臥式香蕉秸稈粉碎還田機甩刀的設(shè)計與優(yōu)化

唐寧寧，李 粵，梁 棟，張喜瑞，周 騰，宋雅婷，吳思浩，王自強

(海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，?？?570228)

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臥式香蕉秸稈粉碎還田機甩刀的設(shè)計與優(yōu)化

唐寧寧，李 粵，梁 棟，張喜瑞，周 騰，宋雅婷，吳思浩，王自強

(海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，?？?570228)

甩刀是臥式香蕉秸稈粉碎還田機的重要工作部件，合理的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計可改善整機的工作性能，減少機具振動，提高香蕉秸稈粉碎質(zhì)量。通過應(yīng)用Adams、Solidworks Simulation軟件對刀輥進行模態(tài)仿真，對刀片的運動及受力進行理論分析，以確定刀片的最優(yōu)的基本參數(shù)和排列方式。結(jié)果表明：刀片厚度為8mm、彎折角為130°時，刀片的變形量小，粉碎效果好；V字形排列方式能有效避免刀輥的共振，延長使用壽命。

香蕉秸稈；粉碎還田；臥式；優(yōu)化

0 引言

香蕉在世界水果貿(mào)易中占有極其重要的位置，是熱帶、亞熱帶地區(qū)最重要的水果，憑借其豐富的營養(yǎng)、清香美味而深受人們的喜愛，其銷量在全球鮮果銷量中最大。我國是世界主要香蕉生產(chǎn)區(qū)之一，在我國的亞熱帶地區(qū)，香蕉產(chǎn)業(yè)已成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的支柱性產(chǎn)業(yè)，對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和社會發(fā)展起著重要作用[1-2]。香蕉的主要副產(chǎn)品包括香蕉假莖和蕉葉，是我國熱帶地區(qū)大宗農(nóng)業(yè)廢棄物。由于機械化水平低，缺乏配套的農(nóng)機具，我國香蕉秸稈的處理仍以人工砍伐、搬運到田間地頭、讓其自行腐爛的傳統(tǒng)方式為主[3-4]。這種傳統(tǒng)方式存在很多弊端，主要體現(xiàn)在以下3個方面：①人工作業(yè)為主，導(dǎo)致勞動強度大、工作效率低且作業(yè)成本高；②莖稈堆放腐化所需時間長，易造成病蟲害擴散，污染環(huán)境；③依靠人力難以及時處理香蕉秸稈，影響蕉園更新[5]。

目前，利用秸稈粉碎技術(shù)直接將香蕉莖稈打碎然后拋灑在田中，不僅有利于下一輪的種植，還能增加土壤的有機質(zhì)，改善蕉園的土壤結(jié)構(gòu)[6]。臥式香蕉秸稈粉碎機以輪式拖拉機為動力源，通過三點懸掛裝置懸掛在拖拉機后部，主要由機架、傳動系統(tǒng)、懸掛裝置、粉碎裝置和平地裝置組成。粉碎裝置是由刀輥、刀座、甩刀等構(gòu)成的高速旋轉(zhuǎn)裝置，是香蕉秸稈粉碎還田機的核心部件[7]。由于刀片結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)、數(shù)量與排列方式等對整機的粉碎效果及振動有很大影響，故通過對刀片的運動及受力進行理論分析，并運用Adams軟件對其進行仿真優(yōu)化，確定刀片的基本參數(shù)。同時，運用SolidWorks軟件對粉碎裝置進行動力學(xué)仿真分析，為香蕉秸稈粉碎還田機的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 甩刀的運動過程分析

