搖桿滑塊機(jī)構(gòu)及其在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用研究

李獻(xiàn)奇+劉維維+高連興

摘要：機(jī)械部件的位置調(diào)節(jié)可以通過搖桿滑塊機(jī)構(gòu)來進(jìn)行控制。針對機(jī)械原理教材與著作中對搖桿滑塊機(jī)構(gòu)介紹不足的現(xiàn)狀，闡述搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的定義、分類及特性，并分析其在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的相關(guān)應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；搖桿滑塊機(jī)構(gòu)；分類；特性；應(yīng)用

中圖分類號：S220.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0020-03

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有3種基本類型，即曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)?；瑝K機(jī)構(gòu)是由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化得來的。通常，滑塊機(jī)構(gòu)按連架桿固定鉸鏈中心與滑塊導(dǎo)軌線的距離e是否等于0，分為對置滑塊機(jī)構(gòu)和偏置滑塊機(jī)構(gòu)；按連架桿是否作整周回轉(zhuǎn)，分為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。在現(xiàn)有的機(jī)械原理教科書及機(jī)構(gòu)學(xué)著作中，只對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，卻未劃分搖桿滑塊機(jī)構(gòu)類型及對其運動特性進(jìn)行討論；同時，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，關(guān)于搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用文獻(xiàn)尚不多見。因此，本文根據(jù)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的類型及其有關(guān)特性，分析其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的可利用性。

1 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的定義

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，連架桿AB的長度為lAB，連桿BC的長度為lBC，連架桿固定鉸鏈中心A與滑塊C的導(dǎo)軌線C1C2的距離為e，連架桿lAB不能作整周回轉(zhuǎn)，則此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)為不存在曲柄的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。

2 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的類型及其特性

設(shè)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的連架桿AB長度lAB與連桿BC長度lBC的比值為b，即lAB/lBC=b；連架桿固定鉸鏈中心A與滑塊C的導(dǎo)軌線C1C2的距離e與連架桿AB的長度lAB的比值為c，即e/lAB=c。那么，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)不存在曲柄的條件為：b+c>1；機(jī)構(gòu)能運動的條件為：c

2.1 對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)

當(dāng)e=0且b≥1時，連桿AB在轉(zhuǎn)角θ<180°的范圍內(nèi)擺動。此時，搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖1所示）。

對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)有主安裝和次安裝兩種形式：主安裝形式為滑塊C在連架桿AB外側(cè)移動；次安裝形式為滑塊C在連架桿AB內(nèi)側(cè)移動。

主安裝形式相對極限行程為：s主=（lAB+lBC-）。

次安裝形式相對極限行程為：s次=[-（lAB-lBC）]。

擺桿擺動極限角：θ=2arcsin。

極限最小傳動角：γmin=0°。

2.2 偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)

1） 當(dāng)e≠0且（c-b）<1<（c+b）時，連架桿AB在轉(zhuǎn)角θ<360°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。此時，搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為Ⅰ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖2所示）。

Ⅰ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的安裝形式為滑塊C在連架桿AB的外側(cè)移動，存在主行程和次行程兩種運動行程。

主行程為：s主=[+]。

次行程為：s次=[-]。

搖桿擺動極限角：θ=180°+2arcsin（）。

極限最小傳動角：γmin=0°。

2） 當(dāng)e≠0且1<（b-c）時，連架桿AB在轉(zhuǎn)角θ<180°的范圍內(nèi)擺動。此時，搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為Ⅱ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖3所示）。

Ⅱ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)有主安裝和次安裝兩種形式：主安裝形式為滑塊C在連架桿AB外側(cè)運動；次安裝形式為滑塊C在連架桿AB內(nèi)側(cè)運動。滑塊C在主安裝與次安裝形式中分別存在主行程和次行程兩種滑動行程。

主行程為：s主=[+]。

次行程為：s次=[--lBC]。

搖桿擺動極限角：θ=arcsin（）+

2arcsin（）。

極限最小傳動角：γmin=0°。

3 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

1） 在現(xiàn)代矮砧密植蘋果園種植中，一般需要通過果樹行間生草控制草體高度方式來調(diào)控果園微域生態(tài)環(huán)境，可以應(yīng)用搖桿滑塊機(jī)構(gòu)運動機(jī)理來控制果園割草機(jī)割茬高度，以滿足對草茬高度的不同需求。割茬高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2） 在農(nóng)業(yè)物料篩分機(jī)設(shè)計中也可應(yīng)用搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。將連桿BD作為篩體，可以實現(xiàn)物料在篩面上的前滑、后滑和拋起運動。前滑和后滑可以使不同篩分物之間分離抖松，提高生產(chǎn)效率；拋起可以防止振動篩的阻塞。平貝母等級篩分機(jī)構(gòu)如圖5所示。

