离心式自动放线割草机构及其弹簧优化设计

1、1、离心式自动放线割草机构及其弹簧优化设计2、脱粒装置的结构及工作性能分析o引言旋转式割草机是一种高效的割草机，但由于刀片磨损（经常更换刀片）造成使用成本高的问题一直不能很好地满足用户要求。为此，本文在参考相关割草工具的基础上，研究设计了一种离心式自动放线割草机构，它将传统旋转式割草机中的刀片用高速旋转的绳索（尼龙线）来替代，即在高速旋转尼龙绳索与植株接触的瞬间将其粉碎割断，以达到割草的目的。该机构的特点是：当尼龙绳索因割草磨损后，会利用自身机构的特点进行自动放线，其使用成本较旋转式割草刀片降低很多，从而达到经济高效割草的目的。1机构原理离心式自动放线割草机构主要由线盒、绕线盘、棘轮、止动块、

2、弹簧和导向条组成，如图1所示。由图1可以看出，电机输出轴与线盒固定连接，线盒内装有绕线盘，绕线盘与棘轮固定连接，棘轮上有若干棘齿。柱销的头部沿半径方向固定在线盒内，止动块通过自身的耳块套在柱销尾部，柱销中的弹簧将止动块压向棘齿，止动块的两侧设有导向条。割草机在工作过程中，当尼龙绳索因磨损而缩短时，割草阻力减小，电机的转速就会加快，离心力增大，止动块在离心力的作用下克服弹簧的弹力离开棘齿，而绕线盘在尼龙绳索离心力的拉动下就会自动转过一齿，从而使尼龙绳索放长。放线结束后，由于阻力增加，电机转速减小，离心力减小，止动块的运动半径也减小，从而再次与棘齿啮合。2动力学模型2.1止动块动力学分析离心式自动

3、放线割草机构动力学模型如图2所示。为了研究方便，将止动块抽象为一个质点。在图2中，由于线盒水平放置，止动块的重力与线盒对其的支持力反向等值，故未画出。止动块的运动可以看成是两个简单运动的合成，其中相对运动是沿着导向块的直线运动，牵连运动是线盒的圆周运动。以电机旋转轴的中心为原点，动参考系oxy固定在线盒上，戈轴位于止动块运动槽的中心线上。由图2可以看出，因动参考系做回转运动，故止动块的绝对加速度为牵连、相对和科氏加速度3项的合成。1)牵连加速度。：等于止动块随动参考系转动的加速度。因为线盒是做匀加速（减速）转动，故可分解成向心加速度ae以及切向加速度：，且图2中，止动块在戈轴、y轴的受力分别为

4、fs和fn。其中，fs为弹簧力，fn为导向条对其的压力。将止动块的加速度分别向动参考系的戈轴、y轴投影，根据牛顿定理可得动力学方程式中km弹簧的刚度系数；2.2多股弹簧的动态分析由于止动块在运动放线过程中会频繁地压缩和释放弹簧，而且工作时整个放线机构旋转速度高，振动大，因此要求弹簧必须具备足够的强度和刚度。为了提高弹簧的使用寿命，本文采用多股弹簧代替普通弹簧。在计算时，为考虑弹簧自身质量对运动的影响，把在弹簧作用下运动物体质量加上1/3的弹簧质量作为驱动构件质量，这样在弹簧的动态分析计算时即可不再单独计算弹簧质量的影响。弹簧在驱动构件的作用下，任意瞬时的机械能为弹簧的动能和弹性能之和。根据参考

5、文献的分析，弹簧工作时单位时间内的能量损耗与其动能成正比，即d e(t)=at(t)dt式中a一弹簧的能量损失系数。根据功能平衡原理得3多股弹簧的优化设计正如上述研究，自动放线机构要求弹簧体积小、寿命长且运动平稳。特别对于多股螺旋弹簧来说，由于函数计算较为复杂，一般的计算方法难以求解，因此采用matlab优化软件对弹簧进行优化设计。3.1设计变量和目标函数的选取选择设计变量是优化设计的重要环节。将机构的尺寸参数分为独立参数和非独立参数，非独立参数是由独立参数和约束条件所决定的。为了得到良好的机构综合特性，把簧丝直径d、弹簧中径d和弹簧有效圈数n作为设计变量，即3.2约束条件与优化结果3.2.1

