电动蔗叶还田机刀辊部件的创新设计

2023-09-20唐艳芹程思创方俊鑫王玉兴

农业装备与车辆工程 2023年9期

唐艳芹，程思创，方俊鑫，王玉兴

（510642 广东省广州市华南农业大学工程学院）

0 引言

甘蔗是我国重要的经济作物，据国家统计局统计，2020 年全国甘蔗播种面积达到1 390.73 khm2，产量10 812.1 万t。甘蔗叶作为甘蔗收获的田间废弃物，资源丰富，综合利用极具潜力，但目前开发利用程度低，利用形式简单,基本为田间焚烧[1]。

2005 年，华南农业大学开发了一种遥控蔗叶还田机，结构如图1 所示。该机采用遥控方式控制运行，用柔性刀高速旋转切割蔗叶，实现蔗叶还田，具有切断效果较好、结构简单、功耗小等特点。

图1 遥控蔗叶柔性切断还田机Fig.1 Remote control sugarcane leaf flexible cutting and returning machine

该设计的不足：（1）刀辊较细，切割过程中蔗叶容易缠绕刀辊，影响切割；（2）采用单刀辊切断还田，会形成自激风场，把蔗叶吹跑，对蔗叶的切割也不充分；（3）高速旋转下刀辊易发生振动。本文就刀辊部件进行创新设计，提出了解决方案。

1 刀辊部件的结构设计

郑侃等[2]梳理了旋耕机刀辊缠绕的危害。对蔗叶还田机而言，“柔性刀”的切割力依赖刀辊的高速旋转，而蔗叶缠绕增加了刀辊工作阻力，大大减小其转速，影响蔗叶还田机作业。为防止蔗叶缠绕，提出如下解决方案：（1）采用双轴刀辊联动设计。王子健等[3]在履带式双轴除草机中采用前轴除草与后轴防缠绕同步作业方式避免杂草缠绕。本文以该思路为基础，采用结构相同的双刀辊前后排布联合作业，前轴刀辊进行切割作业，后轴刀辊在二次切割的同时也能进行防缠作业。“柔性刀”的旋转容易产生自激风场，吹走蔗叶，采用双轴刀辊联动设计，后轴刀辊旋转产生的自激风场能有效抵消前轴刀辊的自激风场。（2）增加刀辊直径，使切断的蔗叶难以缠绕刀辊一周，从而实现蔗叶的防缠绕。

根据达朗贝尔原理建立空间坐标系，求解绕定轴转动刚体中，穿过重心的惯性主轴称为中心惯性主轴。因此，不产生轴承约束力的条件是刚体的旋转轴是刚体的中心惯性主轴。根据动平衡和静平衡原理，刀辊的稳定性取决于刀辊上质心是否在旋转轴上。因此，对称性是刀辊设计的关键部分。

柔性刀刀辊结构如图2 所示，包括切割组件、转动轴、动力输入组件和动力输出组件。切割组件的数量设置为一对，且对称分布于转动轴中线的两侧。一个切割组件包括柔性刀1 和刀盘2，柔性刀通过刀盘固定于转动轴3 上，动力输入组件和动力输出组件分别设于转动轴的两端。转动轴与动力输入组件连接的一端为动力输入端，转动轴与动力输出组件连接的一端为动力输出端。

图2 刀辊结构图Fig.2 Structure diagram of knife roller

转动轴上，刀盘2 的安装处设有定轴套4 和动轴套5，定轴套和动轴套分别位于刀盘两侧，定轴套、刀盘和动轴套之间通过螺钉6 固定连接。为保证刀具工作状态稳定，各刀盘的定轴套、动轴套结构、固定定轴套、刀盘和动轴套的螺钉数量相同并均匀分布。

动力输入组件包括输入带轮7 和输入带8，输入带轮通过锥销9 固定于转动轴的动力输入端，输入带轮通过输入带外接动力输入机构，其中输入带为三角带。动力输出组件包括输出带轮10 和输出带11，输出带轮通过锥销9 固定于转动轴的动力输出端，输出带轮通过输出带外接动力输出机构，其中输出带为圆皮带。转动轴外周还设有套筒12。

柔性刀缠绕于刀盘内部，柔性刀两端从阵列孔伸出，根据实际需要其长度可调；转动轴采用空心钢管，质量轻，有足够的刚度，且使用便捷，针对蔗叶还田机的轻便、小动力角度而设计，综合考虑材料的经济性和综合力学性能，使用304 钢[4]。

