芹菜收获机切割机构的设计及性能分析.pdf

浙江理工大学学报 第 nullnull 卷 第 null 期 nullnullnullnull 年 null 月 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 网络出版日期 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基金项目 国家自然科学基金项目 nullnullnullnull 作者简介 杜成成 nullnullnullnull null 男 浙江东阳人 硕士研究生 主要从事农业机械设计方面的研究 通信作者 叶秉良 null nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 芹菜收获机切割机构的设计及性能分析 杜成成 null 林致闻 null 王锡玮 null 王伟伟 null 叶秉良 null null 浙江理工大学 nullnull机械工程学院 nullnull浙江省种植装备技术重点实验室 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 摘 null 要 针对中国南方芹菜收获机械缺乏以及人工作业效率低 成本高等问题 在研究芹菜根部的机械物理特 性基础上 结合芹菜种植农艺要求 提出了一种手扶式芹菜收获机用直动平底推杆凸轮式双动刀往复切割机构 采 用几何方法和动态静力分析法对切割机构进行运动学和动力学分析 建立以凸轮转动中心的受力方差为评价指标 的优化设计模型 并运用遗传算法对切割机构参数进行优化 通过切割机构虚拟样机进行仿真验证 并研制芹菜收 获机样机 进行工作性能测试试验 试验结果显示 芹菜切割成功率为 nullnullnull 验证了切割机构设计的可行性 表明该 机器在南方芹菜的收获作业中具有较高应用价值 该研究可为芹菜收获机切割机构的研发提供理论和试验依据 关键词 芹菜收获机 切割机构 凸轮 运动学分析 动力学分析 中图分类号 nullnullnullnullnullnullnull 文献标志码 null 文章编号 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 引文格式 杜成成 林致闻 王锡玮 等 null芹菜收获机切割机构的设计及性能分析 null null浙江理工大学学报 自然科 学 nullnullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull null null null null null null null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 引 null 言 nullnull 芹菜种植产业是中国蔬菜产业重要的组成部 分 对发展中国农村经济 促进乡村共富具有重要的 促进作用 中国芹菜种植面积常年保持在 nullnull 万 nullnull null 左右 总产量约 nullnullnullnull 万 null null nullnullnullnull 年中国芹菜 出口总量高达 nullnullnullnull 万 null 总金额达 nullnullnullnull 亿元人民 币 null 目前芹菜收获主要以人工收获为主 但人工 作业劳动强度高 效率低 导致芹菜生产成本上升 阻碍芹菜种植产业发展 null nullnull 芹菜收获机械可以解 决人工作业的弊端 因此研发芹菜收获机械是一项 紧迫的课题 切割机构是芹菜收获机械的核心机构 目前 国内外对叶菜类蔬菜收获机及其切割机构进行了许 多研究 有些机器已应用于实际收获作 业 nullnullnullnull 等 null 设计了自走式玉米收获机 采用盘式平面割刀 切割效率高 但切割范围与圆盘的直径相关 通常需 要并联多个盘式平面割刀 导致机构结构复杂 伍 渊远等 null 设计了一种三行温室芹菜收获机 采用往 复式切割机构为结构简单的偏置曲柄块机构 但传 动效率较低 张贝贝等 null 设计的油菜循环链式切割 器工作时振动小 但不适合入土切割 因此不适合用 于芹菜收割 由于中国芹菜品种众多 各个品种的 机械物理特性和种植农艺不同 如根茎粗壮程度 畦 宽和定植株行距等 null nullnull 目前在实际生产中还没有适 nullnullnull 合南方芹菜收获作业的机器 本文研究了芹菜的机械物理特性和种植农艺 在此基础上提出了一种适用于手扶式芹菜收获机的 直动平底推杆凸轮式双动刀往复切割机构 开展切 割机构运动学和动力学建模 分析其运动特性 并应 用遗传算法对切割机构参数进行优化 通过切割机 构虚拟仿真得到其运动特性仿真曲线 通过理论曲 线和仿真曲线的比较和分析验证机构运动学和动力 学模型及机构设计的正确性 开展机构样机切割性 能测试试验 得到芹菜切割成功率和分析切割效果 验证机构的应用可行性 本文设计了芹菜收获机的 切割机构 以促进芹菜收获机械的研发工作 为芹菜 收获机的实际应用提供依据 null 切割机构的方案设计 null 芹菜根部的机械物理特性 nullnull 