電動蔗葉還田機刀輥部件的創新設計

唐艷芹，程思創，方俊鑫，王玉興

（510642 廣東省 廣州市 華南農業大學 工程學院）

0 引言

甘蔗是我國重要的經濟作物，據國家統計局統計，2020 年全國甘蔗播種面積達到1 390.73 khm2，產量10 812.1 萬t。甘蔗葉作為甘蔗收獲的田間廢棄物，資源豐富，綜合利用極具潛力，但目前開發利用程度低，利用形式簡單,基本為田間焚燒[1]。

2005 年，華南農業大學開發了一種遙控蔗葉還田機，結構如圖1 所示。該機采用遙控方式控制運行，用柔性刀高速旋轉切割蔗葉，實現蔗葉還田，具有切斷效果較好、結構簡單、功耗小等特點。

圖1 遙控蔗葉柔性切斷還田機Fig.1 Remote control sugarcane leaf flexible cutting and returning machine

該設計的不足：（1）刀輥較細，切割過程中蔗葉容易纏繞刀輥，影響切割；（2）采用單刀輥切斷還田，會形成自激風場，把蔗葉吹跑，對蔗葉的切割也不充分；（3）高速旋轉下刀輥易發生振動。本文就刀輥部件進行創新設計，提出了解決方案。

1 刀輥部件的結構設計

鄭侃等[2]梳理了旋耕機刀輥纏繞的危害。對蔗葉還田機而言，“柔性刀”的切割力依賴刀輥的高速旋轉，而蔗葉纏繞增加了刀輥工作阻力，大大減小其轉速，影響蔗葉還田機作業。為防止蔗葉纏繞，提出如下解決方案：（1）采用雙軸刀輥聯動設計。王子健等[3]在履帶式雙軸除草機中采用前軸除草與后軸防纏繞同步作業方式避免雜草纏繞。本文以該思路為基礎，采用結構相同的雙刀輥前后排布聯合作業，前軸刀輥進行切割作業，后軸刀輥在二次切割的同時也能進行防纏作業?！叭嵝缘丁钡男D容易產生自激風場，吹走蔗葉，采用雙軸刀輥聯動設計，后軸刀輥旋轉產生的自激風場能有效抵消前軸刀輥的自激風場。（2）增加刀輥直徑，使切斷的蔗葉難以纏繞刀輥一周，從而實現蔗葉的防纏繞。

根據達朗貝爾原理建立空間坐標系，求解繞定軸轉動剛體中，穿過重心的慣性主軸稱為中心慣性主軸。因此，不產生軸承約束力的條件是剛體的旋轉軸是剛體的中心慣性主軸。根據動平衡和靜平衡原理，刀輥的穩定性取決于刀輥上質心是否在旋轉軸上。因此，對稱性是刀輥設計的關鍵部分。

柔性刀刀輥結構如圖2 所示，包括切割組件、轉動軸、動力輸入組件和動力輸出組件。切割組件的數量設置為一對，且對稱分布于轉動軸中線的兩側。一個切割組件包括柔性刀1 和刀盤2，柔性刀通過刀盤固定于轉動軸3 上，動力輸入組件和動力輸出組件分別設于轉動軸的兩端。轉動軸與動力輸入組件連接的一端為動力輸入端，轉動軸與動力輸出組件連接的一端為動力輸出端。

圖2 刀輥結構圖Fig.2 Structure diagram of knife roller

轉動軸上，刀盤2 的安裝處設有定軸套4 和動軸套5，定軸套和動軸套分別位于刀盤兩側，定軸套、刀盤和動軸套之間通過螺釘6 固定連接。為保證刀具工作狀態穩定，各刀盤的定軸套、動軸套結構、固定定軸套、刀盤和動軸套的螺釘數量相同并均勻分布。

動力輸入組件包括輸入帶輪7 和輸入帶8，輸入帶輪通過錐銷9 固定于轉動軸的動力輸入端，輸入帶輪通過輸入帶外接動力輸入機構，其中輸入帶為三角帶。動力輸出組件包括輸出帶輪10 和輸出帶11，輸出帶輪通過錐銷9 固定于轉動軸的動力輸出端，輸出帶輪通過輸出帶外接動力輸出機構，其中輸出帶為圓皮帶。轉動軸外周還設有套筒12。

柔性刀纏繞于刀盤內部，柔性刀兩端從陣列孔伸出，根據實際需要其長度可調；轉動軸采用空心鋼管，質量輕，有足夠的剛度，且使用便捷，針對蔗葉還田機的輕便、小動力角度而設計，綜合考慮材料的經濟性和綜合力學性能，使用304 鋼[4]。

2 雙刀輥設計及其尺寸的確定

從鄭勇等[5]研究得出鮮蔗葉的力學性能明顯強于干蔗葉，這是由于蔗葉自身存在著柔韌的纖維組織，在切割過程中能為自身起到一定的減震緩沖作用，使其不容易被切斷[6]。若采用單刀輥方案，會由于自激風場的原因將蔗葉吹跑或吹向空中，此時蔗葉由于缺少了地面給予的反作用力，自身變形大大削弱柔性刀的切割力，導致切割不充分甚至未形成有效切割。

