割草調(diào)制機的調(diào)制機構(gòu)設(shè)計與試驗

高東明，王德成，郝麗穎，孫 婕，付作立

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083)

調(diào)制機構(gòu)是割草調(diào)制機最重要總成之一，其作業(yè)方式主要有壓扁輥式［1－2］和連枷式［3－4］，其零部件的參數(shù)設(shè)計歷來是割草調(diào)制機設(shè)計與集成的重點內(nèi)容之一.文獻［5－8］對傳動機構(gòu)和壓縮作業(yè)功耗進行了研究，文獻［9］對機具的調(diào)制部件及形式進行了研究.壓扁輥式調(diào)制機構(gòu)在設(shè)計和使用過程中存在以下困境:相互嚙合并高速旋轉(zhuǎn)的兩個壓扁輥在工作過程中遭遇堅硬異物通過時，須調(diào)節(jié)使異物通過［10］.如果采用較靈活的自動調(diào)節(jié)機構(gòu)勢必增加傳動機構(gòu)與作業(yè)之間的同步難度并降低壓扁輥的動態(tài)穩(wěn)定性;如果壓扁輥為非實時調(diào)節(jié)型，則會降低兩壓扁輥之間異物的通過性，導(dǎo)致壓扁輥產(chǎn)生撓曲，并會大大縮短壓扁輥的壽命.

為解決上述問題，文中設(shè)計一種支持調(diào)制機構(gòu)實時調(diào)節(jié)的新型調(diào)制機構(gòu).其特征表現(xiàn):①在傳動部分設(shè)置行星輪系;②行星架與行星輪軸之間通過帶偏心套的去外球面軸承座裝配;③采用彈性阻尼復(fù)位元件配合作用于壓扁輥軸，確保機構(gòu)在受到擾動的情況下能快速恢復(fù)穩(wěn)定.通過分析機構(gòu)的工作機理及作業(yè)要求，對關(guān)鍵部件進行設(shè)計，并對樣機進行性能試驗.

1 調(diào)制機構(gòu)組成及工作原理

1.1 機構(gòu)的組成

文中所采用的機構(gòu)包括:傳動機構(gòu)、壓扁輥組合、自動調(diào)節(jié)裝置［11］.其中傳動機構(gòu)包括:在變速箱的動力輸出軸上安裝有驅(qū)動齒輪，中心輪垂直安裝在機架上并由齒輪和同步帶輪(鏈輪)固連組成.下壓扁輥齒輪安裝在下壓扁輥軸上，下壓扁輥齒輪與中心輪上的齒輪嚙合.上壓扁輥的軸通過調(diào)心球軸承與行星架配合安裝.自動調(diào)節(jié)裝置的連桿中部安裝在側(cè)板內(nèi)側(cè)的介輪軸上并可繞介輪軸旋轉(zhuǎn)，自動調(diào)節(jié)裝置上設(shè)有若干彈性阻尼元件，其一端連接自動調(diào)節(jié)裝置而另一端連接機具的機架.

1.2 工作原理

當(dāng)割草調(diào)制機工作時，拖拉機提供的動力傳給變速箱，經(jīng)變速箱進行90°換向后，由變速箱的動力輸出軸帶動驅(qū)動齒輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動齒輪帶動與其嚙合的介齒輪轉(zhuǎn)動，介齒輪帶動與其固連同軸的同步帶輪逆時針轉(zhuǎn)動.介齒輪與下壓輥齒輪嚙合，驅(qū)動下壓輥軸順時針轉(zhuǎn)動，與介齒輪同軸固連的同步帶輪通過同步帶帶動上壓輥軸上的同步帶輪和上壓輥軸逆時針轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)兩壓扁輥嚙合作業(yè).

如圖1所示，為了提高壓扁輥的抓取能力和其對牧草的折彎壓扁程度，壓扁輥表面設(shè)計有凸紋;為了改進牧草沿壓扁輥的分布情況并使得調(diào)制后的牧草能夠攏集成較窄的草條，壓扁輥的凸紋設(shè)計為兩軸端向中間傾斜排列的人字形凸紋.

在作業(yè)過程中，當(dāng)上壓扁輥和下壓扁輥間有異物通過時，上壓扁輥在異物的作用下向上運動實現(xiàn)與下壓輥的分離，當(dāng)異物通過后，上壓輥在自動調(diào)節(jié)裝置中氣彈簧的調(diào)節(jié)下回轉(zhuǎn)到正常工作位置，實現(xiàn)調(diào)制過程中的遇險自動調(diào)節(jié).由于上壓扁輥在自動調(diào)節(jié)過程中仍是保持以介輪軸為中心轉(zhuǎn)動，所以其回到正常位置后，相位不變，兩個壓扁輥仍能恢復(fù)到正常嚙合狀態(tài).

