4WS2000高杆芦苇收割机割台的设计(论文资料).pdf

第 3 o卷第 1 o期 2 0 1 0年 1 o月 中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 j o u r n a l o f ce n t r a l s o u t h un i v e r s i t y o f f o r e s t r y& t e c h n o l o g y vo 1 3 o 0c t no1 o 2 o1 0 4 ws 2 0 0 0高杆芦 苇收割机 割台的设计 马庆勇， 田 莉， 吴学东 ， 陈飞 ( 中南林业科技 大学 机 电工程 学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 ) 摘要： 通过对芦苇收割机割台的研究， 对比目前常用芦苇收割机割台存在的优缺点， 提出了ws 2 0 0 0高杆芦苇 收割机割台的设计方案。割台是收割机的关键部件， 是分苇、 扶苇机构、 拨苇轮、 割刀、 横向输送等机构的组合体； 给出了这些机构 的设计方案 ， 分 析了其受力情况及t作原理 ， 并考虑 实际作业情况及整体机构的协调工作 。 关键 词 ： 高杆芦苇 割台 分 苇器 割 刀 横 向输送 中图分类号 ： $ 2 2 5 5 文献标志码 ： a 文章编号 ： l 6 7 3 9 2 3 x( 2 0 1 0 ) 1 0 0 1 3 8 一o 5 re s e a r c h o n s t r u c t u r e o f c u t t i n g pl a t f o r m o f t he 4 w s 2 0 0 0 h i g h b a r b u l r u s h ha r v e s t e r ma qi n g y o n g。 ti an i i ， wu xu md o n g ， chen f e i ( s c h o o l o f el e c t r o me c h a n i c a l e n g i n e e r i n g，ce n t r a l s o u t h un i v e r s i t y o f f o r e s t r y a n d te c h n o l o g y。ch a n g s h a 4 1 0 0 0 4，hu n a n ，c h i n a) ab s t r a c t ： th r o u g h r e s e a r c h i n g o f t h e c u t t i n g p l a t f o r m o f b u l r u s h h a r v e s t e r s ，t h e me r i t s a n d d e me r i t s o f t h e c u t t i n g p l a t f o r m o f b u l r u s h h a r v e s t e r s w h i c h a r e o f t e n u s e d a t p r e s e n t w e r e a n a l y z e d t h e c u t t i n g p l a t f o r m d e s i g n p r o j e c t o f 4 w s 2 0 0 0 h i g h b a r b u l r u s h h a r v e s t e r s wa s p u t f o r wa r d cu t t i n g p l a t f o rm i s k e y c o mp o n e n t o f h a r v e s t e r s ，i t i s ma d e u p o f s e p a r a t i n g a n d s u p p o r t i n g b u l r u s h me c h a n i s m ， p u s h i n g b u l r u s h wh e e l ， c u