基于圓柱凸輪機構的甜桿切割機器的設計

蔡寬麒，周林，劉博藝，張燕

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基于圓柱凸輪機構的甜桿切割機器的設計

蔡寬麒1，周林1，劉博藝2，張燕1

（1.海南大學 機電工程學院，海南 ?？?570228；2.海南大學 信息科學技術學院，海南 ?？?570228）

為了解決農戶在切割甜桿時因人工切割導致勞動力的消耗大、效率低下、安全系數低等問題，對甜桿理化分析，通過研究刀片切割、翻土取根等過程，設計出基于圓柱凸輪機構的甜桿切割機器，整機利用圓柱凸輪使得刀片可往復切割甜桿，利用雙搖桿機構使后置鏟土裝置進行翻土取根，液壓系統的設計可調節切割高度。該機器提升了甜桿切割的安全性和效率，可為甜桿切割機的設計提供技術參考，對促進甜桿切割產業發展具有重要意義。

圓柱凸輪；甜桿；切割機器；液壓系統

甜桿又稱甜高粱，是高粱的一個種類，有作物中的“駱駝”之美譽[1-3]。甘甜桿富含糖分，可作為糖料、飼料和能源作物的基本原料，被人們譽為“高能作物”[4-6]。我國已將甜桿的推廣應用列為國家“九五”重點推廣項目[7]，因此甜桿切割機器的研制可創造較大的經濟價值，具有研究意義。

目前農戶對甜桿的切割還是大部分以人力切割為主，而隨著甜桿大批量種植，人力切割消耗勞動力大，生產效率低，無法適應快速的甜桿經濟發展[8]，而目前國內對甜桿切割機器的研制比較少，例如1996年馬來西亞博特拉大學工業部研發出新型甜高粱切割系統[9]，該系統利用4刀片旋轉加移動式切割方式，其優勢在于可以改變作物的切割高度，但是其無法做到對切割后甜桿的根部進行除根處理；再如雷雨春等設計的甜高粱聯合切割機，可進行強制撥禾喂入和多組刀片分層扶持切割但其機械結構復雜，耗能大，不適用于小農戶使用，并且對根部無法進行處理。

為了解決甜桿切割消耗人力過大、無法進行除根處理、切割效率低、無法滿足甜桿規?；a的問題，設計了一款連接簡單、操作方便、基于液壓調節切割高度，并能夠對根部進行處理的可拆卸式的基于圓柱凸輪機構的甜桿切割機器。

1 結構及工作原理

1.1 結構

圖1為基于圓柱凸輪機構的甜桿切割機器的結構示意圖，該機械包括：上刀片組、后置往復鏟土板、中置往復運動刀片組、液壓調節升降組和動力組等組成，整機的主要技術參數如表1所示。

1.機器扶手2.推桿3.車輪4.小型柴油機5.聯軸器6.前置固定連桿7.固定臂8.前置刀片9.中置往復運動刀10.后置往復鏟土板11.曲柄臂12.錐形齒輪13.后置固定連桿14.中置錐形齒輪15.傳動齒輪16.圓柱凸輪17.對置圓錐齒18.傳動圓錐齒19.曲柄臂20.泥土擋板21.伸縮連桿22.回油閥門23.液壓裝置24.承載車身 25.舉臂

表1 基于圓柱凸輪機構的甜桿切割機器的主要參數

1.2 工作原理

本機械利用錐形齒輪、直齒輪和傳動軸等傳動裝置，將汽油機的動力傳遞到圓柱凸輪和曲柄搖桿，利用圓柱凸輪和曲柄搖桿將傳遞過來的轉動轉化為中置往復運動刀片和后置往復鏟土板的往復運動，再配合前置刀片即可做到大面積的甜桿切割和翻土除根。本機的后置往復鏟土板、前置刀片為可拆卸，可實現功能多樣化，減少汽油機的無用功率消耗。工作人員可將后置往復鏟土板拆卸，并上下壓動壓桿，利用液壓裝置，將舉臂提升從而做到根據不同植物的高度調整刀具高度進行打桿。