3） 根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的相似性和差異性，可以將搖桿滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用于扎穴（播種）機(jī)械上。扎穴（播種）機(jī)構(gòu)如圖6所示。將構(gòu)件滑塊尖端自身運動和整個機(jī)構(gòu)水平前進(jìn)方向的運動進(jìn)行仿真，得到軌跡（如圖7所示）。

由圖7可見，只需選擇合理的轉(zhuǎn)速和機(jī)器的前進(jìn)速度，就可得到滿足生產(chǎn)需求的兩個相鄰扎穴（播種）距離。

4 結(jié)論

搖桿滑塊機(jī)構(gòu)作為滑塊機(jī)構(gòu)的一種類型，在輕工機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域大有應(yīng)用。本文基于搖桿滑塊機(jī)構(gòu)各個構(gòu)件的幾何關(guān)系介紹了搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的定義以及種類和相關(guān)特性，并針對搖桿滑塊機(jī)構(gòu)在割茬高度調(diào)節(jié)裝置、篩分機(jī)構(gòu)、扎穴和播種等農(nóng)業(yè)機(jī)械上的運用進(jìn)行了探討，可為相關(guān)機(jī)構(gòu)的組合設(shè)計提供思路，具有一定的借鑒價值。

摘要：機(jī)械部件的位置調(diào)節(jié)可以通過搖桿滑塊機(jī)構(gòu)來進(jìn)行控制。針對機(jī)械原理教材與著作中對搖桿滑塊機(jī)構(gòu)介紹不足的現(xiàn)狀，闡述搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的定義、分類及特性，并分析其在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的相關(guān)應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；搖桿滑塊機(jī)構(gòu)；分類；特性；應(yīng)用

中圖分類號：S220.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0020-03

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有3種基本類型，即曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)?；瑝K機(jī)構(gòu)是由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化得來的。通常，滑塊機(jī)構(gòu)按連架桿固定鉸鏈中心與滑塊導(dǎo)軌線的距離e是否等于0，分為對置滑塊機(jī)構(gòu)和偏置滑塊機(jī)構(gòu)；按連架桿是否作整周回轉(zhuǎn)，分為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。在現(xiàn)有的機(jī)械原理教科書及機(jī)構(gòu)學(xué)著作中，只對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，卻未劃分搖桿滑塊機(jī)構(gòu)類型及對其運動特性進(jìn)行討論；同時，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，關(guān)于搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用文獻(xiàn)尚不多見。因此，本文根據(jù)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的類型及其有關(guān)特性，分析其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的可利用性。

1 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的定義

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，連架桿AB的長度為lAB，連桿BC的長度為lBC，連架桿固定鉸鏈中心A與滑塊C的導(dǎo)軌線C1C2的距離為e，連架桿lAB不能作整周回轉(zhuǎn)，則此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)為不存在曲柄的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。

2 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的類型及其特性

設(shè)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的連架桿AB長度lAB與連桿BC長度lBC的比值為b，即lAB/lBC=b；連架桿固定鉸鏈中心A與滑塊C的導(dǎo)軌線C1C2的距離e與連架桿AB的長度lAB的比值為c，即e/lAB=c。那么，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)不存在曲柄的條件為：b+c>1；機(jī)構(gòu)能運動的條件為：c

2.1 對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)

當(dāng)e=0且b≥1時，連桿AB在轉(zhuǎn)角θ<180°的范圍內(nèi)擺動。此時，搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖1所示）。

對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)有主安裝和次安裝兩種形式：主安裝形式為滑塊C在連架桿AB外側(cè)移動；次安裝形式為滑塊C在連架桿AB內(nèi)側(cè)移動。

主安裝形式相對極限行程為：s主=（lAB+lBC-）。

次安裝形式相對極限行程為：s次=[-（lAB-lBC）]。

擺桿擺動極限角：θ=2arcsin。

極限最小傳動角：γmin=0°。

2.2 偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)

1） 當(dāng)e≠0且（c-b）<1<（c+b）時，連架桿AB在轉(zhuǎn)角θ<360°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。此時，搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為Ⅰ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖2所示）。

Ⅰ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的安裝形式為滑塊C在連架桿AB的外側(cè)移動，存在主行程和次行程兩種運動行程。

