李 普，張 云，季 邦，高利軍

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古錫林浩特市草原工作站，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

0 引言

充分利用秸稈資源不僅能減少污染、改善環(huán)境，而且可以變廢為寶，提升實(shí)際效益[1]。打捆機(jī)可以有效實(shí)現(xiàn)秸稈的揉碎再利用，而旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置是打捆機(jī)秸稈成型的關(guān)鍵部件，其與前端撿拾器、后端成捆室及傳動(dòng)系統(tǒng)緊密相連，整個(gè)部裝配合之間不得干涉，且所占空間具有局限性，各部件在整個(gè)配合工作過程中要保證運(yùn)行穩(wěn)定、作業(yè)通暢，故旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置直接影響整個(gè)打捆機(jī)的品質(zhì)。秸稈的有效切碎和喂入不僅利于秸稈的儲(chǔ)存、運(yùn)輸及再加工，而且利于牲畜的咀嚼與消化吸收[2-3]。因此，針對(duì)打捆機(jī)旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置的研究具有重要意義。

1 旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置主要是由機(jī)架、梳齒機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)切割機(jī)構(gòu)(動(dòng)刀、底倉板、彈簧刀架)及滾筒等構(gòu)成，如圖1所示。

旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置工作時(shí)，需通過前端配套撿拾器將秸稈撿拾起來并拋送至型腔內(nèi)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)切割機(jī)構(gòu)的底倉處于閉合，彈簧刀架在機(jī)架側(cè)板相連的液壓缸作用下將動(dòng)刀頂起至切割狀態(tài)，秸稈通過旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)及高度旋轉(zhuǎn)引起的氣流雙重作用下被強(qiáng)制輸送至后方的同時(shí)，秸稈被有效地切斷、揉碎；底倉呈流線型，其拋送軌跡與滾筒邊緣相切，使得切碎后的秸稈再加上滾筒的強(qiáng)制帶入被高效地拋送至成捆室內(nèi)。當(dāng)?shù)讉}通道進(jìn)入異物或堵塞嚴(yán)重時(shí)，通過底倉液壓缸作用將底倉打開，增大通道空間，使物料松動(dòng)順利進(jìn)入倉室或?qū)愇锱懦鲂颓?，打捆機(jī)繼續(xù)順利工作。

1.機(jī)架 2.梳齒機(jī)構(gòu) 3.旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)的分析

旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)刀片的排列形式為連續(xù)螺旋刀片式，如圖2所示。連續(xù)螺旋刀片式具有揉切功能，其特點(diǎn)是工作負(fù)荷均勻、揉切質(zhì)量好及機(jī)器震動(dòng)小。轉(zhuǎn)刀輥上共焊接有16組定刀片，每片刀片圓周上有4個(gè)喂入撥叉，每組刀片間間距為40mm，從而實(shí)現(xiàn)了秸稈物料的持續(xù)喂入。當(dāng)秸稈細(xì)嫩脆弱時(shí)，動(dòng)刀可直接將秸稈切斷；秸稈粗實(shí)柔韌時(shí)，定刀對(duì)秸稈起到揉切作用。

為了提高機(jī)構(gòu)的使用壽命、減少振動(dòng)、降低功率消耗，定刀片沿轉(zhuǎn)軸呈等角分布，以使旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)，刀軸負(fù)載均勻；當(dāng)機(jī)器空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)軸徑向必須保持平衡。

圖2 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)

2.1.1 定刀片等角分布

旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)定刀片厚度為8mm,最大直徑為495mm,擁有的16組定刀片以12°為轉(zhuǎn)角螺旋旋轉(zhuǎn)排列。為保證定刀片呈等角旋轉(zhuǎn)，以相對(duì)撥叉頂點(diǎn)連線為標(biāo)線，45°畫對(duì)角線定第1個(gè)定位孔；第1定位孔繞圓中心旋轉(zhuǎn)12°，在相同基圓的前提下定第2個(gè)定位孔，如圖3所示。兩片刀片為1組，后續(xù)組刀片依次錯(cuò)孔定位，從而保證所有定刀片組等角定位分布。

