甘蔗种排种装置的切断机构设计和有限元分析

黄才贵，刘兴国，陈 坚

（南宁学院，广西壮族自治区 南宁 530200）

我国是世界上甘蔗生产的第三大国，仅次于巴西和印度[1]。甘蔗作为我国主要的糖料作物之一，种植的区域主要位于广西、广东、云南和海南等地，糖料的产量占比达到了糖料总面积的85%以上。但是受限于我国甘蔗生产机械化程度较低，导致劳动成本高、作业效率低、劳动强度大。据统计，从2008年—2016年，甘蔗种植面积已连年下降[2]，目前约73×104hm2。甘蔗种植机械化水平较低，广西甘蔗机械化耕作率达98%，而甘蔗的机械化种植率仅55%左右，且劳动强度大、排种均匀性不高、耗种量大（可达0.921 15 kg/m2）、出芽率不高，还有许多技术瓶颈亟待解决。根据农艺要求，甘蔗种植时一般要先将整根甘蔗切成单芽段或多芽段，且不能伤及种芽。目前关于此类切断机械装置的技术研究尚不成熟，切断后甘蔗断面效果不理想或出现种芽受到挤压、误切等破坏情况。其主要原因是甘蔗切断刀在切断的过程中对蔗种的冲击力大，若切断前不能夹紧则容易导致蔗种切断的端面裂开，或对种芽造成冲击挤压。如韦瑞峯[3]发明的高效智能甘蔗种切割机和王永祥等[4]人发明的甘蔗切种装置，均没有相应的蔗种夹紧装置或机构。基于此，设计一种甘蔗种排种装置的切断机构，可以实现甘蔗种的间歇进给、快速切断，且蔗种输送过程中的进给量可调。

1 机构的各部分结构设计

总体设计的结构关系图如图1、2所示，包括输送带、底座、输送辊，两根输送辊分别铰接于4根底座的支撑杆A上，两根输送辊之间通过输送带连接形成带传动连接；减速电机通过螺纹固定安装在底座的安装板上，带轮A同轴固定安装在减速电机的输出轴上，带轮A通过皮带与带轮B形成带传动连接，带轮B和不完全齿轮分别同轴安装在转轴B两端，转轴B中间部分通过转动副安装于底座的支撑杆C上端。

结合图2，不完全齿轮设置有多个卡齿，多个卡齿铰接于不完全齿轮的外缘上。不完全齿轮同轴固定安装在飞轮端面，直齿轮与不完全齿轮啮形成合关系，直齿轮和锥齿轮B分别同轴安装在转轴A两端，转轴A中间部分通过转动副安装于底座的支撑杆C上端，锥齿轮A与锥齿轮B形成啮合关系，锥齿轮A与输送辊同轴连接铰接于底座的支撑杆A上；滑块铰接于飞轮上，滑块与刀柄形成滑动连接，切刀固定安装在刀柄一端上，刀柄的另一端铰接于底座的支撑杆B上端。此外，若将其中的一个或者多个卡齿往不完全齿轮的端面掰动90°，则可减少啮合的齿数，改变甘蔗种每次进给输送的长度，进而控制甘蔗种切段长度。

图2 不完全齿轮与其他部件连接关系图Fig.2 Connection relationship between incomplete gear and other components

如图3所示，工作时飞轮逆时针转动，为了保证甘蔗种进给输送过程和切断过程不冲突，滑块交接点到最近的卡齿的角度要大于直齿轮圆心和水平线的角度约5°~8°为宜。

图3 不完全齿轮角度位置关系图Fig.3 Angular position relationship of incomplete gear

见图4，底座结构作为主要的支撑部件，包括支撑杆A、电机安装板、支撑杆B、支撑杆C、切断支撑台和底板，四根支撑杆A、支撑杆B和支撑杆C均竖直安装在地板上，其底端固定焊接在底板上，切断支撑台底端固定安装在两根支撑杆A顶部。

2 工作原理及过程

结合图1至图4，将甘蔗种上输送带，启动电机，通过传动关系可知，当不完全齿轮的有齿部分与直齿轮相互啮合时，运动传递到输送带上进而带动甘蔗种往前进给运动一段距离；直到不完全齿轮的有齿部分与直齿轮脱离啮合时，直齿轮停止不动，则输送带不动，此时甘蔗种停止往前输送，同时切刀向下摆动，实现切割过程。

图4 底座结构图Fig.4 Structure of substructure

3 有限元分析

由于底座作为主要支撑受力部件，且甘蔗种切断过程中，切刀的切断工作是循环的，会对底座产生循环的冲击，所以需要针对底座进行静态结构力学分析和模态分析。对模型进行三维建模之后，导入到有限元分析软件里面并设置好结构的材料参数，选用的材料欧式Q235-A，其弹性模量为2.10 E+11 N/m2，泊松比0.288，质量密度为7.861E+03 N/m2，抗剪模量8.23E+10 N/m2，屈服强度为2.35 E+8 N/m2。然后进行网格划分（划分的节点数为9704，单元数为4991），给底座的底部添加固定约束，在切断支撑台上施加切断冲击的受力之后，进行最后的求解分析，得到总变形和应力分析结果见图5、图6。由图中分析结果可知，最大变形量仅为0.151 36 mm，变形量很小，该设计满足变形要求；最大应力为17.989 MPa，远小于材料的屈服强度，所以设计满足强度要求。

图5 总变形云图Fig.5 Cloud diagram of total deformation

图6 总应力云图Fig.6 Cloud chart of total stress

添加模态分析，设置其前六阶的振动情况并进行求解，得到前六阶振动频率分别为58.939 Hz、74.283 Hz、79.121 Hz、84.09 Hz、103.24 Hz、103.38 Hz，后期的切断刀切割冲击工作频率避开这六阶振动频率即可避免共振的发生。

4 结语

本文设计了一种甘蔗种排种装置的切断机构，该装置结构紧凑、合理、操作简单。通过整体结构和各部分结构的设计，巧妙利用新设计的不完全齿轮机构和摆动导杆机构，可实现甘蔗种的间歇进给、甘蔗切断过程进给和回程的合理分配。通过对主要起支撑作用的底座进行静力结构分析和模态分析，结果表明设计合理，这为今后甘蔗种植切断机械化技术提供借鉴。