寧彤，梁棟，張燕，付威，汝紹鋒

海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，?？?570228

天然橡膠作為四大工業(yè)原料之一，橡膠產(chǎn)品大量運(yùn)用在人們的生產(chǎn)生活之中[1]．割膠方法和工具采用得好壞會(huì)直接影響到天然橡膠的產(chǎn)量，同時(shí)還會(huì)對(duì)橡膠樹的生命周期產(chǎn)生很大影響[2]．目前我國(guó)大部分橡膠園還是膠工采用手持刀具進(jìn)行割膠[3]，傳統(tǒng)手工割膠獲取橡膠膠乳的方式嚴(yán)重影響橡膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，機(jī)械化割膠技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)已成必然趨勢(shì)[4-6]．因此，亟需研發(fā)一種割膠機(jī)械減少割膠工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善割膠條件，保障天然橡膠產(chǎn)業(yè)的簡(jiǎn)單再生產(chǎn)．

按照割膠機(jī)械的構(gòu)造與工作原理不同，可分為傳統(tǒng)割膠刀、電動(dòng)割膠機(jī)、自動(dòng)割膠機(jī)等．目前最常用的割膠機(jī)械是傳統(tǒng)割膠刀，但其割膠效率低下，且要求割膠工人有精準(zhǔn)割膠技術(shù)．印度的橡膠產(chǎn)業(yè)[7-8]目前比較廣泛地在使用一種電動(dòng)割膠機(jī)，包含震蕩動(dòng)力工具、機(jī)械導(dǎo)向裝置、切削刀片等，經(jīng)過簡(jiǎn)單培訓(xùn)就能操作該機(jī)器．曹建華等[9-10]研制出4GXJ-1型電動(dòng)割膠刀，在其前部設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱設(shè)計(jì)的刀片和限位導(dǎo)向器，實(shí)現(xiàn)割膠深度和耗皮厚度的精準(zhǔn)控制，但該割膠機(jī)械工作時(shí)仍需膠工手持．馬來西亞橡膠局的N·艾哈邁德等[11]設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)割膠機(jī)，刀頭在高速馬達(dá)帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而能較好控制切割傾角，但其沒有設(shè)計(jì)好整體的圓周螺旋運(yùn)動(dòng)，且切割深度不可調(diào)節(jié)，不容易出膠或者損傷樹干．

針對(duì)目前天然橡膠的割膠機(jī)械依舊存在機(jī)械效率低下等問題，本研究設(shè)計(jì)了一種固定復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌道式割膠機(jī)，整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，工作效率高，可以降低割膠作業(yè)強(qiáng)度，提高各項(xiàng)割膠技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的精準(zhǔn)度，有效地促進(jìn)了天然橡膠產(chǎn)業(yè)的發(fā)展．

1.固定裝置； 2.圓周運(yùn)動(dòng)裝置； 3.刀具； 4.刀頭調(diào)節(jié)裝置； 5.縱向運(yùn)動(dòng)裝置； 6.縱向運(yùn)動(dòng)控制裝置； 7.滑軌； 8.圓周運(yùn)動(dòng)控制裝置； 9.總控制裝置．圖1 割膠機(jī)整機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

割膠機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示．該機(jī)主要由固定裝置、復(fù)合運(yùn)動(dòng)裝置、切割裝置等組成．

割膠機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1：

表1 割膠機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 工作原理

工作前對(duì)橡膠樹高度進(jìn)行測(cè)量，通過固定裝置將割膠機(jī)準(zhǔn)確牢固安裝在橡膠樹的合適高度上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)與橡膠樹表面的最佳貼合[12]．安裝好后，啟動(dòng)控制開關(guān)，進(jìn)行割膠，切割刀片按照設(shè)計(jì)好的螺旋軌跡行駛，各控制裝置及機(jī)構(gòu)零部件開始協(xié)調(diào)工作，復(fù)合運(yùn)動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)感應(yīng)裝置控制切割刀具的起止及復(fù)合螺旋運(yùn)動(dòng)，刀頭調(diào)節(jié)裝置運(yùn)動(dòng)到適合切入樹皮的位置并調(diào)整刀頭旋轉(zhuǎn)伸縮到最佳點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)時(shí)刀具會(huì)自動(dòng)運(yùn)行至下刀點(diǎn)，開始做切割運(yùn)動(dòng)，然后在收刀點(diǎn)停止，繼續(xù)下一次割膠運(yùn)動(dòng)．