刀片轉(zhuǎn)速的大小是影響粉碎效果的重要因素之一：當(dāng)?shù)镀乃俣容^小時，粉碎工作腔內(nèi)的負壓較小，致使粉碎的效果較差；當(dāng)?shù)镀乃俣容^大時，粉碎效果較佳，但會造成不必要的能量浪費，所以應(yīng)該根據(jù)刀片的運動來設(shè)計合理的速度。機具工作時，地面上的香蕉莖稈被高速旋轉(zhuǎn)的粉碎刀砍切，然后被喂入口處的負壓吸入機殼內(nèi)，從而被刀片多次砍擊、撕裂成碎段，最后隨氣流拋出，均勻灑入田間[8]。在整個過程中，整機的前進速度和刀輥的回轉(zhuǎn)速度合成了甩刀的絕對速度。設(shè)M(x,y)為粉碎甩刀尖上一點，甩刀的回轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點O，初始時間為t=0，則

x=Rcos(ωt)+ν0t

y=Rsin(ωt)

式中 x—水平方向上的位移(m)；

y—豎直方向上的位移(m)；

R—甩刀的回轉(zhuǎn)半徑(m)；

ω—刀片的角速度(rad/s)；

ν0—拖拉機的前進速度(m/s)。

對刀端的運動軌跡方程進行求導(dǎo)，可得

所以可以求出甩刀刀端的切削速度為

式中 νg—甩刀的線速度(m/s)；

n—刀軸的轉(zhuǎn)速(r/s)。

Adams軟件是由美國Mechanical Dynamics Inc.公司開發(fā)的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機軟件，可以對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。首先，將在SolidWorks中建立的粉碎裝置CAD模型(刀輥和刀片)轉(zhuǎn)換為Parasolid中間文件，然后再將中間文件導(dǎo)入Adams軟件[9]；對機構(gòu)添加約束，將刀座通過焊接固定在刀輥上，忽略甩刀相對于刀座的轉(zhuǎn)動，將甩刀與刀座固連為一體。為了模擬粉碎裝置隨車的平移運動和繞軸線的旋轉(zhuǎn)運動，在刀輥與輔助件間添加旋轉(zhuǎn)副，并建立轉(zhuǎn)角驅(qū)動，設(shè)定轉(zhuǎn)速為1 560r/min；在輔助件與地面之間建立滑動副，并建立平移驅(qū)動，設(shè)定平移速度為30m/min。在刀尖上建立Marker點，通過Request輸出刀尖的位置。

利用Adams軟件仿真可以得到刀尖的運動軌跡曲線，如圖1所示。

圖1 刀尖點的運動軌跡曲線

由圖1得出甩刀刀尖的運動軌跡為余擺線，由理論分析可知粉碎速比λ>1，即Rw/v0>1。從圖1中可以看出：甩刀對同一位置的香蕉秸稈反復(fù)撿拾粉碎，避免漏撿漏碎。這說明，理論分析所推導(dǎo)的速度滿足莖稈粉碎的工作要求。

由刀尖點的運動軌跡曲線圖可知：λ越大，即甩刀的旋轉(zhuǎn)速度與水平速度之比越大，余擺線特征越明顯，香蕉秸稈被打擊的頻率越高，粉碎越徹底；但耗能也會增大，同時容易造成纖維纏繞刀片，影響工作正常進行。因此，λ值并不是單純地越大越好。

2 甩刀的研究設(shè)計

2.1 甩刀形狀

甩刀的形狀不僅直接影響香蕉秸稈粉碎還田機的粉碎效果，而且對刀輥的設(shè)計和刀片的排列方式造成一定的影響。目前，國內(nèi)外秸稈粉碎還田刀片按照形狀可以分為直刀、L型及其改進刀、Y型刀、T型刀、錘爪式和鞭式刀。

各種粉碎刀的特性不同，其使用對象和場合也不同[10]。直刀型刀片存在較長的刃口，使刀片對作物莖稈的剪切功能增強，適用于小麥、水稻等作物秸稈的粉碎還田作業(yè)。甩刀型刀片的刀尖部分開有刃口，比較鋒利，剪切能力較強，適用于軟質(zhì)秸稈的粉碎。與前兩種刀片相比，錘爪型刀片的質(zhì)量較大、質(zhì)心靠近刀尖，因此轉(zhuǎn)動慣量比較大，能對玉米、高梁、棉花等秸稈較硬的作物有很好的粉碎效果，且具有很長的使用壽命。根據(jù)香蕉秸稈的物理特性及機具的作業(yè)環(huán)境，臥式香蕉秸稈粉碎還田刀選用L型及其改進刀。