t t i n g k n i f e ， c r o s s i n g f e e d me c h a n i s m a n d s o o n t h e d e s i g n p r o j e c t s o f t h e s e me c h a n i s ms w e r e p r e s e n t e d ， th e me c h a n i s ms f o r c e c o n d i t i o n a n d t h e i r s wo r k i n g p r i n c i p l e we r e a n a l y z e d，a n d t h e a c t u a l wo r k i n g s t a t u s a n d wo r k c o o p e r a t i o n o f wh o l e me c h a n i s m we r e t a k e n i n t o a c c o u n t ke y wo r d s ： h i g h b a r b u l r u s h；c u t t i n g p l a t t i n g；s e p a r a t i n g b u l r u s h me c h a n i s m ；c u t t i n g k n i f e ；c r o s s i n g f e e d me c h a n 1 s m 芦苇是我国造纸工业的主要原料 ， 及时收割芦 苇是提高芦苇经济效率 的关键 因素。芦苇收割季 节短 ， 条件艰苦 ， 劳动力强度大 ， 迫切需要实现机械 化 南方芦苇和北方芦苇不同， 南方芦苇一般为 4 5 m， 茎 粗 2 o 3 0 mm， 密 度 小 ， 为 1 5 3 o株 m 引。为了满足南方芦苇收获要求， 需要研制 适应南方地区特点的芦苇收割机； 而割台是收割机的 关键部件， 它直接关系到收割质量的好坏， 设计出适应 实际收割需要的割台是收割机研制最关键的一步。 1 现有芦苇收割机割台存在的问题 3 现有芦苇 收割割 台有两种侧跨式和前 置 式 。不论是侧跨式还是前置式， 割 台的设计都是立 式收割、 横向输送、 侧向条放 。它们在设计 中存在种 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 5 1 0 基金项 目： 湖南省科技厅重点项 目( 2 0 0 9 wk2 0 0 6 ) 作者简介 ： 马庆勇( 1 9 8 o 一) ， 男 ， 河南兰考人 ， 助教 ， 研究生 ， 从事机械方面 的研究 第 3 o卷 巾南林业科技大学学报 1 3 9 种弊端 ： 对于侧跨式 ， 由于侧放割 台使得机构重 心 不稳、 割刀切割受力不均 ， 会使整个割 台受 到很 大 的弯矩， 破坏正常的收割( 如图 1 所示) 。对于前置 式 ， 存在的问题有 ： 由于割台悬挂在前端， 加重整 台机器前部 的重量 ， 可能会压坏苇芽l _l ； 本收割机 采用履带式底盘 ， 平衡整机 的受力 ， 故这种 问题可 以排除； 收割芦苇时收割 幅的限制 ， 造成芦苇一 层压一层的现象； 本机收割后采用侧 面纵 向输送 ， 把芦苇芦苇输送到机器后方排放 ， 可避免了这种 问 题的产生。所以本机割台设计采用前置式。 图 1 侧跨式收割机受力 fi g 1 the f or c e of f i xi ng - s i de t y p e bu l r u s h 2 1 结构 及 工作原 理 2 1 1 基本结构 割台是分苇机构 、 扶苇机构 、 割刀、 拨 苇轮、 横 向输送等 机构 的组合 体 ， 割 台的设计 还需考 虑割 幅、 割刀型式以及运动速度的选择 。综合所有 因 素， 4 ws 2 0 0 0型高杆芦苇收割机割台设计的如图 2 所示 。 2 1 2 工作原理 当收割机前进 时， 分苇器伸入植株 ， 将芦苇分 为切割区和待切 割区。此时与割台相接触、 稍有前 倾及正常生长和略有倒伏 的芦苇均 由扶苇器扶正 送入割台实现切割 ， 然后 南横 向输送机构把收割 的 芦苇送 向左侧。 