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 固定裝置

為滿足割膠機(jī)器在橡膠樹上快速簡(jiǎn)易安裝的要求，采用內(nèi)齒圈靈活咬緊以及綁帶快速扎緊定位的安裝方式．固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示．

1.內(nèi)齒圈； 2.外齒圈； 3.松緊綁帶．圖2 固定裝置結(jié)構(gòu)示意圖

內(nèi)外齒圈分別為整圓的四分之三，齒厚是50 mm．其中內(nèi)齒圈的模數(shù)(m1)是4 mm，齒數(shù)(z1)是40．根據(jù)齒輪分度圓直徑參數(shù)設(shè)計(jì)公式：

d=mz

(1)

式中，d為內(nèi)齒輪分度圓直徑(mm)；m為齒輪模數(shù)(mm)；z為齒輪齒數(shù)．

將固定裝置內(nèi)齒圈參數(shù)帶入公式(1)可得內(nèi)齒圈分度圓直徑d為240 mm．

2.2 復(fù)合運(yùn)動(dòng)裝置

復(fù)合運(yùn)動(dòng)裝置由圓周運(yùn)動(dòng)裝置、縱向運(yùn)動(dòng)裝置、復(fù)合運(yùn)動(dòng)控制裝置組成，控制裝置利用兩個(gè)小型步進(jìn)電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速來分別控制圓周運(yùn)動(dòng)裝置和縱向運(yùn)動(dòng)裝置的左右和上下運(yùn)動(dòng)．

2.2.1 復(fù)合運(yùn)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

縱向運(yùn)動(dòng)裝置由傳動(dòng)齒條、移動(dòng)齒輪、步進(jìn)電機(jī)等組成，步進(jìn)電機(jī)通過傳遞裝置為移動(dòng)齒輪提供動(dòng)力，齒輪通過與齒條的嚙合形成上下直線運(yùn)動(dòng)．縱向運(yùn)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示．

1.齒條； 2.步進(jìn)電機(jī)； 3.傳遞裝置； 4.移動(dòng)齒輪．圖3 縱向運(yùn)動(dòng)裝置三維示意圖

圓周運(yùn)動(dòng)裝置由外齒圈、移動(dòng)齒輪、步進(jìn)電機(jī)等組成，步進(jìn)電機(jī)通過傳遞裝置為移動(dòng)齒輪提供動(dòng)力，齒輪通過與齒圈的嚙合形成圓周軌跡運(yùn)動(dòng)．圓周運(yùn)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示．

1.內(nèi)齒圈； 2.外齒圈； 3.移動(dòng)齒輪； 4.傳遞裝置； 5.步進(jìn)電機(jī)．圖4 圓周運(yùn)動(dòng)裝置三維示意圖

2.2.2 復(fù)合運(yùn)動(dòng)裝置參數(shù)確定

在縱向、圓周運(yùn)動(dòng)裝置中，移動(dòng)齒輪、外齒輪及齒條的尺寸設(shè)計(jì)如圖5，圖6，圖7所示．

對(duì)于嚙合傳動(dòng)，要求穩(wěn)定性和精確性高，故選用7級(jí)精度．選擇承載能力高、體積微小的材料，并且經(jīng)調(diào)質(zhì)處理來保證齒輪齒條的高精度．移動(dòng)齒輪、外齒輪及齒條的參數(shù)如表2．

