電動蔗葉還田機刀輥部件的創(chuàng)新設(shè)計

唐艷芹，程思創(chuàng)，方俊鑫，王玉興

（510642 廣東省 廣州市 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院）

0 引言

甘蔗是我國重要的經(jīng)濟作物，據(jù)國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，2020 年全國甘蔗播種面積達到1 390.73 khm2，產(chǎn)量10 812.1 萬t。甘蔗葉作為甘蔗收獲的田間廢棄物，資源豐富，綜合利用極具潛力，但目前開發(fā)利用程度低，利用形式簡單,基本為田間焚燒[1]。

2005 年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了一種遙控蔗葉還田機，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該機采用遙控方式控制運行，用柔性刀高速旋轉(zhuǎn)切割蔗葉，實現(xiàn)蔗葉還田，具有切斷效果較好、結(jié)構(gòu)簡單、功耗小等特點。

圖1 遙控蔗葉柔性切斷還田機Fig.1 Remote control sugarcane leaf flexible cutting and returning machine

該設(shè)計的不足：（1）刀輥較細，切割過程中蔗葉容易纏繞刀輥，影響切割；（2）采用單刀輥切斷還田，會形成自激風(fēng)場，把蔗葉吹跑，對蔗葉的切割也不充分；（3）高速旋轉(zhuǎn)下刀輥易發(fā)生振動。本文就刀輥部件進行創(chuàng)新設(shè)計，提出了解決方案。

1 刀輥部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

鄭侃等[2]梳理了旋耕機刀輥纏繞的危害。對蔗葉還田機而言，“柔性刀”的切割力依賴刀輥的高速旋轉(zhuǎn)，而蔗葉纏繞增加了刀輥工作阻力，大大減小其轉(zhuǎn)速，影響蔗葉還田機作業(yè)。為防止蔗葉纏繞，提出如下解決方案：（1）采用雙軸刀輥聯(lián)動設(shè)計。王子健等[3]在履帶式雙軸除草機中采用前軸除草與后軸防纏繞同步作業(yè)方式避免雜草纏繞。本文以該思路為基礎(chǔ)，采用結(jié)構(gòu)相同的雙刀輥前后排布聯(lián)合作業(yè)，前軸刀輥進行切割作業(yè)，后軸刀輥在二次切割的同時也能進行防纏作業(yè)?！叭嵝缘丁钡男D(zhuǎn)容易產(chǎn)生自激風(fēng)場，吹走蔗葉，采用雙軸刀輥聯(lián)動設(shè)計，后軸刀輥旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的自激風(fēng)場能有效抵消前軸刀輥的自激風(fēng)場。（2）增加刀輥直徑，使切斷的蔗葉難以纏繞刀輥一周，從而實現(xiàn)蔗葉的防纏繞。

根據(jù)達朗貝爾原理建立空間坐標系，求解繞定軸轉(zhuǎn)動剛體中，穿過重心的慣性主軸稱為中心慣性主軸。因此，不產(chǎn)生軸承約束力的條件是剛體的旋轉(zhuǎn)軸是剛體的中心慣性主軸。根據(jù)動平衡和靜平衡原理，刀輥的穩(wěn)定性取決于刀輥上質(zhì)心是否在旋轉(zhuǎn)軸上。因此，對稱性是刀輥設(shè)計的關(guān)鍵部分。

柔性刀刀輥結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括切割組件、轉(zhuǎn)動軸、動力輸入組件和動力輸出組件。切割組件的數(shù)量設(shè)置為一對，且對稱分布于轉(zhuǎn)動軸中線的兩側(cè)。一個切割組件包括柔性刀1 和刀盤2，柔性刀通過刀盤固定于轉(zhuǎn)動軸3 上，動力輸入組件和動力輸出組件分別設(shè)于轉(zhuǎn)動軸的兩端。轉(zhuǎn)動軸與動力輸入組件連接的一端為動力輸入端，轉(zhuǎn)動軸與動力輸出組件連接的一端為動力輸出端。

圖2 刀輥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of knife roller

轉(zhuǎn)動軸上，刀盤2 的安裝處設(shè)有定軸套4 和動軸套5，定軸套和動軸套分別位于刀盤兩側(cè)，定軸套、刀盤和動軸套之間通過螺釘6 固定連接。為保證刀具工作狀態(tài)穩(wěn)定，各刀盤的定軸套、動軸套結(jié)構(gòu)、固定定軸套、刀盤和動軸套的螺釘數(shù)量相同并均勻分布。