圖3 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)刀片排列方式

2.1.2 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性分析

引起系統(tǒng)失穩(wěn)的因素有許多，主要因素有軸承、材料內(nèi)阻尼、旋轉(zhuǎn)時(shí)刀片帶來的激振，以及轉(zhuǎn)子與靜子間的干摩擦等。

旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)主軸選用40Cr材質(zhì)，經(jīng)加工調(diào)質(zhì)處理。軸兩端由球軸承支撐，主軸的剛度大于軸承的剛度，故可認(rèn)為主軸是剛性的。主軸上焊接16組質(zhì)量較大的定刀片，當(dāng)機(jī)構(gòu)空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生離心力的作用，主軸轉(zhuǎn)速越高，機(jī)構(gòu)受到力越大。系統(tǒng)受到干擾平衡破壞偏離了靜平衡位置，軸承就會(huì)施加一個(gè)油膜力于軸頸上，根據(jù)力平衡得到系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程。圖4是轉(zhuǎn)子渦動(dòng)后示意圖。由于材質(zhì)不均勻，中心轉(zhuǎn)軸質(zhì)心C與幾何中心產(chǎn)生偏距e；分別用(x,y)和(xi,yi)表示軸心偏離后系統(tǒng)中心O和質(zhì)心C位移，從而得系統(tǒng)中心C和質(zhì)心O的位移轉(zhuǎn)換關(guān)系，即

(1)

當(dāng)系統(tǒng)受到擾動(dòng)平衡破壞系統(tǒng)偏離平衡位置時(shí)，兩端支撐軸承產(chǎn)生油膜力增量，則

(2)

系統(tǒng)產(chǎn)生的慣性力為

(3)

根據(jù)作用在軸端油膜力和慣性力的平衡，得到旋轉(zhuǎn)喂入系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

方程右端是轉(zhuǎn)子不平衡引起的不平衡激振力。根據(jù)上式，得系統(tǒng)自由振動(dòng)方程為

(5)

旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)高速旋轉(zhuǎn)，不僅要滿足熱力性能，還要滿足良好的動(dòng)態(tài)性能，以保證整個(gè)機(jī)器平穩(wěn)安全的運(yùn)行。為提高機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，一種方法是增加轉(zhuǎn)子軸徑，另一種方法是改變軸承結(jié)構(gòu)形式或參數(shù)。旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸為φ60的通軸，外有φ194通管支撐，再加16組定刀片，故結(jié)構(gòu)體積大質(zhì)量高，且旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置是整個(gè)打捆機(jī)械的一部分，其與其他部裝緊密配合，故不宜采用第1種方法。實(shí)踐表明：改變軸承結(jié)構(gòu)形式或參數(shù)是最有效的方法，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，選用穩(wěn)定性較好的軸承形式可大幅度提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。INA軸承在全球享有盛名，該軸承摩擦因數(shù)小，適用于高轉(zhuǎn)速甚至極高轉(zhuǎn)速的運(yùn)行，且非常耐用無需經(jīng)常維護(hù)，故通過改變軸承提高系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性是最快捷、有效的方式。

圖4 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)渦動(dòng)示意圖

2.2 旋轉(zhuǎn)切割機(jī)構(gòu)動(dòng)刀運(yùn)行軌跡分析

動(dòng)刀的運(yùn)行軌跡直接決定了液壓油缸的行程。動(dòng)刀在工作時(shí)，為保證有效的升降、切割，首先要保證動(dòng)刀盡量地升高于刀組之間，以便有效切割秸稈物料，而且要與轉(zhuǎn)刀輥留有一定間隙距離；其次要保證動(dòng)刀降低于適當(dāng)位置，既不能沒于底倉板之下，影響動(dòng)刀的二次升起，也不能高于底倉板太多，妨阻礙物料的順利進(jìn)入，故留有刀尖伸出底倉高度為d，如圖5(a)所示。