2 双刀辊设计及其尺寸的确定

从郑勇等[5]研究得出鲜蔗叶的力学性能明显强于干蔗叶，这是由于蔗叶自身存在着柔韧的纤维组织，在切割过程中能为自身起到一定的减震缓冲作用，使其不容易被切断[6]。若采用单刀辊方案，会由于自激风场的原因将蔗叶吹跑或吹向空中，此时蔗叶由于缺少了地面给予的反作用力，自身变形大大削弱柔性刀的切割力，导致切割不充分甚至未形成有效切割。

针对上述问题，此处采用的双刀辊设计方案，同时将底盘更换为履带底盘，配合双刀辊方案使用。橡胶履带摩擦驱动式行走机构具有较好的越障能力，在软地质环境、复杂地形具有较高的实用性[7]。履带不仅接地比压低，可以保护土壤，而且地形的适应性强，同时也能够压实蔗叶进行切割，在还田机行进途中，履带压住蔗叶两头防止被吹飞，达到更好的切割效果。

柔性刀蔗叶还田双刀辊传动图如图3 所示，包括机架1、第1 柔性刀辊2、第2 柔性刀辊3 和驱动电机4。第1 柔性刀辊和第2 柔性刀辊并列设于机架上，第1 柔性刀辊一端通过动力输入组件与驱动电机连接，另一端通过动力输出组件与第2 柔性刀辊连接，驱动电机固定于机架上；按照蔗叶还田机的前进方向，第1 柔性刀辊和第2 柔性刀辊呈前后设置，双刀辊同时使用：一方面，蔗叶还田机工作时，位于前方的柔性刀辊先对蔗叶作用，有一定的切断效果，位于后方的柔性刀辊再作用，起到完全切断蔗叶的效果，实现蔗叶充分切断，达到农艺要求；另一方面，单个刀辊的高速旋转会形成一定的自激风场，吹走蔗叶，影响切断效果，双刀辊的相反回转，各自产生的自激风场互补，使其得到改善，有利于蔗叶的切断还田。

图3 刀辊部分传动图Fig.3 Transmission diagram of blade roller part

刀辊的结构尺寸设计需要考虑如下几个方面：（1）刀辊需满足抗扭强度校核和抗弯强度校核；（2）实际工作时刀辊应避开共振；（3）为节本降耗，刀辊质量尽量小。

建立相应的目标函数及其变量，借助MATLAB中多目标规划方法[8]对上述条件模型编程优化，求得最优解。具体操作过程如下：

（1）目标函数的确定。根据蔗叶的实际长度，刀辊的长度设置为800 mm。由于刀辊的密度与长度一定，故刀辊质量取决于刀辊截面积，可建立目标函数式

式中：x1，x2——刀辊的外径和内径。

（2）抗扭强度约束条件的建立。如式（3）所示：

式中：Tmax——刀辊受到最大的扭矩；Wt——抗扭截面系数；α=x2/x1；[τ]——材料最大许用剪应力。

（3）抗弯强度约束强度的建立。如式（5）所示：

式中：Mmax——刀辊受到最大的弯矩；Wz——抗弯截面系数；[σ]——材料的最大许用正应力。

（4）避免共振约束条件的建立。刀辊的工作电机选用济南科亚电子有限公司的90ZYT105 永磁直流电机及驱动器。刀辊外部激振频率主要来自田地和驱动电机，田地激振频率一般低于3 Hz，实测还田机工作电机转速为5 000 r/min，激振频率为83.3 Hz。为避免共振，根据张春良[9]提出的一种固有频率计算方法，可得约束条件如式（7）所示：

（5）根据工艺加工要求，壁厚大于4 mm，可得线性约束条件式为

采用MATLAB 多目标规划函数中的最大最小化fminimax 函数，求解结果：x1=74.046 8 mm，x2=70.046 8 mm，F(x1，x2)=452.683 5 mm2。对结果进行圆整，得到刀辊优化尺寸：外径x1=74 mm，内径x2=70 mm。

3 刀辊运行稳定性校核

根据MATLAB 计算给出的尺寸在ANSYS Workbench 中的模态分析功能进行刀辊运行稳定性的校核。为减少刀辊分析过程的复杂程度，提高刀辊的分析效率，需对刀辊模型进行简化，使用SolidWorks 建模，销钉与钢管连结处简化为钢管，皮带轮与钢管连结处、套筒与刀盘连结处视为焊接处理，网格划分结果如图4。

