基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器的設(shè)計(jì)

蔡寬麒，周林，劉博藝，張燕

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基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器的設(shè)計(jì)

蔡寬麒1，周林1，劉博藝2，張燕1

（1.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228；2.海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228）

為了解決農(nóng)戶在切割甜桿時(shí)因人工切割導(dǎo)致勞動(dòng)力的消耗大、效率低下、安全系數(shù)低等問(wèn)題，對(duì)甜桿理化分析，通過(guò)研究刀片切割、翻土取根等過(guò)程，設(shè)計(jì)出基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器，整機(jī)利用圓柱凸輪使得刀片可往復(fù)切割甜桿，利用雙搖桿機(jī)構(gòu)使后置鏟土裝置進(jìn)行翻土取根，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)切割高度。該機(jī)器提升了甜桿切割的安全性和效率，可為甜桿切割機(jī)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考，對(duì)促進(jìn)甜桿切割產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

圓柱凸輪；甜桿；切割機(jī)器；液壓系統(tǒng)

甜桿又稱(chēng)甜高粱，是高粱的一個(gè)種類(lèi)，有作物中的“駱駝”之美譽(yù)[1-3]。甘甜桿富含糖分，可作為糖料、飼料和能源作物的基本原料，被人們譽(yù)為“高能作物”[4-6]。我國(guó)已將甜桿的推廣應(yīng)用列為國(guó)家“九五”重點(diǎn)推廣項(xiàng)目[7]，因此甜桿切割機(jī)器的研制可創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，具有研究意義。

目前農(nóng)戶對(duì)甜桿的切割還是大部分以人力切割為主，而隨著甜桿大批量種植，人力切割消耗勞動(dòng)力大，生產(chǎn)效率低，無(wú)法適應(yīng)快速的甜桿經(jīng)濟(jì)發(fā)展[8]，而目前國(guó)內(nèi)對(duì)甜桿切割機(jī)器的研制比較少，例如1996年馬來(lái)西亞博特拉大學(xué)工業(yè)部研發(fā)出新型甜高粱切割系統(tǒng)[9]，該系統(tǒng)利用4刀片旋轉(zhuǎn)加移動(dòng)式切割方式，其優(yōu)勢(shì)在于可以改變作物的切割高度，但是其無(wú)法做到對(duì)切割后甜桿的根部進(jìn)行除根處理；再如雷雨春等設(shè)計(jì)的甜高粱聯(lián)合切割機(jī)，可進(jìn)行強(qiáng)制撥禾喂入和多組刀片分層扶持切割但其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耗能大，不適用于小農(nóng)戶使用，并且對(duì)根部無(wú)法進(jìn)行處理。

為了解決甜桿切割消耗人力過(guò)大、無(wú)法進(jìn)行除根處理、切割效率低、無(wú)法滿足甜桿規(guī)?；a(chǎn)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款連接簡(jiǎn)單、操作方便、基于液壓調(diào)節(jié)切割高度，并能夠?qū)Ω窟M(jìn)行處理的可拆卸式的基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

圖1為基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器的結(jié)構(gòu)示意圖，該機(jī)械包括：上刀片組、后置往復(fù)鏟土板、中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片組、液壓調(diào)節(jié)升降組和動(dòng)力組等組成，整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.機(jī)器扶手2.推桿3.車(chē)輪4.小型柴油機(jī)5.聯(lián)軸器6.前置固定連桿7.固定臂8.前置刀片9.中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀10.后置往復(fù)鏟土板11.曲柄臂12.錐形齒輪13.后置固定連桿14.中置錐形齒輪15.傳動(dòng)齒輪16.圓柱凸輪17.對(duì)置圓錐齒18.傳動(dòng)圓錐齒19.曲柄臂20.泥土擋板21.伸縮連桿22.回油閥門(mén)23.液壓裝置24.承載車(chē)身 25.舉臂

表1 基于圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的甜桿切割機(jī)器的主要參數(shù)