通過SolidWorks三維建模進(jìn)行仿真分析,刀背軌跡起終點(diǎn)限制長度是動(dòng)刀升起降落的最佳運(yùn)行軌跡,如圖5所示。

圖5 動(dòng)刀升降示意圖

拉伸彈簧自由長度H0=192mm，當(dāng)彈簧受到負(fù)載作用時(shí)，彈簧的拉伸長度約為Hn=267.8mm，可確定彈簧的伸縮量ΔH=75.8mm。運(yùn)用SolidWorks模擬計(jì)算，彈簧每伸長1mm，液壓油缸拉伸約為1.4mm,則液壓油缸在彈簧的拉伸變化下行程為106.12mm。刀背的軌跡行程為72mm，在此基礎(chǔ)上確定了油缸的總行程長度為178.12mm，約為178mm。

3 旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置優(yōu)化分析

3.1 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)是整個(gè)旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置重要組成部分，長度為1 643mm，最大直徑為495mm。整體零部件焊接而成,且在工作過程中高速旋轉(zhuǎn)。其位置位于整個(gè)打捆機(jī)中部，當(dāng)發(fā)生故障或損壞時(shí)，維修檢測(cè)都不方便，故對(duì)進(jìn)行其應(yīng)力分析是十分必要的。

ANSYS Workbench可以有效地解決工程中仿真分析問題。 將旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)導(dǎo)入ANSYS中，進(jìn)入靜力分析系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖6上方是旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)的圖形顯示，數(shù)據(jù)顯示網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)有84 194，單元10 933，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.63；圖6下方為網(wǎng)格劃分質(zhì)量，每個(gè)列柱代表了該網(wǎng)格的質(zhì)量單元，如0.88單元質(zhì)量的個(gè)數(shù)約有1 600個(gè)。

圖6 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分

通過在軸兩端施加力F=1 880.2N，從而得出其總變形和等效應(yīng)力。

旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)總變形和等效應(yīng)力分別如圖7和圖8所示。圖7顯示，旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)最大變形在軸中間以及軸兩端，最大變形量為0.435mm。圖8顯示，應(yīng)力分布最大為36.56MPa。圖9顯示旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)截面最大主應(yīng)力為6.31MPa，圖10顯示截面處最小主應(yīng)力為0.004 8MPa。從圖7看出：整個(gè)機(jī)構(gòu)中間以及軸兩端變形較大。因此，提出兩點(diǎn)改進(jìn)方案：一是增加支撐盤于中心轉(zhuǎn)軸變形最大處；二是通過加強(qiáng)軸兩端的材料來提高軸兩端的質(zhì)量。由分析可知：旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)變形較小，此機(jī)構(gòu)用于農(nóng)牧業(yè)機(jī)械，品質(zhì)要求不是很高。同時(shí)，在考慮經(jīng)濟(jì)效益的情況下，此機(jī)構(gòu)符合基本作業(yè)要求，亦可直接使用。

圖7 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)總變形

圖8 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)等效應(yīng)力

圖10 旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)截面最小主應(yīng)力

3.2 支架疲勞分析

機(jī)械運(yùn)動(dòng)中，疲勞是造成零件失效的最主要因素之一，有效預(yù)防疲勞的發(fā)生可以延長機(jī)械的使用壽命，提高機(jī)械的性價(jià)比，使用戶受益。Miner累積損傷理論認(rèn)為：材料的疲勞破壞是由于循環(huán)載荷的不斷作用而產(chǎn)生損傷并不斷積累造成的，材料的疲勞損傷程度與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)成正比。通過ANSYS分析可以得到支架幾種類型的疲勞結(jié)果，從而為機(jī)架的改進(jìn)提供參考。

將模型拖入靜力分析系統(tǒng)后，對(duì)機(jī)架進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分，為疲勞分析做好準(zhǔn)備。固定區(qū)域設(shè)置固定約束，對(duì)旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)支撐孔、滾筒支撐孔、旋轉(zhuǎn)切割機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)孔及梳齒刀架定位孔等施加力的作用，可得出機(jī)架總變形圖和等效應(yīng)力圖，分別如圖11和圖12所示。通過結(jié)果分析可知，支架總變形量為0.029 8mm，最大應(yīng)力為237.74MPa。

