李小龍，張克平，蘇占科，孫步功

（730070 甘肅省 蘭州市 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院）

0 引言

苜蓿是世界范圍種植的一種多年生豆科作物，因其富含蛋白質(zhì)、草質(zhì)優(yōu)良為多種禽畜所喜食，且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有顯著的固氮節(jié)肥和增產(chǎn)效果[1-2]。苜蓿產(chǎn)業(yè)是發(fā)展畜牧業(yè)和種植業(yè)之間的紐帶，市場需求大且效益好。然而，苜蓿收獲質(zhì)量和機(jī)械化水平較低，嚴(yán)重制約我國苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，2020 年我國優(yōu)質(zhì)苜?？偣┙o量約為510 萬t，其中，國內(nèi)產(chǎn)量為360 萬t，進(jìn)口量至少需要150 萬t，可見對(duì)優(yōu)質(zhì)苜蓿產(chǎn)品的需求量大，對(duì)高效低損的苜蓿收獲機(jī)械的需求越來越迫切[3-4]。

目前較為成熟的苜蓿收獲機(jī)械主要適用在種植面積廣、收獲平坦的平原地帶，在山地丘陵地區(qū)作業(yè)時(shí)存在坡度大、轉(zhuǎn)彎難、收獲質(zhì)量低等問題。近年來，付作立等[5]對(duì)旋轉(zhuǎn)切割器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與田間性能試驗(yàn)研究；閆文彬等[6]對(duì)牧草切割器進(jìn)行了設(shè)計(jì)及性能分析；趙滿全等[7]對(duì)雙圓盤割草機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算。而針對(duì)丘陵山地苜蓿刈割壓扁機(jī)作業(yè)過程中切割器的運(yùn)動(dòng)性能研究以及割刀運(yùn)動(dòng)狀況分析鮮見報(bào)道。

為此，本文以面向丘陵山地作業(yè)的前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機(jī)切割裝置為研究對(duì)象，對(duì)切割器、割刀等核心工作部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算，通過模擬丘陵山地復(fù)雜路面，對(duì)切割器作業(yè)性能進(jìn)行仿真研究，以期為高性能的苜蓿刈割壓扁機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由機(jī)架、切割裝置、壓扁裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、懸掛裝置組成，可一次性完成苜蓿的切割、輸送、壓扁、鋪條等作業(yè)。其中，切割裝置主要由刀盤、滾筒、滑掌、割刀等組成。壓扁裝置主要由壓扁輥、輥軸、間隙調(diào)節(jié)彈簧等組成。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等組成。

圖1 前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of front-drive alfalfa cutting and flattening machine

綜合考慮苜蓿收割地形、拖拉機(jī)動(dòng)力以及收獲要求，參照刈割壓扁機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確定整機(jī)主要參數(shù)如表1 所示。

表1 前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of front-drive alfalfa cutting and flattening machine

1.2 工作原理

刈割壓扁機(jī)通過三點(diǎn)懸掛方式安裝在拖拉機(jī)的前置懸掛機(jī)構(gòu)上，由拖拉機(jī)輸出軸提供整機(jī)動(dòng)力，動(dòng)力通過萬向節(jié)傳動(dòng)軸傳遞至機(jī)架中端換向器，實(shí)現(xiàn)換向不變速，經(jīng)十字軸驅(qū)動(dòng)左鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞到主軸，主軸將動(dòng)力分3 路傳遞：兩路通過錐齒輪傳遞到切割裝置，驅(qū)動(dòng)滾筒和刀盤反向旋轉(zhuǎn)；另一路將動(dòng)力傳遞到右鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)主、從動(dòng)壓扁輥嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器工作時(shí)，拖拉機(jī)帶動(dòng)整機(jī)前進(jìn)，刀盤在前進(jìn)方向帶動(dòng)割刀高速旋轉(zhuǎn)切割苜蓿并向后慣性拋送，減少苜蓿與刀盤的接觸，部分苜蓿倒伏在刀盤上，圓柱形滾筒和導(dǎo)草板將刀盤上的苜蓿向后上方輸送至壓扁輥間，切割器和壓扁輥高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成氣流場，同時(shí)能為苜蓿向后上方輸送提供推力作用，避免積聚堵塞和重割，在主、從動(dòng)壓扁輥嚙合擠壓下完成苜蓿壓扁并拋出，在地面鋪成具有一定寬度和厚度的草條，完成苜蓿切割及壓扁作業(yè)。

