李艷聰，王永紅，郭俊旺，李書環(huán)，衛(wèi) 勇，宋 欣，王秀芝

(天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384)

0 引言

蘆葦是多年生高大禾草，一般生長于河堤、沼澤等地。蘆葦具有十分廣泛的用途，既是我國造紙工業(yè)和人造纖維工業(yè)的主要原料，也可曬制干草和青貯作為牲畜的飼料，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，蘆葦稈也能作生物質(zhì)電廠的燃料[1]。把蘆葦資源進(jìn)行有效利用的首要任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)對蘆葦?shù)母咝占?，但國?nèi)目前的蘆葦收割機(jī)械無論是從適應(yīng)性程度還是配套機(jī)械化水平，都無法滿足需求，并且大多數(shù)機(jī)型基本由小麥、牧草類型的收割機(jī)改裝而來，或是針對某種類型蘆葦而設(shè)計(jì)的收割機(jī)械，其通用性和實(shí)用性不高，造成了蘆葦收割效率的低下[2-3]。對于秸稈類收割機(jī)構(gòu)主要有刀具切割機(jī)構(gòu)和撥齒機(jī)構(gòu)，往復(fù)式刀具的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)很成熟，但對撥齒機(jī)構(gòu)的研究不多。段震華等[4]針對檸條的生長特性和檸條聯(lián)合收獲裝備撥齒式輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析。李寶成等[5]對水稻收獲的輸送鏈撥齒高度進(jìn)行了分析，但針對由于撥齒設(shè)計(jì)布局和角度問題引起的收割、打捆這個(gè)連貫動(dòng)作出現(xiàn)暫停等問題缺乏研究。因此，為了更好地滿足撥齒軌跡和撥齒效果，對蘆葦收割機(jī)的撥齒機(jī)構(gòu)作為關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，以期尋找有效收割方式，研究結(jié)果對蘆葦收獲機(jī)構(gòu)改進(jìn)有一定參考意義。

1 蘆葦收割機(jī)撥齒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 撥齒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

蘆葦收割機(jī)撥齒機(jī)構(gòu)的工作原理是將已經(jīng)被刀具割斷的蘆葦運(yùn)送到指定位置，為蘆葦收割機(jī)的下一步操作做準(zhǔn)備。根據(jù)對小麥、玉米等相似類型植物收割機(jī)的研究與觀察，發(fā)現(xiàn)收割機(jī)撥齒機(jī)構(gòu)有效的工作軌跡是圓弧形軌跡，如圖1所示，且有效工作行程只有一半，圖中用mm′表示。為提高工作效率，達(dá)到更好的效果，選擇有急回特性的曲柄連桿來實(shí)現(xiàn)。

圖1 工作軌跡

撥齒機(jī)構(gòu)是利用四桿機(jī)構(gòu)中曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的連桿運(yùn)動(dòng)來帶動(dòng)位于連桿上的撥齒運(yùn)動(dòng)，所以機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)核心是曲柄搖桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在極位時(shí)各桿件的幾何位置關(guān)系(圖2)，通過三角形余弦定理來確定桿件之間長度關(guān)系[6]。

圖2 工作原理

圖3 桿件關(guān)系

(1)

在△AC2D中，設(shè)∠AC2D=β，則有

(2)

(3)

(4)

α=arctan(h/b)

(5)

(6)

(7)

(8)

在三角形B3C3D中，由圖示關(guān)系得B3D=d-a，而γmin=∠B3C3D，所以得到

(9)

通過以上關(guān)系方程式，在給定部分桿參數(shù)的情況下，可以求得其他桿長度。利用已有收割機(jī)尺寸大小，確定曲柄AB長度250 mm，極位夾角θ為16°，最小擺角為60°，搖桿極限位置C1C2的距離H為550 mm[7-8]。通過計(jì)算得到各桿長度，其中：BC桿的長度為690 mm，CD桿的長度為330 mm，AD桿的長度為650 mm。

