切割器性能分析

切割器性能分析 我国是一个以农业著称的国家，农业工程的发展是当前我国经济社会发展和解决 “三农”问题的需要，是实现农业现代化的重要组成部分。要加快农业工程的发展，就要加强农业的产业结构调整，使农业朝着机械化方向发展，以提高劳动生产率，降低生产成本，减轻农民的劳动强度,提高资源利用率。同时,畜牧业是农业的重要组成部分，如何推广畜牧业的发展是现代农业的一个重要问题。与发达国家相比，我国的畜牧业生产水平还比较落后，但是近年来，各地的牧业经济也得到快速发展，畜牧业成为农民增收致富的重要途径。要使畜牧业发展，饲料是物质基础，而饲料来源和加工设备是畜牧业生产中的关键问题。由于我国人均粮食占有量少，不可能用大量的粮食作为饲料用粮，因此，必须寻找另外的饲料来源。但在一些地方所面临的现状有所不同:一方面是由于生产迅速发展带来的饲料供应紧张，饲料资源缺乏;另一方面是缺乏有效的开发利用，造成大量饲料资源浪费，制约了畜牧业的发展。 牧草等农作物秸杆是农作物生产的副产品，占光合作用地上部分的二分之一，含有多种维生素，蛋白质及微量元素，是一项巨大的饲料资源。对其进行开发利用，是实现农牧结合和充分利用资源的有效途径，是发展节粮型畜牧业的一项重要措施。我国的各类农作物秸杆资源巨大，但是利用率不到百分之十，造成了秸杆资源的严重浪费，科学地开发农作物秸杆资源，发展畜牧业，已经成为提高生活水平和经济效益的关键。开发农作物秸杆资源发展畜牧业，不但可以使农作 物秸杆变废为宝，特别是封山育林，草原禁牧工程的实施，促使牛羊养殖方式的变革，秸杆养畜将成为一个时期的发展方向，而且对促进饲养业的牛羊发展，安置农村剩余劳动力、丰富市场肉品供应、增加农民收入、减轻草地压力、促进农业生态环境的良性循环、增加资金积累、促进经济发展都具有现实意义。因此，开发研制出经济且实用的秸杆加工机械，具有较大的社会效益和经济效益。 ，科学技术水平也上了一个新台阶，人们的物质文化需求也显得越聊越重要，作为一个农业生产大国，对于农副产品的加工以满足人们的物质需求应该是农业生产之后的首要任务。然而，对于各种农副产品的加工，不可能严守传统的加工方法，走机械化自动化的农副产品的加工的发展道路是一种必然的趋势，也是满足人们物质需求和实现共产主义的唯一的选择。 农业生产包括两大内容:一是农业原料的生产，二是对农产品的产后加工，即是采用多种工程技术措施将农业原料，如粮，油蔬菜棉花等和林产品加工成供给人们食用，穿着以及工业用的制成品或是半成品。所以，提高农产品加工的机械化和自动化程度是提高产品质量和劳动生产率，降低生产成本以及实现农产品加工现代化的重要环节和可靠保证。 农产品加工机械的分类主要有无聊传送机械，清洗清理与分级机械，分离机械，尺寸减小机械，混合和匀质机械，食品成型机械，换热设备等，根据不同的需要，常在不同的实际生产中选择不同的加工机械。 农副产品加工机械作为一个完整有机的组合，各个组成部分都是必不可少而且至关重要的，现在我们就各种加工机械上面的切割器的性能作一些相关分析。 古时候有句话是这样说的‘杀鸡焉用牛刀’，这从很大程度上说明了，选择正确的切割器是我们在进行各种切削加工时的一个重要前提，选择正确的切削工具，能够使得我们的加工工作顺利完成并且事半功倍。 对于各种切割器的整体要求:良好的切割器应该是切割质量高，即是成品的切割面光滑或是切碎彻底，而且耗用的动力小，结构紧凑，工作平稳，安全可靠刀刃便于磨锐使用和维修方便，刀片的安装应该满足以下几个要求: (1) 能够很好的钳住物料，保证切割。 (2) 切割功率要小。 (3) 能够产生滑切并且切割的阻力矩小。 刀具是切割器中的重要组成部分，接下来我们就对刀具作一些简单的分析与介绍。 切割器是谷物和牧草收获机械用来割断作物茎秆的重要工作部件。其工作性能应具备割茬整齐，无割漏，功率消耗小，振动小，结构简单和适应性广等特点。它有往复式，圆盘回转式和甩刀回转式三种。其中，往复式切割器割刀作往复运动，结构简单，适应性较广。对往复式切割器的设计一般建立在图解分析和实验的基础上，可以通过试割图中一次切割区，重切割区以及漏割区面积的大小来评价 其工作性能的好坏。一次切割区的面积越大，重割区的面积就越小，则此往复式切割器的工作性能就越好。而切割图的画法则采用的是手工绘制，其过程过于繁杂，特别是当改变各参数得到的不同的切割图时，需要重新进行绘制。