2 切割裝置設(shè)計(jì)與分析

2.1 切割器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

切割器是刈割壓扁機(jī)的核心工作部件，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)苜蓿的刈割和將苜蓿甩入壓扁輥間的功能，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響苜蓿的切割質(zhì)量和整機(jī)的作業(yè)效率[8]。本機(jī)切割器采用圓盤式結(jié)構(gòu)（如圖2 所示），主要由刀盤、割刀、滑掌、擋草板、導(dǎo)草板、立軸、錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾筒等構(gòu)成。通過一對(duì)錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將動(dòng)力由主軸傳遞到立軸，驅(qū)動(dòng)立軸帶動(dòng)刀盤和滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，利用刀盤邊緣安裝的割刀高速旋轉(zhuǎn)切斷苜蓿，滾筒、導(dǎo)草板、擋草板對(duì)切斷的苜蓿主要起向后輸送作用。

圖2 切割器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of cutting device

2.2 切割器主要參數(shù)的確定

刀盤直徑和轉(zhuǎn)速是切割器設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，直接影響整機(jī)割幅、前進(jìn)速度和割刀數(shù)量等多項(xiàng)參數(shù)[9]。旋轉(zhuǎn)式切割器一般采用前驅(qū)式作業(yè)方式，割幅應(yīng)大于拖拉機(jī)兩輪胎最外側(cè)間距，本機(jī)切割器驅(qū)動(dòng)方式采用上傳動(dòng)式。為減少苜蓿輸送阻力，并避免切斷的植株與刀盤多次碰撞降低質(zhì)量，刀盤結(jié)構(gòu)采用光滑圓形刀盤，左右兩個(gè)刀盤向內(nèi)側(cè)反向旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生流場，為苜蓿完成壓扁工序提供輸送條件。設(shè)計(jì)并確定刀盤直徑為795 mm，刀盤中心距為855 mm，整機(jī)割幅為1.75 m。

割刀切割速度影響苜蓿切割質(zhì)量。切割速度過低，增加切割阻力，產(chǎn)生參差不齊的切斷面；切割速度過高，功率消耗大，機(jī)身容易產(chǎn)生振動(dòng)，降低機(jī)器安全性能。當(dāng)切割速度大于割刀內(nèi)端點(diǎn)最低極限速度30 m/s 時(shí)，無支撐切割才能順利進(jìn)行，一般切割速度控制在50～90 m/s，取切割速度為60 m/s，切割器轉(zhuǎn)速n 滿足：

式中：Vg——割刀切割速度，m/s；Vj——機(jī)器前進(jìn)速度，取15 km/h；r——割刀內(nèi)端點(diǎn)半徑，m。

將已知參數(shù)代入，計(jì)算得到切割器轉(zhuǎn)速n=1 795 r/min，取整后n=1 800 r/min。

割刀是切割器的關(guān)鍵部件，研究表明，較低留茬高度能夠刺激苜蓿內(nèi)部生長素，促進(jìn)苜蓿下一茬發(fā)育和增加分枝數(shù)，故將割刀伸出刀盤的部分進(jìn)行向下折彎處理，可有效降低割茬高度，并對(duì)切斷的苜蓿有向上的推力，降低割刀的重割率[10]。設(shè)計(jì)割刀結(jié)構(gòu)如圖3 所示，截面為梯形的光刃刀片，刃長為107 mm，厚度為3 mm，將割刀兩邊進(jìn)行刃角為60°處理，便于高效切斷苜蓿。

圖3 割刀結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Cutter structure diagram

