圓盤(pán)切割式劍麻采摘裝置設(shè)計(jì)與仿真*

任甲輝，支騰，李法堂，樊秋菊，武濤

(1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州市，510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州市，510642)

0 引言

劍麻是世界上重要的硬質(zhì)纖維作物，主要種植在非洲、亞洲、南美洲等地區(qū)[1]。2019年，全球劍麻種植面積約2 356.7 khm2，我國(guó)劍麻種植面積約256.7 khm2，位居世界第三[2]。但是我國(guó)劍麻收割以人工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、收割成本高。較低的劍麻收割機(jī)械化水平，嚴(yán)重制約我國(guó)劍麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2-3]。

收割是劍麻生產(chǎn)過(guò)程中最難實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的瓶頸環(huán)節(jié)。市場(chǎng)上尚未出現(xiàn)過(guò)成熟的劍麻收割機(jī)，但相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一些研究。蔡毅等設(shè)計(jì)了一種平臺(tái)式劍麻收割機(jī)，該機(jī)主要由工作平臺(tái)、分葉機(jī)構(gòu)、割葉機(jī)構(gòu)和液壓控制系統(tǒng)等組成。工作時(shí)，平臺(tái)由拖拉機(jī)牽引，平臺(tái)上安裝的分葉機(jī)構(gòu)可將未成熟的麻葉收攏包裹成圓柱狀，由割葉機(jī)構(gòu)控制旋轉(zhuǎn)刀具的割葉運(yùn)動(dòng)軌跡，自上往下切割。萬(wàn)榮知等[4]設(shè)計(jì)了一種爪式開(kāi)合劍麻收割機(jī)，該機(jī)由小推車(chē)、盤(pán)型鋸片、兩個(gè)工作爪等組成。工作時(shí)，兩個(gè)工作爪閉合后形成一個(gè)正六邊形的環(huán)形且具有切削能力的封閉區(qū)域，該環(huán)形的切削部分自下往上勻速切割麻葉。任曉志等研制了一臺(tái)多自由度劍麻收割裝置，該機(jī)由動(dòng)力部分、進(jìn)給部分、擺動(dòng)角度和高度調(diào)節(jié)部分組成。工作時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)桿控制進(jìn)給量、左右擺動(dòng)量和上下高度，通過(guò)錐齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切割。Majaja等[5]提出一種自走式劍麻聯(lián)合收割機(jī)，該機(jī)由橫向切割元件、垂直輸送機(jī)和水平輸送機(jī)組成，工作時(shí)，橫向切割元件將葉片從劍麻莖干上移開(kāi)，垂直輸送機(jī)將新切割的葉片移動(dòng)到水平輸送機(jī)上，水平輸送機(jī)再將葉片輸送至田間運(yùn)輸車(chē)內(nèi)。以上研究可為劍麻收割機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考，但實(shí)際投入使用的劍麻收割裝置尚未有相關(guān)報(bào)道。

本文針對(duì)劍麻機(jī)械化收割難題，基于劍麻葉片物理特性及收割工藝特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵部件的受力及運(yùn)動(dòng)分析，設(shè)計(jì)了一種圓盤(pán)切割式劍麻采摘裝置。運(yùn)用ANSYS對(duì)圓盤(pán)刀具進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析，以刀具回轉(zhuǎn)半徑和安裝角度為試驗(yàn)因素，刀具底部的最大應(yīng)力和刀具頂部的最大形變量為評(píng)價(jià)指標(biāo)開(kāi)展兩因素三水平正交仿真試驗(yàn)，進(jìn)而優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)。以期為劍麻收割機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)參考。

1 劍麻植株物理特性參數(shù)

1.1 植株的特性參數(shù)

本文試驗(yàn)選用劍麻品種為“東一號(hào)”，于2021年3月在廣東湛江采集。選擇成熟的劍麻植株對(duì)其進(jìn)行物性參數(shù)測(cè)量，采用5點(diǎn)取樣法進(jìn)行田間取樣，每個(gè)取樣點(diǎn)隨選取30株劍麻，測(cè)量參數(shù)取平均值，植株及田間種植情況如表1所示。