動力輸入組件包括輸入帶輪7 和輸入帶8，輸入帶輪通過錐銷9 固定于轉(zhuǎn)動軸的動力輸入端，輸入帶輪通過輸入帶外接動力輸入機構(gòu)，其中輸入帶為三角帶。動力輸出組件包括輸出帶輪10 和輸出帶11，輸出帶輪通過錐銷9 固定于轉(zhuǎn)動軸的動力輸出端，輸出帶輪通過輸出帶外接動力輸出機構(gòu)，其中輸出帶為圓皮帶。轉(zhuǎn)動軸外周還設(shè)有套筒12。

柔性刀纏繞于刀盤內(nèi)部，柔性刀兩端從陣列孔伸出，根據(jù)實際需要其長度可調(diào)；轉(zhuǎn)動軸采用空心鋼管，質(zhì)量輕，有足夠的剛度，且使用便捷，針對蔗葉還田機的輕便、小動力角度而設(shè)計，綜合考慮材料的經(jīng)濟性和綜合力學(xué)性能，使用304 鋼[4]。

2 雙刀輥設(shè)計及其尺寸的確定

從鄭勇等[5]研究得出鮮蔗葉的力學(xué)性能明顯強于干蔗葉，這是由于蔗葉自身存在著柔韌的纖維組織，在切割過程中能為自身起到一定的減震緩沖作用，使其不容易被切斷[6]。若采用單刀輥方案，會由于自激風(fēng)場的原因?qū)⒄崛~吹跑或吹向空中，此時蔗葉由于缺少了地面給予的反作用力，自身變形大大削弱柔性刀的切割力，導(dǎo)致切割不充分甚至未形成有效切割。

針對上述問題，此處采用的雙刀輥設(shè)計方案，同時將底盤更換為履帶底盤，配合雙刀輥方案使用。橡膠履帶摩擦驅(qū)動式行走機構(gòu)具有較好的越障能力，在軟地質(zhì)環(huán)境、復(fù)雜地形具有較高的實用性[7]。履帶不僅接地比壓低，可以保護土壤，而且地形的適應(yīng)性強，同時也能夠壓實蔗葉進行切割，在還田機行進途中，履帶壓住蔗葉兩頭防止被吹飛，達到更好的切割效果。

柔性刀蔗葉還田雙刀輥傳動圖如圖3 所示，包括機架1、第1 柔性刀輥2、第2 柔性刀輥3 和驅(qū)動電機4。第1 柔性刀輥和第2 柔性刀輥并列設(shè)于機架上，第1 柔性刀輥一端通過動力輸入組件與驅(qū)動電機連接，另一端通過動力輸出組件與第2 柔性刀輥連接，驅(qū)動電機固定于機架上；按照蔗葉還田機的前進方向，第1 柔性刀輥和第2 柔性刀輥呈前后設(shè)置，雙刀輥同時使用：一方面，蔗葉還田機工作時，位于前方的柔性刀輥先對蔗葉作用，有一定的切斷效果，位于后方的柔性刀輥再作用，起到完全切斷蔗葉的效果，實現(xiàn)蔗葉充分切斷，達到農(nóng)藝要求；另一方面，單個刀輥的高速旋轉(zhuǎn)會形成一定的自激風(fēng)場，吹走蔗葉，影響切斷效果，雙刀輥的相反回轉(zhuǎn)，各自產(chǎn)生的自激風(fēng)場互補，使其得到改善，有利于蔗葉的切斷還田。

圖3 刀輥部分傳動圖Fig.3 Transmission diagram of blade roller part

刀輥的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計需要考慮如下幾個方面：（1）刀輥需滿足抗扭強度校核和抗彎強度校核；（2）實際工作時刀輥應(yīng)避開共振；（3）為節(jié)本降耗，刀輥質(zhì)量盡量小。

建立相應(yīng)的目標函數(shù)及其變量，借助MATLAB中多目標規(guī)劃方法[8]對上述條件模型編程優(yōu)化，求得最優(yōu)解。具體操作過程如下：

（1）目標函數(shù)的確定。根據(jù)蔗葉的實際長度，刀輥的長度設(shè)置為800 mm。由于刀輥的密度與長度一定，故刀輥質(zhì)量取決于刀輥截面積，可建立目標函數(shù)式