6、弹簧不并圈的约束为了保证弹簧在最大载荷作用条件下不并圈，要求弹簧在最大载荷条件下的高度大于压并高度hb，3.2.2弹簧共振的约束当弹簧在变载荷作用下与活动构件一起运动时，除弹簧端部与活动构件的运动外，弹簧内部也存在振动，因此弹簧在工作时易发生共振。为使弹簧不发生共振，则有f- lofo。其中，fo为弹簧工作的频率，厂为它的一阶固有频率。3.2.3弹簧强度约束3.2.5其他的约束条件3.3多股弹簧优化设计根据多股弹簧的性能及其在自动放线机构中的结构要求，已知安装载荷f，= 240n，最大工作载荷f。；= 580n，弹簧的平均工作频率=5hz，弹簧最大的变形量为12mm，钢丝的直径1mmd2mm，

7、中径4mmd6mm，弹簧的总圈数n5，剪切弹性模量g= 8000mpa，许用切应力下】=500mpa，把这些具体数值带入上面的目标函数和约束条件，结合matlab工具箱对弹簧进行优化设计。其优化程序如下：4结论1)本文对离心式自动放线机构动力学模型的构建和止动块的力学分析，为该创新机构的设计奠定了理论基础。2)通过对其关键件多股弹簧的动态分析，利用matlab软件对其进行优化设计，提高了放线机构的可靠性。3)设计的自动放线机构具有较好的反馈功能，即尼龙绳索磨损后能够实现自动放线，减少了人工放线的麻烦。4)通过上述研究可以看出：本文所研究的割草机构无论使用方便性、安全可靠性和使用成本与传统割草机

8、构相比优点明显。马燕平1，赵亚平1，芮延年2（1苏州农业职业技术学院，江苏苏州215008；2苏州大学，江苏苏州215021）2013年4月农机化研究第4期脱粒装置的结构及工作性能分析2014-06-16来源：分享到：脱粒装置是谷物脱粒机和联合收获机的核心部件。脱粒装置的功能是将谷粒从谷穗上脱下，并从脱出物中分离、清选出来。要求谷物脱净率高于99%，谷粒破碎率和损失率低于1.5%清洁率98%以上。1脱粒装置的类型根据喂入方式，脱粒装置可分为全喂人式和半喂人式两种：1）全喂人式脱粒装置是将割下的谷物全部喂入脱粒装置。全喂人式脱粒装置又分为切流式和轴流式。切流式是指作物进入脱粒装置后沿滚筒切线方向

9、移动，脱粒后茎秆沿切线方向抛出。轴流式是指作物进入脱粒装置后沿滚筒作螺旋运动，即沿滚筒切线方向作回转运动的同时沿滚筒轴线方向移动。2）半喂人式脱粒装置是只将作物的穗头部分喂入脱离装置，可保持茎秆完整。2脱粒原理谷物脱粒机和联合收获机的脱粒装置的设计主要依据以下几种脱粒原理：1）冲击脱粒。靠脱粒元件（如钉齿）与谷物穗头的相互冲击作用使谷物脱粒。冲击强度一般用冲击速度来衡量，随着冲击速度的增加而增强。冲击强度增大，脱净率和生产率可提高，但易造成谷粒破碎和损伤。脱粒装置上的滚筒脱粒速度是可调的。2）搓擦脱粒。靠脱粒元件（如纹杆）与谷物之间的搓擦使谷物脱粒。脱净率与摩擦力大小有关，摩擦力大能提高脱净率

10、和生产率，但过大会使谷粒脱壳和脱皮。摩擦力的大小与脱粒元件表面形状和脱粒间隙大小有关，可通过改变脱粒间隙来调整搓擦作用的强度。3）梳刷脱粒。靠脱粒元件（如弓齿）对谷物施加拉力和冲击力使谷物脱粒。脱粒能力与脱粒元件的形状和运动速度有关。脱粒装置工作时，不是单纯按照一种原理脱粒，而是靠以某一种原理为主、其他原理为辅的综合作用进行脱粒的。3常用脱粒装置介绍3.1纹杆滚筒式脱粒装置纹杆滚筒式脱粒装置由纹杆滚筒和栅格凹板组成。纹杆为脱粒元件，其工作表面为曲面凸纹，纹路有左右旋之分，纹路方向与滚筒切线方向成一定的角度。为了平衡，纹杆在滚筒上呈偶数安装，一般为6、8、10根，相邻两根纹杆的纹路方向相反，以防

