雙動刀往復式甘蔗切割器設計及分析

袁　潔，尹志宏，朱佳明

（昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650500）

雙動刀往復式甘蔗切割器設計及分析

袁潔，尹志宏，朱佳明

（昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650500）

為了解決小型甘蔗切割器單動刀工作時存在的平衡能力差、切割速度低、容易卡滯堵塞等問題，進行了小型甘蔗切割器的改進設計。采用雙曲柄連桿機構帶動兩組刀片彼此反向切割的雙動切割裝置機構，對割刀位移、速度、加速度進行運動學仿真分析，并對動刀片結構參數進行了優化設計，同時確定了最佳切割速比K=1.8。研究結果為甘蔗切割器的進一步優化設計和實驗提供了參考依據。

雙動；甘蔗切割器；運動學；切割速比

0　引言

甘蔗收割機機械化已成為我國甘蔗生產迫切需要解決的問題。由于我國甘蔗種植區域多數是丘陵地帶，且受季風和臺風的影響，目前我國市場上還沒有適合我國甘蔗種植和收獲情況的、具有自主知識產權的甘蔗收獲產品［1，2］。目前，大部分小型收割機的切割傳動機構采用齒輪機構和曲柄搖桿機構的組合帶動割刀實現往復式運動，但是往復式甘蔗切割機多為單動刀，工作時平衡能力差，動刀運動頻率低，容易卡滯堵塞。而雙動刀往復式是兩組刀片彼此相向切割，作業速度快，工作效率更高［3～6］。因此針對這些問題，設計一種雙動刀往復式切割器并對其關鍵部件進行研究，以獲得較好的結構參數和切割功效。

1　基本結構設計及工作原理

1.1基本結構設計

雙動刀往復式切割器傳動機構如圖1所示，主要由箱體1、上臂2、下臂3、動力輸入軸4、大錐齒輪5、小錐齒輪6和偏心機構組成。動力輸出軸一端為花鍵形式與外接動力連接，另一端與大錐齒輪固定連接；小錐齒輪6安裝在偏心機構總成上，并與大錐齒輪5嚙合；偏心機構總成與上臂2、下臂3分別連接，帶動其做往復運動。其中偏心軸式雙曲柄連桿機構主要由搖桿和連桿組成，通過上下兩組對稱的曲柄連桿機構帶動上下動刀組做往復式運動，完成切割作業。

圖1　傳動箱剖面結構示意圖

1.2傳動機構工作原理

往復式雙動刀甘蔗切割器采用前置式與小型輪式拖拉機掛接，其傳動機構工作結構如圖2所示。

圖2　傳動機構圖

偏心軸上有兩個平行且錯開一定角度的偏心輪，上下擺臂軸分別外接上下臂。外接動力通過花鍵帶動輸入軸轉動，動力輸入軸通過與其固定安裝的大錐齒輪以及與其嚙合的小錐齒輪將動力傳至偏心軸處，帶動偏心軸以及上下偏心臂旋轉。上偏心臂通過銷釘帶動上擺臂轉動，下偏心臂通過銷軸帶動下擺臂轉動，上臂與下臂分別由上擺臂軸與下擺臂軸帶動做往復運動。

2　主要部件設計及參數確定

2.1切割器割幅及動刀片結構參數確定

往復式切割器是收割機的主要工作部件，其割幅應該盡量大，但大的割幅將會有大的慣性振動與功率消耗，同時也會大大降低切割機在丘陵地帶作業的靈活性。本切割器的切割方式采用往復式上下雙動刀切割，工作幅寬為0.75m～1.20m。

動刀片是切割器的主要工作零部件，對刀片的要求為材料硬度高，耐磨，具有一定的彈性。如圖3所示，上下割刀刀片兩側為切割齒刃，且分布有均勻的齒紋，因此切割阻力較大，但不需要磨刀，使用方便切割效率高，切割能力強，并且對粗、細莖干均有較好的適應性。按照國際規定，刀片材料為T9碳素工具鋼，刃部淬火和回火。用于甘蔗切割的往復式甘蔗切割器按照切割行程S、刀片間距（上刀片間距t1，下刀片間距t2）的關系可分為Ⅰ型、Ⅱ型兩種型式，其中：

圖3　切割器動刀片結構示意圖

動刀片的幾何形狀對切割器的工作可靠性和功率消耗有較大影響，因此在本次設計中，切割器刀片選擇為外形輪廓為六邊形的梯形動刀片，如圖3所示，主要結構參數：刃部高度h=55mm，刀片底寬c=62mm，前橋寬b=18mm，刀片厚度d=4mm，滑切角α=22°；兩相鄰刀片間的參數：刀片節距t=70mm，相鄰刀片刃口底邊間距e=8mm，割刀行程s=t/2=35mm。

2.2無急回雙曲柄搖桿機構設計

要實現旋轉運動到雙刀的往復式運動，必須有一個中間傳動機構。雙曲柄搖桿機構的作用是將傳動機構中的回轉運動轉變為刀片的往復式運動，對往復式偏心機構的空間結構分析可知，其運行方式可以由兩個曲柄連桿機構組成，且這兩個曲柄連桿機構分布在相互平行的兩個平面上。通過簡化，其傳動簡圖如圖4所示。