图4 刀辊网格划分图Fig.4 Grid division drawing of knife roller

3.1 材料参数、约束与载荷的设置

刀辊材料选用304 钢，该材料的弹性模量为190 GPa，密度为7 930 kg/m3，泊松比为0.29，对刀辊进行网格划分，网格划分的精度并不是精度越高越好，一般情况下，在Auto Scale 方式（软件默认显示方式）显示下如果红色面积能够完整占据2层单元，网格划分精度可以被认为是足够的，如果网格划分精度过密，那么计算规模和存储空间将迅速增加，降低计算效率。综合比对，刀辊模型选择设置整体单元大小为10 mm 且对模型适应性较好的四面体网格，由于刀辊中部为危险区域，此处的网格精度应较大，故此处设置网格为5 mm，这样在危险区域进行高精度的网格划分，既保证了运算精度，又提升了软件运算效率。刀辊整体网格划分如图4 所示，共有63 641 个结点，31 420 个单元。

根据实际情况对刀辊模型进行施加约束和载荷，传动钢管两端连结轴承，对两端外圆面施加Compression Only Support 约束；重力对该模型的影响不能忽略，因此还需添加重力，方向为Y轴负方向，最后添加角速度，设置转速为523.33 rad/s。

3.2 仿真验证

对从MATLAB 计算得到的参数采用ANSYS Workbench 的模态分析功能对刀辊的工作进行仿真验证。模态分析在实际的工程应用中有重要意义，可以评价结构的动态特性，避免共振，控制噪声，为结构优化设计提供指导[10]。对刀辊模型利用Workbench 的Model 模块进行模态分析。蔗叶切断还田机工作电机正常工作转速为5 000 r/min，激振频率为83.3 Hz，属于低频振动，故需要关注的是低阶模态，取前6 阶振型。振型结果如表1、图5 所示，振型图如图6 所示，振型图中模型的变化不代表实际的变形量。

表1 模态分析结果Fig.1 Results of modal analysis

图5 模态分析结果各阶模态频率与激振频率图Fig.5 Results of mode frequency and excitation frequency

图6 模态分析图Fig.6 Modal analysis map

由1 阶模态频率可知，刀辊在工作时的最低频率为144.12 Hz，大于电机输出的振动频率83.3 Hz，由此可以保证刀辊在高速旋转的状态下避免共振的发生。

4 刀辊的收益效果与创新点

4.1 刀辊的创新点

（1）采用柔性刀特性，将柔性刀缠绕在刀盘上，刀盘和刀辊分离，可调节刀与刀之间距离来改变蔗叶的切断长度，可满足不同情况下蔗农的要求。

（2）刀辊与刀辊之间距离可调，即可满足类似作物的切断，使之不局限于用于蔗叶还田，且还可用来改善缠绕刀辊问题。

（3）双刀辊结合一方面可以更好地对蔗叶进行切割，另一方面可以将各自产生的自激风场相互抵消，防止自激风流把蔗叶吹跑，影响蔗叶的切割。

4.2 刀辊的收益效果

（1）刀辊结构简单，使用灵活方便，设计合理，能达到切断蔗叶还田的目的，符合现代农艺要求。

（2）根据蔗叶还田机的作用方向，本双刀辊柔性刀蔗叶还田组件采用前后设置的双刀辊结构，工作时对蔗叶进行两次切割，一方面可使蔗叶切割更彻底，蔗叶还田的效果更好，另一方面双刀辊的旋转方向相反，各自产生的自激风场互补，可平衡蔗叶还田机工作环境，有利于蔗叶的切断还田。

（3）刀辊中，柔性刀和刀盘组成的切割组件直接设置于转动轴上，其动力传动原理简单，动力输入组件、转动轴和动力输出组件组成动力传动机构结构稳定，运行可靠。在蔗叶还田机中使用柔性刀具后，一定程度上可使整机重量轻，而且所需要的动力也小，因此对土地的压持小，对甘蔗的来年生长影响也小。

（4）刀辊中，对蔗叶的切割采用柔性刀，改变传统的刀具切割方式，以柔克柔，其好处是对小地块多年生甘蔗宿根的伤害小；柔性刀高速旋转后可形成锋利的刀锋，对蔗叶进行抽打、切断，完全可以达到切断还田的效果；另外，柔性刀通过刀盘固定，柔性刀缠绕于刀盘内，安装方便快捷，柔性刀的长度也可根据工作环境的不同要求进行调节，使用方便。