圖1 割草調(diào)制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 關(guān)鍵部件的分析與參數(shù)設(shè)計

2.1 幾何參數(shù)設(shè)計

為了解決牧草莖、葉干燥速度不一樣的問題，國外對調(diào)制部件的選擇進行了比較深入的研究.相關(guān)研究結(jié)果表明，兩個相向旋轉(zhuǎn)的圓筒形膠輥作為調(diào)制部件［12－14］具有作業(yè)效果好、花葉損失少和很好的耐磨性等優(yōu)點.文獻［15－16］研究表明，調(diào)制部件的幾何花紋形狀對牧草的調(diào)制效果也有較大影響.文獻［17］對苜蓿調(diào)制輥的壓力、干燥速率、收獲損失及干物質(zhì)含量之間關(guān)系研究表明，在每厘米寬度上兩個調(diào)制輥對苜蓿的壓力為120～157 N時綜合作業(yè)效果最好.文獻［18］對兩圓柱形輥間物料進行了壓縮研究.本文假設(shè)牧草喂入調(diào)制部件時厚度均勻，并建立了帶人字形凸紋的圓筒形膠輥對牧草的壓扁模型.模型中圓筒中心線的法向截面圖如圖2所示.

圖2 壓扁模型中壓扁輥的法向截面圖

模型中膠輥對牧草的作用力分解為沿膠輥表面切線方向的切向力Ft和過膠輥軸心且與切向力垂直的法向力Fr.假設(shè)牧草進入膠輥時勻速，且忽略牧草的質(zhì)量，膠輥受到的合力為

根據(jù)式(1)由力的合成定理可得

假設(shè)膠輥與牧草之間的摩擦系數(shù)為μ，則

需要指出的是，在牧草在被壓縮過程中，由于容積密度發(fā)生變化，而且牧草被壓縮時內(nèi)部部分水分被擠出包圍在莖稈周圍，導(dǎo)致μ的大小隨著角度θ的變化產(chǎn)生微小的變化.求出切向力Ft后乘以膠輥半徑即可得到壓扁扭矩，壓扁扭矩乘以膠輥轉(zhuǎn)速即可得到壓扁所需的功率.依據(jù)機具作業(yè)要求及三角函數(shù)關(guān)系，牧草在接觸膠輥時的理想狀態(tài)是在摩擦力作用下瞬間即被喂入兩膠輥之間，要求Frtan θ≤μFr即tan θ≤μ，反之則會出現(xiàn)滑動摩擦導(dǎo)致牧草在膠輥表面滑動而無法喂入，最終出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象.并由三角函數(shù)關(guān)系可得到

牧草被壓扁前的喂入厚度為D，壓扁后的厚度為d，膠輥的中徑為R，齒頂圓半徑為Ra，齒根圓半徑為 Rf.

依據(jù)圖2中的幾何關(guān)系可得

且由圖形可知)

假設(shè)牧草在壓縮過程中的壓縮比為C，則

將式(7)代入式(8)可得

將式(4)代入式(9)可得

由式(10)可知，當(dāng)摩擦系數(shù)一定且壓縮比給定后，牧草的喂入厚度與膠輥直徑成正比，依據(jù)文獻［19－20］研究所得苜蓿與不同材料間摩擦系數(shù)結(jié)論，即可得到

為了使牧草得到較均勻的折彎壓扁程度，并保證凸紋之間不發(fā)生靜態(tài)干涉，要求

由于膠輥表面的凸紋對稱分布，可取90°的∠AO2G作為研究對象.其中∠BO2E=∠GO2E=3°，∠AO2B=α，∠EO2F=β.代入式(11)可得

由圖2可知α，β存在以下關(guān)系:

依據(jù)公式(10)及文獻［21］研究結(jié)果，選Ra=220 mm，R=200 mm，可得 Rf=160 mm.聯(lián)立方程(5)，(12)，(13)即可求出 α，β.由于機具作業(yè)過程中壓扁輥之間的間隙d會隨著作業(yè)速度或苜蓿長勢不同進行調(diào)整，文中依據(jù)d的取值范圍(1.5～4.0 mm)設(shè)定了2組 α，β 值:① α =39°，β=45°;② α =36°，β =48°.

2.2 調(diào)制機構(gòu)的傳動系統(tǒng)分析

調(diào)制機構(gòu)的傳動機構(gòu)設(shè)計如圖3所示.