式中：x1，x2——刀輥的外徑和內(nèi)徑。

（2）抗扭強度約束條件的建立。如式（3）所示：

式中：Tmax——刀輥受到最大的扭矩；Wt——抗扭截面系數(shù)；α=x2/x1；[τ]——材料最大許用剪應(yīng)力。

（3）抗彎強度約束強度的建立。如式（5）所示：

式中：Mmax——刀輥受到最大的彎矩；Wz——抗彎截面系數(shù)；[σ]——材料的最大許用正應(yīng)力。

（4）避免共振約束條件的建立。刀輥的工作電機選用濟南科亞電子有限公司的90ZYT105 永磁直流電機及驅(qū)動器。刀輥外部激振頻率主要來自田地和驅(qū)動電機，田地激振頻率一般低于3 Hz，實測還田機工作電機轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，激振頻率為83.3 Hz。為避免共振，根據(jù)張春良[9]提出的一種固有頻率計算方法，可得約束條件如式（7）所示：

（5）根據(jù)工藝加工要求，壁厚大于4 mm，可得線性約束條件式為

采用MATLAB 多目標規(guī)劃函數(shù)中的最大最小化fminimax 函數(shù)，求解結(jié)果：x1=74.046 8 mm，x2=70.046 8 mm，F(xiàn)(x1，x2)=452.683 5 mm2。對結(jié)果進行圓整，得到刀輥優(yōu)化尺寸：外徑x1=74 mm，內(nèi)徑x2=70 mm。

3 刀輥運行穩(wěn)定性校核

根據(jù)MATLAB 計算給出的尺寸在ANSYS Workbench 中的模態(tài)分析功能進行刀輥運行穩(wěn)定性的校核。為減少刀輥分析過程的復(fù)雜程度，提高刀輥的分析效率，需對刀輥模型進行簡化，使用SolidWorks 建模，銷釘與鋼管連結(jié)處簡化為鋼管，皮帶輪與鋼管連結(jié)處、套筒與刀盤連結(jié)處視為焊接處理，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4。

圖4 刀輥網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Grid division drawing of knife roller

3.1 材料參數(shù)、約束與載荷的設(shè)置

刀輥材料選用304 鋼，該材料的彈性模量為190 GPa，密度為7 930 kg/m3，泊松比為0.29，對刀輥進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的精度并不是精度越高越好，一般情況下，在Auto Scale 方式（軟件默認顯示方式）顯示下如果紅色面積能夠完整占據(jù)2層單元，網(wǎng)格劃分精度可以被認為是足夠的，如果網(wǎng)格劃分精度過密，那么計算規(guī)模和存儲空間將迅速增加，降低計算效率。綜合比對，刀輥模型選擇設(shè)置整體單元大小為10 mm 且對模型適應(yīng)性較好的四面體網(wǎng)格，由于刀輥中部為危險區(qū)域，此處的網(wǎng)格精度應(yīng)較大，故此處設(shè)置網(wǎng)格為5 mm，這樣在危險區(qū)域進行高精度的網(wǎng)格劃分，既保證了運算精度，又提升了軟件運算效率。刀輥整體網(wǎng)格劃分如圖4 所示，共有63 641 個結(jié)點，31 420 個單元。

根據(jù)實際情況對刀輥模型進行施加約束和載荷，傳動鋼管兩端連結(jié)軸承，對兩端外圓面施加Compression Only Support 約束；重力對該模型的影響不能忽略，因此還需添加重力，方向為Y軸負方向，最后添加角速度，設(shè)置轉(zhuǎn)速為523.33 rad/s。

3.2 仿真驗證

對從MATLAB 計算得到的參數(shù)采用ANSYS Workbench 的模態(tài)分析功能對刀輥的工作進行仿真驗證。模態(tài)分析在實際的工程應(yīng)用中有重要意義，可以評價結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，避免共振，控制噪聲，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供指導(dǎo)[10]。對刀輥模型利用Workbench 的Model 模塊進行模態(tài)分析。蔗葉切斷還田機工作電機正常工作轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，激振頻率為83.3 Hz，屬于低頻振動，故需要關(guān)注的是低階模態(tài)，取前6 階振型。振型結(jié)果如表1、圖5 所示，振型圖如圖6 所示，振型圖中模型的變化不代表實際的變形量。

