李智強 閆文剛 李志昊 郭世杰 解靜濤 彭志鑫

（ 1. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學機械工程學院，呼和浩特 010051； 2. 中國兵器工業(yè)集團北奔重汽技術(shù)中心，包頭 014032）

灌木在我國土地荒漠化的治理過程中具有突出的作用，而且也是經(jīng)濟建設(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 m2。按照生長周期計算，當灌木種植期達到 3～5 年，需進行一次平茬復壯[1-2]。用于灌木資源收割加工的機械主要有灌木平茬機、灌木削片機和灌木粉碎機3 種[3-9]。國外對于灌木機械的研究較早，美國D&M Machine Division 公司研制了先進高效的Slashbuster系列銑削式灌木收割機；巴西研制了新型懸掛式灌木收割機[11-12]。隨著技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)對于營林機械的重視程度越來越高，很多高校與研究所對各類營林機械進行了改進[13-17]。比較典型的營林機械有XDNZ-2008 型自走式收割機和4MG-200 型灌木聯(lián)合收割機，但整體研究相對于國外較晚[18-25]。此外，國內(nèi)灌木類機械總體工作效率低，品種單一且缺少一體機類機械。為了提高營林作業(yè)效率，加強對灌木類資源的利用，本研究將灌木的切割與粉碎過程結(jié)合，設(shè)計了一種灌木切割粉碎一體機。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

灌木切割粉碎一體機整機模型如圖1 所示，主要包括割灌機構(gòu)、傳送機構(gòu)、喂入機構(gòu)、切削機構(gòu)和粉碎機構(gòu)。割灌機構(gòu)通過鋸片切削實現(xiàn)對灌木的平茬作業(yè)，灌木倒伏后，通過傳送機構(gòu)，將枝條送到喂入機構(gòu)。喂入機構(gòu)的上下輥子相向轉(zhuǎn)動，對灌木枝條形成一個勾拉的力，將灌木枝條強制送入切削機構(gòu)。切削機構(gòu)的動力來自于外部電機，通過刀輥上的動刀片與刀片支架上的定刀配合，完成削片動作，削出的灌木料，通過箱體下方的落料口落入粉碎機構(gòu)。粉碎機構(gòu)的主軸上裝有粉碎錘片，錘片跟隨主軸轉(zhuǎn)動，對灌木片進行粉碎，粉碎后的灌木料通過篩片落下。

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

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進

2.1 割灌機構(gòu)設(shè)計

圖2 為灌木切割粉碎一體機的割灌機構(gòu)，主軸旋轉(zhuǎn)通過錐齒輪傳動帶動中間軸轉(zhuǎn)動，再通過傳動齒輪帶動上下兩個軸轉(zhuǎn)動，從而帶動刀片一起轉(zhuǎn)動，達到割灌的目的。

割灌鋸片刀頭種類有三角刀頭、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)計算，割灌機構(gòu)選用 Y200L-1-2 型三相異步電動機作為動力輸入源，此時鋸片的轉(zhuǎn)速為2 865 r/min。此外，在割灌機構(gòu)底部設(shè)置仿形機構(gòu)，以提高機構(gòu)的通過性，在割灌機構(gòu)頂部設(shè)置倒人字導板，以保證灌木枝條可有序地送到輸送帶。

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

2.2 切削機構(gòu)與喂入機構(gòu)設(shè)計

2.2.1 切削與喂入機構(gòu)工作原理

灌木枝條經(jīng)過輸送帶通過喂入機構(gòu)送至切削部分，進入后續(xù)加工。如圖3 所示，削片主軸轉(zhuǎn)動帶動刀輥部分轉(zhuǎn)動，通過刀輥上的動刀和定刀的配合完成對灌木枝條的切割。其中喂入機構(gòu)由上喂入機構(gòu)和下喂入機構(gòu)組成。上喂入機構(gòu)有3 個不同喂入輥子，根據(jù)灌木的結(jié)構(gòu)和生長特性，第一喂入輥的表面設(shè)計為點凸式，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，所以將末端輥子設(shè)計為圖中4（c）所示的方齒形輥子。

圖3 切削與喂入機構(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)計與運動校核

圖5 刀輥裝配圖Fig.5 Knife roll assembly

本研究所設(shè)計的開式刀輥結(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的整體性能，因此需要對刀輥進行運動校核。

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

2.3 粉碎機構(gòu)設(shè)計

2.3.1 粉碎機構(gòu)工作原理

粉碎機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6 所示，電機的動力經(jīng)彈性套柱銷聯(lián)軸器傳至粉碎主軸，通過主軸帶動相關(guān)部件共同轉(zhuǎn)動。揚升機構(gòu)的風扇采用和主軸同軸設(shè)計，簡化了整體結(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，錘片通過篩片和耐磨板的配合對削片料進行粉碎。通過對粉碎機構(gòu)理論生產(chǎn)力的計算，該機構(gòu)選用Y132M-4 三相異步電動機作為動力源。

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

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)常會出現(xiàn)物料環(huán)流層，物料環(huán)流層的存在會造成粉碎效率低下，能耗高，粉碎室內(nèi)溫度高。因此對粉碎室結(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)計中，粉碎室被改進為水滴形的異形室，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的粉碎系統(tǒng)核心部分主要包括：風扇扇片、粉碎錘片、傳動主軸、限位套筒、法蘭盤、錘片連接板和錘片連接柱銷等部件，如圖8 所示。

