小型甘蔗收获机根部切割器结构设计_向家伟

2008年4月

农业机械学报

第39卷第4期

小型甘蔗收获机根部切割器结构设计

*

向家伟 杨连发 李尚平

=摘要> 根据小型甘蔗收获机的特点和最优切割参数设计了具有合理结构型式的刀片,进而设计出根部切割器。运用工程分析软件对刀片和根部切割器进行结构运动学和动静力学分析,验证了其结构可靠性和切割性能,并获得机构的固有频率和可能出现的破坏形式。运用3-D 建模软件确定了根部切割器的三维模型图,用于小型甘蔗收获机根部切割器物理样机的开发。

关键词:甘蔗收获机 根部切割器 刀片 结构设计中图分类号:S225

文献标识码:A

Structural Design of the Base Cutter for Min-i type Sugarcane Harvester

Xiang Jiaw ei 1 Yang Lianfa 1 Li Shangping 2

(1.Guilin Univer sity of Electronic Technology 2.G uangx i University )

Abstract

According to the characteristics of m in-i type sug arcane harvester and optim al crop parameters,the knife w as designed w ith reasonable structures.Consequently,the sugarcane harvester base cutter was designed.T he engineering analysis softw are w as employed to accomplish analyzing the structural kinetic,static and dynamic analysis of the knife and the corresponding sugarcane harvester base cutter.T hen the structural reliability and crop performance w ere validated.The natural frequencies of the designed base cutter and its possible destroy forms w ere also attained,w hich provided some references for sugarcane harvester designing.The 3-D model software w as applied to plot the 3-D model of the base cutter.It can be used for the exploitation of the physical prototy pe for further applications.

Key words Sug arcane harvester,Base cutter,Knife,Structural desig n

收稿日期:2007-02-01

*广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课题

向家伟 桂林电子科技大学机电工程学院 副教授 博士,541004 广西区桂林市杨连发 桂林电子科技大学机电工程学院 教授 博士

李尚平 广西大学机械工程学院 教授 博士,530004 南宁市

引言

砍蔗是甘蔗收获过程的关键环节。对甘蔗收获机根部切割器的要求是:切割性能好、能量消耗小、制造成本低、使用寿命长。在田间收获作业时,由于甘蔗生长密度不均,茎秆粗细不匀,切割器入土工作条件恶劣,致使切割器结构承受很大的冲击负荷与随机激励,对收获机整机性能的影响很大。目前,国内外对甘蔗收获机根部切割器的研究较少,且主要针对大型甘蔗收获机。文献[1]针对大型甘蔗收获机研究了切割器设计问题,该切割器切割效率高,但功率消耗大;文献[2]对大型甘蔗收获

机双刀盘切割器进行了运动学分析;文献[3]研究了基于灵敏度的甘蔗收获机切割器动态设计问题。本文在参照他人对甘蔗切割机理研究成果的基

础上[4],根据小型甘蔗收获机特点和最优切割参数设计出具有合理结构型式的刀片,进而设计出根部切割器。根据文献[5]设计的小型甘蔗收获机扶蔗机构和文献[6]设计的断尾机构,构成适合于南方丘陵地区小型甘蔗收获机的核心部件。

1 刀片的结构型式及分析

111 刀片结构型式

收获机械切割器的刀片应该具有耐磨性好、硬

度高、弹性好、变形小、韧性好等特点。同时应该考虑到小型收获机械的经济性,降低成本。本文选用65Mn 钢作为制造刀片的材料,刀片厚度为6mm 。甘蔗收获机切割器刀刃一般采用直线型,其型式由图1a 、1b 所示的2种。在粗茎秆作物切割中,经常采用双面梯形刀片的结构型式,其优点是刀片在切割时滑切作用好、刀片寿命长,一般用于大型收获机械切割器中;矩形刀片滑切效果不理想、刀片的寿命低,尤其是刀刃的尖点会因为频繁地碰撞蔗茎或受到瞬时载荷的作用而失效。本文提出如图1c 所示单面多刃刀片,它综合了矩形刀片和双面梯形刀片的优点。切割时第1切削刀刃滑切角大,滑切效果好;第2切削刀刃滑切角小,砍切作用大。同时,可以采取结构的措施使得第3切削刃参与切割的时间很短,参与切割的机会少;并且第3切削刃滑切角很大,寿命长。具体结构如图2

所示。

图1 刀片型式F ig.1 T y pes of knives

(a)双面梯形刀片 (b)矩形刀片 (c)单面多刃刀片

图2 多刃刀片结构图

F ig.2 Structural plot of mult-i edge knife

甘蔗收获机切割器刀片在实际切割过程中大部分时间是刀刃的中间偏上部位在进行切割,最先起切割作用的是第3切削刃[4]。考虑到甘蔗的平均蔗径在25mm 左右

[7]

,因此刀片第1切削刃(主切削

刃)切割高度定为25mm;第2切削刃切割高度定为20mm ;第3切削刃的切割高度由刀片在刀盘上的悬伸长度(50mm)、第1切削刃和第2切削刃的切割高度确定为5mm 。第1切削刃选用较优的刀刃

滑切角26b [7]

;第2切削刃选用较小的滑切角10b ;

第3切削刃的滑切角由其他尺寸决定,其滑切角经计算为83156b 。第3切削刃由于滑切角大导致切割作用小,可起到缓冲作用,从而使切割过程平稳。刀片的切割过程主要由第1切削刃来完成,切割损失和切割功耗小,而且切割过程平稳。为避免在刀片切削刃之间的尖点出现应力集中现象,第1、2、3切削刃之间采用半径为R 5的过渡圆弧。112 刀片结构静力学分析

对刀片进行静力学分析以校核其强度。一般应该考虑载荷为:刀片旋转时的惯性力、刀片碰撞甘蔗时瞬间作用力、紧固螺栓预紧力等。将实际测出的三向力各自乘以较大的系数B (B =10),则加载力为:F X =8914N,F Y =2918N,F Z =1419N [7],作用在第1切削刃中点。采用3D 实体SOLID45单元(ANSYS 软件[8])进行分析。65Mn 钢的弹性模量E =2104722@105MPa,泊松比为013。图3为多刃刀片应力云图。

图3 多刃刀片应力云图

Fig.3 Str ess nephogram of mult-i edge knife

由图3可看出,在集中力作用点附近的应力集

中程度与不采用过渡圆角的刀片(文中未给出)相比,显著降低,并且整个刀片的应力分布均匀,应力最大值为12133M Pa,远低于许用应力值316M Pa 。其安全裕度为2516。用图3中A 点应力值11373MPa 与实验应力测试中相应位置应力实测值11183MPa [6]比较,可知系数取10是合理的。113 刀片工作原理及运动分析

多刃刀片与单刃刀片工作原理一样[9],采用多刃的主要原因在于:第3切削刃采用大滑切角起到缓冲作用,从而切割过程平稳;刀片切割过程主要由采用最优切割参数的第1切削刃来完成,以减少切割损失和降低切割功耗。运动学分析采用ADAMS [10]软件,对刀片各切削刃的运动轨迹进行分析。刀片切割过程运动学仿真模型如图4所示。两刀盘的转速均为685r/m in,左刀盘顺时针转动,右刀盘逆时针转动。前进速度为016m/s 。

通过ADAM S 仿真分析,得到整个切割高度的

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