表1 模態(tài)分析結(jié)果Fig.1 Results of modal analysis

圖5 模態(tài)分析結(jié)果各階模態(tài)頻率與激振頻率圖Fig.5 Results of mode frequency and excitation frequency

圖6 模態(tài)分析圖Fig.6 Modal analysis map

由1 階模態(tài)頻率可知，刀輥在工作時的最低頻率為144.12 Hz，大于電機輸出的振動頻率83.3 Hz，由此可以保證刀輥在高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下避免共振的發(fā)生。

4 刀輥的收益效果與創(chuàng)新點

4.1 刀輥的創(chuàng)新點

（1）采用柔性刀特性，將柔性刀纏繞在刀盤上，刀盤和刀輥分離，可調(diào)節(jié)刀與刀之間距離來改變蔗葉的切斷長度，可滿足不同情況下蔗農(nóng)的要求。

（2）刀輥與刀輥之間距離可調(diào)，即可滿足類似作物的切斷，使之不局限于用于蔗葉還田，且還可用來改善纏繞刀輥問題。

（3）雙刀輥結(jié)合一方面可以更好地對蔗葉進行切割，另一方面可以將各自產(chǎn)生的自激風(fēng)場相互抵消，防止自激風(fēng)流把蔗葉吹跑，影響蔗葉的切割。

4.2 刀輥的收益效果

（1）刀輥結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活方便，設(shè)計合理，能達到切斷蔗葉還田的目的，符合現(xiàn)代農(nóng)藝要求。

（2）根據(jù)蔗葉還田機的作用方向，本雙刀輥柔性刀蔗葉還田組件采用前后設(shè)置的雙刀輥結(jié)構(gòu)，工作時對蔗葉進行兩次切割，一方面可使蔗葉切割更徹底，蔗葉還田的效果更好，另一方面雙刀輥的旋轉(zhuǎn)方向相反，各自產(chǎn)生的自激風(fēng)場互補，可平衡蔗葉還田機工作環(huán)境，有利于蔗葉的切斷還田。

（3）刀輥中，柔性刀和刀盤組成的切割組件直接設(shè)置于轉(zhuǎn)動軸上，其動力傳動原理簡單，動力輸入組件、轉(zhuǎn)動軸和動力輸出組件組成動力傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運行可靠。在蔗葉還田機中使用柔性刀具后，一定程度上可使整機重量輕，而且所需要的動力也小，因此對土地的壓持小，對甘蔗的來年生長影響也小。

（4）刀輥中，對蔗葉的切割采用柔性刀，改變傳統(tǒng)的刀具切割方式，以柔克柔，其好處是對小地塊多年生甘蔗宿根的傷害?。蝗嵝缘陡咚傩D(zhuǎn)后可形成鋒利的刀鋒，對蔗葉進行抽打、切斷，完全可以達到切斷還田的效果；另外，柔性刀通過刀盤固定，柔性刀纏繞于刀盤內(nèi)，安裝方便快捷，柔性刀的長度也可根據(jù)工作環(huán)境的不同要求進行調(diào)節(jié)，使用方便。

5 結(jié)語

（1）對刀輥進行了創(chuàng)新設(shè)計。充分利用了柔性刀特性，柔性刀盤繞在刀盤內(nèi)部，可根據(jù)需要進行柔性刀長度的調(diào)節(jié)，使柔性刀滿足多種工況需求。

（2）提出了雙刀輥方案，不僅使蔗葉的切斷更為充分，還通過雙刀輥旋轉(zhuǎn)方向相反，利用自激風(fēng)場抵消自激風(fēng)場的思想，有效緩解了柔性刀高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的自激風(fēng)場吹跑蔗葉的問題，同時還解決了蔗葉纏繞問題。

（3）對刀輥的最優(yōu)尺寸進行了確定。在刀輥的設(shè)計中涉及到多目標規(guī)劃的問題，利用MATLAB的fminimax 函數(shù)對刀輥的結(jié)構(gòu)尺寸進行了最優(yōu)求解，并利用ANSYS Workbench 對刀輥運行的穩(wěn)定性情況進行了驗證，該尺寸可保證刀輥在運行過程避免產(chǎn)生由驅(qū)動電機引起的共振。

本設(shè)計改變了傳統(tǒng)的刀具切割方式，對小地塊多年生甘蔗宿根的傷害小，達到蔗葉完全切斷還田，更好地實現(xiàn)廢棄物還田和資源的合理利用，為以后還田機的設(shè)計提供參考。