灌木切割粉碎一體機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析*

李智強(qiáng) 閆文剛 李志昊 郭世杰 解靜濤 彭志鑫

（ 1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，呼和浩特 010051； 2. 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)北奔重汽技術(shù)中心，包頭 014032）

灌木在我國(guó)土地荒漠化的治理過(guò)程中具有突出的作用，而且也是經(jīng)濟(jì)建設(shè)不可缺少的重要資源，尤其是在內(nèi)蒙古地區(qū)，灌木林面積近 800 多萬(wàn) m2。按照生長(zhǎng)周期計(jì)算，當(dāng)灌木種植期達(dá)到 3～5 年，需進(jìn)行一次平茬復(fù)壯[1-2]。用于灌木資源收割加工的機(jī)械主要有灌木平茬機(jī)、灌木削片機(jī)和灌木粉碎機(jī)3 種[3-9]。國(guó)外對(duì)于灌木機(jī)械的研究較早，美國(guó)D&M Machine Division 公司研制了先進(jìn)高效的Slashbuster系列銑削式灌木收割機(jī)；巴西研制了新型懸掛式灌木收割機(jī)[11-12]。隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)于營(yíng)林機(jī)械的重視程度越來(lái)越高，很多高校與研究所對(duì)各類(lèi)營(yíng)林機(jī)械進(jìn)行了改進(jìn)[13-17]。比較典型的營(yíng)林機(jī)械有XDNZ-2008 型自走式收割機(jī)和4MG-200 型灌木聯(lián)合收割機(jī)，但整體研究相對(duì)于國(guó)外較晚[18-25]。此外，國(guó)內(nèi)灌木類(lèi)機(jī)械總體工作效率低，品種單一且缺少一體機(jī)類(lèi)機(jī)械。為了提高營(yíng)林作業(yè)效率，加強(qiáng)對(duì)灌木類(lèi)資源的利用，本研究將灌木的切割與粉碎過(guò)程結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種灌木切割粉碎一體機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

灌木切割粉碎一體機(jī)整機(jī)模型如圖1 所示，主要包括割灌機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、喂入機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和粉碎機(jī)構(gòu)。割灌機(jī)構(gòu)通過(guò)鋸片切削實(shí)現(xiàn)對(duì)灌木的平茬作業(yè)，灌木倒伏后，通過(guò)傳送機(jī)構(gòu)，將枝條送到喂入機(jī)構(gòu)。喂入機(jī)構(gòu)的上下輥?zhàn)酉嘞蜣D(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)灌木枝條形成一個(gè)勾拉的力，將灌木枝條強(qiáng)制送入切削機(jī)構(gòu)。切削機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)自于外部電機(jī)，通過(guò)刀輥上的動(dòng)刀片與刀片支架上的定刀配合，完成削片動(dòng)作，削出的灌木料，通過(guò)箱體下方的落料口落入粉碎機(jī)構(gòu)。粉碎機(jī)構(gòu)的主軸上裝有粉碎錘片，錘片跟隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)灌木片進(jìn)行粉碎，粉碎后的灌木料通過(guò)篩片落下。

圖1 灌木切割粉碎一體機(jī)整機(jī)建模圖Fig.1 Overall drawing of shrub cutting and pulverizing integrated machine

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)

2.1 割灌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 為灌木切割粉碎一體機(jī)的割灌機(jī)構(gòu)，主軸旋轉(zhuǎn)通過(guò)錐齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)中間軸轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)傳動(dòng)齒輪帶動(dòng)上下兩個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀片一起轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到割灌的目的。

割灌鋸片刀頭種類(lèi)有三角刀頭、十字刀頭、圓鋸片等。本研究選用刃口滑切角為53°的圓鋸片割刀。經(jīng)計(jì)算，割灌機(jī)構(gòu)選用 Y200L-1-2 型三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力輸入源，此時(shí)鋸片的轉(zhuǎn)速為2 865 r/min。此外，在割灌機(jī)構(gòu)底部設(shè)置仿形機(jī)構(gòu)，以提高機(jī)構(gòu)的通過(guò)性，在割灌機(jī)構(gòu)頂部設(shè)置倒人字導(dǎo)板，以保證灌木枝條可有序地送到輸送帶。