表1 劍麻種植及植株特性參數(shù)Tab. 1 Planting and plant characteristic parameters of sisal hemp

1.2 力學(xué)特性參數(shù)

切割麻葉時(shí)，為避免葉片因刀具推擠而扭曲，導(dǎo)致刀具割葉效果不佳。本文對(duì)劍麻葉片進(jìn)行力學(xué)特性分析，測(cè)定劍麻葉片的彎曲力學(xué)特性，為本設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。劍麻葉片力學(xué)性能試驗(yàn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽實(shí)驗(yàn)樓進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備采用WDW-20型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(精度0.01 N，最大試驗(yàn)力為10 kN)、夾具、游標(biāo)卡尺等。

劍麻葉片可分為上、中、下三個(gè)部分，由于麻葉在下部切割，因此試驗(yàn)截取劍麻葉片下部200 mm段。葉片彎曲試驗(yàn)樣品平均長(zhǎng)度120 mm、寬度10.58 mm、厚度10.9 mm，含水率為84.31%。采用三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將樣品水平放置在試驗(yàn)機(jī)壓頭和夾具之間，夾具左右跨距為80 mm，試驗(yàn)機(jī)壓頭位于樣品中點(diǎn)，下壓速度為5 mm/min，試驗(yàn)中由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)完成加載、卸載及數(shù)據(jù)采集與分析。每組試驗(yàn)重復(fù)15次取平均值，測(cè)得劍麻葉片的抗彎強(qiáng)度范圍值為0.35～0.52 MPa，平均值0.36 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差0.08，變異系數(shù)0.21。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

劍麻收割機(jī)主要由圓盤(pán)切割式劍麻采摘裝置、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮連接機(jī)構(gòu)(第一液壓缸和第二液壓缸)、水平轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、駕駛室及四輪行走底盤(pán)等組成，圓盤(pán)切割式劍麻采摘裝置主要有夾持機(jī)構(gòu)、圓盤(pán)切割機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 劍麻收割機(jī)示意圖

2.2 工作原理

劍麻收割機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。圖2是劍麻收割機(jī)田間收割模擬。

表2 劍麻收割機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Main technical parameters of sisal hemp harvester

圖2 劍麻收割機(jī)田間收割模擬

工作時(shí)，首先，收割機(jī)駛?cè)雱β閴艤?，水平轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向使收割臂對(duì)準(zhǔn)劍麻中心，第一液壓缸外推，第二液壓缸下降，使采摘裝置到達(dá)劍麻根部；然后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)整采摘裝置的姿態(tài)，打開(kāi)夾持機(jī)構(gòu)夾住劍麻；最后，驅(qū)動(dòng)圓盤(pán)刀具高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)驅(qū)動(dòng)垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)切割裝置完成自下而上的割葉工作。一次割葉完成后，夾持機(jī)構(gòu)打開(kāi)，第一液壓缸收縮，Z向進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)采摘裝置下降，機(jī)器移動(dòng)到下一棵劍麻進(jìn)行收割。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

劍麻采摘方式有單葉切割和環(huán)切兩種。劍麻呈蓮花狀斜向上散射生長(zhǎng)，成熟葉片一般與地面成15°～45°夾角。收割時(shí)，一般要求距離莖稈20～50 mm進(jìn)行一周切割。結(jié)合劍麻生長(zhǎng)特性和機(jī)械收割效率，本文選擇環(huán)切的采摘方式，采用開(kāi)合式夾持機(jī)構(gòu)。切割機(jī)構(gòu)按切割方式可分為往復(fù)式、旋轉(zhuǎn)式和剪切式[6-7]?？紤]到劍麻葉片韌、硬的物理特性，為減少切割阻力和刀具震動(dòng)，本文選擇旋轉(zhuǎn)式切割。圓盤(pán)切割機(jī)構(gòu)作為該裝置最重要的組成部件之一，其中圓盤(pán)刀具的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)顯著影響著收割效果[8]，本文重點(diǎn)對(duì)刀具的結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)半徑和轉(zhuǎn)速進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