圓形刀盤上一般安裝2～4 柄割刀，每個(gè)刀盤上的割刀數(shù)量滿足

式中：m——每個(gè)刀盤上的割刀數(shù)量；n'——割刀轉(zhuǎn)速，r/min；h——割刀刃長，m。

將已知參數(shù)代入，計(jì)算得m=3.3，綜合考慮切割完整性和機(jī)器穩(wěn)定性后，每個(gè)刀盤上安裝4 柄割刀，滿足圓形刀盤的割刀數(shù)量要求[11]。割刀選用65Mn 鋼制作，對(duì)刃口處進(jìn)行淬火處理，通過銷軸安裝在刀盤上，作業(yè)時(shí)繞銷軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)與土壤和硬性物體發(fā)生碰撞時(shí)，割刀偏轉(zhuǎn)可反方向轉(zhuǎn)回刀盤內(nèi)，能延長割刀使用壽命。

旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)不漏割條件滿足

刈割壓扁機(jī)前進(jìn)速度范圍為10～15 km/h，代入已知參數(shù)，，可以保證刈割作業(yè)時(shí)不發(fā)生漏割現(xiàn)象[7]。

2.3 割刀運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圓形刀盤上4 柄割刀均可繞銷軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在立軸的驅(qū)動(dòng)下，割刀繞銷軸和刀盤圓心均作向心運(yùn)動(dòng)，割刀運(yùn)動(dòng)分析如圖4 所示。圖4 中：F——割刀繞刀盤圓心轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性離心力；S——割刀繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性離心力；N——割刀對(duì)銷軸的拉力；C——割刀質(zhì)心；O1——刀盤圓心；O2——銷軸軸心；R——刀盤圓心與銷軸軸心間距離。切割器在啟動(dòng)、穩(wěn)定和制動(dòng)3 種狀態(tài)下，割刀與銷軸間摩擦作用較小，故產(chǎn)生的摩擦力忽略不計(jì)。

圖4 割刀運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.4 Cutter motion analysis diagram

切割器從啟動(dòng)到穩(wěn)定過程中，刀盤處于加速階段，割刀由于慣性會(huì)滯后于刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，割刀質(zhì)心相對(duì)銷軸和刀盤圓心連線存在向后的角度偏轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)侗P勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，偏轉(zhuǎn)角度最大[12]。此過程中，銷軸對(duì)割刀產(chǎn)生的拉力N 會(huì)平衡割刀繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力S 和繞刀盤圓心轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力F的法向分力，其切向分力在割刀轉(zhuǎn)動(dòng)方向產(chǎn)生加速度，割刀加速轉(zhuǎn)動(dòng)，離心力F 和S 增大，使得割刀增大運(yùn)動(dòng)半徑，逐漸向外擺動(dòng)。

當(dāng)割刀與銷軸間不存在擺動(dòng)而相對(duì)靜止時(shí)，其擺動(dòng)角速度和離心力S 均為0，此時(shí)割刀質(zhì)心與刀盤圓心連線過銷軸軸心，割刀繞刀盤中心作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，切割器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，銷軸對(duì)割刀產(chǎn)生的拉力剛好滿足割刀繞刀盤圓心運(yùn)動(dòng)所需的向心力。

當(dāng)切割器從穩(wěn)定到制動(dòng)過程中，刀盤逐漸減速，割刀繞銷軸進(jìn)行擺動(dòng)，存在擺動(dòng)角速度和離心力S。由于慣性作用，割刀質(zhì)心相對(duì)銷軸和刀盤圓心連線存在向前的角度偏轉(zhuǎn)，離心力F 的切向分力在割刀轉(zhuǎn)動(dòng)反方向產(chǎn)生加速度，使得割刀減速運(yùn)動(dòng)，逐漸向外擺動(dòng)，當(dāng)割刀質(zhì)心與刀盤圓心連線過銷軸軸心時(shí)，切割器再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 割刀動(dòng)力學(xué)分析

切割器從啟動(dòng)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)是短時(shí)間提速過程，而割刀從靜止?fàn)顟B(tài)到開始擺動(dòng)，會(huì)與銷軸產(chǎn)生較大的相對(duì)速度，因此割刀與銷軸間存在原始激勵(lì)。當(dāng)切割器穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)時(shí)，苜蓿植株對(duì)割刀轉(zhuǎn)動(dòng)提供外在激勵(lì)，割刀繞銷軸軸心O2做周期擺動(dòng)[13]。受力分析如圖5 所示，割刀在該過程中受5 個(gè)作用力，2 個(gè)力作用在割刀質(zhì)心C 上（離心力F、離心力S），2 個(gè)力作用在割刀與銷軸接觸處（拉力N、割刀與銷軸間摩擦力），苜蓿的阻力作用在刀刃處。由于銷軸與割刀間摩擦力較小，不作考慮。