2 主要結構設計和功能分析

2.1 傳動機構的設計

本文秉持連接簡單、傳動效率高的原則[10-11]，結合齒輪傳動設計的傳動機構，其傳動流程圖如圖2所示。汽油機將動力通過聯軸器、減速器傳送到動力輸出軸的末端的錐齒輪，錐齒輪帶動兩邊對置錐齒輪轉動，通過兩邊的對置錐齒輪將動力傳遞給傳動齒輪，通過上下傳動齒輪的嚙合，將動力遞給圓柱凸輪，圓柱凸輪軸上包含三個從動件，將圓柱凸輪的轉動轉化為中置往復運動刀片的平動，中置往復運動刀片的平動配合前置刀片，可將甜桿切斷，其次動力傳到凸輪圓柱時，可通過凸輪圓柱末端的圓錐齒輪，將動力傳遞給錐形齒輪使得曲柄臂做圓周運動從而帶動搖桿臂做往復運動，搖桿臂端部與后置往復鏟土板相連，傳遞往復力，使后置往復鏟土板快速在土里左右鏟動，通過左右快速鏟動和推動將埋在土里的根部和泥土進行翻倒。后置往復鏟土機構的刀片為弧形刀片，刀片頭部經過淬火和高溫處理，使其強度等性能提高，并設計為臺階式弧形，便于鏟土除根，刀片在高速的往復運動時配合機械向前推動作用，可以將從地里挖出的泥土受到泥土擋板的作用進行翻轉，并且將其從刀片上抖落，起到翻土除根作用。其中后置往復鏟土機構的設計為可拆卸式的，即可實現機器功能在多樣化和單一化之間轉變，方便機械的清理和維修。

圖2 傳動流程圖

2.2 汽油機的選型

汽油機在選型的時候應考慮到其動力性和經濟性，由于動力性和經濟性無法同時達到最優程度，因考慮到該機械所需動力不大，在滿足基本動力性的前提下，適當提高經濟性從而達到整機的最優[12]。因此在汽油機選型時盡可能的選用較輕汽油機，減輕整機負載從而減少無用功的損耗，達到降低燃油使用和排放的目的。本文選用風冷二沖程式汽油機，其參數如表2所示。

表2 汽油機參數

由表2可知，其有效功率P≈1.57 kW，而機械的輸出功率為：

由汽油機至輸送鏈的傳動總效率為：

式中：1為聯軸器傳動效率；2為傳動齒輪傳動效率；3為對心圓錐齒輪傳動效率；4為減速器傳動效率；5為傘齒輪傳動效率；6為軸承傳動效率。

其傳動系統圖如圖3所示，電動機到工作機之間傳動效率數值，如表3所示。

表3 電動機到工作機之間傳動效率

注：以上傳動效率根據《機械傳動效率表》所選取。表中所述聯軸器處在電動機輸出軸上

將數據代入式（2）中，求得≈0.89 r/min，將所求得的傳動總效率代入式（1）中，求得電機輸出功率P＝1.39 kW，在對甜桿的理化研究后，其輸出功率可滿足工作需求。

圖3 傳動系統圖

2.3 切割裝置

2.3.1 切割裝置的組成和工作過程

切割裝置由前置刀具組、中置往復運動刀具組、后置往復鏟土板裝置組成，其三維圖如圖4所示。前置刀片組固定在汽油機上，由一根承受力強的定軸伸縮連桿固定，為了能增加對前置刀片的固定和定位能力，本文在固定桿上方設計了兩根固定臂，固定臂通過桿對前置刀片進行加固。

中置往復運動刀片組的末端為汽油機的動力輸出軸，在動力輸出軸和圓柱凸輪之間通過斜齒輪、傳動齒輪，將汽油機傳出的動力傳遞到圓柱凸輪的主動件中，圓柱凸輪的主動件穿過傳動齒輪與中置錐形齒輪相連接，圓柱凸輪的主動件轉動時帶動從動件上端連有中置往復運動刀片進行往復運動。

后置往復鏟土板后部連有泥土擋板，泥土擋板下端是一個雙搖桿機構，其由兩個搖臂組成，后置往復鏟土板由后置伸縮連桿將其固定在汽油機上，前置刀片和后置往復鏟土板由伸縮連桿便于定位。前置刀片和后置往復鏟土板為可拆卸模塊單元，其末端有卡槽，與汽油機上的卡槽相匹配，從而做到安裝和拆卸的目的。

