王 靜，宋 力，沈 輝

(1.揚州大學(xué)廣陵學(xué)院，江蘇 揚州 225000) (2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 揚州 225002) (3.揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127)

濕地水生植物季節(jié)性收割作業(yè)量大，采用傳統(tǒng)人工方式工作效率低，收割和捕撈速度常常無法跟上水生植物的生長速度，致使大量水生植物在水中腐爛，污染水質(zhì)[1]。進行機械化收割具有明顯的社會效益和經(jīng)濟效益，但當前市場上的機械化收割設(shè)備為大型水草收割機，而濕地形狀不規(guī)則，局部區(qū)域操作空間狹窄，限制了大型機械的使用，且濕地使用大型收割設(shè)備容易出現(xiàn)機械設(shè)備沉陷等問題[2-4]。濕地輕型兩棲式多功能工作機的研究開發(fā)，較好地解決了這一問題，滿足了市場的需求。切割器作為輕型兩棲式多功能工作機的關(guān)鍵部件，其性能直接影響切割質(zhì)量及收割效率。本文對濕地輕型兩棲式多功能工作機切割器進行運動學(xué)分析與仿真，以為其后期優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

濕地輕型兩棲式多功能工作機由車架、行走底盤、動力單元、連接架、提升架、快換接頭和工作裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。提升架的作用是調(diào)整工作裝置的高度，控制切割高度；連接架起到伸長和減震的作用；快換接頭使工作裝置的安裝和拆卸更加方便，可裝配不同的工作裝置，滿足多功能的需求。工作機除裝配T型刀頭用來收割水草和濕地植被外，也可裝配鉆頭用于厚冰鉆孔，進行冰上搶險救災(zāi)。

1—車架;2—行走底盤;3—提升架;4—快換接頭;5—連接架;6—工作裝置

1.2 往復(fù)式切割器工作原理

往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)如圖2所示，工作原理如圖3所示。

2 運動分析

2.1 割刀的運動方程

割刀的運動特性對切割器性能有直接影響?？梢詫⑼鶑?fù)式切割器簡化為曲柄連桿機構(gòu)，連桿在曲柄的驅(qū)動下做往復(fù)直線運動[5]，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)圖

圖3 工作原理圖

圖4 切割器的機構(gòu)運動簡圖

建立割刀的運動方程[6]：

x=-rcos(ωt)

(1)

(2)

a=-rω2cos(ωt)

(3)

式中：ω為動刀片的角速度，rad/s；r為曲柄半徑，mm；x為割刀位移，mm；Vx為割刀在x方向上的速度，mm/s；t為時間，s；a為加速度，mm/s2。

聯(lián)立式(1)、式(2)可以得到式(4)：

(4)

可以看出，割刀速度與割刀位移的關(guān)系滿足橢圓方程式，橢圓長半軸的長度為rω，短半軸的長度為r，如圖5所示，這說明割刀上任一點的速度都不相同。

圖5 割刀速度與割刀位移關(guān)系圖

綜上可知，割刀上某一點的速度變化規(guī)律與橢圓方程式是一致的。當位移為零，即x=0時，該點位于刀片的重心位置，此時Vx取得最大值，即為rω；當位移為r，即x=±r時，該點位于刀片的極左或極右處，此時Vx=0，為最小值。

2.2 多功能工作機的刀機速比分析

刀機速比(λ值)是衡量濕地輕型兩棲式多功能工作機設(shè)計可行性的重要參數(shù)之一，它與以下重要的指標有關(guān)：割草質(zhì)量、割后整齊程度和漏割率，因此必須量化[7]。λ值可通過作圖法獲得，首先繪制割刀絕對運動的軌跡，然后分析刀具的切割過程，即用切割圖確定λ。圖6為割刀的切割圖。