2.2 刀片主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計

目前，國內(nèi)秸稈粉碎還田機常用的刀具有直刀型和L型及其改進刀。刀片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有偏轉(zhuǎn)角、彎折角、刃口角、彎曲半徑、刃厚、刀片厚度和材料[11]。

2.2.1 彎折角

彎折角α即甩刀正切面與側(cè)切面的夾角，如圖2所示，其大小影響甩刀工作時的變形量和功耗。若α過大，刀尖先接觸香蕉莖稈，增加甩刀阻力加速刀片磨損，容易使刀片發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形；若α過小，機具工作時彎折處先接觸秸稈和土壤，容易造成纖維纏繞和刀輥堵塞。

圖2 彎折角示意圖

設(shè)計刀片過程中，運用 SolidWorks2014三維造型軟件對其進行設(shè)計。為驗證刀片設(shè)計的合理性，利用其有限元分析模塊SolidWorks-Simulation對刀片進行分析[12]。對刀片的彎折角進行設(shè)計時，根據(jù)蓋超[13]等人基于Cosmos軟件確定彎折角的優(yōu)化范圍為125°～130°，設(shè)計角度為120°、125°、130°、135°這4種刀片。刀片彎折角不同，在工作過程中刀片的變形量也不同。對上述4種刀片進行仿真分析，工作過程中的變形圖如圖3所示。由圖3可知:當(dāng)彎折角為130°時，刀片在工作時變形量最小，有較好的強度，故在設(shè)計刀片時彎折角選取130°。

圖3 不同彎折角變形分析云圖

2.2.2 偏轉(zhuǎn)角

機具在工作時，刀片高速旋轉(zhuǎn)，采用鉸接方式將其與刀座聯(lián)接，可以有效防止刀片在作業(yè)時碰到堅硬的障礙物(石頭、樹根等)而受到損壞。刀片在旋轉(zhuǎn)時一直受到離心力的作用，當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，刀片處于徑向射線位置，此時可以把刀片與刀軸整體看作一個旋轉(zhuǎn)的剛體。

甩刀切割香蕉莖稈產(chǎn)生的動能有一部分用來克服切割阻力而使甩刀產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使刀片在兩個位置間形成一個偏轉(zhuǎn)角度；切割過后，甩刀又在離心力的作用下恢復(fù)到原位。偏轉(zhuǎn)角是甩刀工作時的一個重要參數(shù)，其數(shù)值為

式中 θ—甩刀偏轉(zhuǎn)角；

T—甩刀端部的切割阻力(N)；

m—甩刀質(zhì)量(kg)；

b—甩刀刀端離旋轉(zhuǎn)中心的距離(m)；

f—摩擦系數(shù)，f=0.25；

ω—刀片的角速度(rad/s)；

ρ—刀片質(zhì)心離刀輥軸線的距離(m)；

a—刀片質(zhì)心離刀座鉸接處的距離(m)；

g—重力加速度(N/kg)；

R—刀片的回轉(zhuǎn)半徑(m)。

機具工作時，若偏轉(zhuǎn)角θ過大，則秸稈的留茬高度將增加，粉碎質(zhì)量降低，同時機具振動幅度增大，產(chǎn)生噪音，所以應(yīng)當(dāng)盡量減小偏轉(zhuǎn)角。由上式可知：①當(dāng)a、b、ρ值確定(即刀片的幾何尺寸及安裝尺寸一定)時，增大刀片質(zhì)量m，θ將減小，所以在設(shè)計時刀片的質(zhì)量不應(yīng)太小。②由甩刀的結(jié)構(gòu)可知：當(dāng)質(zhì)量m一定時，a隨著ρ的增大而增大，此時θ將減小。在設(shè)計刀片時，把甩刀的質(zhì)心向刀端移動，可以獲得減小甩刀偏轉(zhuǎn)角的效果。③當(dāng)ω增大時，θ將變小，即提高刀軸的轉(zhuǎn)速同樣可以達到減小偏轉(zhuǎn)角的效果。④當(dāng)ω值確定，刀片的回轉(zhuǎn)半徑增大，θ將變小，即切割速度越大，慣性力越大，有利于切割；但增大半徑會使機具的整體尺寸變大，影響整機的動平衡性能，同時增加能耗[14]。

