水陸兩棲式水生植物收割裝置運(yùn)動(dòng)分析與仿真

王 斐，周竹馨，沈 輝

（1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 揚(yáng)州分院，江蘇 揚(yáng)州 225003；2.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

濕地水生植物收割作業(yè)量大，采用傳統(tǒng)人工方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低。水陸兩棲式水生植物收割裝置可適應(yīng)復(fù)雜濕地環(huán)境下的行走和對(duì)挺水植物的切割，作業(yè)效率高，成本低，可滿足市場(chǎng)需求[1]，而切割器作為工作裝置的關(guān)鍵部件，其性能將直接影響切割質(zhì)量及收割效率。本文對(duì)水陸兩棲式水生植物收割裝置切割器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真，以期為后期生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

水陸兩棲式水生植物收割裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示,該裝置由車架、行走底盤、動(dòng)力單元、連接架、提升架、快換接頭和工作裝置等組成。提升架的作用是調(diào)整工作裝置的高度，控制切割高度；連接架起到伸長和減震的作用；快換接頭方便工作裝置的安裝和拆卸，可裝配不同的工作裝置，滿足多功能的需求。工作機(jī)除裝配T 型刀頭用來收割水草和濕地植被外，也可裝配鉆頭用于厚冰鉆孔，進(jìn)行冰上搶險(xiǎn)救災(zāi)。

圖1 濕地輕型兩棲式多功能工作機(jī)結(jié)構(gòu)

2 往復(fù)式切割器工作原理與運(yùn)動(dòng)分析

2.1 工作原理

往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)如圖2 所示，工作原理如圖3 所示。

圖2 往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)

圖3 工作原理

2.2 割刀運(yùn)動(dòng)方程

割刀的運(yùn)動(dòng)特性將對(duì)切割器性能產(chǎn)生直接影響，為此，可以將往復(fù)式切割器簡化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，連桿在曲柄的驅(qū)動(dòng)下做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，如圖4 所示。

圖4 切割器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖

建立動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)方程[2]：

其中：ω 為動(dòng)刀片的角速度，rad/s；r 為曲柄半徑，mm；x 為割刀位移，mm；Vx為割刀在x 方向的速度，mm/s；t 為時(shí)間，s；a 為加速度，mm/s2。

聯(lián)立式（1）、式（2）可得式（4）：

可以看出，割刀速度與割刀位移的關(guān)系滿足橢圓方程式，橢圓長半軸的長度為rω，短半軸的長度為r，如圖5 所示，說明割刀上任一點(diǎn)的速度都不相同。

圖5 割刀速度與割刀位移的關(guān)系

綜上可知，刀片上某一點(diǎn)的速度變化規(guī)律與橢圓方程式是一致的。當(dāng)位移為零，即x =0 時(shí)，該點(diǎn)位于刀片的中點(diǎn)，此時(shí)Vx取得最大值，即為rω；當(dāng)位移為r，即x=±r 時(shí)，該點(diǎn)位于刀片的極左或極右處，此時(shí)Vx=0，為最小值。

2.3 工作機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為直觀地分析切割器工作過程中刀具的位移、速度和加速度特性，使用ADAMS 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[3]。利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為550 r/min。由圖6 可以看出，割刀的位移曲線為正弦曲線，曲線的波峰和波谷值是動(dòng)刀片在兩個(gè)不同方向上的最大位移。

圖6 割刀位移隨時(shí)間變化曲線

由圖7 可以看出，當(dāng)曲柄以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，在連桿的驅(qū)動(dòng)下，割刀的速度變化曲線可以近似為正弦變化。動(dòng)刀片的最大速度值出現(xiàn)在初始點(diǎn)，動(dòng)刀片的零速度在其最大位移處。

圖7 割刀速度隨時(shí)間變化曲線

由圖8 可以看出，割刀的加速度變化曲線也呈近似正弦曲線。割刀的最大加速度出現(xiàn)在其最大位移處，而最小加速度出現(xiàn)在初始點(diǎn)。

圖8 割刀加速度隨時(shí)間變化曲線

3 性能試驗(yàn)研究

在挺水植物及沉水植物生長茂盛期間，對(duì)濕地輕型兩棲式多功能工作機(jī)綜合切割性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1 所示。表1 結(jié)果表明：該濕地輕型兩棲式多功能工作機(jī)可以通過調(diào)節(jié)切割深度在復(fù)雜地形條件下連續(xù)切割沉水植物和大面積挺水植物，在一定條件下滿足復(fù)雜的兩棲作業(yè)要求，工作性能穩(wěn)定可靠，達(dá)到動(dòng)力與效率的平衡。

表1 兩棲式多功能工作機(jī)切割性能試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

（1）對(duì)濕地輕型兩棲式多功能工作機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，從理論上證明割刀相對(duì)于時(shí)間的位移、速度、加速度變化曲線均呈正弦規(guī)律。

（2）在軟件ADAMS 中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到割刀位移、速度和加速度的變化曲線，割刀的最大速度出現(xiàn)在初始點(diǎn)，零速度出現(xiàn)在割刀的最大位移處；割刀的最大加速度出現(xiàn)在其最大位移處，最小加速度出現(xiàn)在初始點(diǎn)。

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，濕地輕型兩棲式多功能工作機(jī)在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)也能保證工作效率。

對(duì)于濕地輕型兩棲式多功能工作機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)以及切割器刀片的高度確定還需要進(jìn)一步研究，以達(dá)到更好的切割效果。