1.2 工作原理

本機(jī)械利用錐形齒輪、直齒輪和傳動(dòng)軸等傳動(dòng)裝置，將汽油機(jī)的動(dòng)力傳遞到圓柱凸輪和曲柄搖桿，利用圓柱凸輪和曲柄搖桿將傳遞過(guò)來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片和后置往復(fù)鏟土板的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再配合前置刀片即可做到大面積的甜桿切割和翻土除根。本機(jī)的后置往復(fù)鏟土板、前置刀片為可拆卸，可實(shí)現(xiàn)功能多樣化，減少汽油機(jī)的無(wú)用功率消耗。工作人員可將后置往復(fù)鏟土板拆卸，并上下壓動(dòng)壓桿，利用液壓裝置，將舉臂提升從而做到根據(jù)不同植物的高度調(diào)整刀具高度進(jìn)行打桿。

2 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能分析

2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本文秉持連接簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高的原則[10-11]，結(jié)合齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其傳動(dòng)流程圖如圖2所示。汽油機(jī)將動(dòng)力通過(guò)聯(lián)軸器、減速器傳送到動(dòng)力輸出軸的末端的錐齒輪，錐齒輪帶動(dòng)兩邊對(duì)置錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)兩邊的對(duì)置錐齒輪將動(dòng)力傳遞給傳動(dòng)齒輪，通過(guò)上下傳動(dòng)齒輪的嚙合，將動(dòng)力遞給圓柱凸輪，圓柱凸輪軸上包含三個(gè)從動(dòng)件，將圓柱凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片的平動(dòng)，中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片的平動(dòng)配合前置刀片，可將甜桿切斷，其次動(dòng)力傳到凸輪圓柱時(shí)，可通過(guò)凸輪圓柱末端的圓錐齒輪，將動(dòng)力傳遞給錐形齒輪使得曲柄臂做圓周運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)搖桿臂做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，搖桿臂端部與后置往復(fù)鏟土板相連，傳遞往復(fù)力，使后置往復(fù)鏟土板快速在土里左右鏟動(dòng)，通過(guò)左右快速鏟動(dòng)和推動(dòng)將埋在土里的根部和泥土進(jìn)行翻倒。后置往復(fù)鏟土機(jī)構(gòu)的刀片為弧形刀片，刀片頭部經(jīng)過(guò)淬火和高溫處理，使其強(qiáng)度等性能提高，并設(shè)計(jì)為臺(tái)階式弧形，便于鏟土除根，刀片在高速的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)配合機(jī)械向前推動(dòng)作用，可以將從地里挖出的泥土受到泥土擋板的作用進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并且將其從刀片上抖落，起到翻土除根作用。其中后置往復(fù)鏟土機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為可拆卸式的，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器功能在多樣化和單一化之間轉(zhuǎn)變，方便機(jī)械的清理和維修。

圖2 傳動(dòng)流程圖

2.2 汽油機(jī)的選型

汽油機(jī)在選型的時(shí)候應(yīng)考慮到其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，由于動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性無(wú)法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)程度，因考慮到該機(jī)械所需動(dòng)力不大，在滿足基本動(dòng)力性的前提下，適當(dāng)提高經(jīng)濟(jì)性從而達(dá)到整機(jī)的最優(yōu)[12]。因此在汽油機(jī)選型時(shí)盡可能的選用較輕汽油機(jī)，減輕整機(jī)負(fù)載從而減少無(wú)用功的損耗，達(dá)到降低燃油使用和排放的目的。本文選用風(fēng)冷二沖程式汽油機(jī)，其參數(shù)如表2所示。

表2 汽油機(jī)參數(shù)

由表2可知，其有效功率P≈1.57 kW，而機(jī)械的輸出功率為：

由汽油機(jī)至輸送鏈的傳動(dòng)總效率為：

式中：1為聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；2為傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)效率；3為對(duì)心圓錐齒輪傳動(dòng)效率；4為減速器傳動(dòng)效率；5為傘齒輪傳動(dòng)效率；6為軸承傳動(dòng)效率。

其傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖3所示，電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)之間傳動(dòng)效率數(shù)值，如表3所示。

表3 電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)之間傳動(dòng)效率

注：以上傳動(dòng)效率根據(jù)《機(jī)械傳動(dòng)效率表》所選取。表中所述聯(lián)軸器處在電動(dòng)機(jī)輸出軸上

將數(shù)據(jù)代入式（2）中，求得≈0.89 r/min，將所求得的傳動(dòng)總效率代入式（1）中，求得電機(jī)輸出功率P＝1.39 kW，在對(duì)甜桿的理化研究后，其輸出功率可滿足工作需求。

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)圖

2.3 切割裝置

2.3.1 切割裝置的組成和工作過(guò)程

切割裝置由前置刀具組、中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀具組、后置往復(fù)鏟土板裝置組成，其三維圖如圖4所示。前置刀片組固定在汽油機(jī)上，由一根承受力強(qiáng)的定軸伸縮連桿固定，為了能增加對(duì)前置刀片的固定和定位能力，本文在固定桿上方設(shè)計(jì)了兩根固定臂，固定臂通過(guò)桿對(duì)前置刀片進(jìn)行加固。

中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片組的末端為汽油機(jī)的動(dòng)力輸出軸，在動(dòng)力輸出軸和圓柱凸輪之間通過(guò)斜齒輪、傳動(dòng)齒輪，將汽油機(jī)傳出的動(dòng)力傳遞到圓柱凸輪的主動(dòng)件中，圓柱凸輪的主動(dòng)件穿過(guò)傳動(dòng)齒輪與中置錐形齒輪相連接，圓柱凸輪的主動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)從動(dòng)件上端連有中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

后置往復(fù)鏟土板后部連有泥土擋板，泥土擋板下端是一個(gè)雙搖桿機(jī)構(gòu)，其由兩個(gè)搖臂組成，后置往復(fù)鏟土板由后置伸縮連桿將其固定在汽油機(jī)上，前置刀片和后置往復(fù)鏟土板由伸縮連桿便于定位。前置刀片和后置往復(fù)鏟土板為可拆卸模塊單元，其末端有卡槽，與汽油機(jī)上的卡槽相匹配，從而做到安裝和拆卸的目的。

2.3.2 切割裝置部件設(shè)計(jì)

將前置刀片、中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片都設(shè)計(jì)為中空，刀片邊緣為弧形尖錐狀，在使刀片美觀、達(dá)到剛度要求的同時(shí)使得刀片盡可能的輕，減少無(wú)用功的輸出，而圓柱凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片平動(dòng)，配合前置刀片進(jìn)行工作，通過(guò)對(duì)甜桿受力分析如圖5所示，前置刀片對(duì)甜桿的力1與中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片對(duì)甜桿的力2方向相反，擠壓甜桿，將甜桿切斷。刀具的主要參數(shù)如表4所示。

1.中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片2.伸縮桿3.傘齒輪4.圓錐齒輪5.傳動(dòng)齒輪A 6.傳動(dòng)齒輪B 7.聯(lián)軸器8.前置固定桿9.前置固定臂10.前置刀片11.后置固定桿12.搖臂A 13.后置往復(fù)鏟土板錐形齒輪14.搖臂B 15.后置固定臂16.后置往復(fù)鏟土板

后置往復(fù)鏟土機(jī)構(gòu)的刀片為弧形刀片，刀片頭部經(jīng)過(guò)淬火和高溫處理，使其強(qiáng)度等性能提高，并設(shè)計(jì)臺(tái)階式弧形，便于鏟土除根，刀片在高速的往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)配合機(jī)械向前推動(dòng)作用，可將從地里挖出的泥土受到泥土擋板的作用進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并將其從刀片上抖落，起到翻土除根作用，對(duì)單個(gè)單元進(jìn)行受力分析如圖6所示。

