王毅等

摘要：根據(jù)南方冬種馬鈴薯機械化收獲的農(nóng)藝要求，仿照馬鈴薯播種機所形成的壟形，設(shè)計一種適合于南方冬種馬鈴薯的殺秧除草設(shè)備。利用SolidWork設(shè)計傳動系統(tǒng)、刀輥和刀具，并對刀具進行有限元受力分析。受力仿真分析及刀輥動平衡試驗結(jié)果表明，馬鈴薯殺秧機能夠滿足設(shè)計的要求。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯殺秧機；SolidWork；設(shè)計；刀具；傳動系統(tǒng)；刀輥；受力分析

中圖分類號：S223.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）01-0020-03

冬種馬鈴薯是廣東地區(qū)冬季的主要經(jīng)濟作物之一，利用南方晚稻收割后的冬閑田種植，一般100 d左右即可收獲上市。在馬鈴薯接近成熟的時候，應(yīng)及時對馬鈴薯苗進行割秧，一般在收獲前7～12 d進行，促使薯皮進一步木栓化，降低機械化收獲時的表皮破壞率。因此，在進行機械化收獲前對馬鈴薯進行殺秧除草尤為重要。人工割草割秧費時費力，而且成本高，如進行機械化割秧，不僅可以大大減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率，還可以將植株和雜草直接打碎，起到秸稈還田的作用。

1 馬鈴薯殺秧機的整體結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計依據(jù)

1.1.1 農(nóng)藝要求 研制馬鈴薯機械化割秧設(shè)備時，應(yīng)充分考慮馬鈴薯機械化播種的起壟寬度、高度和壟形。為此，馬鈴薯殺秧機的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)課題組研制的一種適合南方水田的馬鈴薯播種機設(shè)計。播種后的壟寬80 cm、壟高35 cm、溝寬30 cm，泥塊含水量在35%左右進行起壟，壟兩邊陡度約為75°。壟的形狀如圖1所示。

1.1.2 秸稈粉碎還田機械 傳統(tǒng)的秸稈還田機械先收獲作物，再進行秸稈粉碎還田并拋灑到田間，而馬鈴薯殺秧機則是清除作物的莖葉和周圍雜草后再進行機械化挖掘工序，所以作業(yè)時不破壞土中的馬鈴薯是關(guān)鍵。直立的秧苗和雜草便于殺秧，而倒伏的則需要外力使其直立后再切割。

秸稈粉碎還田機大多由拖拉機懸掛、變速裝置、皮帶傳動部分、支撐行走部分、入料裝置、粉碎機構(gòu)以及防護部分組成。其中粉碎部分是核心工作部件，其主要由刀輥、軸承和刀片組成。為避免碰傷馬鈴薯，設(shè)計和制造時將刀輥切刀按圖1的壟型排列；為使倒伏的秧苗和雜草直立，在刀輥高速旋轉(zhuǎn)時形成負(fù)壓區(qū)，即切割區(qū)域形成比較封閉的機械裝置。

1.2 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬鈴薯殺秧機結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。整機主要由懸掛架、機架、防護罩、刀輥、主動軸、變速箱、傳動軸、主動皮帶輪、刀軸皮帶輪、仿形刀、刀軸等組成。機具通過懸掛架與拖拉機相連接。當(dāng)拖拉機作業(yè)時，由拖拉機動力輸出軸將動力由變速箱前端軸傳送到殺秧機變速箱，并通過齒輪的變向動力傳送到主動皮帶輪，主動皮帶輪通過皮帶將動力傳送到刀軸皮帶輪，刀軸皮帶輪帶動刀軸高速旋轉(zhuǎn)，完成切碎秧稈作業(yè)。同時，刀軸高速旋轉(zhuǎn)形成的負(fù)壓，吸附地面倒伏的馬鈴薯秧苗和雜草使其直立，以便于被切碎并高速拋出，從而完成殺秧除草作業(yè)。

2 馬鈴薯殺秧機關(guān)鍵零部件設(shè)計

2.1 傳動部分

傳動部分設(shè)計方案為：拖拉機的動力經(jīng)萬向節(jié)傳遞給變速箱，然后經(jīng)一對圓錐齒輪和主、被動皮帶輪增速后，帶動刀輥和刀具一起高速旋轉(zhuǎn)。設(shè)計特點是結(jié)構(gòu)簡單、效率高、容易制造、使用壽命較長、維護方便、裝拆容易、工作可靠。傳動路線如圖3所示，其中軸1為動力輸入軸；軸2為減速齒輪與帶輪傳動軸；軸3為帶輪與懸掛軸的傳動軸。

根據(jù)機械原理合理分配傳動比，初步選定各齒數(shù)如表1所示。

2.1.1 各軸轉(zhuǎn)速 軸1的n1=540 r/min；軸2的n2= n1/u1=540/0.714=756（r/min）；軸3的n3=n2/u2=756/0.756=1000（r/min）。

2.1.2 各傳動副效率 圓錐齒輪傳動η1=0.96；每對滾動軸承的傳動效率η2=0.98；皮帶的傳動效率η3=0.98。

2.1.3 各軸的傳遞功率 工作軸3的P3=P消耗=40 kW；傳動軸2的P2=P3/η2η3=40/（0.98×0.98）≈41.65（kW）；輸入軸1的P1=P2/η1η2=41.65/（0.96×0.98）≈44.27（kW）。

