电动蔗叶还田机刀辊部件的创新设计.pdf
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1、第 61 卷 第 9 期Vol.61 No.92023 年 9 月September 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言甘蔗是我国重要的经济作物,据国家统计局统计,2020 年全国甘蔗播种面积达到 1 390.73 khm2,产量 10 812.1 万 t。甘蔗叶作为甘蔗收获的田间废弃物,资源丰富,综合利用极具潜力,但目前开发利用程度低,利用形式简单,基本为田间焚烧1。2005 年,华南农业大学开发了一种遥控蔗叶还田机,结构如图 1 所示。该机采用遥控方式控制运行,用柔性刀高速旋转切割蔗叶,实现蔗叶还田,具有切
2、断效果较好、结构简单、功耗小等特点。doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2022.09.005电动蔗叶还田机刀辊部件的创新设计唐艳芹,程思创,方俊鑫,王玉兴(510642 广东省 广州市 华南农业大学 工程学院)摘要 为解决单刀辊电动蔗叶还田机中蔗叶易缠绕、易产生自激风场吹跑蔗叶导致切断不完全等问题,对还田机刀辊部件包括结构、尺寸、材料等进行创新优化设计。新刀辊设计有套筒,通过增大刀辊直径减小蔗叶缠绕概率,通过 MATLAB 多目标规划方法对刀辊的主要设计尺寸进行了优化,利用 ANSYS Workbench 对新刀辊的高速旋转工作状态进行模态分析。分析结果表明,新刀辊在工
3、作状态下不会发生共振,能够满足农艺要求;在新刀辊的基础上创新提出了前、后双轴刀辊联动布置设计。新刀辊拥有刀具长度可调节、不易缠绕、使用灵活的特点;双刀辊联动设计中刀辊之间形成的自激风场相互抵消,同时能对蔗叶进行二次切割,有效减缓了蔗叶缠绕和切断不充分的问题,提升了还田机工作的可靠性和蔗叶还田的效率。关键词 还田机;缠绕;自激风场;刀辊;多目标规划;模态分析 中图分类号 S224.29 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)09-0021-05引用格式:唐艳芹,程思创,方俊鑫,等.电动蔗叶还田机刀辊部件的创新设计 J.农业装备与车辆工程,2023,61(9):21-25.Inn
4、ovative design of knife roller parts of electric cane bladeTANG Yanqin,CHENG Sichuang,FANG Junxin,WANG Yuxing(College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,Guangdong,China)Abstract In order to solve the entanglement problems of the electric sugarcane leaves,and incomple
5、te cutting off of a single knife roller returning machine,an innovative optimization design for the knife roller parts of the field returning machine was carried out,including the structure,size and material.The new knife roller was designed with sleeve,reducing the probability of sugarcane leaf win
6、ding by increasing the diameter of the knife roller,and the MATLAB multi-objective planning method was used to optimize the main design size,and analyze the high-speed rotation state of the new knife roller by ANSYS Workbench.The results showed that the new knife roller did not resonate in working c
7、ondition and could meet the agronomic requirements.The linkage layout design was proposed based on the new knife roller.The new roller had adjustable tool length,less winding and flexible use;in the linkage design,the self-exciting wind field formed between the rollers canceled out each other,which
8、effectively reduced the problem of leaves winding and insufficient cutting,and improved the reliability of the returning machine and the efficiency of the sugarcane leaves returning to the field.Key words return machine;winding;self-exciting wind field;knife roller;multi-objective planning;modal ana