圖5 割刀受力分析圖Fig.5 Cutter force analysis diagram

以O(shè)1O2連線為平衡位置的振動(dòng)微分方程，滿足

式中：J02——割刀繞銷軸軸心O2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ω1——刀盤角速度；L——割刀質(zhì)心到刀盤圓心距離；r1——割刀質(zhì)心到銷軸軸心距離；θ——割刀質(zhì)心、銷軸軸心分別與刀盤圓心連線間的夾角；φ——割刀繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)的偏角；f——苜蓿植株對(duì)割刀的阻力；d——離心力F 距銷軸軸心的垂直距離；h——阻力f 距銷軸軸心的垂直距離；m——割刀質(zhì)量。

由式（4）—式（7）可得：

由式（9）可知，切割扭矩主要取決于刀盤轉(zhuǎn)速和割刀刃長，當(dāng)切割器其它參數(shù)一定時(shí)，刀盤轉(zhuǎn)速越快或割刀刀刃越長，會(huì)增加切割扭矩，刈割作業(yè)更容易完成，割茬斷面更平整。

3 切割器運(yùn)動(dòng)仿真分析

為分析圓盤式切割器在丘陵山地復(fù)雜地況作業(yè)效果，利用ADAMS 動(dòng)力學(xué)仿真軟件，建立切割器的虛擬模型，模擬切割器在復(fù)雜路面作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證切割器的通過性以及苜蓿割茬平整度。

3.1 建立模型

對(duì)切割器作業(yè)時(shí)的情況進(jìn)行模擬，存在切割苜蓿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和前進(jìn)運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)割刀上任一點(diǎn)對(duì)地面軌跡為余擺線?？紤]到前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機(jī)的兩個(gè)圓盤切割器工作狀態(tài)接近，只保留一個(gè)切割器觀察仿真效果。在SolidWorks 三維建模軟件中對(duì)模型簡化處理并完成其裝配，簡化后的模型主要包括滾筒、刀盤、滑掌和4 片割刀，輸出模型并導(dǎo)入ADAMS 軟件中，對(duì)各部件按實(shí)際情況添加材料屬性，根據(jù)模型尺寸自動(dòng)計(jì)算質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等信息[14]。

通過建立正弦波三維實(shí)體模擬丘陵山地起伏的復(fù)雜路面[15]，采用正弦波長為2 m，設(shè)置4 個(gè)起伏路面，路面起伏高度設(shè)置為150 mm。為保證仿真效果，使切割器在啟動(dòng)和結(jié)束階段都處于水平路面，各設(shè)置2 m 的長度，水平路面高220 mm。在實(shí)際苜蓿收獲條件中，該路面屬于極度惡劣的作業(yè)環(huán)境，正弦波路面方程滿足

式中：H——波峰或波谷距水平路面的垂直距離，m；x——水平距離，m。

3.2 添加約束

利用ADAMS 的約束工具，在ground、滾筒、刀盤、滑掌、割刀以及路面之間添加適當(dāng)約束。利用固定副約束，保持割刀、滾筒、刀盤之間同步轉(zhuǎn)動(dòng)。為模擬切割器真實(shí)運(yùn)動(dòng)狀況，利用旋轉(zhuǎn)副約束和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割器與路面之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，利用平移副約束和平移驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)切割器相對(duì)于路面的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，通過改變驅(qū)動(dòng)的參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)切割器在不同轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度下的仿真。在路面與ground 之間添加固定副約束。為了實(shí)現(xiàn)切割器貼地作業(yè)時(shí)的工況，在滑掌與路面之間建立接觸約束。切割器添加約束如圖6 所示。

