蔡宽麒，周林，刘博艺，张燕



基于圆柱凸轮机构的甜杆切割机器的设计

蔡宽麒1，周林1，刘博艺2，张燕1

（1.海南大学 机电工程学院，海南 海口 570228；2.海南大学 信息科学技术学院，海南 海口 570228）

为了解决农户在切割甜杆时因人工切割导致劳动力的消耗大、效率低下、安全系数低等问题，对甜杆理化分析，通过研究刀片切割、翻土取根等过程，设计出基于圆柱凸轮机构的甜杆切割机器，整机利用圆柱凸轮使得刀片可往复切割甜杆，利用双摇杆机构使后置铲土装置进行翻土取根，液压系统的设计可调节切割高度。该机器提升了甜杆切割的安全性和效率，可为甜杆切割机的设计提供技术参考，对促进甜杆切割产业发展具有重要意义。

圆柱凸轮；甜杆；切割机器；液压系统

甜杆又称甜高粱，是高粱的一个种类，有作物中的“骆驼”之美誉[1-3]。甘甜杆富含糖分，可作为糖料、饲料和能源作物的基本原料，被人们誉为“高能作物”[4-6]。我国已将甜杆的推广应用列为国家“九五”重点推广项目[7]，因此甜杆切割机器的研制可创造较大的经济价值，具有研究意义。

目前农户对甜杆的切割还是大部分以人力切割为主，而随着甜杆大批量种植，人力切割消耗劳动力大，生产效率低，无法适应快速的甜杆经济发展[8]，而目前国内对甜杆切割机器的研制比较少，例如1996年马来西亚博特拉大学工业部研发出新型甜高粱切割系统[9]，该系统利用4刀片旋转加移动式切割方式，其优势在于可以改变作物的切割高度，但是其无法做到对切割后甜杆的根部进行除根处理；再如雷雨春等设计的甜高粱联合切割机，可进行强制拨禾喂入和多组刀片分层扶持切割但其机械结构复杂，耗能大，不适用于小农户使用，并且对根部无法进行处理。

为了解决甜杆切割消耗人力过大、无法进行除根处理、切割效率低、无法满足甜杆规模化生产的问题，设计了一款连接简单、操作方便、基于液压调节切割高度，并能够对根部进行处理的可拆卸式的基于圆柱凸轮机构的甜杆切割机器。

1 结构及工作原理

1.1 结构

图1为基于圆柱凸轮机构的甜杆切割机器的结构示意图，该机械包括：上刀片组、后置往复铲土板、中置往复运动刀片组、液压调节升降组和动力组等组成，整机的主要技术参数如表1所示。

1.机器扶手2.推杆3.车轮4.小型柴油机5.联轴器6.前置固定连杆7.固定臂8.前置刀片9.中置往复运动刀10.后置往复铲土板11.曲柄臂12.锥形齿轮13.后置固定连杆14.中置锥形齿轮15.传动齿轮16.圆柱凸轮17.对置圆锥齿18.传动圆锥齿19.曲柄臂20.泥土挡板21.伸缩连杆22.回油阀门23.液压装置24.承载车身 25.举臂

表1 基于圆柱凸轮机构的甜杆切割机器的主要参数

1.2 工作原理

本机械利用锥形齿轮、直齿轮和传动轴等传动装置，将汽油机的动力传递到圆柱凸轮和曲柄摇杆，利用圆柱凸轮和曲柄摇杆将传递过来的转动转化为中置往复运动刀片和后置往复铲土板的往复运动，再配合前置刀片即可做到大面积的甜杆切割和翻土除根。本机的后置往复铲土板、前置刀片为可拆卸，可实现功能多样化，减少汽油机的无用功率消耗。工作人员可将后置往复铲土板拆卸，并上下压动压杆，利用液压装置，将举臂提升从而做到根据不同植物的高度调整刀具高度进行打杆。