表2 齒輪齒條外齒輪參數(shù)

圖5 移動(dòng)齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 外齒輪結(jié)構(gòu)示意圖

按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式計(jì)算[13]即：

(2)

其中：d為外齒輪分度圓直徑；KH為接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的載荷；T1為齒輪傳遞的扭矩(N· mm)；φd為齒寬系數(shù)；u為齒數(shù)比；ZH為區(qū)域載荷系數(shù)；ZE為彈性影響系數(shù)；Zε為重合度系數(shù)；σH為接觸疲勞許用應(yīng)力．

確定式中各參數(shù)的值：

1) 載荷系數(shù)

KH=KA×KV×KHα×KHβ

(3)

查設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，使用系數(shù)查表取KA=1.1，動(dòng)載系數(shù)KV=1.05，齒間載荷分配系數(shù)KHα=1.1，齒向載荷分布系KHβ=1.07，代入式(3)中得載荷系數(shù)為1.36．

圖7 齒條結(jié)構(gòu)示意圖

2) 齒輪傳遞的扭矩

(4)

其中：P1為步進(jìn)電機(jī)輸出功率；n1為電機(jī)轉(zhuǎn)速．

3) 齒寬系數(shù)

查表(機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，2017)可知，φd=1.28．

4) 彈性影響系數(shù)

5) 區(qū)域系數(shù)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)壓力角αn=20°確定區(qū)域載荷系數(shù)，查表可知ZH為2.49．

6) 重合度系數(shù)

(5)

其中εα為重合度，Z1與Z2分別為外齒輪和齒條的齒數(shù)，對(duì)于直齒輪，β=0．

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)齒輪接觸疲勞壽命系數(shù)圖(KHN圖)，選擇曲線4可鍛鋼、接觸力精度選擇5×106左右，得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.9，KHN2=0.95．移動(dòng)齒輪和齒條的基礎(chǔ)疲勞極限分別為σHlim1=600 MPa，σHlim2=550 MPa．

取失效率為1%，安全系數(shù)SH=1.0．

(6)

(7)

較小者為該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力．即：

[σH]=[σH2]=523 MPa

將各數(shù)值代入公式(2)得移動(dòng)齒輪的分度圓直徑d=104.8 mm．

根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件公式[14]校核

(8)

滿足彎曲強(qiáng)度，故所選參數(shù)合適．

利用和齒輪齒條同樣的計(jì)算方法，可計(jì)算外齒輪的分度圓直徑，根據(jù)公式(2)，d=158.6 mm，根據(jù)公式(8)校核彎曲強(qiáng)度σF1=120.1 MPa≤[σF]1=202.5 MPa．故同樣滿足彎曲強(qiáng)度．

2.3 切割裝置

切割裝置如圖8所示，前端部分由刀頭調(diào)節(jié)裝置和刀具兩部分組成，后端部件為傳動(dòng)裝置和步進(jìn)電機(jī)．

當(dāng)?shù)镀M(jìn)行切割運(yùn)動(dòng)時(shí)，檢測(cè)裝置會(huì)自動(dòng)感應(yīng)橡膠樹皮的凹凸度，反饋控制系統(tǒng)通過改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)刀具的直線伸縮運(yùn)動(dòng)，控制刀片與橡膠樹的徑向距離，保證運(yùn)動(dòng)時(shí)的切割深度與耗皮厚度．

2.4 切割刀片的分析

切割刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖9所示．

1.刀具； 2.刀頭調(diào)節(jié)裝置； 3.傳遞裝置； 4.步進(jìn)電機(jī)．圖8 切割裝置三維示意圖

圖9 切割刀具結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)材料選取原則，選取鋼材作為刀片加工材料，采用通用性、可磨性更好的W18高速鋼用于割膠機(jī)刀片．

