花生植株雙圓盤刀切割裝置的研制與分析

蘇 鑫,王東偉,何曉寧,張 寧,李英春,常增村

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

花生是我國重要的經濟作物和油料作物,種植面積和產量均居世界前列[1]。據統計,目前我國花生常年種植面積已達472.7萬hm2,花生秧蔓目前的年保有量達到3 500萬t左右,還將不斷地增長。但是,目前我國花生收獲機械大部分僅能完成對花生果的收獲,花生秧蔓因為夾帶殘膜泥土等雜質無法有效收集利用,造成了大量的浪費。花生秧蔓是優質的動物飼料,其有效收集利用將對我國畜牧業產生積極的影響。為此,針對目前花生秧蔓存在嚴重浪費的現象研制出花生植株雙圓盤刀切割裝置,將花生秧蔓和根盤進行切割分離,得到不夾帶殘膜的花生秧蔓和合理留茬高度的花生根盤,為以后秧果兼收型花生聯合收獲機的研制提供結構基礎。

1 總體方案的確定

花生植株雙圓盤刀切割裝置主要由液壓馬達、主動鏈輪、從動鏈輪、圓盤刀軸、圓盤刀套筒、固定法蘭及圓盤刀片組成,如圖1所示。工作原理為:液壓馬達在液壓油的作用下轉動并帶動主動鏈輪轉動,主動鏈輪通過傳動鏈條帶動從動鏈輪轉動,從動鏈輪帶動圓盤刀軸轉動,從而在圓盤刀軸的帶動下兩片圓盤刀反向轉動,對花生植株進行切割分離,完成整道工序。

2 圓盤刀的設計

圓盤刀片是花生植株雙圓盤刀切割裝置最重要的組成成部分,其性能好壞將直接影響工作效果,因此對圓盤刀片的材質、直徑、厚度、兩片刀片的重疊距離及最佳轉速范圍進行設計與分析。

雙圓盤刀切割裝置是為以后秧果兼收型花生聯合收獲機提供結構基礎,最終將加在秧果兼收聯合收獲機上,對來自夾持輸送裝置的花生植株進行切割分離,不存在秧蔓倒伏的現象只需要良好的完成分離切割即可。

通過對花生植株雙圓盤刀切割裝置的分析,根據花生植株的物理特性及切割要求,設計圓盤刀片的材質為鎢系高速鋼W18CR4V,直徑為250mm,厚度為10mm,邊緣設計成鋸齒形。圓盤刀實物圖如圖2所示。

圖2 圓盤刀片實物圖

2.1 圓盤刀運動軌跡分析

圓盤刀的運動由圓盤刀片自身的轉動和機器的前進速度合成,運動軌跡為余擺線[2-4],如圖3所示。

圖3 圓盤刀運動軌跡圖

設機器前進速度方向為x軸,垂直向上方向為y軸,建立坐標系如圖3所示。圓盤刀片轉動角速度為ω,則外端點a的位移方程為

Xa=Vmt+rsinωt

(1)

Ya=rcosωt

(2)

式中Vm—機器前進速度;

r—圓盤刀片半徑;

ω—圓盤刀片轉動角速度;

t—圓盤刀片轉動時間。

2.2 圓盤刀轉速與重疊距離的確定

2.2.1 根據圓盤刀切割速度確定圓盤刀片轉速

圓盤刀片外端點速度分析圖如圖4所示。通過圓盤刀的切割速度來確定圓盤刀片的轉速,查閱資料并結合實際情況,可知圓盤刀的切割速度要求至少為5m/s。因此,設定圓盤刀片外端點切割速度為5m/s[5-8],根據圓盤刀片外端點速度分析圖計算得到圓盤刀片轉速。

圖4 圓盤刀片外端點速度分析圖

通過速度分析圖可知

(3)

化簡公式(3)得

(4)

由式(4)可知:當wt=π+2kπ(k=0,1,2,3,…n)時,Va最小,即

Vamin=Vb-Vm

(5)

又因為

Vb=rω

(6)

聯立公式(5)、(6)得

Vamin=rω-Vm

(7)

化簡公式(7)得

(8)

轉速與角速度之間換算公式為

ω=2πn

(9)

化簡公式(9)得

(10)

式中Vm—機器前進速度,按照實際情況確定Vm=0.45m/s;

r—圓盤刀片半徑,r=125mm;