2 主要结构设计和功能分析

2.1 传动机构的设计

本文秉持连接简单、传动效率高的原则[10-11]，结合齿轮传动设计的传动机构，其传动流程图如图2所示。汽油机将动力通过联轴器、减速器传送到动力输出轴的末端的锥齿轮，锥齿轮带动两边对置锥齿轮转动，通过两边的对置锥齿轮将动力传递给传动齿轮，通过上下传动齿轮的啮合，将动力递给圆柱凸轮，圆柱凸轮轴上包含三个从动件，将圆柱凸轮的转动转化为中置往复运动刀片的平动，中置往复运动刀片的平动配合前置刀片，可将甜杆切断，其次动力传到凸轮圆柱时，可通过凸轮圆柱末端的圆锥齿轮，将动力传递给锥形齿轮使得曲柄臂做圆周运动从而带动摇杆臂做往复运动，摇杆臂端部与后置往复铲土板相连，传递往复力，使后置往复铲土板快速在土里左右铲动，通过左右快速铲动和推动将埋在土里的根部和泥土进行翻倒。后置往复铲土机构的刀片为弧形刀片，刀片头部经过淬火和高温处理，使其强度等性能提高，并设计为台阶式弧形，便于铲土除根，刀片在高速的往复运动时配合机械向前推动作用，可以将从地里挖出的泥土受到泥土挡板的作用进行翻转，并且将其从刀片上抖落，起到翻土除根作用。其中后置往复铲土机构的设计为可拆卸式的，即可实现机器功能在多样化和单一化之间转变，方便机械的清理和维修。

图2 传动流程图

2.2 汽油机的选型

汽油机在选型的时候应考虑到其动力性和经济性，由于动力性和经济性无法同时达到最优程度，因考虑到该机械所需动力不大，在满足基本动力性的前提下，适当提高经济性从而达到整机的最优[12]。因此在汽油机选型时尽可能的选用较轻汽油机，减轻整机负载从而减少无用功的损耗，达到降低燃油使用和排放的目的。本文选用风冷二冲程式汽油机，其参数如表2所示。

表2 汽油机参数

由表2可知，其有效功率P≈1.57 kW，而机械的输出功率为：

由汽油机至输送链的传动总效率为：

式中：1为联轴器传动效率；2为传动齿轮传动效率；3为对心圆锥齿轮传动效率；4为减速器传动效率；5为伞齿轮传动效率；6为轴承传动效率。

其传动系统图如图3所示，电动机到工作机之间传动效率数值，如表3所示。

表3 电动机到工作机之间传动效率

注：以上传动效率根据《机械传动效率表》所选取。表中所述联轴器处在电动机输出轴上

将数据代入式（2）中，求得≈0.89 r/min，将所求得的传动总效率代入式（1）中，求得电机输出功率P＝1.39 kW，在对甜杆的理化研究后，其输出功率可满足工作需求。

图3 传动系统图

2.3 切割装置

2.3.1 切割装置的组成和工作过程

切割装置由前置刀具组、中置往复运动刀具组、后置往复铲土板装置组成，其三维图如图4所示。前置刀片组固定在汽油机上，由一根承受力强的定轴伸缩连杆固定，为了能增加对前置刀片的固定和定位能力，本文在固定杆上方设计了两根固定臂，固定臂通过杆对前置刀片进行加固。

中置往复运动刀片组的末端为汽油机的动力输出轴，在动力输出轴和圆柱凸轮之间通过斜齿轮、传动齿轮，将汽油机传出的动力传递到圆柱凸轮的主动件中，圆柱凸轮的主动件穿过传动齿轮与中置锥形齿轮相连接，圆柱凸轮的主动件转动时带动从动件上端连有中置往复运动刀片进行往复运动。

后置往复铲土板后部连有泥土挡板，泥土挡板下端是一个双摇杆机构，其由两个摇臂组成，后置往复铲土板由后置伸缩连杆将其固定在汽油机上，前置刀片和后置往复铲土板由伸缩连杆便于定位。前置刀片和后置往复铲土板为可拆卸模块单元，其末端有卡槽，与汽油机上的卡槽相匹配，从而做到安装和拆卸的目的。

2.3.2 切割装置部件设计

将前置刀片、中置往复运动刀片都设计为中空，刀片边缘为弧形尖锥状，在使刀片美观、达到刚度要求的同时使得刀片尽可能的轻，减少无用功的输出，而圆柱凸轮的转动带动中置往复运动刀片平动，配合前置刀片进行工作，通过对甜杆受力分析如图5所示，前置刀片对甜杆的力1与中置往复运动刀片对甜杆的力2方向相反，挤压甜杆，将甜杆切断。刀具的主要参数如表4所示。