3.1 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)在收割過(guò)程中對(duì)切割效率起到非常重要的作用，是采摘裝置的重要組成部件之一。其作用是夾持劍麻和安裝圓盤(pán)切割機(jī)構(gòu)，需要滿足快速穩(wěn)定夾持，將刀具切割范圍控制在一定區(qū)域，既能準(zhǔn)確切割麻葉，又不損傷莖稈。本設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)、渦輪蝸桿和開(kāi)合式機(jī)械手等組成，如圖3所示。機(jī)械手用來(lái)夾持劍麻和安裝圓盤(pán)刀具，蝸輪蝸桿用來(lái)控制機(jī)械手的開(kāi)合，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械手夾持半徑來(lái)控制圓盤(pán)刀具與劍麻切割部位之間的距離。

圖3 圓盤(pán)切割式劍麻采摘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)劍麻植株物理特性測(cè)試，劍麻莖稈直徑為250～350 mm，實(shí)際切割部位直徑為270～400 mm。因此，外拐角為90°，內(nèi)拐角圓弧半徑為160 mm，控制夾持時(shí)開(kāi)合角度在90°～150°，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)機(jī)械手的包攏直徑在320～450 mm，符合預(yù)期范圍。

3.2 圓盤(pán)切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圓盤(pán)切割機(jī)構(gòu)由電機(jī)、同步齒輪、同步帶、同步輪、刀軸和圓盤(pán)刀具等組成，其中圓盤(pán)刀具(圖4)由刀盤(pán)和刀具組成。刀盤(pán)用來(lái)安裝刀具，帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)切割，因此設(shè)計(jì)為圓盤(pán)形。刀具結(jié)構(gòu)對(duì)麻葉切割效果有重要影響，決定了切割阻力的大小，由高略契金力學(xué)常數(shù)定理知，切割阻力與刀刃的形狀和刀刃有效切割弧長(zhǎng)有關(guān)[6]。為了增加有效切割弧長(zhǎng)，降低切割阻力和功率消耗，本文設(shè)計(jì)一種凹刃刀。刀刃角決定了刀具的鋒利性，刀刃角越小刀具越鋒利，但不利于磨損，易變鈍。為了增加刀刃的耐磨性，又保持其鋒利性，本刀具刀刃角為26.7°，材料選用高速鋼。

圖4 圓盤(pán)刀具結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

圓盤(pán)刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)劍麻葉片切割受力有較大影響[9]。刀具在刀盤(pán)上的安裝角度影響刀具的切割受力和振動(dòng)，根據(jù)劍麻葉片力學(xué)性能分析和張琪琪等[10]對(duì)劍麻切割力學(xué)性能分析知，刀具與地面成30°左右?jiàn)A角側(cè)面切割時(shí)，刀具切削應(yīng)力較小。因此設(shè)計(jì)刀具安裝角度為30°，試驗(yàn)范圍為28°～32°。

劍麻葉片切割分為接觸和切割兩個(gè)過(guò)程，在切割接觸時(shí)，劍麻葉片受刀具的打擊力FN和刀具作用在葉片內(nèi)部的摩擦力Ff。圖5為刀具切割劍麻葉片的受力分析。將作用在刀刃鍥面上的壓力FN1和摩擦力Ff分解到x方向(刀片運(yùn)動(dòng)方向)和y方向，建立刀具切割劍麻力學(xué)模型。則刀具切割力∑Fx為

(1)

式中：q——比壓值；

l——有效切割刃口長(zhǎng)度，mm；

u——摩擦系數(shù)；

α——刀刃角，(°)。

參考Majaja等[5]對(duì)劍麻葉片力學(xué)特性測(cè)量，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)，經(jīng)計(jì)算得∑Fx=107 N。

