双动刀往复式甘蔗切割器设计及分析

袁　洁，尹志宏，朱佳明

（昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650500）

双动刀往复式甘蔗切割器设计及分析

袁洁，尹志宏，朱佳明

（昆明理工大学 机电工程学院，昆明 650500）

为了解决小型甘蔗切割器单动刀工作时存在的平衡能力差、切割速度低、容易卡滞堵塞等问题，进行了小型甘蔗切割器的改进设计。采用双曲柄连杆机构带动两组刀片彼此反向切割的双动切割装置机构，对割刀位移、速度、加速度进行运动学仿真分析，并对动刀片结构参数进行了优化设计，同时确定了最佳切割速比K=1.8。研究结果为甘蔗切割器的进一步优化设计和实验提供了参考依据。

双动；甘蔗切割器；运动学；切割速比

0　引言

甘蔗收割机机械化已成为我国甘蔗生产迫切需要解决的问题。由于我国甘蔗种植区域多数是丘陵地带，且受季风和台风的影响，目前我国市场上还没有适合我国甘蔗种植和收获情况的、具有自主知识产权的甘蔗收获产品［1，2］。目前，大部分小型收割机的切割传动机构采用齿轮机构和曲柄摇杆机构的组合带动割刀实现往复式运动，但是往复式甘蔗切割机多为单动刀，工作时平衡能力差，动刀运动频率低，容易卡滞堵塞。而双动刀往复式是两组刀片彼此相向切割，作业速度快，工作效率更高［3～6］。因此针对这些问题，设计一种双动刀往复式切割器并对其关键部件进行研究，以获得较好的结构参数和切割功效。

1　基本结构设计及工作原理

1.1基本结构设计

双动刀往复式切割器传动机构如图1所示，主要由箱体1、上臂2、下臂3、动力输入轴4、大锥齿轮5、小锥齿轮6和偏心机构组成。动力输出轴一端为花键形式与外接动力连接，另一端与大锥齿轮固定连接；小锥齿轮6安装在偏心机构总成上，并与大锥齿轮5啮合；偏心机构总成与上臂2、下臂3分别连接，带动其做往复运动。其中偏心轴式双曲柄连杆机构主要由摇杆和连杆组成，通过上下两组对称的曲柄连杆机构带动上下动刀组做往复式运动，完成切割作业。

图1　传动箱剖面结构示意图

1.2传动机构工作原理

往复式双动刀甘蔗切割器采用前置式与小型轮式拖拉机挂接，其传动机构工作结构如图2所示。

图2　传动机构图

偏心轴上有两个平行且错开一定角度的偏心轮，上下摆臂轴分别外接上下臂。外接动力通过花键带动输入轴转动，动力输入轴通过与其固定安装的大锥齿轮以及与其啮合的小锥齿轮将动力传至偏心轴处，带动偏心轴以及上下偏心臂旋转。上偏心臂通过销钉带动上摆臂转动，下偏心臂通过销轴带动下摆臂转动，上臂与下臂分别由上摆臂轴与下摆臂轴带动做往复运动。

2　主要部件设计及参数确定

2.1切割器割幅及动刀片结构参数确定

往复式切割器是收割机的主要工作部件，其割幅应该尽量大，但大的割幅将会有大的惯性振动与功率消耗，同时也会大大降低切割机在丘陵地带作业的灵活性。本切割器的切割方式采用往复式上下双动刀切割，工作幅宽为0.75m～1.20m。

动刀片是切割器的主要工作零部件，对刀片的要求为材料硬度高，耐磨，具有一定的弹性。如图3所示，上下割刀刀片两侧为切割齿刃，且分布有均匀的齿纹，因此切割阻力较大，但不需要磨刀，使用方便切割效率高，切割能力强，并且对粗、细茎干均有较好的适应性。按照国际规定，刀片材料为T9碳素工具钢，刃部淬火和回火。用于甘蔗切割的往复式甘蔗切割器按照切割行程S、刀片间距（上刀片间距t1，下刀片间距t2）的关系可分为Ⅰ型、Ⅱ型两种型式，其中：

图3　切割器动刀片结构示意图

动刀片的几何形状对切割器的工作可靠性和功率消耗有较大影响，因此在本次设计中，切割器刀片选择为外形轮廓为六边形的梯形动刀片，如图3所示，主要结构参数：刃部高度h=55mm，刀片底宽c=62mm，前桥宽b=18mm，刀片厚度d=4mm，滑切角α=22°；两相邻刀片间的参数：刀片节距t=70mm，相邻刀片刃口底边间距e=8mm，割刀行程s=t/2=35mm。

2.2无急回双曲柄摇杆机构设计

要实现旋转运动到双刀的往复式运动，必须有一个中间传动机构。双曲柄摇杆机构的作用是将传动机构中的回转运动转变为刀片的往复式运动，对往复式偏心机构的空间结构分析可知，其运行方式可以由两个曲柄连杆机构组成，且这两个曲柄连杆机构分布在相互平行的两个平面上。通过简化，其传动简图如图4所示。