ω—圓盤刀片轉動角速度;

t—圓盤刀片轉動時間;

Vb—圓盤刀自轉速度;

n—圓盤刀片轉速;

Vamin—圓盤刀最低切割速度,Vamin=5m/s。

通過對圓盤刀片轉速的研究得到圓盤刀片的最低切割轉速在417r/min左右,本文設計轉速范圍為410～460r/min。

2.2.2 根據喂入量確定圓盤刀片重疊距離

查閱資料并根據實際測量知,目前市面上多壟多行花生聯合收獲機的花生植株夾持輸送速度為450mm/s。以三壟六行聯合收獲為例,花生的種植模式如圖5所示。圖5中,A為壟底寬,B為窄行距,C為壟頂寬,D為寬行距,E為溝寬,F為壟高。

圖5 壟作花生種植模式

花生種植模式為一壟兩行種植,株距大約為15cm[9-10],因此此三壟六行喂入量大約為18株/s,喂入量較大。為保證花生植株喂入時接觸圓盤刀片時間足夠并且能夠完全切割,設計圓盤刀重疊距離為20mm。

3 圓盤刀模態分析

模態分析用于確定設計中的結構或機器部件的振動特性固有頻率和振型[11],在進行結構或機器部件設計時應使其固有頻率避開外界激振力的頻率,避免發生共振現象。每一階固有頻率都有其固定振型,從振型中可以得知在該固有頻率下結構或機器部件產生變形的形式。圓盤刀材質為鎢系高速鋼W18CR4V,利用Ansys分析軟件對圓盤刀片進行模態分析,網格劃分圖及前6階振型圖如圖6所示。

圖6 網格劃分以及圓盤刀模態分析圖

由前6階圓盤刀片振型圖可知固有頻率分別為:1階1 156.5Hz,2階1 156.8Hz,3階1 188.4Hz,4階1 213.8Hz,5階1 497.9Hz,6階2 190.4Hz。經計算測定圓盤刀片的振動頻率大約在80Hz左右,經查閱資料顯示一般聯合收獲機的振動頻率在142Hz左右,遠遠低于圓盤刀片的固有頻率,不會產生共振現象。從圓盤刀變形上看,圓盤刀片變形非常小,且圓盤刀片工作時很難達到前幾階振型所需的振動頻率,圓盤刀片剛度遠遠大于花生秧蔓。綜上分析,圓盤刀片強度滿足工作要求。

4 試驗及結果

對花生植株雙圓盤刀切割裝置進行試驗,將裝置安裝在夾持輸送試驗臺上,對來自夾持輸送裝置的花生植株進行切割分離。

本裝置及試驗臺是與山東源泉機械有限公司聯合研制,試驗地點在山東源泉機械有限公司廠房內,用于試驗的花生品種為海花1號。花生取自沂水縣四十里鋪花生試驗田,種植模式為壟作,植株平均高度為380mm。采用人工喂入模擬實際的喂入方式,通過控制液壓馬達速度模擬所設計最佳轉速,觀察試驗效果。試驗所拔取花生植株如圖7所示,試驗結果如圖8所示。

圖7 所拔取的花生植株

圖8 試驗結果

測量并記錄切割后80株花生根盤的留茬高度(留茬高度不少于55mm的情況下可以滿足條件),如表1所示。

表1 花生根盤留茬高度統計

通過對80株花生植株留茬高度測量可知:留茬高度大部分均高于55mm且集中分布在56～65mm之間,滿足留茬高度大于等于55mm的要求。通過試驗結果可以看出:在設定材料及轉速的情況下,試驗效果良好,花生根盤留茬高度合理,既保證了花生秧蔓不夾帶殘膜泥土等雜質,又避免了對花生果造成損傷,工作性能良好。

5 結論

1)通過對花生植株雙圓盤刀切割裝置的研究得知:圓盤刀片的材質為鎢系高速鋼W18CR4V,直徑為250mm,厚度為10mm,邊緣為鋸齒形,轉速范圍為410～460r/min,圓盤刀重疊距離為20mm。

2)利用Ansys分析軟件對圓盤刀進行模態分析表明:圓盤刀固有頻率遠遠大于圓盤刀工作過程中的激振頻率,避免了共振損傷出現,滿足強度要求。

3)花生植株經切割分離后既能得到不摻殘膜、泥土等雜質的花生秧蔓,又能得到具有合理留茬高度的花生根盤,避免了對花生的損傷。