圓盤刀式切割裝置設(shè)計與模態(tài)分析

吳啟斌，金 毅，侯鎖軍，趙向陽

圓盤刀式切割裝置設(shè)計與模態(tài)分析

吳啟斌，金 毅，侯鎖軍，趙向陽

（河南工學(xué)院 車輛與交通工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

結(jié)合現(xiàn)有圓捆機結(jié)構(gòu)特點和工作原理，設(shè)計了一種圓盤刀式切割器，并基于四桿機構(gòu)原理，設(shè)計了將該切割器與圓捆機撿拾器相連接的掛接機構(gòu)，通過控制掛接機構(gòu)電動推桿的伸縮和穩(wěn)定橫拉桿的輔助支撐，實現(xiàn)了調(diào)節(jié)切割器位置和姿態(tài)的功能。利用Ansys Workbench軟件對圓盤刀進行模態(tài)分析，得到圓盤刀前6階的固有頻率和主振型。

圓捆機；切割器；模態(tài)分析；站桿切割

0 引言

小麥或者水稻被收獲機械收割后，被粉碎的秸稈散落在地，且留茬高度較高，這導(dǎo)致田間秸稈堆積較多，如果不對高留茬稻麥站稈進行二次切割和收集，將會影響下季耕種。因此，研究針對高留茬稻麥站稈的二次切割收集技術(shù)，對解決秸稈還田量大導(dǎo)致的下季耕種困難的問題，以及提高秸稈資源利用率，具有非常重要的意義。

常用的稻麥秸稈切割器主要有：往復(fù)式切割器[1-3]、甩刀式切割器[4-5]、圓盤刀式切割器[6-8]和鏈鋸式切割器[9-11]。圓捆機是收集秸稈常用的農(nóng)業(yè)機械，但是它一般不具備切割秸稈的功能，關(guān)于在圓捆機前方配置切割裝置的研究比較少見。

本文針對高留茬稻麥站稈二次切割收集問題，提出在現(xiàn)有圓捆機撿拾器前方配置安裝切割器進行高留茬站稈切割-撿拾聯(lián)合作業(yè)的方案，并對圓盤刀進行了模態(tài)分析，得到了圓盤刀前6階的固有頻率和主振型，為保證高速旋轉(zhuǎn)的圓盤刀正常工作提供了轉(zhuǎn)速參考。

1 圓盤刀式切割裝置設(shè)計

1.1 圓盤刀式切割裝置總體結(jié)構(gòu)及特點

如圖1所示，該裝置主要由切割器和掛接機構(gòu)組成。切割器由六組橫向排列的圓盤刀組成，其中六組圓盤刀以機器縱向中心線為基準，左右對稱布置，同側(cè)的三組圓盤刀轉(zhuǎn)向相同，兩側(cè)圓盤刀最前端線速度方向指向機器縱向中心線，能夠保證被切斷的秸稈倒伏聚攏于機器中間。掛接機構(gòu)能夠調(diào)節(jié)切割器的割茬高度、切割傾角、相對位置等，保證切割效果和質(zhì)量。

1.撿拾器 2.掛接機構(gòu) 3.圓盤刀式切割器

1.2 圓盤刀式切割器總體結(jié)構(gòu)

圓盤刀式切割器總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該切割器主要由傳動齒輪、傳動軸、齒輪箱、刀片、增速機、液壓馬達、扒齒等零部件組成，切割器兩端由兩個液壓馬達分別獨立驅(qū)動，被切割的秸稈倒伏聚攏于機器中間，便于撿拾器的撿拾。

切割裝置的齒輪傳動如圖3所示。切割裝置的齒輪箱兩側(cè)對稱布置七個相同的齒輪，兩個液壓馬達分別獨立驅(qū)動兩端的齒輪，通過外齒輪嚙合原理，將液壓馬達的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給圓盤刀的驅(qū)動軸，帶動圓盤刀旋轉(zhuǎn)。由于各齒輪完全相同，各級齒輪間的傳遞比為1∶1，因此各刀片的轉(zhuǎn)速大小和扭矩大小相同。