2.2.3 刀片厚度

機具在作業(yè)時，刀片厚度不僅影響刀片整體質(zhì)量，還直接影響刀片在工作時的變形量，進而影響整機的粉碎效果。刀片厚度較大時，具有很好的強度，但整體質(zhì)量會增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量增大，增加能耗；刀片厚度較小時，強度達不到要求，在作業(yè)時刀具極易變形扭曲?，F(xiàn)有的甩刀型刀片由平板沖壓而成，刀片厚度一般為4～6mm[15]，考慮香蕉秸稈粗大，含有大量的纖維，應(yīng)適當(dāng)增加刀片厚度，強度增大，轉(zhuǎn)動慣量增大，提高粉碎效果；同時防止在工作過程中嚴重變形，以保證其具有較高的安全系數(shù)。因此，故刀片設(shè)計厚度為8mm。

2.3 刀片在刀輥上的排列

2.3.1 刀片的數(shù)量

香蕉秸稈粉碎還田機的功耗和粉碎效果與刀輥上刀片的排列密度密切相關(guān)。當(dāng)密度過大(即刀片數(shù)量過多)時，對秸稈的砍切頻率增大，但不利于碎秸稈排除，易造成堵塞和纖維纏繞；反之，秸稈不能充分被刀片砍切、撕裂，使粉碎后秸稈較大，達不到秸稈粉碎的要求。對于秸稈粉碎還田機具來說，當(dāng)拖拉機前進速度、刀軸轉(zhuǎn)速、作業(yè)幅寬相同時，刀片的數(shù)目存在一個最佳值，該值一般是由粉碎刀密度來確定，則

N=C×L

式中 N—甩刀的數(shù)目(片)；

C—甩刀的排列密度(片/m)；

L—機具的作業(yè)幅寬(m)。

對于甩刀排列密度C的取值，直刀式甩刀一般為60～73片/m，Y型甩刀一般為23～40片/m，L型及其改進刀一般取20～40片/m，T型刀一般取10～20片/m。

考慮到香蕉莖稈纖維較多，若刀片密度過大容易造成纖維纏繞，影響秸稈粉碎，所以在滿足工作效果的情況下取C=20片/m，將L=1.6m代入上式，計算得出N=32片。

2.3.2 刀片的排列方式

刀片排列方式的合理性直接影響著香蕉秸稈粉碎還田機具的粉碎效果、平衡性和可靠性。排列方式合理，可以提高整機的粉碎效果，確保刀輥的動平衡性，減少振動；同時，在作業(yè)時刀輥不容易被堵塞、也不會出現(xiàn)漏割重割的現(xiàn)象。目前，刀片在刀輥上的排列方式主要采取單螺旋線排列、對稱排列及交錯排列[16]。無論采取哪種排列方式，都應(yīng)滿足以下兩個條件：①刀片在刀軸上分布排列后，應(yīng)使刀軸受力均

勻，滿足動平衡要求；②保證相鄰兩甩刀的徑向夾角大于60°。綜合以上因素，本次設(shè)計選用V 字形排列方式，三維造型圖如圖4所示，展開刀座排列如圖5所示。由圖5可以看出：刀片之間的周向間角和橫向間距都相等，在同一時刻，至少有左右兩把刀同時切割莖稈，使刀輥受力均勻，避免在高速旋轉(zhuǎn)時引起刀輥左右擺動，滿足動平衡要求。