11、止谷物移向滚筒一端，造成轴向负荷不均。纹杆有a型和d型两种。凹板由横格板和筛条构成，筛孔面积占凹板总面积的40%-70%包角为100-120。脱粒时，作物喂人到滚筒与凹板的间隙中，受到纹杆的多次打击和凹板表面的碰撞、搓擦作用，多数谷粒在凹板前端被脱下。随着脱粒间隙逐渐变小，靠近纹杆的作物运动较快，靠近凹板表面的运动较慢，作物受到的搓擦作用愈来愈强。脱粒过程前半部以冲击为主，后半部分以搓擦为主。脱下的谷粒有65%-90%通过凹板筛孔分离出来。滚筒速度和脱粒间隙均可调。纹杆滚筒式脱粒装置结构简单，脱粒和分离性能好，秸秆断碎较少，适用于多种作物尤其是谷麦类作物的脱粒。3.2钉齿滚筒式脱粒装置钉齿滚筒

12、式脱粒装置由钉齿滚筒和钉齿凹板组成。常用钉齿有刀齿和楔齿。刀齿抓取和梳刷能力强，分为板刀齿和斜面刀齿两种。楔齿短且宽，齿侧斜度大，齿侧间隙可在较大范围内调节，齿端向后弯曲。钉齿按螺旋线均匀配置在齿板上，各钉齿脱粒负荷基本相同。凹板由齿板、栅格板和侧弧板等组成，凹板上的钉齿与滚筒上的钉齿等长或略短，钉齿排数多为4凹板钉齿配置在滚筒钉齿相邻两齿迹线中间，各排齿沿凹板弧长均匀连续排列。滚筒钉齿与凹板钉齿最大重合度为30-50 mm。齿顶和齿侧的最小间隙不小于3 mm，间隙最大时无重合度。作物在钉齿的冲击、梳刷和齿侧、齿顶的搓擦作用下脱粒。钉齿滚筒式脱粒装置的抓取和脱粒能力强，对水稻、大豆及潮湿作物适

13、应性较好：但秸秆破碎较多，凹板分离率较低，功耗大。3.3双滚筒式脱粒装置双滚筒式脱粒装置由两个滚筒组成。第1个滚筒为钉齿式滚筒，其结构与单滚筒相同，但脱粒速度比单滚筒低1/31/2;凹板上钉齿排数少或不装钉齿；出口齿侧间隙比单滚筒的大1倍。第2个滚筒为纹杆滚筒，其脱粒速度与单滚筒基本相同；凹板人口间隙比单滚筒的小1/3出口间隙比单滚筒大2-3 mm。作物脱粒时先后通过两个脱粒元件不同的滚筒，且滚筒的速度前低后高，第1个滚筒把成熟易脱的谷粒脱下并分离出来，未脱下的难脱谷粒和茎秆一起进入转速较高的第2个滚筒使之完全脱粒。双滚筒式脱粒装置脱净率高，分离性能好，破碎谷粒较少，生产率高；但结构复杂，秸秆

14、断碎多，清选负荷较大。3.4轴流滚筒式脱粒装置轴流滚筒式脱粒装置由轴流滚筒、凹板和装有螺旋导向板的顶盖组成。滚筒有圆柱形和圆锥形两种。滚筒上装有杆齿、板齿（或纹杆与杆齿混装）等。杆齿或板齿按螺旋线排列在齿板上。凹板有栅格式、冲孔式和编织式3种，栅格式凹板分离效果最好。凹板包角较大，在180-2400之间。工作时作物由一端沿滚筒切向或轴向喂入，在滚筒和顶盖上导板的作用下沿轴向作螺旋运动，同时受到反复的冲击和搓擦作用而脱粒。谷粒、颖壳和碎秆等通过凹板筛孔分离出来，秸秆则由滚筒另一端排出。轴流滚筒式脱粒装置脱粒时间长，脱净率高，分离率可高达99%，凹板间隙大，谷粒破碎少，可脱多种作物，特别对难脱和谷