為了保證刀具有合理的切割范圍，避免刀具切割麻葉時(shí)損傷劍麻莖稈。圖6為圓盤(pán)刀具與劍麻的位置關(guān)系，刀具中心到劍麻莖稈中心的距離lO O1等于刀具切割半徑ROA與劍麻中心到葉片切割點(diǎn)A的距離RO1A之和，應(yīng)當(dāng)小于刀具回轉(zhuǎn)半徑R3與莖稈半徑R1之和，大于刀盤(pán)半徑R2與莖稈半徑R1之和，即

R2+R1

(2)

圖5 刀具切割受力分析

圖6 刀具與劍麻的位置關(guān)系

綜合考慮夾持機(jī)構(gòu)可夾持的范圍和圓盤(pán)刀具在夾持機(jī)構(gòu)上的安裝位置，代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了各刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表3所示。

表3 刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab. 3 Structure parameters of the cutter

3.2.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)

刀具工作時(shí)，刀片的運(yùn)動(dòng)可視為繞刀盤(pán)中心軸線的圓周運(yùn)動(dòng)和沿垂直進(jìn)給方向的直線運(yùn)動(dòng)的合成。以刀盤(pán)中心為原點(diǎn)O建立直角坐標(biāo)系，如圖7所示。A(x，y，z)為刀片切割軌跡上的任意一點(diǎn)，在t時(shí)刻，A點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)方程

(3)

式中：v0——沿垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)速度，m/s；

t——時(shí)間參數(shù)，s。

將式(3)微分可得

(4)

刀片切割任意一點(diǎn)在平面內(nèi)的絕對(duì)速度v和在空間內(nèi)的絕對(duì)速度vj計(jì)算如式(5)、式(6)所示。

(5)

(6)

由式(6)可知，刀具垂直向上的運(yùn)動(dòng)速度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為影響切割作業(yè)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)。為了避免漏割，同時(shí)兼顧收割機(jī)質(zhì)量及效率，根據(jù)測(cè)量的劍麻葉片力學(xué)性能，最終確定刀具垂直方向的進(jìn)給速度為0.05～0.1 m/s。圓盤(pán)刀具切割屬于低速有支撐的切割，參考文獻(xiàn)[11]圓盤(pán)刀切割設(shè)計(jì)，最低速度為400 r/min。結(jié)合伺服電機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)圓盤(pán)刀具的轉(zhuǎn)速為 800 r/min。

圖7 刀具在XY平面的運(yùn)動(dòng)分析

4 圓盤(pán)刀具的有限元分析

4.1 仿真模型的構(gòu)建

本文以大圓盤(pán)刀具為研究對(duì)象，按照上述圓盤(pán)刀具的結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)(刀具安裝角為30°，刀具最大回轉(zhuǎn)半徑為110 mm)，使用UG建立其三維模型，文件保存成.stp格式，導(dǎo)入ANSYS Workbench仿真模塊。添加模型材料，刀具的材料決定了刀具的工作強(qiáng)度，為了增強(qiáng)刀具的強(qiáng)度及耐磨性，選用高速鋼(Q345)[12]，材料參數(shù)如表4所示。

表4 材料參數(shù)Tab. 4 Material parameters

采用ANSYS Workbench中的Mesh模塊對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選用四面體網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格數(shù)目為135 080 個(gè)，如圖8所示。仿真時(shí)，網(wǎng)格數(shù)越多，計(jì)算精度越高，效率越低。本模型網(wǎng)格質(zhì)量(skewed-faces=0.64)較優(yōu)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量，網(wǎng)格評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)變化較小，因此選擇此模型網(wǎng)格進(jìn)行后續(xù)仿真計(jì)算。

圖8 網(wǎng)格模型

4.2 靜力學(xué)分析

創(chuàng)建靜力學(xué)模型，以刀盤(pán)底部為固定端創(chuàng)建約束，根據(jù)刀具的實(shí)際切割受力，將刀具切割力作用于刀片上下表面。由壓強(qiáng)公式可得刀具在切割過(guò)程中切割力所形成的負(fù)荷。

(7)