由圖6可以得出：重割區(qū)(Ⅱ)和空白區(qū)(Ⅲ)的存在會使割刀的切割性能下降?？瞻讌^(qū)太大將會漏割，而重割區(qū)太大會將割過的殘茬再次切割，增加功率消耗。往復(fù)式切割器割刀的絕對運動軌跡由割刀的平均速度Vp與底盤前進的速度Vm綜合確定，用切割進距H表示。H值增大，空白區(qū)面積增大，重割區(qū)面積減??；H值減小，空白區(qū)面積減小，重割區(qū)面積增大。H的計算公式為[8]：

圖6 往復(fù)式切割器切割圖

(5)

(6)

式中：T為割刀運動一個行程的時間，s；n為曲柄轉(zhuǎn)速，r/min；S為割刀運動的一個行程，S=2r，本文取76.2 mm。

割刀的平均速度為：

(7)

將曲柄主軸轉(zhuǎn)速550 r/min代入式(7)可算得割刀的平均速度Vp=1.397 m/s。底盤前進的平均速度Vm=5 km/h=1.389 m/s，將數(shù)值代入式(6)可得刀機速比λ值為1。

根據(jù)機械行業(yè)相關(guān)標準，可以得知最佳刀機速比λ值一般為0.8～1.2[9]，故本文理論計算得到的切割器λ值滿足設(shè)計要求。

3 多功能工作機運動學(xué)仿真分析

為直觀地分析切割器工作過程中刀具的位移、速度和加速度特性，使用ADAMS軟件進行運動學(xué)仿真分析[10]。切割器的仿真模型如圖7所示。利用電動機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為550 r/min。

由圖8可以看出，割刀的位移曲線為正弦曲線，曲線的波峰和波谷值是割刀在兩個不同方向上的最大位移。

由圖9可以看出，當曲柄以恒定速度旋轉(zhuǎn)時，在連桿的驅(qū)動下，割刀的速度變化曲線可以近似為正弦變化。動刀片的最大速度值出現(xiàn)在初始點，動刀片的零速度值在其最大位移處。

圖7 往復(fù)式切割器仿真模型

圖8 割刀位移隨時間變化曲線圖

圖9 割刀速度隨時間變化曲線圖

由圖10可以看出，割刀的加速度變化曲線也呈近似正弦曲線。割刀的最大加速度出現(xiàn)在其最大位移處，而最小加速度出現(xiàn)在初始點。

4 性能試驗研究

在挺水植物及沉水植物生長茂盛期間，對濕地輕型兩棲式多功能工作機綜合收獲性能進行測試，如圖11所示，測試結(jié)果見表1。結(jié)果表明：該濕地輕型兩棲式多功能工作機可以通過調(diào)節(jié)切割深度在復(fù)雜地形條件下連續(xù)收獲沉水植物和大面積挺水植物，在一定的條件下滿足復(fù)雜的兩棲作業(yè)要求，工作性能穩(wěn)定可靠。

圖10 割刀加速度隨時間變化曲線圖

圖11 水中測試圖

表1 試驗結(jié)果

5 結(jié)論

1)對濕地輕型兩棲式多功能工作機的關(guān)鍵部件進行了運動分析，從理論上證明割刀相對于時間的位移、速度、加速度變化曲線均呈正弦規(guī)律。

2)運用三維建模軟件SolidWorks建立模型，并導(dǎo)入仿真軟件ADAMS得到割刀位移、速度和加速度的變化規(guī)律曲線，割刀的最大速度出現(xiàn)在初始點，零速度出現(xiàn)在割刀的最大位移處；割刀的最大加速度出現(xiàn)在其最大位移處，最小加速度值出現(xiàn)在初始點。

3)試驗結(jié)果表明，濕地輕型兩棲式多功能工作機在滿足設(shè)計要求的同時也能保證工作的效率。

對于濕地輕型兩棲式多功能工作機的傳動系統(tǒng)以及切割器刀片的高度確定還需要進一步研究，以達到更好的切割效果。