圖3 調(diào)制機構(gòu)的傳動原理圖

整機的動力首先傳至中心輪K，再由中心輪K輸入至2個壓扁輥和其他機構(gòu).上壓扁輥的軸端安裝有行星輪J，行星輪與中心輪通過鏈輪或同步帶等實現(xiàn)同向傳動.行星架L為“L”形結(jié)構(gòu)，其一端通過可調(diào)心球軸承與上壓扁輥配合安裝，另一端連接彈性阻尼裝置，中部與中心輪同軸安裝，并能繞其轉(zhuǎn)動.由上述部件組成的行星輪系使得處在行星輪位置的上壓扁輥自由度為2，既能自轉(zhuǎn)，又可公轉(zhuǎn).在正常作業(yè)時，動力被均勻分配至上壓扁輥、下壓扁輥、割臺輪系和撥禾器輪系，此時上壓扁輥只有自轉(zhuǎn).如遇到障礙時，上壓扁輥通過繞中心輪順時針公轉(zhuǎn)，使障礙物通過，此時大部分的扭矩會傳遞到割臺輪系和撥禾器輪系.

依據(jù)設(shè)計要求，當(dāng)上壓扁輥和下壓扁輥間有異物通過時，上壓扁輥可向上運動實現(xiàn)與下壓輥的分離，當(dāng)異物通過后，上壓扁輥能自動回轉(zhuǎn)至正常工作位置，保證兩個壓扁輥仍能恢復(fù)到正常嚙合狀態(tài).實現(xiàn)此過程的自動調(diào)節(jié)，要求傳動機構(gòu)與作業(yè)部件保持相位同步.因此需要對行星架及行星輪角速度范圍進行分析.

假設(shè)下壓扁輥的角速度為ωM，中心輪的角速度為ωK，且它們之間的傳動比為

假設(shè)上壓扁輥在正常作業(yè)時行星輪的自轉(zhuǎn)角速度為 ωJ，此時

當(dāng)上壓扁輥遇到障礙而迫使行星架繞O3公轉(zhuǎn)時，假設(shè)行星架角速度為ωL，行星輪的絕對角速度為ω'J，此時的傳動過程可分解為行星輪繞兩個平行軸轉(zhuǎn)動的合成，現(xiàn)將動參考系固定在行星架上，則行星架繞中心輪軸的角速度ωL為牽連角速度，行星輪相對于行星架繞O4轉(zhuǎn)動的角速度ωJ為相對角速度.按照點的運動合成公式，行星輪上任意一點M的速度

其中:牽連速度的大小ve=O3M·ωL，相對速度的大小vr=O4M·ωJ.在每一瞬時，在O3O4的連線上總可以找到一點C為瞬時速度中心，即在點C，ve=vr，聯(lián)立方程(16)可得

行星輪的絕對角速度為

聯(lián)立式(17)，(18)，并考慮角速度的轉(zhuǎn)動方向，可得

上壓扁輥的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)同時發(fā)生時，下壓扁輥的角速度 ωM=ωJ，而上壓扁輥的角速度變化為ω'J=|ωJ－ωL|，為了保證表面2個壓扁輥的凸紋不發(fā)生干涉碰撞，即要求行星架以ωL的角速度帶動上壓扁輥在時間T內(nèi)與下壓扁輥完全分離.即滿足以下方程:

根據(jù)作業(yè)的工藝要求設(shè)定行星輪的自轉(zhuǎn)角速度為 ωJ=800 rad·min－1，依據(jù)2.1 節(jié)得出的 Ra，Rf值及d的取值范圍，聯(lián)立方程(19)，(20)即可求得滿足正常作業(yè)要求下的ωL值.

依據(jù)上述方程求得傳動部分行星輪系的結(jié)構(gòu)參數(shù)及壓扁輥上凸紋的幾何尺寸，即可保證傳動部件與作業(yè)的壓扁部件相位同步.此外，行星架與行星輪軸之間通過帶偏心套的外球面軸承座裝配.在裝配過程中，不允許軸相對于外殼有傾斜，以免在徑向負荷的作用下會產(chǎn)生附加軸向力.軸承軸向游隙的大小與軸承能否正常工作有很大關(guān)系，當(dāng)軸向游隙過小時，溫升較高;軸向游隙較大時，軸承容易損壞.故在安裝和運轉(zhuǎn)時要特別注意調(diào)整軸承的軸向游隙.

3 性能試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗條件

試驗取第1茬和第2茬現(xiàn)蕾期苜蓿為試驗對象，試驗苜蓿品種為“中苜一號”，在選定的試驗區(qū)內(nèi)，用取樣框沿對角線方向分別取5個樣點［22－23］，按要求的割茬高度將5個取樣點上的苜蓿全部割下后將植株頂端修剪整齊，使得試驗對象的長度一致.