表4前置刀片、中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片參數(shù)

長(zhǎng)度/mm寬度/mm高度/mm數(shù)量/個(gè)材料工藝 前置刀片中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片 20026016057中碳鋼淬火加高溫回火

圖6 后置往復(fù)鏟土機(jī)構(gòu)受力分析圖

圖中：為泥土自身的阻力，N；為泥土的重量，N；為擋板對(duì)泥土的作用力，N；1為鏟土板側(cè)面對(duì)泥土的作用力，N；2為鏟土板側(cè)面對(duì)泥土的作用力，N；3為擋板對(duì)泥土的推力，N。

2.4 液壓升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了能夠使機(jī)器滿足其他需求如雜草、甘蔗等植物的切割和連根拔出等功能，利用液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的沖擊較大的特點(diǎn)[13]，本文增加了液壓升降系統(tǒng)。機(jī)器扶手施加一個(gè)向下的力，力通過(guò)推桿作用在液壓系統(tǒng)的活塞上，利用帕斯卡原理將汽油機(jī)、切割裝置抬高，因此可根據(jù)不同高度的植物，對(duì)機(jī)器扶手施加不同的力，從而調(diào)整切割裝置高度達(dá)到最適切割高度，如果高度過(guò)高，可擰動(dòng)回油閥門(mén)，通過(guò)回油閥門(mén)不同的開(kāi)度，即可使得切割裝置下降回任意高度，其高度的可調(diào)范圍在15～90 cm之間。若進(jìn)一步提高自動(dòng)化程度可加裝植物高度識(shí)別裝置和自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置[14]。其高度調(diào)整示意圖如圖7所示。

圖7 高度調(diào)整示意圖

3 結(jié)論

本文利用傳動(dòng)裝置將汽油機(jī)傳出的能量轉(zhuǎn)變成中置往復(fù)運(yùn)動(dòng)刀片組、后置往復(fù)鏟土板往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)切割甜桿，并結(jié)合液壓高度可調(diào)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器功能多樣化，合理的利用柴油機(jī)發(fā)出的功率。對(duì)甜桿切割機(jī)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)分析，力求在達(dá)到工作效率高的前提下，使得各機(jī)構(gòu)緊湊。甜桿切割機(jī)的實(shí)現(xiàn)將解決甜桿切割時(shí)人力消耗過(guò)大，切割的效率低，安全系數(shù)過(guò)低等問(wèn)題，并且能夠進(jìn)行翻土除根處理，為下次甜桿種植做準(zhǔn)備，提高甜桿的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)甜桿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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The Design of Cutting Machine of Sweet Sorghum Based on Cylinder Cam Mechanism

CAI Kuanqi1，ZHOU Lin1，LIU Boyi2，ZHANG Yan1

( 1.Mechanical and Electrical Engineering College, Hainan University, Haikou 570228, China；2.College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

In order to solve the problem when the farmers cutting sweet rod due to manual labor leads to cutting consumption, low efficiency, low coefficient of safety problems, this paper based on the physical and chemical analysis of sweet lever, the blade cutting through research, dig roots taking process was designed based on a cylindrical Sweet lever cam mechanism of the cutting machine, the machine makes use of cylindrical cam reciprocating cutting blade lever sweet, use double rocker mechanism causes the rear shovel dig means take root, and the design of the hydraulic system to adjust the cutting height. The machine improves the safety and efficiency of cutting sweet bar, can provide technical reference for the sweet bar cutting machine designed for cutting rod promote sweet industry is important.

cylindrical cam；sweet sorghum；cutting machine；hydraulic pressure system

S22

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.011

1006－0316 (2018) 01－0050－06

2017－05－10

海南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（617048）；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201610589002、201610589022、201610589003、201610589065）

蔡寬麒（1996－），男，福建三明人，本科，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)。