針對上述問題，此處采用的雙刀輥設計方案，同時將底盤更換為履帶底盤，配合雙刀輥方案使用。橡膠履帶摩擦驅動式行走機構具有較好的越障能力，在軟地質環境、復雜地形具有較高的實用性[7]。履帶不僅接地比壓低，可以保護土壤，而且地形的適應性強，同時也能夠壓實蔗葉進行切割，在還田機行進途中，履帶壓住蔗葉兩頭防止被吹飛，達到更好的切割效果。

柔性刀蔗葉還田雙刀輥傳動圖如圖3 所示，包括機架1、第1 柔性刀輥2、第2 柔性刀輥3 和驅動電機4。第1 柔性刀輥和第2 柔性刀輥并列設于機架上，第1 柔性刀輥一端通過動力輸入組件與驅動電機連接，另一端通過動力輸出組件與第2 柔性刀輥連接，驅動電機固定于機架上；按照蔗葉還田機的前進方向，第1 柔性刀輥和第2 柔性刀輥呈前后設置，雙刀輥同時使用：一方面，蔗葉還田機工作時，位于前方的柔性刀輥先對蔗葉作用，有一定的切斷效果，位于后方的柔性刀輥再作用，起到完全切斷蔗葉的效果，實現蔗葉充分切斷，達到農藝要求；另一方面，單個刀輥的高速旋轉會形成一定的自激風場，吹走蔗葉，影響切斷效果，雙刀輥的相反回轉，各自產生的自激風場互補，使其得到改善，有利于蔗葉的切斷還田。

圖3 刀輥部分傳動圖Fig.3 Transmission diagram of blade roller part

刀輥的結構尺寸設計需要考慮如下幾個方面：（1）刀輥需滿足抗扭強度校核和抗彎強度校核；（2）實際工作時刀輥應避開共振；（3）為節本降耗，刀輥質量盡量小。

建立相應的目標函數及其變量，借助MATLAB中多目標規劃方法[8]對上述條件模型編程優化，求得最優解。具體操作過程如下：

（1）目標函數的確定。根據蔗葉的實際長度，刀輥的長度設置為800 mm。由于刀輥的密度與長度一定，故刀輥質量取決于刀輥截面積，可建立目標函數式

式中：x1，x2——刀輥的外徑和內徑。

（2）抗扭強度約束條件的建立。如式（3）所示：

式中：Tmax——刀輥受到最大的扭矩；Wt——抗扭截面系數；α=x2/x1；[τ]——材料最大許用剪應力。

（3）抗彎強度約束強度的建立。如式（5）所示：

式中：Mmax——刀輥受到最大的彎矩；Wz——抗彎截面系數；[σ]——材料的最大許用正應力。

（4）避免共振約束條件的建立。刀輥的工作電機選用濟南科亞電子有限公司的90ZYT105 永磁直流電機及驅動器。刀輥外部激振頻率主要來自田地和驅動電機，田地激振頻率一般低于3 Hz，實測還田機工作電機轉速為5 000 r/min，激振頻率為83.3 Hz。為避免共振，根據張春良[9]提出的一種固有頻率計算方法，可得約束條件如式（7）所示：

（5）根據工藝加工要求，壁厚大于4 mm，可得線性約束條件式為

采用MATLAB 多目標規劃函數中的最大最小化fminimax 函數，求解結果：x1=74.046 8 mm，x2=70.046 8 mm，F(x1，x2)=452.683 5 mm2。對結果進行圓整，得到刀輥優化尺寸：外徑x1=74 mm，內徑x2=70 mm。

3 刀輥運行穩定性校核

根據MATLAB 計算給出的尺寸在ANSYS Workbench 中的模態分析功能進行刀輥運行穩定性的校核。為減少刀輥分析過程的復雜程度，提高刀輥的分析效率，需對刀輥模型進行簡化，使用SolidWorks 建模，銷釘與鋼管連結處簡化為鋼管，皮帶輪與鋼管連結處、套筒與刀盤連結處視為焊接處理，網格劃分結果如圖4。

圖4 刀輥網格劃分圖Fig.4 Grid division drawing of knife roller

3.1 材料參數、約束與載荷的設置

刀輥材料選用304 鋼，該材料的彈性模量為190 GPa，密度為7 930 kg/m3，泊松比為0.29，對刀輥進行網格劃分，網格劃分的精度并不是精度越高越好，一般情況下，在Auto Scale 方式（軟件默認顯示方式）顯示下如果紅色面積能夠完整占據2層單元，網格劃分精度可以被認為是足夠的，如果網格劃分精度過密，那么計算規模和存儲空間將迅速增加，降低計算效率。綜合比對，刀輥模型選擇設置整體單元大小為10 mm 且對模型適應性較好的四面體網格，由于刀輥中部為危險區域，此處的網格精度應較大，故此處設置網格為5 mm，這樣在危險區域進行高精度的網格劃分，既保證了運算精度，又提升了軟件運算效率。刀輥整體網格劃分如圖4 所示，共有63 641 個結點，31 420 個單元。