2 2 分苇 、 扶苇机构 分苇、 扶苇结构的合理设计是保证收割机连续 切割、 输送、 铺放的必要条件 。 。扶苇机构主要由 1 拨 苇 轮 2 分 苇 、 扶 苇 机 构 3 割 4 输 送 链 图 2 割 台 fi g 2 cu t t i ng pl a t f o r m 拨指 、 导向接轨 、 输送链 和拨苇轮组 成。收割机收 割时 ， 分苇机构从芦苇底部将待收割区和收割区分 开 ， 通过拨指把芦苇拨 向割刀切割 ， 在拨苇轮 的作 用下拨上横 向输送 结构 ， 把芦 苇输送 到割 台的左 侧 。分苇、 扶苇机构示意图如图 3 所示。 三 土 一 1 机架 2 分苇机构 3 扶苇机构 4 拨苇轮 图 3 分苇 、 扶苇机构 fi g 3 su pp o r t i ng a nd pu s h i n g b u l r u s h me c h a ni s m 2 2 1 扶苇机构 南方芦苇 多生 长在洞庭 湖 畔， 由于是 自然 生 长， 长的杂乱无章 ， 再加上风吹、 水浸 ， 导致芦 苇收 割前前倾后倒 、 左摇右摆 的屡屡可见 。要保证持续 收割 ， 需要把芦 苇扶正 ， 进行直立 切割。扶苇机构 主要 由传动导轨 、 链 轮链条 、 拨指 等组成 。组成示 意图如 图 4所示 。 工作原理 ： 扶苇机构通 过链 轮 的转动 ， 带动拨 指向后运动 ， 把芦苇拨 向割刀。 由于分苇机构把芦苇分成若干个 收割区， 在分 苇机构的右边 ， 需要拨指伸展， 拨动芦苇； 在分苇机 1 4 0 马庆勇 ， 等 ： 4 ws 2 0 0 0高杆芦苇收割机割台的设计 第 8 期 构的左边 ， 拨指向前运动 ， 干扰芦苇进人切割 区， 所 以需把拨指收回。如图 4 ， 当拨指运动到 5 处时 ， 拨 指开 始展 开 ； 经历 从 5 4 6处 ， 因为 在链 轮 2 处 ， 为了保证芦 苇切割后 可以跳上 割刀 ， 进 人横 向输 送， 会有如图 3中 4处 的拨 苇轮， 在同一位置受 到 两个力的作用会引起力的干涉， 故在 6处 ( 见 图 4 ) 使拨指慢慢收缩 ， 到达链轮 2时完全靠拢链轮 ， 不 在启任何拨动作用 ； 通过链轮 2处 的转 弯， 拨指会 有部分程度的展开( 见 7处) ， 为了完全保证拨指贴 紧链条 ， 在 8处设计一导轮， 迫使拨指收缩 ； 拨指的 展开需要一定 的过程和装置 ， 在 9处 ， 设 计一个 弧 形， 使拨指到 5 处能展开一个角度 。 1 小链轮 ； 2 大链 轮 ； 3 链条 ； 4 、 5 、 6 、 7 拔指 ； 8 导轮 ； 9 收缩轨道 图 4扶苇机构 fi g 4 s u p p o r t i n 窑b u l r u s h me c h a n i s m 拨指长度 l、 速度 v b z 、 收割机前进速度 ， 的 匹配关系 ： 设拨指 的速度 为 ， 收割 机 的前进 速度 为 ，拨指拨苇时芦苇倾角 ， 小链轮的齿数为 、 ， 链 轮的节距为 p， 拨指长度为 l， 拨指离地高度为 h， 图 5 ， 9 处弧度半径为 r。 由 图5 可知： r l 2 4 - f 1 ( 1 ) 由图 6 可知 ： c o s p ( 2 ) y j 对于拨指参数的要求 ： 为了保证链条周转运 动 ， 需要满足式( 1 ) 的要求 。对 于速度 的匹配， 如 图 6 ， 要使芦苇更利于切割 ， 需使芦苇直立稍微 向后 倾 ， 实践证 明当 8 4 8 6 。 ， 最有利于后续的切割； 故 取 1 0 0 4 vj 。 2 3 拨苇轮 2 3 1 结构图 为了保证切割的芦苇顺利进入横向输送机构， 在割刀的正上方设计 了拨苇轮其结构如图 7所示 ， 图 5 拨指放大图 fi g 5 la r g e d r a wi ng o f f i d dl i ng g o o d s 图 6 拨苇运动参数 fi g 6 m ov i n g p a r a met e r o f fid dl i n g b u l r us h 切 割点 对正拨 苇轮 的 中心l_ 8 。 