甘蔗切種機(jī)可折疊輸送臂設(shè)計(jì)研究

陳金艦

（湛江幼兒師范專科學(xué)校（嶺南師范學(xué)院基礎(chǔ)教育學(xué)院），湛江 524000）

甘蔗種植是制糖工藝的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，其種植效果直接影響蔗糖的質(zhì)量。但是，與歐美地區(qū)的發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在甘蔗種植生產(chǎn)過程中的機(jī)械化水平還處于初級(jí)階段[1]?？烧郫B輸送臂是甘蔗切種機(jī)的重要組成部分，對(duì)整體機(jī)械性能和甘蔗種植質(zhì)量都有巨大影響。因此，本文對(duì)甘蔗切種機(jī)可折疊輸送臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高我國(guó)甘蔗產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1 建立可折疊輸送臂模型

1.1 設(shè)計(jì)可折疊輸送臂結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的可折疊輸送臂主要由上臂、下臂、折疊液壓缸和鏈條刮板等部分組成。上臂一端裝有主動(dòng)鏈輪軸，通過連接軸與下臂相連。下臂的另一端裝有從動(dòng)鏈輪軸，鉸接在水平轉(zhuǎn)盤上，通過液壓缸與切種機(jī)連接。經(jīng)過折疊液壓缸的驅(qū)動(dòng)控制，輸送臂完成打開和折疊動(dòng)作[2]。輸送臂經(jīng)過折疊液壓缸的伸縮作用，以轉(zhuǎn)盤為中心，可以在縱向平面內(nèi)調(diào)整折疊角度，通過液壓管道的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，并經(jīng)由節(jié)流閥運(yùn)作實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行速度的控制[3]。為達(dá)到實(shí)際工作條件下的角度，將折疊液壓缸與安裝板對(duì)稱安裝在輸送臂兩側(cè)。安裝板隨折疊液壓缸的伸長(zhǎng)和收縮而運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)上臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。上臂轉(zhuǎn)動(dòng)的最大位置可與下臂形成一條直線，具有很好的折疊和伸展效果。

1.2 設(shè)置可折疊輸送臂參數(shù)

本文設(shè)定可折疊輸送臂整體的長(zhǎng)、寬、高分別為6.85 m、1.10 m、0.75 m，其中上臂長(zhǎng)為2.10 m，下臂長(zhǎng)為3.80 m，轉(zhuǎn)盤長(zhǎng)度為1.15 m。輸送臂內(nèi)部寬度為0.70 m，外部寬度為0.75 m，底部轉(zhuǎn)軸在設(shè)定在轉(zhuǎn)盤中部[4]。上臂與下臂要滿足各自的結(jié)構(gòu)要求，并且為保證足夠的工作空間，二者的轉(zhuǎn)角需要達(dá)到豎直狀態(tài)，因此設(shè)定上臂可以圍繞連接軸旋轉(zhuǎn)的最大角度為120°。為進(jìn)一步擴(kuò)大輸送臂工作空間，下臂旋轉(zhuǎn)角度最大角度為20°，可以協(xié)調(diào)與后部風(fēng)機(jī)的關(guān)系。種植時(shí)，輸送臂需要轉(zhuǎn)動(dòng)到切種機(jī)的左右側(cè)，因此設(shè)定輸送臂圍繞底部轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)最大角度為90°。

1.3 求解可折疊輸送臂工作空間

可折疊輸送臂的工作空間是體現(xiàn)其靈活性的關(guān)鍵指標(biāo)。運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)是根據(jù)各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，推導(dǎo)并計(jì)算坐標(biāo)的空間位置和姿態(tài)?？烧郫B輸送臂由底部轉(zhuǎn)盤、下臂和上臂3個(gè)組件串聯(lián)而成，其旋轉(zhuǎn)角度分別用θ1、θ2和θ3表示，計(jì)算公式可以表示為：

式中，px、py和pz分別表示笛卡爾直角坐標(biāo)系中任意一點(diǎn)p的坐標(biāo)；an(n=2,3)表示輸送臂各組件的參數(shù)。對(duì)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后進(jìn)行工作空間求解，結(jié)果表明，輸送臂落料點(diǎn)最高可達(dá)6.453 m，最低可達(dá)1.813 m；側(cè)面伸出的最長(zhǎng)長(zhǎng)度為6.012 m，最短為2.279 m?？梢姡ぷ骺臻g能夠滿足田間作業(yè)的需要[5]。