確定連桿機(jī)構(gòu)尺寸后，需確定撥齒尺寸。以白洋淀蘆葦為例，經(jīng)收割現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)測定，蘆葦收割高度基本在2～3 m，結(jié)合蘆葦自身細(xì)長的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和收割數(shù)據(jù)考慮，如果撥齒的高度太低，撥齒無法扶住蘆葦，會使得蘆葦散亂的向四周倒下，達(dá)不到撥齒工作的效果，故將撥齒在縱向上設(shè)計(jì)成3層，第1層與第2層之間間隔350 mm，第2層與第3層之間間隔400 mm，這樣3層撥齒高度基本可以撥扶到蘆葦?shù)?/4～1/3，使撥扶效果更好，如圖4a所示。在水平面方向上設(shè)置成如圖4b所示結(jié)構(gòu)。考慮到進(jìn)行蘆葦收割時(shí)，收獲的蘆葦應(yīng)該立即被撥齒帶走，否則蘆葦堵塞，會使蘆葦向前傾倒，影響后續(xù)蘆葦收割，所以第1層設(shè)置成等間距的5個(gè)小齒。第2層與第3層設(shè)計(jì)3個(gè)較大尺寸的撥齒，但兩層撥齒在位置上錯(cuò)開一定距離，保證蘆葦不會有較大的傾角。

圖4 撥齒分布

1.2 撥齒機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

1.2.1 撥齒機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)工作要求

蘆葦收割機(jī)的撥齒由左右撥齒兩部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)相同，都是由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，在布局上成對稱式分布。將撥齒連接到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)(圖5)，只有一半行程是工作行程，故整套撥齒機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)使左右側(cè)撥齒實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)配合，既能保證扶葦?shù)男Ч帜鼙ＷC左右撥齒不互相干擾。撥齒機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5中mm′所示區(qū)域。

圖5 撥齒機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡

1.2.2 撥齒機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇的聯(lián)動(dòng)方案是保證左右撥齒機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)曲柄同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)曲柄逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，左側(cè)曲柄順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)兩曲柄的位置一直保持相差180°。

實(shí)現(xiàn)同速反向的傳動(dòng)，首選雙齒輪傳動(dòng)，但齒輪傳動(dòng)對工作環(huán)境要求較高，同時(shí)齒輪傳動(dòng)的中心距較小，用齒輪傳動(dòng)要實(shí)現(xiàn)該方案需要多級齒輪傳動(dòng)，不滿足野外污染大的工作狀況。鏈傳動(dòng)要實(shí)現(xiàn)兩軸同速反向的要求，其方法是加入兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪，帶傳動(dòng)利用“8”字形來實(shí)現(xiàn)兩軸同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，這兩種方法都增大了結(jié)構(gòu)占用空間，同時(shí)還要考慮帶傳動(dòng)的打滑和鏈傳動(dòng)的磨損問題。反平行四邊形雙曲柄機(jī)構(gòu)在可以用來傳動(dòng)基礎(chǔ)上，呈現(xiàn)兩曲柄長度相同，位置偏差，不符合本設(shè)計(jì)曲柄整周轉(zhuǎn)動(dòng)要求。

為了實(shí)現(xiàn)同速反向的傳動(dòng)，本設(shè)計(jì)選擇鏈傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)相結(jié)合方案，采用鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)中心距較大的傳動(dòng)，采用齒輪傳動(dòng)改變兩軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，這樣在滿足傳動(dòng)要求的基礎(chǔ)上，能更好地適用于工作環(huán)境要求。布置鏈輪與齒輪的位置如圖6所示。

圖6 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意

工作過程是動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器傳遞到聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)輪上，帶動(dòng)右側(cè)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鏈輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過鏈條將動(dòng)力輸出到鏈輪2上，帶動(dòng)中轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由于鏈輪1、2相同，傳動(dòng)比為1∶1，并且鏈傳動(dòng)不改變方向，所以中轉(zhuǎn)軸和右側(cè)軸同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)。中轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)會帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪1與齒輪2嚙合，帶動(dòng)左側(cè)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)橐患夶X輪1、2相同，傳動(dòng)比1∶1，而齒輪傳動(dòng)改變轉(zhuǎn)向，所以左側(cè)軸和中轉(zhuǎn)軸同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)和右側(cè)軸同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到左右兩側(cè)軸同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)要求。

通過合理選擇傳動(dòng)比和中心距，設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)相關(guān)尺寸[9]。該機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比i=1，傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，故選擇滾子鏈傳動(dòng)。鏈條型號16A-1；鏈輪齒數(shù)z1=z2=21；鏈節(jié)數(shù)Lp=76，中心距a=698.5 mm；鏈輪分度圓直徑d=170.42 mm，齒頂圓直徑da=178 mm，齒根圓直徑df=154.54 mm，最大軸凸緣直徑dg=145 mm，齒寬bf1=15 mm。

依據(jù)傳動(dòng)功率，確定齒輪傳動(dòng)比μ=1，選擇齒輪1齒數(shù)z=25，所以齒輪2齒數(shù)z=25，模數(shù)m=3，中心距α=89 mm。