图4　传动机构简图

由图4可知，四边形O1A1B1O2与O1A2B2O2构成对称的双曲柄摇杆机构，为使在切割过程中，切割效果稳定，采用无急回特性的曲柄摇杆机构。其行程比系数K=1（极位夹角0=θ=0），存在的充要条件是曲柄与机架的平方和等于连杆与摇杆的平方和。已知割刀行程s=35mm，根据作图分析得曲柄r=8mm，设定机架I4=100mm，I2=65mm，根据公式I21+I24=I22+I23，可得I3=76.4mm，确定了机构中各杆件的长度及相互位置关系。

2.3切割器功率消耗估算

切割器在作用过程中，发动机用于驱动往复式切割器上下动刀做往复剪切运动。影响功率消耗的因素很多，主要有机组前进速度，切割幅宽，上下动刀往复速度，甘蔗茎坚硬度等。由于切割器在工作时的功率消耗影响因素较多，采用经验公式进行计算［7］。切割器总的功率消耗p包括切割作业时的功率p1及空转功率p2，即：

式中：vm为切割器作业速度，m/s；

B为切割幅宽，m；

l0为茎干切割比功，J/m2。

本机与小型手扶拖拉机配套使用，前进速度vm=0.556m/s，即拖拉机Ⅱ档=2.0km/h，B=1.0m，切割甘蔗时l0取300，p2与切割器的安装技术有关，一般每米割幅需消耗功率0.6kw～1.2kw，本切割器取p2=0.9kw。将上述已知参数代入经验公式，得p=1.07kw。

3　往复式双动割刀的运动仿真及其切割速比

3.1机构运动数学模型的建立

在双曲柄摇杆机构中，因其上下对称，取其中一个曲柄摇杆机构对其进行运动分析。如图所示，曲柄AB为原动件，以等角速度1ω转动，各构件的长度分别为I1，I2，I3，I4，连杆BC，摇杆CD的转速及角加速度分别为2ω ，3ω，2α，3α。得封闭矢量方程：

分别对x和y轴投影，得代数方程：

将式对时间求导，得到有关角速度和角加速度的矩阵方程：

图5　四杆机构简图

3.2切割器运动仿真

在MATLAB7.0环境下对曲柄摇杆机构进行运动仿真，为了计算方便，将初始位置取在曲柄转至与X轴正向重合时，输入各杆件的长度以及曲柄角速度，分别得出摇杆与连杆的角速度、角加速度、角位移曲线图。通过图6～图8，我们可以直观的得连杆与摇杆的运动规律，从而达到运动分析的目的。

图6　角速度分析界面

图7　角加速度分析界面

图8　角位移分析界面

3.3往复式割刀切割速比

切割速比对切割性能的影响较大，切割器在实际工作时，如果切割速比K过小，则割茬不整齐，漏割，切割质量不稳定，若切割比K过大，则可能发生重割，或造成机器的振动加剧。割刀的进距H就是割刀完成一次行程的时间内机器前进的距离，割刀的进距对切割器的工作性能影响较大，表现在切割器动刀刃的切割能力方面。割刀进距的计算公式为：

式中：H为割刀进距；vm为机器前进速度；n为曲柄转速；

切割速比K表示割刀速度与机器前进速度之间的关系：

【】【】

经过计算，当曲柄主轴转速为900r/min，切割器平均速度vf=1.05m/s，收割机平均作业速度vm=0.556m/s时，切割器选标准Ⅱ型，为保证切割质量，应选择恰当的切割速比。通过实验得出，当切割速比K≥1.6时，未发生割茬不齐或切割质量不稳定的现象，因此，本切割器K=1.8设计合理。

4　结论

针对单动刀甘蔗切割器切割效果不佳的状况，设计了往复式双动刀甘蔗切割器。双动切割与单动切割相比，工作时的动态平衡优越，刀片往复次数高，工作效率更高，作业速度更快。对切割装置中动刀片的结构参数、割刀的传动机构进行了设计和计算，对双动割刀进行了位移、速度、加速度等运动分析，得出了其最佳切割速比。因此，该机构满足甘蔗收割时的作业要求。

［1］ 方卫山，杨俊敏，牛宪伟，杨云福，王华准，汤瑞学.云南山地甘蔗收割机发动机的动力匹配［J］.农业工程，2012，09:59-62.

［2］ 牛宪伟，方卫山，杨俊敏，杨云福，王华准，汤瑞学.云南省甘蔗收获机械发展浅谈及小型甘蔗收割机介绍［J］.农业开发与装备，2012，05:38-40.

［3］ 王攀峰，尚士友，刘海亮，杨文辉，王小军.9GSCC-1.4H水草收割机切割装置改进设计［J］.农机化研究，2010，09:69-72.

［4］ 徐秀英.小型牧草收获机械的设计［D］.南京农业大学，2004.

［5］ 刘庆庭，区颖刚，卿上乐，王万章.甘蔗茎秆切割机理研究［J］.农机化研究，2007，01:21-24.

［6］ 向家伟，杨连发，李尚平.小型甘蔗收获机根部切割器结构设计［J］.农业机械学报，2008，04:56-59.

［7］ 方世杰.无急回特性曲柄摇杆机构的设计［J］.机械设计，2001，04:33-34.

Design and analysis of the double knives reciprocating cutter

YUAN Jie，YIN Zhi-hong，ZHU Jia-ming

TH16；S225.5+3

A

1009-0134（2016）09-0106-03

2016-05-20

袁洁（1990 -），男，陕西韩城人，硕士研究生，研究方向为结构理论分析与优化设计。