圖4　傳動機構簡圖

由圖4可知，四邊形O1A1B1O2與O1A2B2O2構成對稱的雙曲柄搖桿機構，為使在切割過程中，切割效果穩定，采用無急回特性的曲柄搖桿機構。其行程比系數K=1（極位夾角0=θ=0），存在的充要條件是曲柄與機架的平方和等于連桿與搖桿的平方和。已知割刀行程s=35mm，根據作圖分析得曲柄r=8mm，設定機架I4=100mm，I2=65mm，根據公式I21+I24=I22+I23，可得I3=76.4mm，確定了機構中各桿件的長度及相互位置關系。

2.3切割器功率消耗估算

切割器在作用過程中，發動機用于驅動往復式切割器上下動刀做往復剪切運動。影響功率消耗的因素很多，主要有機組前進速度，切割幅寬，上下動刀往復速度，甘蔗莖堅硬度等。由于切割器在工作時的功率消耗影響因素較多，采用經驗公式進行計算［7］。切割器總的功率消耗p包括切割作業時的功率p1及空轉功率p2，即：

式中：vm為切割器作業速度，m/s；

B為切割幅寬，m；

l0為莖干切割比功，J/m2。

本機與小型手扶拖拉機配套使用，前進速度vm=0.556m/s，即拖拉機Ⅱ檔=2.0km/h，B=1.0m，切割甘蔗時l0取300，p2與切割器的安裝技術有關，一般每米割幅需消耗功率0.6kw～1.2kw，本切割器取p2=0.9kw。將上述已知參數代入經驗公式，得p=1.07kw。

3　往復式雙動割刀的運動仿真及其切割速比

3.1機構運動數學模型的建立

在雙曲柄搖桿機構中，因其上下對稱，取其中一個曲柄搖桿機構對其進行運動分析。如圖所示，曲柄AB為原動件，以等角速度1ω轉動，各構件的長度分別為I1，I2，I3，I4，連桿BC，搖桿CD的轉速及角加速度分別為2ω ，3ω，2α，3α。得封閉矢量方程：

分別對x和y軸投影，得代數方程：

將式對時間求導，得到有關角速度和角加速度的矩陣方程：

圖5　四桿機構簡圖

3.2切割器運動仿真

在MATLAB7.0環境下對曲柄搖桿機構進行運動仿真，為了計算方便，將初始位置取在曲柄轉至與X軸正向重合時，輸入各桿件的長度以及曲柄角速度，分別得出搖桿與連桿的角速度、角加速度、角位移曲線圖。通過圖6～圖8，我們可以直觀的得連桿與搖桿的運動規律，從而達到運動分析的目的。

圖6　角速度分析界面

圖7　角加速度分析界面

圖8　角位移分析界面

3.3往復式割刀切割速比

切割速比對切割性能的影響較大，切割器在實際工作時，如果切割速比K過小，則割茬不整齊，漏割，切割質量不穩定，若切割比K過大，則可能發生重割，或造成機器的振動加劇。割刀的進距H就是割刀完成一次行程的時間內機器前進的距離，割刀的進距對切割器的工作性能影響較大，表現在切割器動刀刃的切割能力方面。割刀進距的計算公式為：

式中：H為割刀進距；vm為機器前進速度；n為曲柄轉速；

切割速比K表示割刀速度與機器前進速度之間的關系：

【】【】

經過計算，當曲柄主軸轉速為900r/min，切割器平均速度vf=1.05m/s，收割機平均作業速度vm=0.556m/s時，切割器選標準Ⅱ型，為保證切割質量，應選擇恰當的切割速比。通過實驗得出，當切割速比K≥1.6時，未發生割茬不齊或切割質量不穩定的現象，因此，本切割器K=1.8設計合理。

4　結論

針對單動刀甘蔗切割器切割效果不佳的狀況，設計了往復式雙動刀甘蔗切割器。雙動切割與單動切割相比，工作時的動態平衡優越，刀片往復次數高，工作效率更高，作業速度更快。對切割裝置中動刀片的結構參數、割刀的傳動機構進行了設計和計算，對雙動割刀進行了位移、速度、加速度等運動分析，得出了其最佳切割速比。因此，該機構滿足甘蔗收割時的作業要求。

［1］ 方衛山，楊俊敏，牛憲偉，楊云福，王華準，湯瑞學.云南山地甘蔗收割機發動機的動力匹配［J］.農業工程，2012，09:59-62.

［2］ 牛憲偉，方衛山，楊俊敏，楊云福，王華準，湯瑞學.云南省甘蔗收獲機械發展淺談及小型甘蔗收割機介紹［J］.農業開發與裝備，2012，05:38-40.

［3］ 王攀峰，尚士友，劉海亮，楊文輝，王小軍.9GSCC-1.4H水草收割機切割裝置改進設計［J］.農機化研究，2010，09:69-72.

［4］ 徐秀英.小型牧草收獲機械的設計［D］.南京農業大學，2004.

［5］ 劉慶庭，區穎剛，卿上樂，王萬章.甘蔗莖稈切割機理研究［J］.農機化研究，2007，01:21-24.

［6］ 向家偉，楊連發，李尚平.小型甘蔗收獲機根部切割器結構設計［J］.農業機械學報，2008，04:56-59.

［7］ 方世杰.無急回特性曲柄搖桿機構的設計［J］.機械設計，2001，04:33-34.

Design and analysis of the double knives reciprocating cutter

YUAN Jie，YIN Zhi-hong，ZHU Jia-ming

TH16；S225.5+3

A

1009-0134（2016）09-0106-03

2016-05-20

袁潔（1990 -），男，陜西韓城人，碩士研究生，研究方向為結構理論分析與優化設計。