對(duì)模型采用自由網(wǎng)格對(duì)刀片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元長(zhǎng)度調(diào)為1 mm，最終的網(wǎng)格數(shù)量是7 219，節(jié)點(diǎn)數(shù)是12 466，基本滿足本次仿真的要求．劃分好的網(wǎng)格如圖10所示．

設(shè)定一個(gè)極限應(yīng)力值對(duì)刀片作結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，先對(duì)切割刀片的后端固定處施加固定約束，再在刀刃的水平面上、豎直面上各施加一個(gè)與刀前進(jìn)方向相反的力，大小為F=30N．

用Ansys得到切割刀片變形云圖如圖11所示．從圖中可以看出切割刀片最大變形量為0.200 63 mm，且出現(xiàn)在刀刃位置．

圖10 切割刀片網(wǎng)格劃分圖

圖11 切割刀片變形云圖

當(dāng)?shù)镀牡度惺芰r(shí)，切割刀片最大應(yīng)力為209.41 MPa，其數(shù)值遠(yuǎn)小于高速鋼的屈服極限400 MPa．若使用安全裕度設(shè)計(jì)原則來驗(yàn)證其可靠性，則刀片的安全裕度(A)為

(9)

公式(9)中，f為選取的安全系數(shù)，這里取值為1.5．根據(jù)安全裕度計(jì)算，刀片強(qiáng)度滿足力學(xué)設(shè)計(jì)要求．

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件

田間試驗(yàn)在海南省澄邁縣橡膠樹種植基地進(jìn)行，樣機(jī)如圖12所示．試驗(yàn)選用樹徑范圍在600～800 mm，選用符合標(biāo)準(zhǔn)的15棵橡膠樹分為3組，割線下端離地高度在110 cm．以傳統(tǒng)割膠刀的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為試驗(yàn)原則，從起點(diǎn)向右下端空載運(yùn)動(dòng)到達(dá)末端后反向切割并停止在終點(diǎn)，完成1次割膠運(yùn)動(dòng)．

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集方法

橡膠樹上的割面數(shù)學(xué)模型如圖13所示，需設(shè)定割線軌跡的點(diǎn)曲率為k，割線與樹軸的夾角為θ，建立二維坐標(biāo)點(diǎn)C(xC，yC)，O(xo，yo)，其中確定O為坐標(biāo)原點(diǎn)，BC的距離為割膠工作區(qū)域的有效高度(mm)．

圖12 割膠機(jī)樣機(jī)

圖13 割面數(shù)學(xué)模型

根據(jù)夾角θ與點(diǎn)曲率k以及坐標(biāo)軸之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，計(jì)算公式為

(10)

(11)

根據(jù)實(shí)際測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)：測(cè)得DC距離為281.5 mm，OD距離為125.3 mm時(shí)，帶入公式(10)，得出曲率k為0.445，代入公式(11)中得出切割角度約為24°； 當(dāng)測(cè)得DC距離為302.7 mm，OD距離為161 mm時(shí)，帶入公式(10)，得出曲率k為0.532，代入公式(11)中得出切割角度約為28°； 測(cè)得DC距離為299.4 mm，OD距離為187.1 mm時(shí)，帶入公式(10)，得出曲率k為0.625，代入公式(11)中得出切割角度約為32°．

對(duì)割膠后的橡膠樹采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行割膠軌跡深度測(cè)定，每一軌跡測(cè)定3個(gè)位置取平均值得出切割深度．切割產(chǎn)生的橡膠樹皮采用三角間隙尺進(jìn)行耗皮厚度測(cè)定，對(duì)每塊樹皮的3處不同位置進(jìn)行測(cè)定取平均值得出耗皮厚度．

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

基于樣機(jī)進(jìn)行的15組試驗(yàn)，將1～5組、6～10組、11～15組分別取平均值以后列為三水平，則正交試驗(yàn)因素水平如表3所示．

采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)．切割角度(A)、切割深度(B)、耗皮厚度(C)為影響因子，干膠產(chǎn)量(Y)為響應(yīng)值，試驗(yàn)次數(shù)17次，中心試驗(yàn)5次，試驗(yàn)結(jié)果見表4，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，可得到干膠產(chǎn)量回歸模型：