2.3.2 切割裝置部件設計

將前置刀片、中置往復運動刀片都設計為中空，刀片邊緣為弧形尖錐狀，在使刀片美觀、達到剛度要求的同時使得刀片盡可能的輕，減少無用功的輸出，而圓柱凸輪的轉動帶動中置往復運動刀片平動，配合前置刀片進行工作，通過對甜桿受力分析如圖5所示，前置刀片對甜桿的力1與中置往復運動刀片對甜桿的力2方向相反，擠壓甜桿，將甜桿切斷。刀具的主要參數如表4所示。

1.中置往復運動刀片2.伸縮桿3.傘齒輪4.圓錐齒輪5.傳動齒輪A 6.傳動齒輪B 7.聯軸器8.前置固定桿9.前置固定臂10.前置刀片11.后置固定桿12.搖臂A 13.后置往復鏟土板錐形齒輪14.搖臂B 15.后置固定臂16.后置往復鏟土板

后置往復鏟土機構的刀片為弧形刀片，刀片頭部經過淬火和高溫處理，使其強度等性能提高，并設計臺階式弧形，便于鏟土除根，刀片在高速的往復運動時配合機械向前推動作用，可將從地里挖出的泥土受到泥土擋板的作用進行翻轉，并將其從刀片上抖落，起到翻土除根作用，對單個單元進行受力分析如圖6所示。

表4前置刀片、中置往復運動刀片參數

長度/mm寬度/mm高度/mm數量/個材料工藝 前置刀片中置往復運動刀片 20026016057中碳鋼淬火加高溫回火

圖6 后置往復鏟土機構受力分析圖

圖中：為泥土自身的阻力，N；為泥土的重量，N；為擋板對泥土的作用力，N；1為鏟土板側面對泥土的作用力，N；2為鏟土板側面對泥土的作用力，N；3為擋板對泥土的推力，N。

2.4 液壓升降系統的設計

為了能夠使機器滿足其他需求如雜草、甘蔗等植物的切割和連根拔出等功能，利用液壓系統產生的沖擊較大的特點[13]，本文增加了液壓升降系統。機器扶手施加一個向下的力，力通過推桿作用在液壓系統的活塞上，利用帕斯卡原理將汽油機、切割裝置抬高，因此可根據不同高度的植物，對機器扶手施加不同的力，從而調整切割裝置高度達到最適切割高度，如果高度過高，可擰動回油閥門，通過回油閥門不同的開度，即可使得切割裝置下降回任意高度，其高度的可調范圍在15～90 cm之間。若進一步提高自動化程度可加裝植物高度識別裝置和自動調節裝置[14]。其高度調整示意圖如圖7所示。

圖7 高度調整示意圖

3 結論

本文利用傳動裝置將汽油機傳出的能量轉變成中置往復運動刀片組、后置往復鏟土板往復運動來切割甜桿，并結合液壓高度可調裝置來實現機器功能多樣化，合理的利用柴油機發出的功率。對甜桿切割機各機構進行參數分析，力求在達到工作效率高的前提下，使得各機構緊湊。甜桿切割機的實現將解決甜桿切割時人力消耗過大，切割的效率低，安全系數過低等問題，并且能夠進行翻土除根處理，為下次甜桿種植做準備，提高甜桿的經濟效益，促進甜桿產業的發展。

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The Design of Cutting Machine of Sweet Sorghum Based on Cylinder Cam Mechanism

CAI Kuanqi1，ZHOU Lin1，LIU Boyi2，ZHANG Yan1

( 1.Mechanical and Electrical Engineering College, Hainan University, Haikou 570228, China；2.College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

In order to solve the problem when the farmers cutting sweet rod due to manual labor leads to cutting consumption, low efficiency, low coefficient of safety problems, this paper based on the physical and chemical analysis of sweet lever, the blade cutting through research, dig roots taking process was designed based on a cylindrical Sweet lever cam mechanism of the cutting machine, the machine makes use of cylindrical cam reciprocating cutting blade lever sweet, use double rocker mechanism causes the rear shovel dig means take root, and the design of the hydraulic system to adjust the cutting height. The machine improves the safety and efficiency of cutting sweet bar, can provide technical reference for the sweet bar cutting machine designed for cutting rod promote sweet industry is important.

cylindrical cam；sweet sorghum；cutting machine；hydraulic pressure system

S22

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.011

1006－0316 (2018) 01－0050－06

2017－05－10

海南省自然科學基金面上項目（617048）；大學生創新創業訓練項目（201610589002、201610589022、201610589003、201610589065）

蔡寬麒（1996－），男，福建三明人，本科，主要研究方向為農業機械設計。