圖11 機(jī)架總變形

圖12 機(jī)架等效應(yīng)力

在此基礎(chǔ)上插入疲勞工具，可得出機(jī)架的安全系數(shù)圖，如圖13所示。由圖13可知：旋轉(zhuǎn)喂入機(jī)構(gòu)支撐孔處安全系數(shù)最低，易發(fā)生疲勞損傷，產(chǎn)生斷裂或者彎折現(xiàn)象。

圖14為支架的疲勞敏感性曲線圖。此圖反應(yīng)出了部件的壽命、損傷或安全系數(shù)在臨界區(qū)域隨載荷的變化而變化，能夠輸入載荷變化的極限。圖14中顯示了最小基本載荷變化幅度為50%和最大基本載荷變化幅度為150%的壽命疲勞敏感結(jié)果。由此可估計(jì)：在50%的載荷作用下，機(jī)架的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為7.62e4；150%的載荷作用下，疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為1.94e3。

圖13 機(jī)架安全系數(shù)

圖14 機(jī)架壽命的疲勞敏感性

從上述分析可知：機(jī)架旋轉(zhuǎn)喂入支撐孔處最易發(fā)生疲勞現(xiàn)象。由于其支撐孔位置留有裝配口，故在孔周圍焊接加強(qiáng)筋是不合理的，阻礙旋轉(zhuǎn)切割喂入其他零部件安裝。因此，裝配時(shí)在旋轉(zhuǎn)喂入支撐孔處安裝厚為6mm的加強(qiáng)版，提高此處的強(qiáng)度，減少應(yīng)力變形，降低疲勞損傷。

4 結(jié)論

打捆機(jī)的旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置不僅可以將秸稈等物料強(qiáng)制輸送至成捆室內(nèi)，而且可以有效地揉切秸稈物料，使秸稈收獲過程更加便利，秸稈捆包密度大大提升，提高了農(nóng)牧民的工作效率與經(jīng)濟(jì)收入。通過理論計(jì)算及對(duì)旋轉(zhuǎn)切割喂入裝置的研究分析、仿真優(yōu)化，可以有效解決裝置在研發(fā)、生產(chǎn)、優(yōu)化過程中存在的問題，高效率提出解決方案，從而提升打捆機(jī)械的品質(zhì)，使機(jī)械的性價(jià)比更高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張亞振，張秀平，袁興茂，等.方捆打捆機(jī)喂料形式研究[J].河北農(nóng)機(jī)，2015(12)：24026.

[2] 劉寶軍，馬衛(wèi)民.檸條自動(dòng)喂入裝置研究[C].2010國際農(nóng)業(yè)工程大會(huì)論文集.上海：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)，2010.

[3] 張鳳娟.谷物聯(lián)合收割機(jī)配套打捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)機(jī)，2016(8)：40-41.

[4] 涂建平，徐雪紅，夏忠義.秸稈還田機(jī)刀片及刀片優(yōu)化排列的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003(2):102-104.

[5] 李樹君，劉天舒，楊軍太，等.一種打捆機(jī)及其秸稈喂入切碎裝置:中國,201110363047.0[P].2015-01-07.

[6] 王天麟.畜牧機(jī)械[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1988:106-112.

[7] 徐龍祥.高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994:26-52.

[8] 劉剛，趙滿全，王文明，等.帶有徑向喂入裝置的揉碎機(jī)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010(S1):110-116.

[9] 麻乾，劉飛，趙滿全.揉碎機(jī)揉碎機(jī)理分析及錘片結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016(S2):7-15.

[10] 張喜瑞，甘聲豹，鄭侃，等.輥割喂入式臥軸甩刀香蕉假莖粉碎還甜機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015(4)：33-40.

AbstractID:1003-188X(2018)06-0009-EA

Abstract： Baler Rotary cutting feeding device is the core components of packing machinery, and its performance and excellent technology directly determines the rubbing-cutting as well as bundles of straw materials. Therefore, rotating feeding device for cutting and working principle and advantages and disadvantages of the design and manufacturing process is necessary. Through the study of Rotary cutting feeding device for main components of design can effectively improve the process and design technology.Simulation analysis and optimization of the main components to improve the mechanical quality, reduce the unnecessary second improvement funds.

Keywords： baler; rotary cutting feeding device; running stability running track; deformation stress fatigue and optimize