2.1.4 各軸傳遞轉(zhuǎn)矩 T1=9.55×106×P1/n1≈0.783×106（N·mm）；T2=9.55×106×P2/n2≈0.526×106（N·mm）；T3=9.55×106×P3/n3≈0.382×106（N·mm）。

3.2 刀輥的設(shè)計與校核

在殺秧機的設(shè)計中，刀輥的工作環(huán)境最為惡劣，主要受扭矩作用，需要校核。選擇經(jīng)調(diào)制處理的45號鋼，其許用應(yīng)力[τ]=60 MPa。為了簡化計算，把所有刀片的受力集中于輥軸的中部，得到如圖4所示的扭矩模型。

由圖4可知，該軸扭矩T=0.382×106 N·mm。

抗扭截面模量為：Wmax=0.1D3（1-α4）=0.1×703×（1-0.54）=3 2156.25（mm3），其中α=d/D=35/70。

因τmax=T/Wt=M1/Wt=382/32 156=12MPa﹤[τ]，故設(shè)計合格。

3.3 刀具的設(shè)計與受力仿真

刀輥上的刀具根據(jù)壟型排列，即兩邊排列長刀具，中間排列短刀具。

長刀具采用直型設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造容易的特點。其高速旋轉(zhuǎn)時，粉碎效果好，尤其適用于有一定韌性的秸稈。該類甩刀體積小，運轉(zhuǎn)時阻力小，故消耗的功率較小。設(shè)所受的力為103 N，設(shè)計和受力分析校核如圖5所示，在所受應(yīng)力最大狀況下，甩刀所受最大應(yīng)力為σmax=2.24×105 N/m2；甩刀許用應(yīng)力為[σ]= 6.68×108 N/m2。由于該機甩刀所受的最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力，故甩刀有足夠的強度。

短刀具選用L型刀具，曲刃刀以滑切的方式切斷根茬，減少切割阻力，能明顯降低切斷速度。設(shè)所受的力為103 N，設(shè)計和受力分析校核如圖6所示。在所受應(yīng)力最大狀況下，甩刀所受最大應(yīng)力σmax=3.81×105 N/m2；甩刀許用應(yīng)力[σ]= 6.68×108 N/m2。該短刀具所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，故短刀具有足夠的強度。

4 刀輥的運動仿真分析

刀輥安裝各類刀具后，需要進行動平衡校核。如果有偏心現(xiàn)象，會產(chǎn)生比較大的離心力，從而破壞機具。利用SolidWorks中的COS-MOS Motion模塊，對由刀輥和甩刀組成的裝配圖進行模擬仿真。

4.1 設(shè)置仿真參數(shù)

4.1.1 創(chuàng)建運動副 運動副代表兩構(gòu)件之間的連接方式，因為刀輥兩端通過軸承與機架相連，故可認(rèn)為是一個整體，通過兩端軸承做勻速轉(zhuǎn)動?？稍诘遁伒膬啥朔謩e設(shè)置2個回轉(zhuǎn)副，甩刀與銷子約束為同軸，有一個轉(zhuǎn)動副，并在其中一個轉(zhuǎn)動副的Motion Driver中填入相應(yīng)的運動規(guī)律。

4.1.2 定義3D碰撞 甩刀與銷子約束為同軸，有一個轉(zhuǎn)動副，在COS-MOS Motion界面定義3D碰撞，選擇動刀輥為容器，將其余甩刀設(shè)為可與第一個容器中的動刀輥碰撞的零件。

4.1.3 阻尼系數(shù)的設(shè)置 對甩刀和銷子添加旋轉(zhuǎn)阻尼，可以在運動過程中逐步消耗能量，降低運動響應(yīng)，對甩刀與銷軸的相對運動起反力。選擇第1個部件為甩刀，第2個部件為銷軸，選擇位置為甩刀與銷軸的接觸圓弧線，選擇方向為甩刀的側(cè)面。通常情況下，阻尼系數(shù)是剛度的0.1%～1.0%?，F(xiàn)取50 N/（mm·s）。

4.2 動刀輥動平衡的校核

動刀輥兩端軸承受力為自身重力及壓軸力，并受到扭矩作用。刀具在作業(yè)時影響刀輥平衡。根據(jù)刀輥質(zhì)心的運動幅度可知，在刀輥作業(yè)時實際質(zhì)心是以理論質(zhì)心為圓心、半徑20.559～20.579 mm的圓周上，其振動幅度符合農(nóng)藝要求。

5 結(jié)語

根據(jù)南方冬種馬鈴薯機械化作業(yè)的農(nóng)藝要求，確定馬鈴薯殺秧機的整體結(jié)構(gòu)，對關(guān)鍵的零部件傳動部分、刀輥和刀具進行設(shè)計。刀具的受力仿真分析以及刀輥動平衡試驗結(jié)果都表明，馬鈴薯殺秧機能夠滿足設(shè)計的要求。

參考文獻

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Abstract： A kind of machine for killing potato stem in southern winter cultivation is designed according to the agronomy requirements of the southern winter potato mechanization harvest； it copied the ridge shape formed by potato seeder. It used SolidWork to design transmission system， knife roll and tool， and did finite element stress analysis to the knife tools. The result of stress simulation analysis and knife roll dynamic balancing test shows that potato killing stem machine can meet the request of the design.

Key words： potato killing stem machine； SolidWork； design； knife tool； transmission system； knife roll； stress analysis