2 可折疊輸送臂的靜力學(xué)與振動(dòng)模態(tài)分析

2.1 靜力學(xué)分析

對(duì)于整個(gè)輸送臂來說，需要對(duì)上臂、連接軸和下臂分別進(jìn)行靜力學(xué)分析，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理。上臂與下臂的靜力學(xué)分析步驟相同，處于水平位置時(shí)的等效力臂最大，計(jì)算此狀態(tài)的靜力學(xué)載荷；上臂與下臂連接位置的結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，設(shè)計(jì)的安全系數(shù)應(yīng)符合允許使用的范圍；上（下）臂的中心為最大變形位置，越靠近端部，變形量越大，計(jì)算的變形量需符合彈性變形條件，才能滿足結(jié)構(gòu)剛度要求。對(duì)連接軸進(jìn)行約束載荷設(shè)置，主要考慮上臂對(duì)軸的作用力，采用等效力矩約束載荷和邊界條件。連接軸應(yīng)力最大的位置位于軸肩處，計(jì)算出安全系數(shù)需要符合允許使用要求。

2.2 振動(dòng)模態(tài)分析

可折疊輸送臂主要在振動(dòng)條件下工作，因此需要分析其動(dòng)力學(xué)振動(dòng)特性。通過建立結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析模塊，導(dǎo)入組合模型，對(duì)輸送臂整體劃分網(wǎng)格，施加約束條件，最后提取四階振動(dòng)模態(tài)。從各振動(dòng)模態(tài)對(duì)應(yīng)的共振頻率可以得到輸送臂的固有頻率，通過分析垂直方向的振動(dòng)性，提高共振頻率，避免發(fā)生共振現(xiàn)象，進(jìn)而得到振動(dòng)工作條件下合理性結(jié)構(gòu)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力測(cè)試

為驗(yàn)證可折疊輸送臂應(yīng)力結(jié)果的可靠性，以某型號(hào)甘蔗切種機(jī)為例進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。選取上臂頂端1、上臂中間2、上臂與下臂連接處3、下臂與上臂連接處4、下臂中間5和下臂底座處6這6個(gè)截面，進(jìn)行5次測(cè)試。在每一截面?zhèn)冗吷线x定應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，將應(yīng)變片粘貼在相應(yīng)位置，對(duì)可折疊輸送臂施加相應(yīng)載荷后進(jìn)行應(yīng)力動(dòng)態(tài)測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 可折疊輸送臂應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

從表1可知：上臂頂端與中間位置的應(yīng)力較小，數(shù)值差別不大，靠近連接軸處的應(yīng)力最大；下臂靠近連接軸處的應(yīng)力最大，中間位置應(yīng)力較小，底座處的應(yīng)力處于二者之間。實(shí)際測(cè)量數(shù)值在變化趨勢(shì)上符合安全許可范圍，說明設(shè)計(jì)結(jié)果較為可靠。

3.2 對(duì)比測(cè)試

為檢驗(yàn)甘蔗切種機(jī)可折疊輸送臂在設(shè)計(jì)前后的使用性能，在同一片土地進(jìn)行田間試驗(yàn)，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 甘蔗切種機(jī)性能對(duì)比

由表2的性能對(duì)比測(cè)試結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的可折疊輸送臂提高了甘蔗切種機(jī)的性能，改善了相應(yīng)的工作情況?？梢姡疚脑O(shè)計(jì)的輸送臂達(dá)到了預(yù)期效果，具有一定的可行性和有效性。

3 結(jié)語

本文通過建立可折疊輸送臂模型和分析靜力學(xué)與振動(dòng)模態(tài)特征，設(shè)計(jì)了一種甘蔗切種機(jī)的可折疊輸送臂，以提升我國(guó)甘蔗種植產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化水平。但是，研制出適合我國(guó)甘蔗產(chǎn)地實(shí)際地形地貌的種植機(jī)械是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，因此本文設(shè)計(jì)還存在較大的進(jìn)步和提升空間。后續(xù)不僅可以對(duì)輸送臂的風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，還可通過設(shè)計(jì)減少輸送面板刮板的長(zhǎng)度，以進(jìn)一步提升切種機(jī)輸送臂在田間的穩(wěn)定性和適應(yīng)能力。