圖6 切割器添加約束圖Fig.6 Constraint graph of cutting device

3.3 模型求解計(jì)算

根據(jù)切割器實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，忽略上下起伏振動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)置前進(jìn)速度為4 m/s，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為1 800 r/min。在結(jié)果欄對(duì)割刀刀尖建立Marker 點(diǎn)，并進(jìn)行軌跡仿真，仿真時(shí)間設(shè)定為2.5 s，仿真步長為1 200，得到Maker 點(diǎn)在復(fù)雜路面作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖7 所示。仿真結(jié)束后，從后處理模塊輸出該點(diǎn)在絕對(duì)方向上位移隨時(shí)間的變化曲線，如圖8 所示。

圖7 Marker 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡圖Fig.7 Marker point motion trajectory diagram

圖8 Marker 點(diǎn)在絕對(duì)方向上位移-時(shí)間曲線圖Fig.8 Displacement-Time curve of Marker point in absolute direction

分析圖7、圖8 可得，割刀刀尖一點(diǎn)相對(duì)于復(fù)雜路面能作余擺線運(yùn)動(dòng)，在起伏路面的運(yùn)動(dòng)過程為周期運(yùn)動(dòng)，符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡。該點(diǎn)在絕對(duì)方向上是以一定頻率和振幅波動(dòng)前進(jìn)，可以保證切割器的運(yùn)動(dòng)滿足苜蓿收割穩(wěn)定性要求。

研究切割器在復(fù)雜路面作業(yè)工況，通過對(duì)割刀上Marker 點(diǎn)距水平路面的垂直距離，分析在一個(gè)周期內(nèi)0.30，0.60，0.65，0.75 s時(shí)刻切割器仿真結(jié)果。不同時(shí)間切割器仿真運(yùn)動(dòng)狀況如圖9 所示，Marker點(diǎn)與水平路面間垂直距離曲線如圖10 所示。

圖9 不同時(shí)間切割器仿真運(yùn)動(dòng)圖Fig.9 Simulated motion diagram of cutting device at different time

仿真從開始到0.75 s 一個(gè)周期內(nèi)，割刀在起伏路面上尚未出現(xiàn)入土現(xiàn)象，結(jié)合圖10 分析，Marker 點(diǎn)距水平路面的垂直距離在76～78 mm 間浮動(dòng)變化，與實(shí)際設(shè)置的路面起伏高度75 mm 接近，表明切割器在復(fù)雜路面作業(yè)具備良好的通過性；仿真時(shí)間到達(dá)0.60 s 時(shí)，處于波峰與波谷圓弧路面上的苜蓿，由刀盤前半圈割刀第1 次與苜蓿接觸，留茬較高，而后半圈割刀第2 次與苜蓿接觸，可以保證圓弧路面上的苜蓿留茬高度一致；仿真時(shí)間為0.75 s 時(shí)，由前半圈割刀工作將其路面上的苜蓿進(jìn)行收獲。通過切割器與起伏路面間的仿真分析，驗(yàn)證了該切割器在復(fù)雜路面作業(yè)能夠保證割茬高度一致，有利于提高苜蓿質(zhì)量。

圖10 Marker 點(diǎn)與水平路面間垂直距離曲線圖Fig.10 Curve of vertical distance between Marker point and horizontal road

4 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)了一種前驅(qū)苜蓿刈割壓扁機(jī)的切割裝置，對(duì)切割器和割刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算，確定刀盤轉(zhuǎn)速為1 800 r/min 和割刀數(shù)目為8 片，可保證刈割作業(yè)時(shí)不發(fā)生漏割現(xiàn)象。

（2）對(duì)割刀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，表明切割扭矩主要取決于刀盤轉(zhuǎn)速和割刀刃長，刀盤轉(zhuǎn)速越快或割刀刀刃越長，會(huì)增加切割扭矩，刈割作業(yè)更容易完成，割茬斷面更平整。

（3）利用ADAMS 軟件，通過模擬丘陵山地復(fù)雜路面，對(duì)切割器作業(yè)情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明：割刀以一定頻率和振幅波動(dòng)前進(jìn)，滿足苜蓿收割穩(wěn)定性要求，切割器在復(fù)雜路面作業(yè)具備良好的通過性，可以保證割茬高度一致。