圖2 割灌機(jī)構(gòu)Fig.2 Cutting irrigation par

2.2 切削機(jī)構(gòu)與喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 切削與喂入機(jī)構(gòu)工作原理

灌木枝條經(jīng)過(guò)輸送帶通過(guò)喂入機(jī)構(gòu)送至切削部分，進(jìn)入后續(xù)加工。如圖3 所示，削片主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刀輥部分轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)刀輥上的動(dòng)刀和定刀的配合完成對(duì)灌木枝條的切割。其中喂入機(jī)構(gòu)由上喂入機(jī)構(gòu)和下喂入機(jī)構(gòu)組成。上喂入機(jī)構(gòu)有3 個(gè)不同喂入輥?zhàn)?，根?jù)灌木的結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)特性，第一喂入輥的表面設(shè)計(jì)為點(diǎn)凸式，結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示，凸起的柱狀結(jié)構(gòu)可以很好地勾住灌木枝條，將枝條順利喂入；第二喂入輥采用溝齒式喂入輥，結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，該結(jié)構(gòu)抓取性良好，不易被枝條纏繞；第三喂入輥必須擁有很好的壓緊性能，所以將末端輥?zhàn)釉O(shè)計(jì)為圖中4（c）所示的方齒形輥?zhàn)印?/p>

圖3 切削與喂入機(jī)構(gòu)圖Fig.3 Cutting and feeding mechanism

圖4 喂入輥結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of feeding roller

2.2.2 刀輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)校核

圖5 刀輥裝配圖Fig.5 Knife roll assembly

本研究所設(shè)計(jì)的開(kāi)式刀輥結(jié)構(gòu)如圖5 所示，刀輥前后端鼓體片采用花鍵安裝在主軸上，用于限制刀片組整體位置，墊刀塊安裝于刀片支架上，起到墊起刀片減少支架磨損的作用。切削刀片安裝在墊刀片上，用壓刀塊緊固，各個(gè)刀片支架之間由花鍵間隔套固定距離，刀片采用螺旋排列的方式。

刀輥是否能正常工作直接影響到灌木切割粉碎一體機(jī)的整體性能，因此需要對(duì)刀輥進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核。

所選電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為70 979 N·m，大于刀輥工作時(shí)所需轉(zhuǎn)矩，滿(mǎn)足使用要求。

2.3 粉碎機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 粉碎機(jī)構(gòu)工作原理

粉碎機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6 所示，電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器傳至粉碎主軸，通過(guò)主軸帶動(dòng)相關(guān)部件共同轉(zhuǎn)動(dòng)。揚(yáng)升機(jī)構(gòu)的風(fēng)扇采用和主軸同軸設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了整體結(jié)構(gòu)并且節(jié)省能耗。為提高粉碎效果，在粉碎室的上箱體安裝有耐磨板，錘片通過(guò)篩片和耐磨板的配合對(duì)削片料進(jìn)行粉碎。通過(guò)對(duì)粉碎機(jī)構(gòu)理論生產(chǎn)力的計(jì)算，該機(jī)構(gòu)選用Y132M-4 三相異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源。

圖6 粉碎部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of crushed part structure

2.3.2 粉碎室的優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖7 粉碎室環(huán)流層比較Fig.7 Comparison of circulation layers in pulverizing chambers

傳統(tǒng)的圓形粉碎室經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)物料環(huán)流層，物料環(huán)流層的存在會(huì)造成粉碎效率低下，能耗高，粉碎室內(nèi)溫度高。因此對(duì)粉碎室結(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要方法就是破壞粉碎室內(nèi)的物料環(huán)流層。本設(shè)計(jì)中，粉碎室被改進(jìn)為水滴形的異形室，如圖7 所示。水滴形粉碎室可以有效破壞物料環(huán)流層，提高粉碎機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)效率，減小能耗。

2.3.3 粉碎核心部分結(jié)構(gòu)