2 3 2 设计结构分析 割刀切割后的芦苇， 要使芦苇顺利的进入横向 输送结构 ， 仅靠 收割机前进 的惯性力 ， 并不足于完 成任务。因为： 两相邻分苇器之间的间距是渐渐 收缩 ， 芦苇进入割刀切割会和分苇器两边挡板产生 很大的摩擦力 ， 导致 苇杆 向后倾 ， 不利于进人横向 输送结构 ； 芦苇是野生植 物， 收割时不可避免的 产生迎风和顺风 ， 迎风有利于芦苇后倾 ， 但顺风会 使芦苇前倒 。正是由于这些原 因， 在芦苇切割 的同 时 ， 必须有一机构强制的机构使芦苇进入横向输送 区。我们采用 拨苇轮 来实现 ， 又 因南方 芦苇 大多 4 5 m， 单点的受力 ( 受力点又在芦苇的下部如图 8 第 3 o 卷 中南林业科技大学学报 1 4 1 l- ii“ l 目 厂 日 一 丌 丌 _ 7 亦 1 上 拨 苇 轮 2轴 3 f 拨 苇 轮 图 7 拨苇轮结构 fi g 7 co nf i g ur at i o n o f f i d dl i ng bu l r u s h whe e l f ) 很可能产生不平衡 ， 故采用上下两层拨 苇轮 ， 使 芦苇切割后两点受力 ， 保证其平稳进 入输送机构。 但对于两层的拨苇轮， 实际安装 中不可能保证永远 准确 的同步， 芦 苇也 不可能永 远 的直立或 后倾 5 度 ， 那么芦 苇的受力不仅会产 生 图 8中 f 、 f 。的 力 ， 也会产生 f 、 f。 的力 ， 对其进行受力分析 ， 在 a 处产生很大的弯矩 ， 很可能会破坏芦苇 ， 把苇茎打 断， 故上层拨苇轮采用柔性拨苇轮， 由橡胶棒组成， 当 大于苇茎的韧性力时， 橡胶棒 弯曲屈服 ， 当 小 于苇茎的韧性力时， 上拨苇轮仅仅起到扶苇的作用。 2 4 割 刀 对于粗茎杆 的芦 苇收割机， 采用往 复式切割。 割刀分为动刀和静刀两部分组成 ， 动刀片是切割器 的主要切割件， 其工作原理 和结构参 数的确定 ， 对 切割工作的可靠性和功率消耗均有较大的影响 ， 为 此所设计的动刀片应满足运动可靠 、 强度和刚度能 图 8 拨苇轮受 力分布 fi g 8 fo r c e d i s t r i bu t i o n o f f i dd l i ng b ul r u s h wh ee l 满足切割要求 ， 同时切割速度选择在有效的切割高 速 区段 。 基本尺寸的确定 ： 动刀片结构参数有切割角 a 、 刃部高度 h 、 刀片 宽度 a和顶宽 b及刀片厚度 等， 其结构见图 9 。 | | | |i i 图 9 割刀受力分析 fi g 9 ana l y s i s o f f o r c e o f c u t t i ng k ni f e 垒 里庆勇， 等： 4 ws 2 0 0 0 高杆芦苇收割机割台的设计 第 8 期 ( 1 ) 该动刀片选取 一5 0 0 mm， ( 2 ) 刃部高度 h的选择 ， 收割粗茎杆的芦苇 ， 刀 片刃部的高度应满足在一个行程 中能切断茎杆的 要求 ， 常取 h ( 1 2 ) d ， d为芦苇茎杆直径， 经测定 南方芦苇根部直径 ， 取 d =1 2 2 7 i t l r n ， 取 h =5 5 1 t ii i 1 。 ( 3 ) 切割角 a的确定e 。切割时 ， 定 、 动刀片受 力分析图如图 l o ， 其中 尺 为茎杆正压力 n 和摩 擦力 f 的合力 ， 其 中 r 为茎杆正压力 n。 和摩擦 力 f 的合力 ， 欲方便切割， 需 r 和 r 共线。由四 边形 o ac b中， a + + 一丌 ， 得 口 + + ， 为 定刀片的切割角 。经测定， 动刀片和定刀片配合对 芦苇茎杆的摩擦角之和为 + 2 4 8 。5 4 。 ， 选取 a 一3 0 。 ， 由此确定 一2 0 mm。 ( 4 ) 考虑制造成本和刀片抵抗异物所导致 的变 形等破坏 ， 取 一3 5 i t l m。 2 4 横 向输 送 输送机构由输送链 和输送拨齿组成 ， 考虑到我 国南方芦苇重心较高( 一般在 1 8 i t i 左右