9、lysis基金项目:广东省自然科学基金项目(2021A1515010649)收稿日期:2022-07-301.机架 2.蓄电池 3.汽油机 4.驱动前轮5A,5B,5C.遥控单元 6.驱动电机 7.皮带传动部分8.离合变幅机构 9.柔性刀总成 10.万向后轮图 1 遥控蔗叶柔性切断还田机Fig.1 Remote control sugarcane leaf flexible cutting and returning machine1 5C 2 3 5A 5B410 9 8 7 622农业装备与车辆工程 2023 年该设计的不足:(1)刀辊较细,切割过程中蔗叶容易缠绕刀辊,影响切割;(2)采用
10、单刀辊切断还田,会形成自激风场,把蔗叶吹跑,对蔗叶的切割也不充分;(3)高速旋转下刀辊易发生振动。本文就刀辊部件进行创新设计,提出了解决方案。1 刀辊部件的结构设计郑侃等2梳理了旋耕机刀辊缠绕的危害。对蔗叶还田机而言,“柔性刀”的切割力依赖刀辊的高速旋转,而蔗叶缠绕增加了刀辊工作阻力,大大减小其转速,影响蔗叶还田机作业。为防止蔗叶缠绕,提出如下解决方案:(1)采用双轴刀辊联动设计。王子健等3在履带式双轴除草机中采用前轴除草与后轴防缠绕同步作业方式避免杂草缠绕。本文以该思路为基础,采用结构相同的双刀辊前后排布联合作业,前轴刀辊进行切割作业,后轴刀辊在二次切割的同时也能进行防缠作业。“柔性刀”的旋
11、转容易产生自激风场,吹走蔗叶,采用双轴刀辊联动设计,后轴刀辊旋转产生的自激风场能有效抵消前轴刀辊的自激风场。(2)增加刀辊直径,使切断的蔗叶难以缠绕刀辊一周,从而实现蔗叶的防缠绕。根据达朗贝尔原理建立空间坐标系,求解绕定轴转动刚体中,穿过重心的惯性主轴称为中心惯性主轴。因此,不产生轴承约束力的条件是刚体的旋转轴是刚体的中心惯性主轴。根据动平衡和静平衡原理,刀辊的稳定性取决于刀辊上质心是否在旋转轴上。因此,对称性是刀辊设计的关键部分。柔性刀刀辊结构如图 2 所示,包括切割组件、转动轴、动力输入组件和动力输出组件。切割组件的数量设置为一对,且对称分布于转动轴中线的两侧。一个切割组件包括柔性刀 1
12、和刀盘 2,柔性刀通过刀盘固定于转动轴 3 上,动力输入组件和动力输出组件分别设于转动轴的两端。转动轴与动力输入组件连接的一端为动力输入端,转动轴与动力输出组件连接的一端为动力输出端。转动轴上,刀盘2的安装处设有定轴套4和动轴套5,定轴套和动轴套分别位于刀盘两侧,定轴套、刀盘和动轴套之间通过螺钉6固定连接。为保证刀具工作状态稳定,各刀盘的定轴套、动轴套结构、固定定轴套、刀盘和动轴套的螺钉数量相同并均匀分布。动力输入组件包括输入带轮 7 和输入带 8,输入带轮通过锥销 9 固定于转动轴的动力输入端,输入带轮通过输入带外接动力输入机构,其中输入带为三角带。动力输出组件包括输出带轮 10 和输出带
13、11,输出带轮通过锥销 9 固定于转动轴的动力输出端,输出带轮通过输出带外接动力输出机构,其中输出带为圆皮带。转动轴外周还设有套筒 12。柔性刀缠绕于刀盘内部,柔性刀两端从阵列孔伸出,根据实际需要其长度可调;转动轴采用空心钢管,质量轻,有足够的刚度,且使用便捷,针对蔗叶还田机的轻便、小动力角度而设计,综合考虑材料的经济性和综合力学性能,使用 304 钢4。2 双刀辊设计及其尺寸的确定从郑勇等5研究得出鲜蔗叶的力学性能明显强于干蔗叶,这是由于蔗叶自身存在着柔韧的纤维组织,在切割过程中能为自身起到一定的减震缓冲作用,使其不容易被切断6。若采用单刀辊方案,会由于自激风场的原因将蔗叶吹跑或吹向空中,此
14、时蔗叶由于缺少了地面给予的反作用力,自身变形大大削弱柔性刀的切割力,导致切割不充分甚至未形成有效切割。针对上述问题,此处采用的双刀辊设计方案,同时将底盘更换为履带底盘,配合双刀辊方案使用。橡胶履带摩擦驱动式行走机构具有较好的越障能力,在软地质环境、复杂地形具有较高的实用性7。履带不仅接地比压低,可以保护土壤,而且地形的适应性强,同时也能够压实蔗叶进行切割,在还田机行进途中,履带压住蔗叶两头防止被吹飞,达到更好的切割效果。柔性刀蔗叶还田双刀辊传动图如图 3 所示,包括机架 1、第 1 柔性刀辊 2、第 2 柔性刀辊 3 和驱动电机 4。第 1 柔性刀辊和第 2 柔性刀辊并列设于机架上,第 1 柔
15、性刀辊一端通过动力输入组件与驱动电机连接,另一端通过动力输出组件与第 2 柔性1.柔性 2.刀盘 3.转动轴 4.定轴套 5.动轴套 6.螺钉 7.输入带轮 8.输入带 9.锥销 10.输出带轮 11.输出带 12.套筒图 2 刀辊结构图Fig.2 Structure diagram of knife roller23第 61 卷第 9 期刀辊连接,驱动电机固定于机架上;按照蔗叶还田机的前进方向,第 1 柔性刀辊和第 2 柔性刀辊呈前后设置,双刀辊同时使用:一方面,蔗叶还田机工作时,位于前方的柔性刀辊先对蔗叶作用,有一定的切断效果,位于后方的柔性刀辊再作用,起到完全切断蔗叶的效果,实现蔗叶充分
16、切断,达到农艺要求;另一方面,单个刀辊的高速旋转会形成一定的自激风场,吹走蔗叶,影响切断效果,双刀辊的相反回转,各自产生的自激风场互补,使其得到改善,有利于蔗叶的切断还田。刀辊的结构尺寸设计需要考虑如下几个方面:(1)刀辊需满足抗扭强度校核和抗弯强度校核;(2)实际工作时刀辊应避开共振;(3)为节本降耗,刀辊质量尽量小。建立相应的目标函数及其变量,借助 MATLAB中多目标规划方法8对上述条件模型编程优化,求得最优解。具体操作过程如下:(1)目标函数的确定。根据蔗叶的实际长度,刀辊的长度设置为 800 mm。由于刀辊的密度与长度一定,故刀辊质量取决于刀辊截面积,可建立目标函数式(,)()F x
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