前驱苜蓿刈割压扁机切割装置设计与分析

李小龙，张克平，苏占科，孙步功

（730070 甘肃省 兰州市 甘肃农业大学 机电工程学院）

苜蓿是世界范围种植的一种多年生豆科作物，因其富含蛋白质、草质优良为多种禽畜所喜食，且在农业生产中具有显著的固氮节肥和增产效果[1-2]。苜蓿产业是发展畜牧业和种植业之间的纽带，市场需求大且效益好。然而，苜蓿收获质量和机械化水平较低，严重制约我国苜蓿产业发展。调研数据显示，2020 年我国优质苜蓿总供给量约为510 万t，其中，国内产量为360 万t，进口量至少需要150 万t，可见对优质苜蓿产品的需求量大，对高效低损的苜蓿收获机械的需求越来越迫切[3-4]。

目前较为成熟的苜蓿收获机械主要适用在种植面积广、收获平坦的平原地带，在山地丘陵地区作业时存在坡度大、转弯难、收获质量低等问题。近年来，付作立等[5]对旋转切割器进行了设计与田间性能试验研究；
闫文彬等[6]对牧草切割器进行了设计及性能分析；
赵满全等[7]对双圆盘割草机进行结构设计与计算。而针对丘陵山地苜蓿刈割压扁机作业过程中切割器的运动性能研究以及割刀运动状况分析鲜见报道。

为此，本文以面向丘陵山地作业的前驱苜蓿刈割压扁机切割装置为研究对象，对切割器、割刀等核心工作部件进行结构设计与参数计算，通过模拟丘陵山地复杂路面，对切割器作业性能进行仿真研究，以期为高性能的苜蓿刈割压扁机的设计与优化提供依据。

1.1 整机结构

前驱苜蓿刈割压扁机的整机结构如图1 所示，主要由机架、切割装置、压扁装置、传动机构、悬挂装置组成，可一次性完成苜蓿的切割、输送、压扁、铺条等作业。其中，切割装置主要由刀盘、滚筒、滑掌、割刀等组成。压扁装置主要由压扁辊、辊轴、间隙调节弹簧等组成。传动机构主要由齿轮传动、链传动等组成。

图1 前驱苜蓿刈割压扁机整体结构图Fig.1 Overall structure of front-drive alfalfa cutting and flattening machine

综合考虑苜蓿收割地形、拖拉机动力以及收获要求，参照刈割压扁机作业标准，确定整机主要参数如表1 所示。

表1 前驱苜蓿刈割压扁机主要参数Tab.1 Main parameters of front-drive alfalfa cutting and flattening machine

1.2 工作原理

刈割压扁机通过三点悬挂方式安装在拖拉机的前置悬挂机构上，由拖拉机输出轴提供整机动力，动力通过万向节传动轴传递至机架中端换向器，实现换向不变速，经十字轴驱动左链传动机构传递到主轴，主轴将动力分3 路传递：两路通过锥齿轮传递到切割装置，驱动滚筒和刀盘反向旋转；
另一路将动力传递到右链传动机构，驱动主、从动压扁辊啮合转动。机器工作时，拖拉机带动整机前进，刀盘在前进方向带动割刀高速旋转切割苜蓿并向后惯性抛送，减少苜蓿与刀盘的接触，部分苜蓿倒伏在刀盘上，圆柱形滚筒和导草板将刀盘上的苜蓿向后上方输送至压扁辊间，切割器和压扁辊高速回转运动形成气流场，同时能为苜蓿向后上方输送提供推力作用，避免积聚堵塞和重割，在主、从动压扁辊啮合挤压下完成苜蓿压扁并抛出，在地面铺成具有一定宽度和厚度的草条，完成苜蓿切割及压扁作业。