灌木切割粉碎一體機(jī)的粉碎系統(tǒng)核心部分主要包括：風(fēng)扇扇片、粉碎錘片、傳動(dòng)主軸、限位套筒、法蘭盤(pán)、錘片連接板和錘片連接柱銷(xiāo)等部件，如圖8 所示。

所有錘片通過(guò)連接柱銷(xiāo)連接在錘片連接板上，錘片之間的距離通過(guò)限位套筒進(jìn)行控制。錘片連接板通過(guò)兩個(gè)粉碎連接螺栓和長(zhǎng)限位套筒連接在法蘭盤(pán)上。每個(gè)法蘭盤(pán)均勻布置4 組錘片。當(dāng)傳動(dòng)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)錘片進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的整個(gè)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可看做為一個(gè)慣性輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)外部的喂入量發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)依靠慣性輪的儲(chǔ)能和釋能特性，保證粉碎部分運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

圖8 粉碎部分轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of rotor structure of comminute part

2.3.4 粉碎錘片優(yōu)化設(shè)計(jì)

由此可知，增大粉碎力F，可以從增大錘片質(zhì)量和錘片末端線速度兩方面考慮。

圖9為傳統(tǒng)錘片示意圖。對(duì)于傳統(tǒng)錘片，為了增加粉碎效率，采用增加錘片長(zhǎng)度和厚度的方法來(lái)增加錘片的質(zhì)量。但增加錘片長(zhǎng)度，會(huì)使錘片容易產(chǎn)生偏讓?zhuān)瑱C(jī)器的振動(dòng)和噪聲會(huì)增大；增加錘片厚度又會(huì)阻礙物料的軸向移動(dòng)，產(chǎn)生與錘片側(cè)面接觸的無(wú)效摩擦，影響錘片使用壽命。

圖9 傳統(tǒng)錘片F(xiàn)ig.9 Traditional hammer

圖10 新型錘片F(xiàn)ig.10 New type of hammer

本研究設(shè)計(jì)出一種新型工字型錘片，其結(jié)構(gòu)如圖10 所示。相比于傳統(tǒng)錘片，工字型錘片端部體積增大，加大了接觸部的體積，減小了中間不直接參與工作部分的尺寸。改進(jìn)后的錘片，既可以提高錘片對(duì)物料的沖擊率，又可大大增加錘片末端的線速度，提高粉碎效果。所設(shè)計(jì)的錘片，采用對(duì)稱(chēng)雙孔結(jié)構(gòu)，一片錘片在不修補(bǔ)情況下可以利用 4 次，使用壽命也比傳統(tǒng)錘片提高了4 倍。同時(shí)，將T型錘頭設(shè)計(jì)為齒板式，加大了錘片與物料之間的接觸面，從而提升粉碎效果。

3 基于ADAMS的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.1 粉碎機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

對(duì)粉碎機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化后導(dǎo)入ADAMS軟件中，對(duì)其添加約束與驅(qū)動(dòng)，為主軸添加轉(zhuǎn)速v，從0～4 000 r/min穩(wěn)定增加，為保證仿真結(jié)果接近實(shí)際，在錘片與錘片柱銷(xiāo)及錘片與套筒之間添加摩擦力。

仿真后得到錘片的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11 所示。在錘片式粉碎機(jī)從電機(jī)啟動(dòng)到主軸轉(zhuǎn)子達(dá)到穩(wěn)定工作這一過(guò)程中，錘片是由靜止?fàn)顟B(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)閲@主軸作圓周運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。

錘片與銷(xiāo)軸進(jìn)行鉸接，每片錘片均可看作是以銷(xiāo)軸作為懸點(diǎn)的單擺，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作開(kāi)始后，銷(xiāo)軸與錘片連接處繞主軸旋轉(zhuǎn)?？傻缅N片運(yùn)動(dòng)過(guò)程存在兩種運(yùn)動(dòng)的結(jié)合，一種是粉碎錘片整體繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一種是錘片以懸點(diǎn)為基礎(chǔ)繞銷(xiāo)軸做單擺運(yùn)動(dòng)。

圖11 粉碎錘片運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.11 Motion track of crushing hammer

