甘蔗切种机可折叠输送臂设计研究

陈金舰

（湛江幼儿师范专科学校（岭南师范学院基础教育学院），湛江 524000）

甘蔗种植是制糖工艺的基础环节，其种植效果直接影响蔗糖的质量。但是，与欧美地区的发达国家相比，我国在甘蔗种植生产过程中的机械化水平还处于初级阶段[1]。可折叠输送臂是甘蔗切种机的重要组成部分，对整体机械性能和甘蔗种植质量都有巨大影响。因此，本文对甘蔗切种机可折叠输送臂进行设计，以提高我国甘蔗产业的机械化水平和国际竞争力。

1 建立可折叠输送臂模型

1.1 设计可折叠输送臂结构

本文设计的可折叠输送臂主要由上臂、下臂、折叠液压缸和链条刮板等部分组成。上臂一端装有主动链轮轴，通过连接轴与下臂相连。下臂的另一端装有从动链轮轴，铰接在水平转盘上，通过液压缸与切种机连接。经过折叠液压缸的驱动控制，输送臂完成打开和折叠动作[2]。输送臂经过折叠液压缸的伸缩作用，以转盘为中心，可以在纵向平面内调整折叠角度，通过液压管道的串联实现同步运动，并经由节流阀运作实现对运行速度的控制[3]。为达到实际工作条件下的角度，将折叠液压缸与安装板对称安装在输送臂两侧。安装板随折叠液压缸的伸长和收缩而运动，从而带动上臂进行转动。上臂转动的最大位置可与下臂形成一条直线，具有很好的折叠和伸展效果。

1.2 设置可折叠输送臂参数

本文设定可折叠输送臂整体的长、宽、高分别为6.85 m、1.10 m、0.75 m，其中上臂长为2.10 m，下臂长为3.80 m，转盘长度为1.15 m。输送臂内部宽度为0.70 m，外部宽度为0.75 m，底部转轴在设定在转盘中部[4]。上臂与下臂要满足各自的结构要求，并且为保证足够的工作空间，二者的转角需要达到竖直状态，因此设定上臂可以围绕连接轴旋转的最大角度为120°。为进一步扩大输送臂工作空间，下臂旋转角度最大角度为20°，可以协调与后部风机的关系。种植时，输送臂需要转动到切种机的左右侧，因此设定输送臂围绕底部转轴的转动最大角度为90°。

1.3 求解可折叠输送臂工作空间

可折叠输送臂的工作空间是体现其灵活性的关键指标。运动实质是根据各关节的旋转角度，推导并计算坐标的空间位置和姿态。可折叠输送臂由底部转盘、下臂和上臂3个组件串联而成，其旋转角度分别用θ1、θ2和θ3表示，计算公式可以表示为：

式中，px、py和pz分别表示笛卡尔直角坐标系中任意一点p的坐标；an(n=2,3)表示输送臂各组件的参数。对基本结构参数进行设置后进行工作空间求解，结果表明，输送臂落料点最高可达6.453 m，最低可达1.813 m；侧面伸出的最长长度为6.012 m，最短为2.279 m。可见，工作空间能够满足田间作业的需要[5]。

2 可折叠输送臂的静力学与振动模态分析

2.1 静力学分析

对于整个输送臂来说，需要对上臂、连接轴和下臂分别进行静力学分析，以验证结构设计是否合理。上臂与下臂的静力学分析步骤相同，处于水平位置时的等效力臂最大，计算此状态的静力学载荷；上臂与下臂连接位置的结构应力较大，设计的安全系数应符合允许使用的范围；上（下）臂的中心为最大变形位置，越靠近端部，变形量越大，计算的变形量需符合弹性变形条件，才能满足结构刚度要求。对连接轴进行约束载荷设置，主要考虑上臂对轴的作用力，采用等效力矩约束载荷和边界条件。连接轴应力最大的位置位于轴肩处，计算出安全系数需要符合允许使用要求。

2.2 振动模态分析

可折叠输送臂主要在振动条件下工作，因此需要分析其动力学振动特性。通过建立结构的有限元模态分析模块，导入组合模型，对输送臂整体划分网格，施加约束条件，最后提取四阶振动模态。从各振动模态对应的共振频率可以得到输送臂的固有频率，通过分析垂直方向的振动性，提高共振频率，避免发生共振现象，进而得到振动工作条件下合理性结构。

3 实验结果与分析

3.1 应力测试

为验证可折叠输送臂应力结果的可靠性，以某型号甘蔗切种机为例进行实验。选取上臂顶端1、上臂中间2、上臂与下臂连接处3、下臂与上臂连接处4、下臂中间5和下臂底座处6这6个截面，进行5次测试。在每一截面侧边上选定应力测试点，将应变片粘贴在相应位置，对可折叠输送臂施加相应载荷后进行应力动态测试，结果如表1所示。

表1 可折叠输送臂应力测试结果

从表1可知：上臂顶端与中间位置的应力较小，数值差别不大，靠近连接轴处的应力最大；下臂靠近连接轴处的应力最大，中间位置应力较小，底座处的应力处于二者之间。实际测量数值在变化趋势上符合安全许可范围，说明设计结果较为可靠。

3.2 对比测试

为检验甘蔗切种机可折叠输送臂在设计前后的使用性能，在同一片土地进行田间试验，对比结果如表2所示。

表2 甘蔗切种机性能对比

由表2的性能对比测试结果可知，本文设计的可折叠输送臂提高了甘蔗切种机的性能，改善了相应的工作情况。可见，本文设计的输送臂达到了预期效果，具有一定的可行性和有效性。

3 结语

本文通过建立可折叠输送臂模型和分析静力学与振动模态特征，设计了一种甘蔗切种机的可折叠输送臂，以提升我国甘蔗种植产业的机械化水平。但是，研制出适合我国甘蔗产地实际地形地貌的种植机械是一个较为复杂的过程，因此本文设计还存在较大的进步和提升空间。后续不仅可以对输送臂的风机进行优化，还可通过设计减少输送面板刮板的长度，以进一步提升切种机输送臂在田间的稳定性和适应能力。