2.1 切割器结构设计

切割器是刈割压扁机的核心工作部件，主要实现对苜蓿的刈割和将苜蓿甩入压扁辊间的功能，其结构参数直接影响苜蓿的切割质量和整机的作业效率[8]。本机切割器采用圆盘式结构（如图2 所示），主要由刀盘、割刀、滑掌、挡草板、导草板、立轴、锥齿轮传动机构、滚筒等构成。通过一对锥齿轮传动机构将动力由主轴传递到立轴，驱动立轴带动刀盘和滚筒转动，利用刀盘边缘安装的割刀高速旋转切断苜蓿，滚筒、导草板、挡草板对切断的苜蓿主要起向后输送作用。

图2 切割器结构图Fig.2 Structure diagram of cutting device

2.2 切割器主要参数的确定

刀盘直径和转速是切割器设计的两个关键参数，直接影响整机割幅、前进速度和割刀数量等多项参数[9]。旋转式切割器一般采用前驱式作业方式，割幅应大于拖拉机两轮胎最外侧间距，本机切割器驱动方式采用上传动式。为减少苜蓿输送阻力，并避免切断的植株与刀盘多次碰撞降低质量，刀盘结构采用光滑圆形刀盘，左右两个刀盘向内侧反向旋转产生流场，为苜蓿完成压扁工序提供输送条件。设计并确定刀盘直径为795 mm，刀盘中心距为855 mm，整机割幅为1.75 m。

割刀切割速度影响苜蓿切割质量。切割速度过低，增加切割阻力，产生参差不齐的切断面；
切割速度过高，功率消耗大，机身容易产生振动，降低机器安全性能。当切割速度大于割刀内端点最低极限速度30 m/s 时，无支撑切割才能顺利进行，一般切割速度控制在50～90 m/s，取切割速度为60 m/s，切割器转速n 满足：

式中：Vg——割刀切割速度，m/s；
Vj——机器前进速度，取15 km/h；
r——割刀内端点半径，m。

将已知参数代入，计算得到切割器转速n=1 795 r/min，取整后n=1 800 r/min。

割刀是切割器的关键部件，研究表明，较低留茬高度能够刺激苜蓿内部生长素，促进苜蓿下一茬发育和增加分枝数，故将割刀伸出刀盘的部分进行向下折弯处理，可有效降低割茬高度，并对切断的苜蓿有向上的推力，降低割刀的重割率[10]。设计割刀结构如图3 所示，截面为梯形的光刃刀片，刃长为107 mm，厚度为3 mm，将割刀两边进行刃角为60°处理，便于高效切断苜蓿。

图3 割刀结构图Fig.3 Cutter structure diagram

圆形刀盘上一般安装2～4 柄割刀，每个刀盘上的割刀数量满足

式中：m——每个刀盘上的割刀数量；
n"——割刀转速，r/min；
h——割刀刃长，m。

将已知参数代入，计算得m=3.3，综合考虑切割完整性和机器稳定性后，每个刀盘上安装4 柄割刀，满足圆形刀盘的割刀数量要求[11]。割刀选用65Mn 钢制作，对刃口处进行淬火处理，通过销轴安装在刀盘上，作业时绕销轴作旋转运动。当与土壤和硬性物体发生碰撞时，割刀偏转可反方向转回刀盘内，能延长割刀使用寿命。

旋转式割草机不漏割条件满足

刈割压扁机前进速度范围为10～15 km/h，代入已知参数，，可以保证刈割作业时不发生漏割现象[7]。

2.3 割刀运动学分析

圆形刀盘上4 柄割刀均可绕销轴自由转动，在立轴的驱动下，割刀绕销轴和刀盘圆心均作向心运动，割刀运动分析如图4 所示。图4 中：F——割刀绕刀盘圆心转动产生的惯性离心力；
S——割刀绕销轴转动产生的惯性离心力；
N——割刀对销轴的拉力；
C——割刀质心；
O1——刀盘圆心；
O2——销轴轴心；
R——刀盘圆心与销轴轴心间距离。切割器在启动、稳定和制动3 种状态下，割刀与销轴间摩擦作用较小，故产生的摩擦力忽略不计。