式中：P——割葉時(shí)刀具切割力所形成的負(fù)載，Pa；

S——割葉時(shí)刀具與葉片接觸面積，S=748 mm2。

代入數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得P=1.43×105Pa。

4.2.1 應(yīng)力應(yīng)變分析

由刀具等效應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D9可知，刀具的最大應(yīng)力為10.43 MPa，最大受力點(diǎn)為刀具底部；刀具最大變形量為0.11 mm，最大變形位置為頂部。

(a) 等效應(yīng)力

4.2.2 疲勞壽命分析

高次循環(huán)應(yīng)力作用下，刀具工作應(yīng)力低于材料的屈服應(yīng)力，屬于高周疲勞[13]，因此使用名義應(yīng)力法進(jìn)行刀具疲勞壽命的預(yù)測(cè)。利用Miner累計(jì)損傷理論和材料的S-N曲線估算刀具的使用壽命。

在ANSYS材料庫(kù)中輸入材料參數(shù)(表4)，生成材料的S-N曲線并用于疲勞分析，如圖10所示。

圖10 材料的S-N曲線

由刀具安全系數(shù)云圖和使用壽命云圖(圖11)知，刀具在工作過(guò)程中的最小安全系數(shù)等于最大安全系數(shù)，安全系數(shù)為15遠(yuǎn)大于1，表明該結(jié)構(gòu)工作時(shí)安全可靠；刀具在規(guī)定工況下的最小循環(huán)次數(shù)為1010，刀具進(jìn)入了機(jī)械設(shè)計(jì)疲勞曲線的無(wú)限壽命階段[13]，即認(rèn)為刀具使用壽命能夠滿足使用需求。

(a) 安全系數(shù)云圖

4.3 模態(tài)分析

刀具前6階振型圖，如圖12所示。刀具各階固有頻率、最大變形量和變形位置，如表5所示。

(a) 1階振型 (b) 2階振型 (c) 3階振型

(d) 4階振型 (e) 5階振型 (f) 6階振型

表5 前6階振型圖分析結(jié)果Tab. 5 Analysis results of the first 6 vibration mode diagrams

圓盤(pán)刀具在切割作業(yè)時(shí)，受外界激勵(lì)的影響會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)?shù)毒吖逃蓄l率與受激勵(lì)工作頻率接近時(shí)，刀具發(fā)生共振產(chǎn)生較大變形，從而對(duì)機(jī)具造成嚴(yán)重?fù)p害[14-15]。為避免刀具發(fā)生共振，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，獲取刀具的固有頻率。模態(tài)分析可在自由狀態(tài)或有約束條件下進(jìn)行[16]，本文選擇自由狀態(tài)下的刀具，在ANSYS中設(shè)置6階模態(tài)進(jìn)行求解。

由各階振型圖可知，振動(dòng)主要表現(xiàn)為刀片的擺動(dòng)和扭曲變形，最大變形量為236.17 mm，振動(dòng)變形的位置為刀片頂端，說(shuō)明此處較為薄弱。

綜上，通過(guò)對(duì)刀具進(jìn)行靜力學(xué)和模態(tài)分析知，當(dāng)?shù)毒呤芰r(shí)，刀具底部產(chǎn)生了應(yīng)力集中，刀具的頂部變形量最大；當(dāng)?shù)毒咦杂烧駝?dòng)時(shí)，刀具的頂部產(chǎn)生了明顯的擺動(dòng)和扭曲變形，且變形量較大。因此，需要適當(dāng)調(diào)整刀具結(jié)構(gòu)，以減小刀具底部的應(yīng)力集中和頂部的變形。

5 圓盤(pán)刀具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

刀具長(zhǎng)度和安裝角度對(duì)刀具的變形和受力有著重要影響。為了探明刀具長(zhǎng)度和安裝角度對(duì)刀具的變形和受力產(chǎn)生的影響，并得到刀具結(jié)構(gòu)的較優(yōu)參數(shù)組合。本文以大圓盤(pán)刀具為研究對(duì)象，以刀具底部的最大應(yīng)力和刀具頂部的最大形變量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，刀具回轉(zhuǎn)半徑和安裝角度為試驗(yàn)因素進(jìn)行兩因素三水平正交仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)因素及水平如表6所示。