15、粒易碎的作物（如大豆、玉米、高梁等）有较好的适应性；但秸秆断碎多，功耗大，清选负荷大。3.5弓齿滚筒式半喂入脱粒装置弓齿滚筒式半喂入脱粒装置由弓齿滚筒和筛状凹板组成。滚筒为封闭式，为方便喂入，喂入端可做成截锥体：滚筒长600800mm截面直径360-460mm;弓齿按螺线分区排列，分为梳整区、脱粒区和排秆区，螺旋头数一般为34，齿排数为912;滚筒齿顶的脱粒速度为1417 m/s;脱粒间隙在喂入口梳整区30 mm逐渐减至lomm左右，在脱粒区为38mm。凹板有编织筛式和栅格式两种。夹持输送链位于滚筒一侧。作物的茎部由夹持输送链夹持沿滚筒轴向输送，穗部进入滚筒与凹板间隙，在弓齿的冲击和梳刷作用下

16、脱粒。脱下的谷粒由凹板筛孔漏下，秸秆被夹持输送链夹持从滚筒末端排出。断穗、碎秆经副滚筒或复脱装置复脱（或分离）后排出。脱粒方式有上脱、下脱和侧脱3种，上脱分离效果好。弓齿滚筒式半喂入脱粒装置只将穗头送人脱粒间隙，谷粒破碎和脱壳少，脱粒后秸秆基本保持完整，分离能力较好，功耗低，主要用于水稻脱粒。4脱粒装置工作性能分析脱粒装置的工作性能指标主要有脱净率、凹板分离率、谷粒破碎率、秸秆破碎程度、生产率和功率消耗情况等，其中脱净率最为重要。脱粒装置的工作性能受很多因素影响，主要包括脱粒装置的结构特点及结构尺寸、使用调整参数和作物性状等。4.1脱粒装置的结构特点及结构尺寸脱粒装置的结构特点应与被脱作物的脱

17、粒特性相适应。例如，小麦脱粒应采用纹杆滚筒式脱粒装置，而水稻脱粒则应选择弓齿滚筒式半喂人脱粒装置。结构尺寸，如滚筒直径与长度、凹板长度（包角大小）、纹杆数与表面状况、钉齿和弓齿的数量、形状及配置等都与脱粒装置的脱净率、分离率、破碎率及功耗有密切关系。在一定范围内增加凹板长度，可提高分离率，减少脱不净损失，但茎秆的破碎和谷粒损伤率也会增加。4.2脱粒间隙脱粒间隙是指滚筒与凹板的入口间隙和出口间隙。人口间隙应在作物顺利喂人和加速的条件下尽量调小，使多数谷粒在接触到脱粒元件时就能脱下并分离出去。间隙减小，脱净率会提高，但谷粒和茎秆的破碎也会增加，并降低生产率和增加功耗：如间隙过大，脱净率会降低。脱粒

18、装置上设有脱粒间隙调节机构，可根据物作品种和湿度进行调节。在保证脱净率合格的情况下，尽量选择较大的脱粒间隙。4.3滚筒脱粒速度滚筒脱粒速度是影响脱粒性能的一个重要参数。当脱粒速度增加时，脱粒元件对作物的冲击、搓擦和梳刷作用都增强，脱净率也随之提高。随着滚筒速度的增加，谷物层变薄，离心力加大，谷粒容易通过茎秆层和凹板筛孔，因而凹板分离率也会提高。但脱粒速度过高，谷粒会出现严重损伤和破碎。应根据作物脱粒的难易程度和湿度等实际情况，在使用中对脱粒速度加以调整。4.4喂入量及喂入均匀性当喂入量超过额定喂人量时，会使滚筒转速下降，甚至导致滚筒堵塞，使脱净率、分离率和生产率下降，功耗增加。脱粒时应均匀连续喂人，出土和开口器主动打开作业要求的问题。通过适当调整齿轮结构、运动参数和打孔器外形尺