图4 割刀运动分析图Fig.4 Cutter motion analysis diagram

切割器从启动到稳定过程中，刀盘处于加速阶段，割刀由于惯性会滞后于刀盘转动，割刀质心相对销轴和刀盘圆心连线存在向后的角度偏转，当刀盘匀速转动时，偏转角度最大[12]。此过程中，销轴对割刀产生的拉力N 会平衡割刀绕销轴转动产生的离心力S 和绕刀盘圆心转动产生的离心力F的法向分力，其切向分力在割刀转动方向产生加速度，割刀加速转动，离心力F 和S 增大，使得割刀增大运动半径，逐渐向外摆动。

当割刀与销轴间不存在摆动而相对静止时，其摆动角速度和离心力S 均为0，此时割刀质心与刀盘圆心连线过销轴轴心，割刀绕刀盘中心作匀速圆周运动，切割器达到稳定状态，销轴对割刀产生的拉力刚好满足割刀绕刀盘圆心运动所需的向心力。

当切割器从稳定到制动过程中，刀盘逐渐减速，割刀绕销轴进行摆动，存在摆动角速度和离心力S。由于惯性作用，割刀质心相对销轴和刀盘圆心连线存在向前的角度偏转，离心力F 的切向分力在割刀转动反方向产生加速度，使得割刀减速运动，逐渐向外摆动，当割刀质心与刀盘圆心连线过销轴轴心时，切割器再次达到稳定状态。

2.4 割刀动力学分析

切割器从启动到稳定转动是短时间提速过程，而割刀从静止状态到开始摆动，会与销轴产生较大的相对速度，因此割刀与销轴间存在原始激励。当切割器稳定转动作业时，苜蓿植株对割刀转动提供外在激励，割刀绕销轴轴心O2做周期摆动[13]。受力分析如图5 所示，割刀在该过程中受5 个作用力，2 个力作用在割刀质心C 上（离心力F、离心力S），2 个力作用在割刀与销轴接触处（拉力N、割刀与销轴间摩擦力），苜蓿的阻力作用在刀刃处。由于销轴与割刀间摩擦力较小，不作考虑。

图5 割刀受力分析图Fig.5 Cutter force analysis diagram

以O1O2连线为平衡位置的振动微分方程，满足

式中：J02——割刀绕销轴轴心O2的转动惯量；
ω1——刀盘角速度；
L——割刀质心到刀盘圆心距离；
r1——割刀质心到销轴轴心距离；
θ——割刀质心、销轴轴心分别与刀盘圆心连线间的夹角；
φ——割刀绕销轴转动的偏角；
f——苜蓿植株对割刀的阻力；
d——离心力F 距销轴轴心的垂直距离；
h——阻力f 距销轴轴心的垂直距离；
m——割刀质量。

由式（4）—式（7）可得：

由式（9）可知，切割扭矩主要取决于刀盘转速和割刀刃长，当切割器其它参数一定时，刀盘转速越快或割刀刀刃越长，会增加切割扭矩，刈割作业更容易完成，割茬断面更平整。

为分析圆盘式切割器在丘陵山地复杂地况作业效果，利用ADAMS 动力学仿真软件，建立切割器的虚拟模型，模拟切割器在复杂路面作业时的运动状态，验证切割器的通过性以及苜蓿割茬平整度。

3.1 建立模型

对切割器作业时的情况进行模拟，存在切割苜蓿的旋转运动和前进运动两个方向上的运动，此时割刀上任一点对地面轨迹为余摆线。考虑到前驱苜蓿刈割压扁机的两个圆盘切割器工作状态接近，只保留一个切割器观察仿真效果。在SolidWorks 三维建模软件中对模型简化处理并完成其装配，简化后的模型主要包括滚筒、刀盘、滑掌和4 片割刀，输出模型并导入ADAMS 软件中，对各部件按实际情况添加材料属性，根据模型尺寸自动计算质量、转动惯量等信息[14]。

通过建立正弦波三维实体模拟丘陵山地起伏的复杂路面[15]，采用正弦波长为2 m，设置4 个起伏路面，路面起伏高度设置为150 mm。为保证仿真效果，使切割器在启动和结束阶段都处于水平路面，各设置2 m 的长度，水平路面高220 mm。在实际苜蓿收获条件中，该路面属于极度恶劣的作业环境，正弦波路面方程满足