表6 試驗(yàn)因素和水平Tab. 6 Test factors and levels

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：刀具安裝角度越大，刀具底部應(yīng)力和頂部扭曲變形就越大；刀具回轉(zhuǎn)半徑越大，刀具頂部的擺動(dòng)和扭曲變形就越大；當(dāng)?shù)毒甙惭b角度為28°，回轉(zhuǎn)半徑為105 mm時(shí)，刀具的各評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)。

最優(yōu)參數(shù)組合的仿真結(jié)果表明：刀具最大應(yīng)力為9.38 MPa遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力(345 MPa)[12]，滿足剛度要求；刀具最大變形量為0.09 mm遠(yuǎn)小于實(shí)際應(yīng)用中不超過(guò)3 mm的要求[17-18]，滿足強(qiáng)度要求；安全系數(shù)最小值為15遠(yuǎn)大于1，最小循環(huán)次數(shù)為1010進(jìn)入了無(wú)限壽命區(qū)，該結(jié)構(gòu)安全可靠，能夠滿足使用壽命要求。

模態(tài)分析中，刀具頂端的擺動(dòng)和扭曲變形明顯減小，最大變形量為203.76 mm。由于低階振頻對(duì)機(jī)具結(jié)構(gòu)的破壞性最大，因此重點(diǎn)研究一階頻率是否引起刀具的共振[19]。刀具的固有頻率與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系如式(8)所示。

ni=60fi

(8)

式中：fi——第i階的固有頻率，Hz；

ni——第i階的臨界轉(zhuǎn)速，r/min。

此時(shí)，第一階頻率f1=285.41 Hz，經(jīng)計(jì)算得n=17 100 r/min，工程中一般認(rèn)為外在的激勵(lì)頻率達(dá)到一階固有頻率的75%要引起重視[19]。因此，刀具的極限轉(zhuǎn)速N=0.75n=0.75×17 100=12 825 r/min，刀具在極限轉(zhuǎn)速內(nèi)，均不會(huì)發(fā)生共振。本文設(shè)計(jì)刀具工作轉(zhuǎn)速為800 r/min，遠(yuǎn)小于極限轉(zhuǎn)速，故不會(huì)發(fā)生共振。

6 結(jié)論

針對(duì)劍麻人工收割勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高的問(wèn)題，本文基于劍麻葉片物理特性及收割工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種圓盤(pán)切割式劍麻采摘裝置，并進(jìn)行了仿真優(yōu)化試驗(yàn)。

1) 對(duì)該裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，確定了刀具轉(zhuǎn)速為800 r/min，刀具安裝角為28°～32°，大圓盤(pán)刀具回轉(zhuǎn)半徑為105～115 mm。

2) 以刀具回轉(zhuǎn)半徑和安裝角為試驗(yàn)因素，刀具底部的最大應(yīng)力和刀具頂部的最大形變量為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行正交仿真試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：刀具的安裝角度越大，刀具底部應(yīng)力和頂部扭曲變形就越大；刀具回轉(zhuǎn)半徑越大，刀具頂部的擺動(dòng)和扭曲變形就越大；當(dāng)?shù)毒甙惭b角度為28°，回轉(zhuǎn)半徑為105 mm時(shí)，刀具的各評(píng)價(jià)指標(biāo)最優(yōu)。

3) 較優(yōu)參數(shù)組合的仿真結(jié)果表明：刀具的最大變形量為0.09 mm，最大應(yīng)力為9.38 MPa遠(yuǎn)小于刀具材料的最小屈服強(qiáng)度345 MPa；安全系數(shù)最小值為15遠(yuǎn)大于1，最小循環(huán)次數(shù)為1010進(jìn)入了無(wú)限壽命區(qū)；根據(jù)刀具模態(tài)分析知，刀具工作轉(zhuǎn)速800 r/min遠(yuǎn)小于極限轉(zhuǎn)速，在該狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生共振。