所有錘片通過連接柱銷連接在錘片連接板上，錘片之間的距離通過限位套筒進行控制。錘片連接板通過兩個粉碎連接螺栓和長限位套筒連接在法蘭盤上。每個法蘭盤均勻布置4 組錘片。當傳動主軸高速運轉(zhuǎn)時，帶動錘片進行轉(zhuǎn)動，此時的整個轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)可看做為一個慣性輪機構(gòu)，當外部的喂入量發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)子機構(gòu)依靠慣性輪的儲能和釋能特性，保證粉碎部分運轉(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

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。對于傳統(tǒng)錘片，為了增加粉碎效率，采用增加錘片長度和厚度的方法來增加錘片的質(zhì)量。但增加錘片長度，會使錘片容易產(chǎn)生偏讓，機器的振動和噪聲會增大；增加錘片厚度又會阻礙物料的軸向移動，產(chǎn)生與錘片側(cè)面接觸的無效摩擦，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。改進后的錘片，既可以提高錘片對物料的沖擊率，又可大大增加錘片末端的線速度，提高粉碎效果。所設(shè)計的錘片，采用對稱雙孔結(jié)構(gòu)，一片錘片在不修補情況下可以利用 4 次，使用壽命也比傳統(tǒng)錘片提高了4 倍。同時，將T型錘頭設(shè)計為齒板式，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的運動學仿真

3.1 粉碎機構(gòu)運動學仿真

對粉碎機構(gòu)簡化后導入ADAMS軟件中，對其添加約束與驅(qū)動，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)果接近實際，在錘片與錘片柱銷及錘片與套筒之間添加摩擦力。

仿真后得到錘片的運動軌跡如圖11 所示。在錘片式粉碎機從電機啟動到主軸轉(zhuǎn)子達到穩(wěn)定工作這一過程中，錘片是由靜止狀態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)閲@主軸作圓周運動的狀態(tài)。

錘片與銷軸進行鉸接，每片錘片均可看作是以銷軸作為懸點的單擺，當轉(zhuǎn)動動作開始后，銷軸與錘片連接處繞主軸旋轉(zhuǎn)?？傻缅N片運動過程存在兩種運動的結(jié)合，一種是粉碎錘片整體繞主軸轉(zhuǎn)動，另一種是錘片以懸點為基礎(chǔ)繞銷軸做單擺運動。

圖11 粉碎錘片運動軌跡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)合錘片的運動軌跡圖，可以發(fā)現(xiàn)，錘片的運動是平穩(wěn)的，在0 s到1.5 s這段時間，粉碎部分處于啟動階段，主軸開始旋轉(zhuǎn)，帶動錘片一起轉(zhuǎn)動，但是由于錘片錘頭質(zhì)量集中，因此錘片運動存在滯后，錘片的轉(zhuǎn)動角速度存在較大的波動，在這期間，錘片的運動軌跡是不規(guī)則的。在1.5 s以后，錘片的波動逐漸減小，最后達到平穩(wěn)的工作狀態(tài)，整個粉碎錘片的仿真運動過程與實際工作過程極為接近。

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，粉碎機構(gòu)的設(shè)計是合理的，粉碎機構(gòu)可以完成預期的粉碎工作。

3.2 切削機構(gòu)運動學仿真

對切削機構(gòu)的刀輥進行簡化后，添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，使得主軸在 0～3 s 內(nèi)從靜止狀態(tài)加速到740 r/min，并在后續(xù)時間內(nèi)保持勻速轉(zhuǎn)動。進行運動學仿真，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，削片刀整個運動過程中，運動是相對平穩(wěn)的。主軸開始旋轉(zhuǎn)啟動，刀片跟隨刀盤轉(zhuǎn)動，此時的刀片處于啟動加速過程中，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過程完畢，主軸及刀片處于平穩(wěn)運動狀態(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，切削機構(gòu)的設(shè)計是合理的，可以完成預期的切削任務(wù)。

3.3 割灌機構(gòu)運動學仿真

對割灌機構(gòu)進行簡化后，添加相應(yīng)的運動副、齒輪副與約束，對鋸片的運動過程進行仿真分析，使鋸片在0 到2 s時間內(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

刀頭的運動在0到2 s的時間內(nèi)處于啟動加速階段，所以在刀頭速度-加速度圖中，在 0 到 2 s 的時間區(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，啟動階段完成，機構(gòu)進入平穩(wěn)運動工作階段。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)計是合理的，整個機構(gòu)運動非常平穩(wěn)，滿足機器割灌作業(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)計了一種灌木切割粉碎一體機，重點對割灌機構(gòu)、喂入機構(gòu)、切削機構(gòu)和粉碎機構(gòu)進行設(shè)計，同時對粉碎室和粉碎錘片設(shè)計進行優(yōu)化，以提高機器粉碎效率，最后運用ADAMS軟件對割灌機構(gòu)、切削機構(gòu)和粉碎機構(gòu)進行運動學仿真，分別得到三部分中關(guān)鍵零件的運動軌跡、質(zhì)心位置、速度、加速度和角加速度數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，機器的設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，設(shè)計方案可行，可滿足工作需求。