3.2 影響壓扁效果的因素及評價指標(biāo)

為試驗調(diào)制部件在不同幾何參數(shù)下對壓扁效果的影響，以“苜蓿上被壓扁的長度與植株長度之比”為試驗指標(biāo).由2.1節(jié)結(jié)論可知苜蓿在被壓扁前后的厚度比決定了牧草的壓裂程度、喂入量和機構(gòu)工作所需功率;α，β值決定了壓扁輥的凹凸面積比，并由此影響到苜蓿上被壓扁的長度及折彎壓扁的均勻程度;由于苜蓿長勢或倒伏原因，導(dǎo)致苜蓿在進入壓扁輥時植株喂入方式的差異也會影響作業(yè)效果.因此，試驗以壓扁輥凹凸面積比(A)、壓縮比(B)和喂入方式(C)為試驗因素進行試驗.

依據(jù)2.1節(jié)對調(diào)制部件的作業(yè)效果的分析結(jié)果并參考文獻［22］的檢測方法，對安裝了該調(diào)制機構(gòu)的割草調(diào)制機進行性能試驗.對試驗因素及評價指標(biāo)進行如下定義:

1)被測對象在被壓扁前后的厚度比為壓縮比.在試驗過程中，通過改變壓扁輥之間的間隙和喂入厚度得到不同的壓縮比.苜蓿在壓扁過程中的壓縮比C的測定，按式

計算，式中:H為牧草被壓扁前測定的喂入厚度;h為兩個壓扁輥之間的間隙.計算結(jié)果記入表1.

表1 試驗因素水平表

2)壓扁輥凹凸面積比Z的測定按式

計算，式中:Z1為壓扁輥表面凸紋的面積;Z2為壓扁輥表面凹紋的面積.計算結(jié)果記入表1.

3)單位數(shù)量的試驗苜蓿中，每根苜蓿上被壓扁的長度與植株長度之比為單株壓扁比例.一定數(shù)量的單株壓扁比例平均值為植株平均壓扁比例.測定方法按式

計算，式中:yi為第i根苜蓿上被壓扁的長度;L為單根試驗苜蓿的長度.計算結(jié)果記入表2.

表2 試驗結(jié)果

試驗過程中的喂入方式分為3個水平:① 垂直喂入，將試驗草條鋪成薄層并保持植株與壓扁輥軸線方向相垂直，保持此放置方式將草條喂入壓扁輥;②橫向喂入，將試驗草條鋪成薄層并放置成與壓扁輥軸線方向相平行，保持此放置方式將草條喂入壓扁輥;③交錯喂入，將試驗草條鋪成若干層并將各層分別放置成與壓扁輥軸線方向垂直和平行的方向，保持此放置方式將草條喂入壓扁輥.割草壓扁機壓扁裝置參數(shù)優(yōu)選試驗的試驗因素與水平如表1所示.

3.3 試驗結(jié)果及分析

試驗結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明，在考慮不同的喂入方式對壓扁比例產(chǎn)生的影響時，還應(yīng)將壓縮比對喂入方式的影響考慮在內(nèi).當(dāng)壓縮比在0.471時，喂入方式產(chǎn)生的影響較為顯著，此時交錯喂入的壓扁效果最好，垂直喂入次之，但壓扁比例水平整體不高;當(dāng)壓縮比達到0.314時，3種喂入方式的平均壓扁比例值都有所升高，且不同的喂入方式產(chǎn)生的影響也趨于不明顯.由于在機具采用往復(fù)式割臺時可產(chǎn)生較好的垂直喂入，因此該機構(gòu)也較適用于往復(fù)式割草壓扁機.

從壓扁輥凹凸面積比變化引起的壓扁比例變化大小可以看出其對壓扁效果產(chǎn)生的影響是最為顯著.當(dāng) α=39°，β=45°即壓扁輥凹凸面積比 Z=0.722時，所得作業(yè)效果最好.但對于木質(zhì)化程度較高的苜蓿容易出現(xiàn)折斷現(xiàn)象.

在本試驗所考察的因素中，對壓扁比例的影響主次因素為壓扁輥凹凸面積比、壓縮比、喂入方式.由表2可以得到最優(yōu)的因素水平組合為A2B2C3，即采用壓扁輥凹凸面積比ZB=0.722，壓縮比為0.314和交錯喂入時能獲得最佳的壓扁比例值.

4 結(jié)論

1)設(shè)計了一種支持實時調(diào)節(jié)的新型割草調(diào)制機構(gòu).其采用行星輪系、彈性阻尼復(fù)位元件和帶偏心套的的外球面軸承座裝配.

2)試驗結(jié)果表明:采用凹凸紋嚙合間隙較小的壓扁輥，較大的壓縮比和交錯喂入時能獲得最佳的平均壓扁比例.

3)在其他因素不變的情況下，若苜蓿以交錯喂入的方式通過壓扁輥會導(dǎo)致壓扁率降低，因此該機構(gòu)也較適用于往復(fù)式割草壓扁機.

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