為了提高圓盤刀轉(zhuǎn)速，在液壓馬達輸出軸和兩端圓盤刀傳動軸之間增加l增速機，以保證圓盤刀具有較大的切割轉(zhuǎn)速。

1.液壓馬達 2.增速機 3.齒輪箱 4.傳動軸 5.刀片 6.扒齒安裝架 7.扒齒 8.支撐架

1.齒輪 2.左旋刀片 3.齒輪箱箱體 4.右旋刀片

1.3 掛接機構(gòu)設(shè)計

掛接機構(gòu)主要由四個相同的調(diào)節(jié)桿和兩個橫拉桿組成，分別對稱安裝在機器兩側(cè)。調(diào)節(jié)桿的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由調(diào)節(jié)桿套筒、調(diào)節(jié)桿移動桿和電動缸組成。電動缸一端鉸接在調(diào)節(jié)桿套筒上，另一端鉸接在調(diào)節(jié)桿移動桿上。左右兩側(cè)的調(diào)節(jié)桿分別把切割裝置兩端和圓捆機機架鉸接在一起，橫拉桿起到輔助支撐的作用，保證切割裝置的穩(wěn)定性。

掛接機構(gòu)的工作原理如圖5所示。調(diào)節(jié)桿、橫拉桿和圓捆機機架形成穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)，增強了切割裝置的剛度和穩(wěn)定性。其中，調(diào)節(jié)桿長度可通過電動缸推桿的伸縮進行調(diào)節(jié)，通過在橫拉桿上加工等間距的通孔，可改變連接長度。當(dāng)切割裝置位置、割茬高度、切割傾角等需要調(diào)節(jié)時，改變調(diào)節(jié)桿的長度和橫拉桿連接孔位置即可實現(xiàn)。

1.4 圓盤刀式切割器工作原理

在圓捆機對高留茬稻麥秸稈進行切割-撿拾聯(lián)合作業(yè)前，先要調(diào)節(jié)刀片的位置和姿態(tài)，再由拖拉機牽引圓捆機前進。拖拉機的液壓系統(tǒng)向切割裝置提供液壓油，驅(qū)動液壓馬達旋轉(zhuǎn)，再通過齒輪嚙合作用驅(qū)動圓盤刀高速旋轉(zhuǎn)，圓盤刀在旋轉(zhuǎn)運動和機器前進運動的綜合作用下對秸稈進行旋切。由于兩側(cè)圓盤刀旋轉(zhuǎn)方向相反，被割斷的稻麥秸稈倒伏聚攏在圓捆機撿拾器前方，撿拾器通過彈齒將秸稈撿拾，并輸送到圓捆機成捆室內(nèi)。

圓盤刀式切割裝置的主要技術(shù)參數(shù)為：

總割幅：170 cm；圓盤刀直徑：255 mm；割茬高度：7～10 cm； 圓盤刀轉(zhuǎn)速：1200～2000 r/min； 機器前進速度：0.2～0.5 m/s；切割角度：0～15°。

1.電動缸推桿 2.電動缸缸體 3.調(diào)節(jié)桿套筒 4.調(diào)節(jié)桿移動桿

1.切割裝置 2、3.調(diào)節(jié)桿 4. 橫拉桿

2 圓盤刀的模態(tài)分析

圓盤刀的直徑遠遠大于其厚度，在切割作業(yè)時，由于田間地勢不平整、機器振動不均勻、自身高速旋轉(zhuǎn)等多種因素的影響，圓盤刀受到的外界激勵不均勻、不規(guī)則，會影響其切割效果、使用壽命、磨損和變形程度等，尤其當(dāng)外界激勵的頻率達到圓盤刀的固有頻率時，圓盤刀會發(fā)生共振，會導(dǎo)致振動幅度增大，不能保證整個切割裝置的工作穩(wěn)定性和安全性，因此，對圓盤刀進行振動和穩(wěn)定性的模態(tài)分析非常有必要[12]。