根據實際情況對刀輥模型進行施加約束和載荷，傳動鋼管兩端連結軸承，對兩端外圓面施加Compression Only Support 約束；重力對該模型的影響不能忽略，因此還需添加重力，方向為Y軸負方向，最后添加角速度，設置轉速為523.33 rad/s。

3.2 仿真驗證

對從MATLAB 計算得到的參數采用ANSYS Workbench 的模態分析功能對刀輥的工作進行仿真驗證。模態分析在實際的工程應用中有重要意義，可以評價結構的動態特性，避免共振，控制噪聲，為結構優化設計提供指導[10]。對刀輥模型利用Workbench 的Model 模塊進行模態分析。蔗葉切斷還田機工作電機正常工作轉速為5 000 r/min，激振頻率為83.3 Hz，屬于低頻振動，故需要關注的是低階模態，取前6 階振型。振型結果如表1、圖5 所示，振型圖如圖6 所示，振型圖中模型的變化不代表實際的變形量。

表1 模態分析結果Fig.1 Results of modal analysis

圖5 模態分析結果各階模態頻率與激振頻率圖Fig.5 Results of mode frequency and excitation frequency

圖6 模態分析圖Fig.6 Modal analysis map

由1 階模態頻率可知，刀輥在工作時的最低頻率為144.12 Hz，大于電機輸出的振動頻率83.3 Hz，由此可以保證刀輥在高速旋轉的狀態下避免共振的發生。

4 刀輥的收益效果與創新點

4.1 刀輥的創新點

（1）采用柔性刀特性，將柔性刀纏繞在刀盤上，刀盤和刀輥分離，可調節刀與刀之間距離來改變蔗葉的切斷長度，可滿足不同情況下蔗農的要求。

（2）刀輥與刀輥之間距離可調，即可滿足類似作物的切斷，使之不局限于用于蔗葉還田，且還可用來改善纏繞刀輥問題。

（3）雙刀輥結合一方面可以更好地對蔗葉進行切割，另一方面可以將各自產生的自激風場相互抵消，防止自激風流把蔗葉吹跑，影響蔗葉的切割。

4.2 刀輥的收益效果

（1）刀輥結構簡單，使用靈活方便，設計合理，能達到切斷蔗葉還田的目的，符合現代農藝要求。

（2）根據蔗葉還田機的作用方向，本雙刀輥柔性刀蔗葉還田組件采用前后設置的雙刀輥結構，工作時對蔗葉進行兩次切割，一方面可使蔗葉切割更徹底，蔗葉還田的效果更好，另一方面雙刀輥的旋轉方向相反，各自產生的自激風場互補，可平衡蔗葉還田機工作環境，有利于蔗葉的切斷還田。

（3）刀輥中，柔性刀和刀盤組成的切割組件直接設置于轉動軸上，其動力傳動原理簡單，動力輸入組件、轉動軸和動力輸出組件組成動力傳動機構結構穩定，運行可靠。在蔗葉還田機中使用柔性刀具后，一定程度上可使整機重量輕，而且所需要的動力也小，因此對土地的壓持小，對甘蔗的來年生長影響也小。

（4）刀輥中，對蔗葉的切割采用柔性刀，改變傳統的刀具切割方式，以柔克柔，其好處是對小地塊多年生甘蔗宿根的傷害??；柔性刀高速旋轉后可形成鋒利的刀鋒，對蔗葉進行抽打、切斷，完全可以達到切斷還田的效果；另外，柔性刀通過刀盤固定，柔性刀纏繞于刀盤內，安裝方便快捷，柔性刀的長度也可根據工作環境的不同要求進行調節，使用方便。

5 結語

（1）對刀輥進行了創新設計。充分利用了柔性刀特性，柔性刀盤繞在刀盤內部，可根據需要進行柔性刀長度的調節，使柔性刀滿足多種工況需求。

（2）提出了雙刀輥方案，不僅使蔗葉的切斷更為充分，還通過雙刀輥旋轉方向相反，利用自激風場抵消自激風場的思想，有效緩解了柔性刀高速旋轉產生的自激風場吹跑蔗葉的問題，同時還解決了蔗葉纏繞問題。

（3）對刀輥的最優尺寸進行了確定。在刀輥的設計中涉及到多目標規劃的問題，利用MATLAB的fminimax 函數對刀輥的結構尺寸進行了最優求解，并利用ANSYS Workbench 對刀輥運行的穩定性情況進行了驗證，該尺寸可保證刀輥在運行過程避免產生由驅動電機引起的共振。

本設計改變了傳統的刀具切割方式，對小地塊多年生甘蔗宿根的傷害小，達到蔗葉完全切斷還田，更好地實現廢棄物還田和資源的合理利用，為以后還田機的設計提供參考。