主行程為：s主=[+]。

次行程為：s次=[-]。

搖桿擺動極限角：θ=180°+2arcsin（）。

極限最小傳動角：γmin=0°。

2） 當(dāng)e≠0且1<（b-c）時，連架桿AB在轉(zhuǎn)角θ<180°的范圍內(nèi)擺動。此時，搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為Ⅱ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖3所示）。

Ⅱ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)有主安裝和次安裝兩種形式：主安裝形式為滑塊C在連架桿AB外側(cè)運動；次安裝形式為滑塊C在連架桿AB內(nèi)側(cè)運動?；瑝KC在主安裝與次安裝形式中分別存在主行程和次行程兩種滑動行程。

主行程為：s主=[+]。

次行程為：s次=[--lBC]。

搖桿擺動極限角：θ=arcsin（）+

2arcsin（）。

極限最小傳動角：γmin=0°。

3 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

1） 在現(xiàn)代矮砧密植蘋果園種植中，一般需要通過果樹行間生草控制草體高度方式來調(diào)控果園微域生態(tài)環(huán)境，可以應(yīng)用搖桿滑塊機(jī)構(gòu)運動機(jī)理來控制果園割草機(jī)割茬高度，以滿足對草茬高度的不同需求。割茬高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2） 在農(nóng)業(yè)物料篩分機(jī)設(shè)計中也可應(yīng)用搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。將連桿BD作為篩體，可以實現(xiàn)物料在篩面上的前滑、后滑和拋起運動。前滑和后滑可以使不同篩分物之間分離抖松，提高生產(chǎn)效率；拋起可以防止振動篩的阻塞。平貝母等級篩分機(jī)構(gòu)如圖5所示。

3） 根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的相似性和差異性，可以將搖桿滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用于扎穴（播種）機(jī)械上。扎穴（播種）機(jī)構(gòu)如圖6所示。將構(gòu)件滑塊尖端自身運動和整個機(jī)構(gòu)水平前進(jìn)方向的運動進(jìn)行仿真，得到軌跡（如圖7所示）。

由圖7可見，只需選擇合理的轉(zhuǎn)速和機(jī)器的前進(jìn)速度，就可得到滿足生產(chǎn)需求的兩個相鄰扎穴（播種）距離。

4 結(jié)論

搖桿滑塊機(jī)構(gòu)作為滑塊機(jī)構(gòu)的一種類型，在輕工機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域大有應(yīng)用。本文基于搖桿滑塊機(jī)構(gòu)各個構(gòu)件的幾何關(guān)系介紹了搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的定義以及種類和相關(guān)特性，并針對搖桿滑塊機(jī)構(gòu)在割茬高度調(diào)節(jié)裝置、篩分機(jī)構(gòu)、扎穴和播種等農(nóng)業(yè)機(jī)械上的運用進(jìn)行了探討，可為相關(guān)機(jī)構(gòu)的組合設(shè)計提供思路，具有一定的借鑒價值。

摘要：機(jī)械部件的位置調(diào)節(jié)可以通過搖桿滑塊機(jī)構(gòu)來進(jìn)行控制。針對機(jī)械原理教材與著作中對搖桿滑塊機(jī)構(gòu)介紹不足的現(xiàn)狀，闡述搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的定義、分類及特性，并分析其在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的相關(guān)應(yīng)用，為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；搖桿滑塊機(jī)構(gòu)；分類；特性；應(yīng)用

中圖分類號：S220.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0020-03

鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)有3種基本類型，即曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙搖桿機(jī)構(gòu)。滑塊機(jī)構(gòu)是由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)演化得來的。通常，滑塊機(jī)構(gòu)按連架桿固定鉸鏈中心與滑塊導(dǎo)軌線的距離e是否等于0，分為對置滑塊機(jī)構(gòu)和偏置滑塊機(jī)構(gòu)；按連架桿是否作整周回轉(zhuǎn)，分為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。在現(xiàn)有的機(jī)械原理教科書及機(jī)構(gòu)學(xué)著作中，只對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，卻未劃分搖桿滑塊機(jī)構(gòu)類型及對其運動特性進(jìn)行討論；同時，在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，關(guān)于搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用文獻(xiàn)尚不多見。因此，本文根據(jù)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的類型及其有關(guān)特性，分析其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的可利用性。

1 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的定義

在鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)中，連架桿AB的長度為lAB，連桿BC的長度為lBC，連架桿固定鉸鏈中心A與滑塊C的導(dǎo)軌線C1C2的距離為e，連架桿lAB不能作整周回轉(zhuǎn)，則此鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)為不存在曲柄的搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。

