镜湖苎麻联合收割机双动刀的设计与试验

引言
苎麻是我国唯一可以垄断的天然纤维纺织资源，产量占全世界的90%以上[1]。当前国内外市场对苎麻原料的需求正在迅速增大， 这正是发展具有民族特色的苎麻产业的良好时机。苎麻收获是整个苎麻产业中的一个重要环节， 用工量约占整个苎麻生产过程(整地、种、管、收) 的60%以上， 是一项费工费时的繁重作业。随着经济的发展和劳务工价格提高， 苎麻收获作业的花费不断上升， 苎麻收获机械研究开发已成为我国苎麻生产迫切需要解决的问题。因此尽快地研制出工作效率高、产品质量好、纤维损伤小的苎麻联合收割机是麻农的迫切希望， 它对于大幅度降低苎麻种植成本、实现苎麻机械化种植、促进苎麻工农业现代化生产的发展具有重要的意义[2]。目前苎麻收获机械研究开发的重点大多在剥制机械， 我国剥麻机械的研制正朝着高效、机械化和自动化程度高的方向发展[3]。而对于苎麻联合收割机设计还处在探索阶段， 总结国内外相关单位开展了的一系列研究[4]，发现切割和输送是苎麻联合收割机设计的一个瓶颈问题。本文通过对割刀的改进， 结合三层齿带式输送器， 实现了对苎麻联合收割机设计的优化， 提高收割机切割和输送效率。
1 双动刀切割器设计
1.1 双动刀切割器在苎麻联合收割机中的优点目前， 苎麻联合收割机主要使用单动刀往复式切割器和圆盘刀切割器。单动刀切割器结构是切割器梁上安装有一定数量的护刃器， 每个护刃器上都有定刀片， 定刀片上部有护舌， 动刀杆与动刀片位于护舌下部， 当动刀片在定刀片上作往复运动时， 利用定刀片和护舌作横向支承割断作物， 单动刀往复式切割器的特点是只需驱动一组动刀片作往复运动即可。圆盘刀式切割器也是研究较多的一类切割装置， 属于回转式
切割类型， 可以通过调节圆盘倾角、刀片倾角和圆盘转速等因素来提高切割性能。
单动刀往复式切割器和圆盘刀切割器能够完成苎麻的切割， 但还存在一些不足之处。单动刀往复式切割器在苎麻切割方面表现不足主要表现： 一是由于动刀片运动， 定刀片固定， 导致麻杆切割后根部随动刀片运动方向的惯性较大， 不利于麻杆的横向夹持输送。二是由于麻地特殊地貌和安装精度限制， 易使动刀片运动轨迹改变导致动刀片与定刀片碰撞， 使刀片折断。圆盘刀切割器与单动刀切割器相比， 虽然在切割后麻杆根部的惯性有所降低， 但易导致麻纤维缠住圆盘刀的转动轴， 不便清理并增加动力消耗， 尽管可以通过改变圆盘刀的半径使缠绕问题得到部分解决，但易导致切割器结构庞大和动力的浪费。
双动刀式苎麻联合收割机克服在使用单动刀和圆盘刀切割器的不足， 采用双动刀往复式切割器。工作时， 双动刀往复式切割器上下动刀作速度相同、行程相等、方向相反往复运动切割麻杆，其优点是：切割速度大，在行程相同时其切割速度是单动刀的2 倍[5]；往复运动惯性力相互抵消， 便于麻杆的横向输送； 不存在麻纤维缠绕问题。
目前双动刀切割器的驱动机构一般有两种： 一是上下动刀驱动机构位于收割台两侧， 由两组曲柄连杆机构分别驱动， 需要两组传动系统， 结构复杂。二是上下动刀驱动机构位于收割台同侧， 由一组曲柄连杆机构驱动两组并列等长摇臂， 实现上下动刀反向运动， 由于要实现一定的动刀行程， 摇臂长度较大。因此， 上述两种双动刀切割器驱动在苎麻联合收割机中均不适宜。针对上述问题， 本文设计了一种适用苎麻切割的双动刀切割器。
1.2 双动刀切割器设计方案
本设计以双偏心轮作为双动刀的驱动机构， 并利用“双偏心轮远点作反向运动” 的原理驱动双动刀的连杆臂机构， 并根据动刀行程要求， 与连杆臂横向位移进行机构综合， 设计驱动双动刀的连杆臂机构， 驱动上动刀的连杆臂机构和驱动下动刀的连杆臂机构呈共面配置。
用于驱动行程为100mm、割幅为1 600mm 的双动刀往复式切割器的结构示意图如图1 所示。1.3 双动刀切割器工作原理由图1 可知， 双动刀切割器驱动的外动力由液压马达提供， 马达带动一对链轮4 和与链轮同心的偏心轮3 转动， 偏心轮3 通过调节螺柱2 和关节轴承13及销轴9 驱动上动刀连杆臂8 往复运动， 此时， 上动刀连杆臂8 带动上动刀杆7 作往复运动， 从而使一组铆接于上动刀杆7 的上的动刀片11 作往复运动； 通过相同的传动过程， 下动刀连杆臂14 使一组铆接于下动刀杆上的动刀片11 作往复运动。
由于驱动上动刀连杆臂8 和驱动下动刀连杆臂14的动力由一对链轮通过链条传动提供的， 且与其连接的调节螺柱2 和关节轴承13 及销轴9 相同， 结合“双偏心轮远点作反向运动” 的原理， 从而实现了上下双动刀作速度相同、行程相等、方向相反往复运动。
同时为了提高双动刀切割器切割后的输送效果，结合了三层齿带式输送器，保证了麻秆横向输送效果。由于麻秆较为粗大， 拨齿选用钢板齿， 拨齿高度为80mm。在立式割台上，基于麻秆先割后输的要求[6]，胶带齿顶与双动刀顶部的距离为50mm。
2 试验
2.1 试验目的及内容
试验在“苎麻之乡” 湖北省咸宁市进行， 在该地区苎麻产业作为支柱产业之一。苎麻品种为中苎一号头麻， 用游标卡尺、卷尺测量苎麻生长特性参数， 测量结果如表1 所示。实验主要考核双动刀切割速度影响以及在最优速
度下的切割率和输送率， 为机具进一步优化与提升设计提供依据。
2.2 试验结果
试验首先进行了双动刀割刀速度影响试验， 试验结果如图2 所示。从图2 中可知， 割刀速度较小时， 麻秆得不到有效切割， 当割刀速度慢慢增大后， 切割率和输送率得到提高， 当割刀速度继续增大后， 切割率有少量下降， 而输送率迅速下降， 这主要是因为割刀惯性力随速度增大而迅速增大造成的。
当双动刀速度为0.5m/s、输送带速度为0.4m/s时， 其切割率≥93.5%和输送率≥80.6%。
3 结束语
1) 双动刀切割器可以解决麻纤维的缠绕问题从而提高了切割效率， 并且切割后的切割惯性力较低，有利于麻秆得横向输送。
2) 对双动刀式苎麻联合收割机进行了割刀速度对切割率和输送率影响的试验， 结果表明： 通过调节割刀速度可得到较理想的切割率和输送率， 为提高切割效率提供了一种新的解决思路， 从而为苎麻联合收割机优化设计提供了理论和试验依据。