所用的三齒圓盤刀材料為65Mn，其外徑為255mm，內(nèi)徑為25.4mm，厚度為1.8mm。圓盤刀材料的主要力學(xué)特性如表1所示。

在Solidworks中建立圓盤刀的三維模型，另存為Parasolid(*.x_t)格式，然后導(dǎo)入Ansys Workbench軟件。首先進行網(wǎng)格劃分，為了節(jié)省計算時間，在圓盤刀受力較大的刀刃處劃分較細的網(wǎng)格，大小設(shè)定為0.76mm，在其他地方劃分較粗的網(wǎng)格，大小設(shè)定為1.88mm。

表1 材料的主要力學(xué)特性

對圓盤刀模型施加約束，圓盤刀切割作業(yè)時，繞著中間軸高速旋轉(zhuǎn)，因此在圓盤刀中間孔處施加約束，使其只能繞中間孔旋轉(zhuǎn)。然后基于Ansys Workbench軟件對圓盤刀進行模態(tài)分析，根據(jù)圓盤刀的臨界轉(zhuǎn)速與固有頻率，能夠推算出圓盤刀發(fā)生共振時的臨界轉(zhuǎn)速。圓盤刀前6階的固有頻率和振型的結(jié)果如表2和圖6所示。

表2 圓盤刀前6階固有頻率

圖6 圓盤刀前6階主振型圖

圓盤刀臨界轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系為：=60×。根據(jù)圓盤刀前6階模態(tài)分析結(jié)果，三階以后的固有頻率對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速較高，與實際情況不符，因此主要考慮前三階的固有頻率，對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速如表3所示。

表3 圓盤刀臨界轉(zhuǎn)速

由表3可知，圓盤刀前三階固有頻率對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速為7927～9094 r/min。本文設(shè)計的圓盤刀的額定工作轉(zhuǎn)速為1200～2000 r/min，遠低于其第一階臨界轉(zhuǎn)速。因此，圓盤刀在正常切割作業(yè)時，其轉(zhuǎn)速安全，不會發(fā)生共振。

3 結(jié)語

本文結(jié)合現(xiàn)有圓捆機結(jié)構(gòu)特點和工作原理，設(shè)計了一種圓盤刀式切割器，并通過掛接機構(gòu)將其配置在圓捆機撿拾器前端, 使圓捆機能夠?qū)Φ钧溦径掃M行切割-撿拾聯(lián)合作業(yè)，旨在解決高留茬稻麥站稈二次切割收集打捆問題。掛接機構(gòu)基于四桿機構(gòu)原理，能夠?qū)η懈钇鞯奈恢煤妥藨B(tài)進行調(diào)節(jié)，使切割器適應(yīng)不同的秸稈長度和田間地勢。并通過Ansys Workbench軟件對圓盤刀進行了模態(tài)分析，得到其前6階的固有頻率和振型，根據(jù)圓盤刀固有頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，得到其發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速，從而驗證了切割器正常切割作業(yè)時的額定工作轉(zhuǎn)速遠低于其發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振。

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Design and Modal Analysis of Disc Cutting Device

Wu Qi-bin, JIN Yi, HOU Suo-jun, ZHAO Xiang-yang

(College of Vehicle and Transportation Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

In this paper, Combining the structural characteristics and working principle of the existing round baler, a cutter is arranged, based on the principle of four-bar mechanism, the connecting mechanism between the cutter and the picker of the round baler is designed. By controlling the expansion and stability of the electric push rod of the hanging mechanism and the auxiliary support of the stabilizing rod, the function of adjusting the position and posture of the cutter is realized. The modal analysis of the disc cutter is carried out by using Ansys Workbench software, and the first six natural frequencies and main modes of the disc cutter are obtained, which can provide a reference for determining the rotating speed of the disc cutter to avoid the resonance of the high-speed rotating disc cutter.

round baler; cutter; modal analysis; standing pole harvest

S225

A

2096–7772(2020)02–0006–03

2019-12-25

河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目（2018GGJS172）；河南省科技攻關(guān)項目（182102210034）

吳啟斌（1989―），男，河南新鄉(xiāng)人，助教，碩士，主要從事汽車新能源、機械設(shè)計與理論分析研究。