芹菜根部直径和割刀切割力是芹菜收获机切割 机构设计的重要参数 因此需要测量统计芹菜根部 直径并开展根部切割力测试试验 nullnull nullnullnull 本文选取杭 州市种植的津南实芹一号芹菜为试验对象 样本 nullnull 株 芹菜样本照片如图 null null 所示 采用游标卡尺对 芹菜样本根部的直径进行测量 芹菜根部直径分布 直方 图 如 图 null null 所 示 芹菜根部直径范围为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 主要集中在 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 平均直径为 nullnullnullnullnullnullnull 图 null null 芹菜样本照片及根部直径分布直方图 nullnull 采用 nullnullnullnullnull 万能材料试验机进行芹菜根部 切割力试验 切割力试验平台照片如图 null 所示 选 nullnull 取 nullnull 株根部直径不同的芹菜样本进行测试并作记 录 试验时 先用夹具夹紧芹菜 割刀上升的速度为 nullnullnull nullnullnull 浙江理工大学学报 自然科学 nullnullnullnull年 null 第 nullnull卷 null 数据来源于海关总署官方网站 nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null 切割部位为芹菜根茎结合点下方 nullnullnullnull 处的根部 记录切断根部所需的切割力值 切割力统 计见表 null 由表 null 可知 芹菜根部的直径越大 所需 切割力越大 最大切割力为 nullnullnullnullnullnull nullnull夹具 nullnull割刀 nullnull压块 nullnull万能材料试验机 nullnull芹菜根部 图 null null 切割力试验平台照片 表 null 芹菜根部切割力统计 根部直径 nullnull 切割力 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null 芹菜收获机的整体结构 nullnull 中国南方芹菜的种植农艺要求 温室大棚的畦 宽为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 芹菜定植株行距为 nullnullnullnull 根据该种植农艺要求 本文提出了一种四行手扶式 芹菜收获机 该机器的装置示意图如图 null 所示 主 要由拨禾轮 null 传动系统 null 车轮 null 车架 null 电动推杆 null 行程开关 null 输送带 null 收集箱 null 控制箱 null 电机 nullnull 切割机构 nullnull 组成 在芹菜收获作业时 首先启动电机 nullnull 同时按 下控制箱 null 的启动按钮 电动推杆 null 开始回缩 割台 高度随之下降 当行程开关 null 接触到地面 电动推杆 停止运动 此时切割机构 nullnull 到达土下切割工作位 置 然后人工推动芹菜收获机前进 当切割机构 nullnull 对芹菜根部进行切割后 拨禾轮 null 把芹菜压向输送 带 null 上 再通过输送带 null 运送到收集箱 null 完成收获 作业 nullnull拨禾轮 nullnull传动系统 nullnull车轮 nullnull车架 nullnull电动推杆 nullnull行程开关 nullnull输送带 nullnull收集箱 nullnull控制箱 nullnullnull电机 nullnullnull切割机构 图 null null 芹菜收获机整体结构示意图 null 切割机构的结构和工作原理 nullnull 芹菜收获机采用直动平底推杆凸轮式双动刀往 复切割机构 由下刀片 null 上刀片 null 上刀杆 null 下刀 杆 null 上边框 null 下边框 null 下凸轮 null 上凸轮 null 部件组 成 为实现 null 行芹菜收获作业 下刀片与上刀片的 最大距离应不小于 null 倍的芹菜定植行距 因此上下 刀杆分别布置 null 个刀片 刀片间隔为 nullnullnullnull 切割 机构结构示意图如图 null 所示 nullnull下刀片 nullnull上刀片 nullnull上刀杆 nullnull下刀杆 nullnull上边框 nullnull下边框 nullnull下凸轮 nullnull上凸轮 图 null null 切割机构结构示意图 收获机电机动力经由齿轮和链传动将动力传 递到切割机构的偏心凸轮轴 再传给双凸轮 上 凸轮 null 作用于上边框 null 带动上刀杆 null 和上刀片 null 作往复移动运动 下凸轮 null 作用于下边框 null 带动 下刀杆 null 和下刀片 null 作往复移动运动 上凸轮 null 和下凸轮 null 的相位差为 nullnullnullnull 因此 在任意时刻两 