2 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的類型及其特性

設(shè)搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的連架桿AB長度lAB與連桿BC長度lBC的比值為b，即lAB/lBC=b；連架桿固定鉸鏈中心A與滑塊C的導(dǎo)軌線C1C2的距離e與連架桿AB的長度lAB的比值為c，即e/lAB=c。那么，鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)不存在曲柄的條件為：b+c>1；機(jī)構(gòu)能運動的條件為：c

2.1 對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)

當(dāng)e=0且b≥1時，連桿AB在轉(zhuǎn)角θ<180°的范圍內(nèi)擺動。此時，搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖1所示）。

對置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)有主安裝和次安裝兩種形式：主安裝形式為滑塊C在連架桿AB外側(cè)移動；次安裝形式為滑塊C在連架桿AB內(nèi)側(cè)移動。

主安裝形式相對極限行程為：s主=（lAB+lBC-）。

次安裝形式相對極限行程為：s次=[-（lAB-lBC）]。

擺桿擺動極限角：θ=2arcsin。

極限最小傳動角：γmin=0°。

2.2 偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)

1） 當(dāng)e≠0且（c-b）<1<（c+b）時，連架桿AB在轉(zhuǎn)角θ<360°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動。此時，搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為Ⅰ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖2所示）。

Ⅰ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的安裝形式為滑塊C在連架桿AB的外側(cè)移動，存在主行程和次行程兩種運動行程。

主行程為：s主=[+]。

次行程為：s次=[-]。

搖桿擺動極限角：θ=180°+2arcsin（）。

極限最小傳動角：γmin=0°。

2） 當(dāng)e≠0且1<（b-c）時，連架桿AB在轉(zhuǎn)角θ<180°的范圍內(nèi)擺動。此時，搖桿滑塊機(jī)構(gòu)為Ⅱ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)（如圖3所示）。

Ⅱ型偏置搖桿滑塊機(jī)構(gòu)有主安裝和次安裝兩種形式：主安裝形式為滑塊C在連架桿AB外側(cè)運動；次安裝形式為滑塊C在連架桿AB內(nèi)側(cè)運動?；瑝KC在主安裝與次安裝形式中分別存在主行程和次行程兩種滑動行程。

主行程為：s主=[+]。

次行程為：s次=[--lBC]。

搖桿擺動極限角：θ=arcsin（）+

2arcsin（）。

極限最小傳動角：γmin=0°。

3 搖桿滑塊機(jī)構(gòu)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用

1） 在現(xiàn)代矮砧密植蘋果園種植中，一般需要通過果樹行間生草控制草體高度方式來調(diào)控果園微域生態(tài)環(huán)境，可以應(yīng)用搖桿滑塊機(jī)構(gòu)運動機(jī)理來控制果園割草機(jī)割茬高度，以滿足對草茬高度的不同需求。割茬高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2） 在農(nóng)業(yè)物料篩分機(jī)設(shè)計中也可應(yīng)用搖桿滑塊機(jī)構(gòu)。將連桿BD作為篩體，可以實現(xiàn)物料在篩面上的前滑、后滑和拋起運動。前滑和后滑可以使不同篩分物之間分離抖松，提高生產(chǎn)效率；拋起可以防止振動篩的阻塞。平貝母等級篩分機(jī)構(gòu)如圖5所示。

3） 根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的相似性和差異性，可以將搖桿滑塊機(jī)構(gòu)應(yīng)用于扎穴（播種）機(jī)械上。扎穴（播種）機(jī)構(gòu)如圖6所示。將構(gòu)件滑塊尖端自身運動和整個機(jī)構(gòu)水平前進(jìn)方向的運動進(jìn)行仿真，得到軌跡（如圖7所示）。

由圖7可見，只需選擇合理的轉(zhuǎn)速和機(jī)器的前進(jìn)速度，就可得到滿足生產(chǎn)需求的兩個相鄰扎穴（播種）距離。

4 結(jié)論

搖桿滑塊機(jī)構(gòu)作為滑塊機(jī)構(gòu)的一種類型，在輕工機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域大有應(yīng)用。本文基于搖桿滑塊機(jī)構(gòu)各個構(gòu)件的幾何關(guān)系介紹了搖桿滑塊機(jī)構(gòu)的定義以及種類和相關(guān)特性，并針對搖桿滑塊機(jī)構(gòu)在割茬高度調(diào)節(jié)裝置、篩分機(jī)構(gòu)、扎穴和播種等農(nóng)業(yè)機(jī)械上的運用進(jìn)行了探討，可為相關(guān)機(jī)構(gòu)的組合設(shè)計提供思路，具有一定的借鑒價值。