圖4 刀輥三維模型

圖5 刀座排列圖

3 粉碎裝置的模態(tài)分析

作業(yè)時，刀輥帶動刀片高速旋轉(zhuǎn)，使刀輥受到動力載荷，這些載荷將會導(dǎo)致刀輥自然頻率發(fā)生變化，在刀輥自然頻率與受激勵工作頻率接近時，刀輥將會發(fā)生共振，對機具造成嚴重的損害。因此，對刀輥進行模態(tài)分析，以避免刀輥的共振，從而確定粉碎刀輥的合理轉(zhuǎn)速。采用Solidworks2014軟件創(chuàng)建粉碎刀輥的CAD模型，由于刀輥的高速旋轉(zhuǎn)，則會產(chǎn)生離心力，因此施加一個離心力載荷；指定刀輥角速度為1 560r/min，然后利用SolidWorks Simulation對刀輥進行加載荷的頻率分析算例和網(wǎng)格化分，可得4階模態(tài)分析結(jié)果[17-18]。頻率分析算例如表1所示，4階模態(tài)分析圖如圖6所示。

表1 粉碎裝置的前4階固有頻率

圖6 粉碎裝置前4階模態(tài)分析圖

由表1可知：當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速為1560r/min(25Hz)時，刀輥的第1階自然頻率接近276Hz。而粉碎作業(yè)中刀輥轉(zhuǎn)速的范圍為1 000～2 000r/min，由于刀輥的最大運行速度為2 000r/min(33Hz)，自然頻率遠大于激勵頻率，不可能發(fā)生共振，所以刀輥的轉(zhuǎn)速為1 560r/min合理。

4 結(jié)論

1)利用仿真軟件Adams對粉碎刀尖的運動軌跡進行仿真，得出刀尖運動軌跡為余擺線。根據(jù)余擺線性質(zhì)可知，當(dāng)粉碎速比λ取值不同時，粉碎效果不同。由此為后續(xù)研究粉碎節(jié)距提供了理論依據(jù)。

2)通過對刀片進行理論和仿真分析，得出當(dāng)大片的彎折角為130°、厚度為8mm時，刀片在工作過程中的變形量最小，受到阻力較小，粉碎效果最好。

3)根據(jù)刀片在刀輥上的排列原理，設(shè)計出V字型排列方式，利用SolidWorks Simulation有限元分析軟件對粉碎裝置進行模態(tài)分析，當(dāng)轉(zhuǎn)動速度為1 560r/min時，整個裝置達到動平衡狀態(tài)，不會發(fā)生共振現(xiàn)象。

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Abstract： Flail knives are crucial working parts of the horizontal banana straw crushing and returning machine. Reasonable structure and parameter design can improve the working performance of the whole machine, reduce the vibration and enhance the quality of banana straw crushing. The most optimal basic parameters and arrangement of knives can be determined by using Adams and Solidworks-Simulation software to modals imulation of knife roller, and taking the theoretical analysis of force and movement. The results indicated that the V-shaped arrangement of the flail knives can avoid the resonance of the knife roller effectively and prolong the service life. When the thickness of the blade is 8mm,the bending angle is 130°,the deformation of the blade is smaller, and the crushing effect is better.

ID:1003-188X(2017)04-0107-EA

The Design and Optimizing on Flail Knife of Horizontal Banana Straw Crushing-returning Machine

Tang Ningning , Li Yue, Liang Dong, Zhang Xirui, Zhou Teng, Song Yating, Wu Sihao, Wang Ziqiang

(School of Mechanics and Electrics Engineering , Hainan University , Haikou 570228 , China)

banana straw; crushing and returning to field; horizontal ; optimizing

2016-04-11

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503136-3)；國家自然科學(xué)基金項目(51565010)；海南省自然基金項目(20163038)

唐寧寧(1992-)，女，河南駐馬店人，碩士研究生，(E-mail)believemyb@163.com。

李 粵(1965-)，男，廣西北流人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)liyue-888888@163.com。

S225.93；S220.3

A

1003-188X(2017)04-0107-05