式中：H——波峰或波谷距水平路面的垂直距离，m；
x——水平距离，m。

3.2 添加约束

利用ADAMS 的约束工具，在ground、滚筒、刀盘、滑掌、割刀以及路面之间添加适当约束。利用固定副约束，保持割刀、滚筒、刀盘之间同步转动。为模拟切割器真实运动状况，利用旋转副约束和旋转驱动实现切割器与路面之间的旋转运动，利用平移副约束和平移驱动实现切割器相对于路面的前进运动，通过改变驱动的参数值，实现切割器在不同转速和前进速度下的仿真。在路面与ground 之间添加固定副约束。为了实现切割器贴地作业时的工况，在滑掌与路面之间建立接触约束。切割器添加约束如图6 所示。

图6 切割器添加约束图Fig.6 Constraint graph of cutting device

3.3 模型求解计算

根据切割器实际运动速度，忽略上下起伏振动现象，设置前进速度为4 m/s，转动速度为1 800 r/min。在结果栏对割刀刀尖建立Marker 点，并进行轨迹仿真，仿真时间设定为2.5 s，仿真步长为1 200，得到Maker 点在复杂路面作业时的运动轨迹，如图7 所示。仿真结束后，从后处理模块输出该点在绝对方向上位移随时间的变化曲线，如图8 所示。

图7 Marker 点运动轨迹图Fig.7 Marker point motion trajectory diagram

图8 Marker 点在绝对方向上位移-时间曲线图Fig.8 Displacement-Time curve of Marker point in absolute direction

分析图7、图8 可得，割刀刀尖一点相对于复杂路面能作余摆线运动，在起伏路面的运动过程为周期运动，符合实际运动轨迹。该点在绝对方向上是以一定频率和振幅波动前进，可以保证切割器的运动满足苜蓿收割稳定性要求。

研究切割器在复杂路面作业工况，通过对割刀上Marker 点距水平路面的垂直距离，分析在一个周期内0.30，0.60，0.65，0.75 s时刻切割器仿真结果。不同时间切割器仿真运动状况如图9 所示，Marker点与水平路面间垂直距离曲线如图10 所示。

图9 不同时间切割器仿真运动图Fig.9 Simulated motion diagram of cutting device at different time

仿真从开始到0.75 s 一个周期内，割刀在起伏路面上尚未出现入土现象，结合图10 分析，Marker 点距水平路面的垂直距离在76～78 mm 间浮动变化，与实际设置的路面起伏高度75 mm 接近，表明切割器在复杂路面作业具备良好的通过性；
仿真时间到达0.60 s 时，处于波峰与波谷圆弧路面上的苜蓿，由刀盘前半圈割刀第1 次与苜蓿接触，留茬较高，而后半圈割刀第2 次与苜蓿接触，可以保证圆弧路面上的苜蓿留茬高度一致；
仿真时间为0.75 s 时，由前半圈割刀工作将其路面上的苜蓿进行收获。通过切割器与起伏路面间的仿真分析，验证了该切割器在复杂路面作业能够保证割茬高度一致，有利于提高苜蓿质量。

图10 Marker 点与水平路面间垂直距离曲线图Fig.10 Curve of vertical distance between Marker point and horizontal road

（1）设计了一种前驱苜蓿刈割压扁机的切割装置，对切割器和割刀进行结构设计和参数计算，确定刀盘转速为1 800 r/min 和割刀数目为8 片，可保证刈割作业时不发生漏割现象。

（2）对割刀进行运动学和动力学分析，表明切割扭矩主要取决于刀盘转速和割刀刃长，刀盘转速越快或割刀刀刃越长，会增加切割扭矩，刈割作业更容易完成，割茬断面更平整。

（3）利用ADAMS 软件，通过模拟丘陵山地复杂路面，对切割器作业情况进行仿真分析，结果表明：割刀以一定频率和振幅波动前进，满足苜蓿收割稳定性要求，切割器在复杂路面作业具备良好的通过性，可以保证割茬高度一致。

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