Vmax在起始位置，動(dòng)刀片速度為0時(shí)在動(dòng)刀片位移最大處;動(dòng)刀片的amax在動(dòng)刀片位移最大處，而最小加速度值出現(xiàn)在初始點(diǎn)。

試驗(yàn)表明，新型濕地型多功能工作機(jī)在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)也能保證工作效率和漏割率。對(duì)于新型濕地型多功能工作機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)以及切割器刀片的高度確定還需進(jìn)一步研究，以達(dá)到更好的切割效果。

新型濕地型多功能工作機(jī)是處理水生植物收割問題的一種高效工具，可以解決人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等問題。本研究工程機(jī)往復(fù)式切割器的設(shè)計(jì)過程中利用三維軟件構(gòu)建了三維實(shí)體模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬，驗(yàn)證了工作裝置運(yùn)行的合理性。

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