1.中置往复运动刀片2.伸缩杆3.伞齿轮4.圆锥齿轮5.传动齿轮A 6.传动齿轮B 7.联轴器8.前置固定杆9.前置固定臂10.前置刀片11.后置固定杆12.摇臂A 13.后置往复铲土板锥形齿轮14.摇臂B 15.后置固定臂16.后置往复铲土板

后置往复铲土机构的刀片为弧形刀片，刀片头部经过淬火和高温处理，使其强度等性能提高，并设计台阶式弧形，便于铲土除根，刀片在高速的往复运动时配合机械向前推动作用，可将从地里挖出的泥土受到泥土挡板的作用进行翻转，并将其从刀片上抖落，起到翻土除根作用，对单个单元进行受力分析如图6所示。

表4前置刀片、中置往复运动刀片参数

长度/mm宽度/mm高度/mm数量/个材料工艺 前置刀片中置往复运动刀片 20026016057中碳钢淬火加高温回火

图6 后置往复铲土机构受力分析图

图中：为泥土自身的阻力，N；为泥土的重量，N；为挡板对泥土的作用力，N；1为铲土板侧面对泥土的作用力，N；2为铲土板侧面对泥土的作用力，N；3为挡板对泥土的推力，N。

2.4 液压升降系统的设计

为了能够使机器满足其他需求如杂草、甘蔗等植物的切割和连根拔出等功能，利用液压系统产生的冲击较大的特点[13]，本文增加了液压升降系统。机器扶手施加一个向下的力，力通过推杆作用在液压系统的活塞上，利用帕斯卡原理将汽油机、切割装置抬高，因此可根据不同高度的植物，对机器扶手施加不同的力，从而调整切割装置高度达到最适切割高度，如果高度过高，可拧动回油阀门，通过回油阀门不同的开度，即可使得切割装置下降回任意高度，其高度的可调范围在15～90 cm之间。若进一步提高自动化程度可加装植物高度识别装置和自动调节装置[14]。其高度调整示意图如图7所示。

图7 高度调整示意图

3 结论

本文利用传动装置将汽油机传出的能量转变成中置往复运动刀片组、后置往复铲土板往复运动来切割甜杆，并结合液压高度可调装置来实现机器功能多样化，合理的利用柴油机发出的功率。对甜杆切割机各机构进行参数分析，力求在达到工作效率高的前提下，使得各机构紧凑。甜杆切割机的实现将解决甜杆切割时人力消耗过大，切割的效率低，安全系数过低等问题，并且能够进行翻土除根处理，为下次甜杆种植做准备，提高甜杆的经济效益，促进甜杆产业的发展。

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The Design of Cutting Machine of Sweet Sorghum Based on Cylinder Cam Mechanism

CAI Kuanqi1，ZHOU Lin1，LIU Boyi2，ZHANG Yan1

( 1.Mechanical and Electrical Engineering College, Hainan University, Haikou 570228, China；2.College of Information Science and Technology, Hainan University, Haikou 570228, China)

In order to solve the problem when the farmers cutting sweet rod due to manual labor leads to cutting consumption, low efficiency, low coefficient of safety problems, this paper based on the physical and chemical analysis of sweet lever, the blade cutting through research, dig roots taking process was designed based on a cylindrical Sweet lever cam mechanism of the cutting machine, the machine makes use of cylindrical cam reciprocating cutting blade lever sweet, use double rocker mechanism causes the rear shovel dig means take root, and the design of the hydraulic system to adjust the cutting height. The machine improves the safety and efficiency of cutting sweet bar, can provide technical reference for the sweet bar cutting machine designed for cutting rod promote sweet industry is important.

cylindrical cam；sweet sorghum；cutting machine；hydraulic pressure system

S22

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.011

1006－0316 (2018) 01－0050－06

2017－05－10

海南省自然科学基金面上项目（617048）；大学生创新创业训练项目（201610589002、201610589022、201610589003、201610589065）

蔡宽麒（1996－），男，福建三明人，本科，主要研究方向为农业机械设计。