陳金艦

（湛江幼兒師范?？茖W校（嶺南師范學院基礎教育學院），湛江 524000）

甘蔗種植是制糖工藝的基礎環(huán)節(jié)，其種植效果直接影響蔗糖的質(zhì)量。但是，與歐美地區(qū)的發(fā)達國家相比，我國在甘蔗種植生產(chǎn)過程中的機械化水平還處于初級階段[1]?？烧郫B輸送臂是甘蔗切種機的重要組成部分，對整體機械性能和甘蔗種植質(zhì)量都有巨大影響。因此，本文對甘蔗切種機可折疊輸送臂進行設計，以提高我國甘蔗產(chǎn)業(yè)的機械化水平和國際競爭力。

1 建立可折疊輸送臂模型

1.1 設計可折疊輸送臂結(jié)構(gòu)

本文設計的可折疊輸送臂主要由上臂、下臂、折疊液壓缸和鏈條刮板等部分組成。上臂一端裝有主動鏈輪軸，通過連接軸與下臂相連。下臂的另一端裝有從動鏈輪軸，鉸接在水平轉(zhuǎn)盤上，通過液壓缸與切種機連接。經(jīng)過折疊液壓缸的驅(qū)動控制，輸送臂完成打開和折疊動作[2]。輸送臂經(jīng)過折疊液壓缸的伸縮作用，以轉(zhuǎn)盤為中心，可以在縱向平面內(nèi)調(diào)整折疊角度，通過液壓管道的串聯(lián)實現(xiàn)同步運動，并經(jīng)由節(jié)流閥運作實現(xiàn)對運行速度的控制[3]。為達到實際工作條件下的角度，將折疊液壓缸與安裝板對稱安裝在輸送臂兩側(cè)。安裝板隨折疊液壓缸的伸長和收縮而運動，從而帶動上臂進行轉(zhuǎn)動。上臂轉(zhuǎn)動的最大位置可與下臂形成一條直線，具有很好的折疊和伸展效果。

1.2 設置可折疊輸送臂參數(shù)

本文設定可折疊輸送臂整體的長、寬、高分別為6.85 m、1.10 m、0.75 m，其中上臂長為2.10 m，下臂長為3.80 m，轉(zhuǎn)盤長度為1.15 m。輸送臂內(nèi)部寬度為0.70 m，外部寬度為0.75 m，底部轉(zhuǎn)軸在設定在轉(zhuǎn)盤中部[4]。上臂與下臂要滿足各自的結(jié)構(gòu)要求，并且為保證足夠的工作空間，二者的轉(zhuǎn)角需要達到豎直狀態(tài)，因此設定上臂可以圍繞連接軸旋轉(zhuǎn)的最大角度為120°。為進一步擴大輸送臂工作空間，下臂旋轉(zhuǎn)角度最大角度為20°，可以協(xié)調(diào)與后部風機的關(guān)系。種植時，輸送臂需要轉(zhuǎn)動到切種機的左右側(cè)，因此設定輸送臂圍繞底部轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動最大角度為90°。

1.3 求解可折疊輸送臂工作空間

可折疊輸送臂的工作空間是體現(xiàn)其靈活性的關(guān)鍵指標。運動實質(zhì)是根據(jù)各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，推導并計算坐標的空間位置和姿態(tài)。可折疊輸送臂由底部轉(zhuǎn)盤、下臂和上臂3個組件串聯(lián)而成，其旋轉(zhuǎn)角度分別用θ1、θ2和θ3表示，計算公式可以表示為：

式中，px、py和pz分別表示笛卡爾直角坐標系中任意一點p的坐標；an(n=2,3)表示輸送臂各組件的參數(shù)。對基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設置后進行工作空間求解，結(jié)果表明，輸送臂落料點最高可達6.453 m，最低可達1.813 m；側(cè)面伸出的最長長度為6.012 m，最短為2.279 m?？梢姡ぷ骺臻g能夠滿足田間作業(yè)的需要[5]。

2 可折疊輸送臂的靜力學與振動模態(tài)分析

2.1 靜力學分析

對于整個輸送臂來說，需要對上臂、連接軸和下臂分別進行靜力學分析，以驗證結(jié)構(gòu)設計是否合理。上臂與下臂的靜力學分析步驟相同，處于水平位置時的等效力臂最大，計算此狀態(tài)的靜力學載荷；上臂與下臂連接位置的結(jié)構(gòu)應力較大，設計的安全系數(shù)應符合允許使用的范圍；上（下）臂的中心為最大變形位置，越靠近端部，變形量越大，計算的變形量需符合彈性變形條件，才能滿足結(jié)構(gòu)剛度要求。對連接軸進行約束載荷設置，主要考慮上臂對軸的作用力，采用等效力矩約束載荷和邊界條件。連接軸應力最大的位置位于軸肩處，計算出安全系數(shù)需要符合允許使用要求。

2.2 振動模態(tài)分析

可折疊輸送臂主要在振動條件下工作，因此需要分析其動力學振動特性。通過建立結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析模塊，導入組合模型，對輸送臂整體劃分網(wǎng)格，施加約束條件，最后提取四階振動模態(tài)。從各振動模態(tài)對應的共振頻率可以得到輸送臂的固有頻率，通過分析垂直方向的振動性，提高共振頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象，進而得到振動工作條件下合理性結(jié)構(gòu)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 應力測試

為驗證可折疊輸送臂應力結(jié)果的可靠性，以某型號甘蔗切種機為例進行實驗。選取上臂頂端1、上臂中間2、上臂與下臂連接處3、下臂與上臂連接處4、下臂中間5和下臂底座處6這6個截面，進行5次測試。在每一截面?zhèn)冗吷线x定應力測試點，將應變片粘貼在相應位置，對可折疊輸送臂施加相應載荷后進行應力動態(tài)測試，結(jié)果如表1所示。

表1 可折疊輸送臂應力測試結(jié)果

從表1可知：上臂頂端與中間位置的應力較小，數(shù)值差別不大，靠近連接軸處的應力最大；下臂靠近連接軸處的應力最大，中間位置應力較小，底座處的應力處于二者之間。實際測量數(shù)值在變化趨勢上符合安全許可范圍，說明設計結(jié)果較為可靠。

3.2 對比測試

為檢驗甘蔗切種機可折疊輸送臂在設計前后的使用性能，在同一片土地進行田間試驗，對比結(jié)果如表2所示。

表2 甘蔗切種機性能對比

由表2的性能對比測試結(jié)果可知，本文設計的可折疊輸送臂提高了甘蔗切種機的性能，改善了相應的工作情況?？梢姡疚脑O計的輸送臂達到了預期效果，具有一定的可行性和有效性。

3 結(jié)語

本文通過建立可折疊輸送臂模型和分析靜力學與振動模態(tài)特征，設計了一種甘蔗切種機的可折疊輸送臂，以提升我國甘蔗種植產(chǎn)業(yè)的機械化水平。但是，研制出適合我國甘蔗產(chǎn)地實際地形地貌的種植機械是一個較為復雜的過程，因此本文設計還存在較大的進步和提升空間。后續(xù)不僅可以對輸送臂的風機進行優(yōu)化，還可通過設計減少輸送面板刮板的長度，以進一步提升切種機輸送臂在田間的穩(wěn)定性和適應能力。