Y=174.02-3.07A-1.84B+1.59C-3.32AB-3.73AC-2.9BC-5.91A2+0.21B2-2.68C2

為分析回歸方程的擬合程度，探究切割角度、切割深度、耗皮厚度對(duì)干膠產(chǎn)量的影響大小，對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表5．F值為4.02，P值為0.0400，小于0.05，說明模型選擇合理且結(jié)果有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，模型建立的干膠產(chǎn)量指標(biāo)變化情況與三因素緊密相關(guān)．

表3 正交試驗(yàn)因素水平表

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果

表5 回歸方程方差分析

續(xù)表5

圖14 切割深度x2與耗皮厚度x3響應(yīng)面圖

為了探究不同因素間交互作用的影響，通過3組響應(yīng)面圖對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，如圖14，圖15，圖16所示．本次研究的響應(yīng)面圖均呈現(xiàn)開口向下的鐘罩形，即隨著因素水平的增加，干膠產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，符合實(shí)際割膠運(yùn)動(dòng)中，切割角度、切割深度、耗皮厚度均不適宜過大或過小，只有當(dāng)參數(shù)適中時(shí)才能保證割膠效果，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)產(chǎn)量．

利用Design-Expert軟件的Optimization功能，進(jìn)行優(yōu)化分析，得到固定式割膠機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合為切割角度28°、切割深度5.5 mm、耗皮厚度1.6 mm，在該最優(yōu)參數(shù)組合下，干膠產(chǎn)量為178.4g．根據(jù)優(yōu)化分析得到的最優(yōu)參數(shù)組合，進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)得出，在給定的優(yōu)化參數(shù)下，干膠產(chǎn)量為176.7 g，與最優(yōu)結(jié)果之間的誤差為0.9%，表明設(shè)計(jì)合理．

通過分析以上所有試驗(yàn)結(jié)果，可以得出本固定復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌道式割膠機(jī)基本滿足前期想要實(shí)現(xiàn)的割膠效果，在完成割膠參數(shù)設(shè)定下，能夠有效提高天然橡膠產(chǎn)量，最大程度保護(hù)橡膠樹和提高產(chǎn)膠壽命．

圖15 切割角度x1與耗皮厚度x3響應(yīng)面圖

圖16 切割角度x1與切割深度x2響應(yīng)面圖

4 結(jié)論

1) 針對(duì)目前在橡膠樹割膠領(lǐng)域還不完全具備由機(jī)器取代人工的割膠狀態(tài)下，本文結(jié)合之前的相關(guān)研究，設(shè)計(jì)了一種固定復(fù)合運(yùn)動(dòng)軌道式割膠機(jī)，對(duì)固定裝置、復(fù)合運(yùn)動(dòng)裝置等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用Ansys分析刀片的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，驗(yàn)證了其強(qiáng)度的可靠性和安全性，保證了刀片在設(shè)計(jì)加工上實(shí)際可行．

2) 應(yīng)用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定3個(gè)顯著影響因素，最優(yōu)值為切割角度28°、切割深度5.5 mm、耗皮厚度1.6 mm，最優(yōu)參數(shù)組合下的干膠產(chǎn)量為178.4 g．對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：在給定的優(yōu)化參數(shù)下，干膠產(chǎn)量為176.7 g，與最優(yōu)結(jié)果之間的誤差為0.9%，表明設(shè)計(jì)合理．

3) 打破傳統(tǒng)的人工割膠模式，利用切割控制器對(duì)整個(gè)切割過程中主要的作業(yè)技術(shù)參數(shù)實(shí)施精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，對(duì)割膠機(jī)械現(xiàn)代化水平的提升起著關(guān)鍵性的作用．