2 撥齒及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)建模及運(yùn)動(dòng)仿真

考慮Pro/E軟件以參數(shù)化、全相關(guān)和實(shí)體特征設(shè)計(jì)優(yōu)勢在通用機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)占據(jù)領(lǐng)先地位，且國內(nèi)很多設(shè)計(jì)單位和高校都在使用，因此采用Pro/E軟件進(jìn)行收割機(jī)各零件繪制并裝配。將曲柄與撥齒連桿、連桿與搖桿、搖桿與機(jī)架都采用銷釘連接，曲柄與轉(zhuǎn)軸、齒輪與轉(zhuǎn)軸、鏈輪與轉(zhuǎn)軸等采用剛性連接，齒輪采用齒輪機(jī)構(gòu)連接，考慮到鏈輪與帶的傳動(dòng)效果相同，鏈輪之間利用帶輪機(jī)構(gòu)連接。將零件模型裝配后，將撥齒與連桿間的夾角由垂直改為75°偏置，選擇這個(gè)角度是經(jīng)過反復(fù)試測，這個(gè)位置能較好收攏蘆葦。

工作過程如圖7所示，動(dòng)力從發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器傳遞到右側(cè)軸上，帶動(dòng)右側(cè)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)軸上固定連接的鏈輪、曲柄桿隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，右撥齒連桿受曲柄桿和連桿的作用做撥扶蘆葦?shù)倪\(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)的鏈輪1通過鏈條將動(dòng)力輸出到鏈輪2上，帶動(dòng)中轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。由于鏈輪1、2相同，傳動(dòng)比為1∶1，并且鏈傳動(dòng)不改變方向，所以中轉(zhuǎn)軸和右側(cè)軸同速同向轉(zhuǎn)動(dòng)。中轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)會帶動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪1與齒輪2嚙合，帶動(dòng)左側(cè)軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄桿隨左側(cè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，左撥齒連桿受曲柄桿和連桿的作用做撥扶蘆葦?shù)倪\(yùn)動(dòng)。

圖7 整體模型

利用Pro/E軟件對模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)(圖8)[10]。撥齒機(jī)構(gòu)的右側(cè)軸加伺服電機(jī)，從仿真運(yùn)動(dòng)過程觀測到，當(dāng)右側(cè)撥齒開始逐漸平行于底座邊時(shí)，撥齒便進(jìn)入工作狀態(tài)，而左側(cè)撥齒已經(jīng)完成撥扶蘆葦?shù)墓ぷ?，這保證了至少有一側(cè)撥齒處于工作的狀態(tài)，同時(shí)兩個(gè)撥齒配合工作，兩側(cè)撥齒機(jī)構(gòu)互不干擾。這種工作效果提高了機(jī)械的工作效率，改善了撥扶效果，設(shè)計(jì)的撥齒機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)效果與設(shè)計(jì)初步的預(yù)期效果相吻合。在仿真試驗(yàn)過程中，通過反復(fù)調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)撥齒在連桿上的位置偏置75°時(shí)有較好的收攏效果，撥齒機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡也符合要求，達(dá)到了改善收獲機(jī)械效率的目的。同時(shí)聯(lián)動(dòng)部分也實(shí)現(xiàn)了要求，保證左右撥齒之間的配合。

圖8 仿真試驗(yàn)

3 結(jié)論

(1)通過對收割機(jī)撥齒的運(yùn)動(dòng)軌跡分析，并結(jié)合工作過程中的工作效率綜合考慮，選擇有急回特性的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的各桿件關(guān)系，建立關(guān)系方程式，求解得到其余各桿長度，通過計(jì)算得到機(jī)構(gòu)曲柄長度250 mm、搖桿長度330 mm、連桿長度690 mm和機(jī)架長度650 mm。

(2)根據(jù)左右撥齒的配合動(dòng)作要求，確定鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)相結(jié)合的方案，并對鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的各零件尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。確定鏈節(jié)數(shù)21，速比1，中心距698.5 mm，鏈輪分度圓直徑170.42 mm；確定齒輪傳動(dòng)比1，齒輪齒數(shù)25，模數(shù)3，中心距89 mm。

(3)為檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的運(yùn)動(dòng)要求，達(dá)到較好收攏蘆葦?shù)囊?，確定將撥齒與連桿間的夾角由垂直改為75°偏置，運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行零件繪制裝配與仿真，驗(yàn)證這個(gè)角度能較好收攏蘆葦，滿足設(shè)定的性能需求。

(4)對于撥齒布局和撥齒效果還需進(jìn)一步試驗(yàn)探討。