仿真后得到錘片質(zhì)心位移規(guī)律如圖12 所示，錘片質(zhì)心角速度變化規(guī)律如圖13 所示。結(jié)合錘片的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，可以發(fā)現(xiàn)，錘片的運(yùn)動(dòng)是平穩(wěn)的，在0 s到1.5 s這段時(shí)間，粉碎部分處于啟動(dòng)階段，主軸開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)錘片一起轉(zhuǎn)動(dòng)，但是由于錘片錘頭質(zhì)量集中，因此錘片運(yùn)動(dòng)存在滯后，錘片的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度存在較大的波動(dòng)，在這期間，錘片的運(yùn)動(dòng)軌跡是不規(guī)則的。在1.5 s以后，錘片的波動(dòng)逐漸減小，最后達(dá)到平穩(wěn)的工作狀態(tài)，整個(gè)粉碎錘片的仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程與實(shí)際工作過(guò)程極為接近。

圖12 錘片質(zhì)心位移規(guī)律圖Fig.12 Mass center displacement diagram of hammer

圖13 錘片質(zhì)心角速度變化規(guī)律圖Fig.13 Chart of angular velocity change of hammer center of mass

仿真結(jié)果表明，粉碎機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的，粉碎機(jī)構(gòu)可以完成預(yù)期的粉碎工作。

3.2 切削機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

對(duì)切削機(jī)構(gòu)的刀輥進(jìn)行簡(jiǎn)化后，添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，使得主軸在 0～3 s 內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到740 r/min，并在后續(xù)時(shí)間內(nèi)保持勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到刀片質(zhì)心位移圖如圖14 所示。刀片速度-加速度-角加速度聯(lián)合圖，如圖15 所示。

由圖可知，削片刀整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)是相對(duì)平穩(wěn)的。主軸開(kāi)始旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)，刀片跟隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)的刀片處于啟動(dòng)加速過(guò)程中，速度及加速度變化明顯，在 3 s 之后由速度及加速度圖可知啟動(dòng)過(guò)程完畢，主軸及刀片處于平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

圖14 刀片質(zhì)心位移圖Fig.14 Blade centroid position map

圖15 刀片速度-加速度-角加速度聯(lián)合圖Fig.15 Velocity-acceleration-angular acceleration joint diagram

仿真結(jié)果表明，切削機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的，可以完成預(yù)期的切削任務(wù)。

3.3 割灌機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

對(duì)割灌機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化后，添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副、齒輪副與約束，對(duì)鋸片的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，使鋸片在0 到2 s時(shí)間內(nèi)從0 r/min加速到2 856 r/min。仿真后得到刀片質(zhì)心位移-速度-加速度變化聯(lián)合曲線圖如圖16 所示。

圖16 刀頭質(zhì)心位移-速度-加速度圖Fig.16 Position-velocity-acceleration diagram of the center of mass of the tool head

刀頭的運(yùn)動(dòng)在0到2 s的時(shí)間內(nèi)處于啟動(dòng)加速階段，所以在刀頭速度-加速度圖中，在 0 到 2 s 的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，速度-加速度曲線是一條上升的曲線。在2 s之后加速結(jié)束，啟動(dòng)階段完成，機(jī)構(gòu)進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)工作階段。因此在2 s之后，速度和加速度曲線是一條近似水平線。仿真結(jié)果表明，割灌部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的，整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)非常平穩(wěn)，滿(mǎn)足機(jī)器割灌作業(yè)的需求。

4 結(jié)論

為了提高灌木平茬作業(yè)的效率，本研究設(shè)計(jì)了一種灌木切割粉碎一體機(jī)，重點(diǎn)對(duì)割灌機(jī)構(gòu)、喂入機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和粉碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)粉碎室和粉碎錘片設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以提高機(jī)器粉碎效率，最后運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)割灌機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和粉碎機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，分別得到三部分中關(guān)鍵零件的運(yùn)動(dòng)軌跡、質(zhì)心位置、速度、加速度和角加速度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，機(jī)器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計(jì)方案可行，可滿(mǎn)足工作需求。