动刀的 移 动 方 向 是 相 反 的 从而完成芹菜切割 作业 nullnullnull第 null期 杜成成等 芹菜收获机切割机构的设计及性能分析 null 切割机构运动学和动力学分析 nullnull 芹菜切割机构要入土切断芹菜根部 必须满足 一定的运动和动力要求 因此 本文对切割机构进 行运动学和动力学分析 建立其运动学和动力学模 型 为后续机构优化设计提供依据 null 切割机构运动学分析 nullnull 切割机构为直动平底推杆凸轮机构 其运动示 意图如图 null 所示 采用反转法对切割机构进行运动 学分析 偏心圆凸轮 null 以等角速度 逆时针转动 推杆 null 即割刀 的初始位置是 null 凸轮反转过角度 时 割刀处于位置 null nullnull偏心圆凸轮 nullnull推杆 nullnull机架 图 null null 切割机构运动示意图 分析图 null 中构件运动位置关系可知 null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null null null null 其中 null 为凸轮的偏心距 nullnull 为凸轮的转角 null nullnull 为 nullnull 的长度 nullnull nullnull 为 nullnull 的长度 nullnull null 为割刀的位移 nullnull nullnull 为凸轮的半径 nullnull nullnull nullnullnull 为基圆的半径 nullnull 割刀的位移为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull 对式 null 求导 得到割刀速度 nullnullnull nullnullnull null 其中 null 为割刀的速度 nullnull null 为凸轮的角速度 null null 对式 null 求导 得到割刀加速度 nullnullnull null nullnullnull null 其中 null 为割刀的加速度 nullnull null null null 切割机构动力学分析 nullnull 应用动态静力分析法对芹菜切割机构进行动力 学分析 建立机构动力学模型 切割机构受力分析 如图 null 所示 以割刀为研究对象 动力学平衡方程为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnull null nullnullnullnull null null null null null null 其中 nullnullnull 为地面对割刀的阻力 null nullnullnull 为凸轮对割 刀的支持力 null nullnullnull 为芹菜对割刀的压力 null nullnullnull 为 芹菜对割刀的摩擦力 null nullnullnull 为车架对割刀的摩擦 力 null 为割刀的切割角 null nullnull 为凸轮的质量 nullnull nullnullnull 为凸轮对割刀的阻力 null nullnullnull 为车架对割刀 的支持力 null nullnull 为芹菜对割刀的反力 null 以凸轮为研究对象 动力学平衡方程为 null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull null null null null 图 null null 切割机构受力分析图 nullnullnull 浙江理工大学学报 自然科学 nullnullnullnull年 null 第 nullnull卷 其中 nullnullnull 为凸轮在 nullnull 点受到 null 方向的力 null nullnullnull 为凸轮在 nullnull 点受到 null 方向的力 null null 为凸轮在 nullnull 点受到的力矩 null null 各摩擦力为 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull null null null null 其中 nullnull 为割刀的重力 null null null null null 分别为割 刀和地面的滑动摩擦因素 割刀和凸轮的滑动摩擦 因素 割刀和芹菜的滑动摩擦因素 割刀和车架的滑 动摩擦因素 根据文献 nullnullnullnullnull 可知 割刀和土壤的滑动摩擦 因素为 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 钢与软钢的滑动摩擦因素为 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 动刀片对蔬菜茎秆的摩擦角为 nullnullnullnull nullnullnull 为防止茎秆沿割刀滑移 切割角要小于等于动 刀片对蔬菜茎秆的摩擦角 为保证芹菜能被成功切 断切割力要大于 nullnullnullnullnullnull 切割机构动力学的有关 参数值见表 null 表 nu