在分析切割器工作性能的基础上，针对手工绘制的特点，通过VB应用计算机程序进行计算，输入不同的参数，可以自动绘制切割图，观察切割图中一次切割区，重割区以及漏割区的面积的大小，对设计参数进行优化。 往复切割器的概述 目前的往复式切割器在谷物收割机，牧草收割机、谷物联合收割机，玉米收获机和水草收割机等上采用较多。它能适应一般或较高的速度的要求，巩固中欧质量较好，但其往复惯性力较大，震动较大。切割时，秸秆作物，由于切割时间长和秸秆有多次切割现象，则割茬不够整齐。往复式切割器按结构尺寸与行程关系包括三种形式。 往复式切割器由往复运动的割刀和固定不动的支撑部分组成。割刀由刀杆，动刀头，刀杆头等组合而成。固定部分包括刃器梁，护刀器，定刀片和压刃器等。动刀片是主要的切割件，为对称六边形，两侧为刀刃。护刀器的作用是保护定与片的位置。定刀片为支承件，一般为光刃。压力器保持动刀片与定刀片正确的剪切间隙。 盘刀式切碎器 通过对盘式铡草机切碎器切割过程分析计算。可推导出等滑切角动刀刃曲线方程，即 时数螺线方程。为了设计曲线更为准确，利用计算机软件MATLANB编程(得出不同角度的等滑切 角曲线。同时利用Solid3000三维软件技术基于样机9Z-480型铡草机切碎器建模和仿真。使设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 交流方便快捷，整体设计程序更具灵活性和高效性;缩短产品开发周期、设计成果更为真实可 靠。同时通过正交试验及对比试验分析，得出最优方案组合及影响试验指标的显著因素。 切碎器等滑切角特征建模剪切功率 目前国内外各种铡草机及青饲料收获机广泛采用 圆盘式切碎器。其工作过程中消耗的能量主要用于饲料 的切断。改善切碎器的性能。降低功率消耗一直是农 (牧)机行业所重视的问题。传统的圆盘式切碎器多采用 直线刃或圆弧刃动刀片。但其性能并不令人十分满意。 其主要缺陷是在切割过程中滑切角变化幅度太大(导致 切割阻力矩急剧变化。因而功耗增加。 很多试验研究表明(若动刀刃设计为等滑切角则可 以大大改善切碎器性能，降低能耗，提高切碎质量，我们 针对9Z-480型铡草机切碎器(对其动刀片结合计算机 软件进行改进设计。 1等滑切角型动刀片的设计 1(1等滑切角刃线方程的建立 若以v，h，vt分别代表M。点的速度、法向加速度、切向加 速度。根据滑切角的定义，在AMM。N中有 咖器=警 若曲线上滑切角T为给定常数，且令tgT-k，上式可得: 土(dT=}dO等式两边积分得: r K irII=}0+cl (Cl为积分常数) ‘ 1 当0=0时，培:c(常数)，则r=c?e亡。 该极坐标方程为对数螺线方程(等滑切角曲线方 程)。它的几何特性是经过极点0的各条射线与曲线间 的夹角(方向角)均相等，且均等于刀片刃线的给定滑切 角。即为等滑切角型刀片设计的理论依据。 1(2等滑切角型动刀片的设计 为了深入探讨滑切角f对切割性能的影响(根据试 验样机的有关参数(图l中a=12mm，b=120mm，CW( 100mm)同时参考有关研究的试验结果(经过筛选确定 设计5种等滑角(即滑切角分别为f=300、350(400、450、 500的动刀片。由上述推导得等滑切角刀 取值(T=300、35。、400、45。、500 对应0max值为:"r=300时Omax=260 T=-35。时Omax=31(65。 -r---400时Omax=380 T=--450时Omax=45(20 'r=500时Omax=53(8。 图2为'r=50。时所设计的刀片刃口曲线。 图2等滑切角型刀片刃口曲线的设计'r=500。I、?、? 分别表示刃口曲线的3个不同位置 Matlab图形曲线直接导入CAD中继续进行绘制。最后在 CAD中绘制出各种等滑切角刀刃曲线的动刀的平面图形。 2铡草机切碎器特征建模 2(I基于Solid3000的铡草机切碎嚣特征建模 Solid3000作为国内唯一本地化、标准化的三维 CAD软件(该软件最新版本根据用户的建议在软件的功 能、易用性、集成性等方面作了众多改进，同时内嵌了运 动仿真模块。进一步提高了软件的技术水平。 9Z_480型铡草机切碎器由定刀、动刀组、动刀架、动 刀架轴、风扇片等组成。首先针对样机切割器的主要参 数在Solid3000三维软件环境下建立各零部件模型。在 该软件装配环境下进行装配。对于在CAD环境下设计 的零部件(想观看其立体模型，则在Solid3000环境下直 接导出CAD图形作为草图可继续进行编辑。最后生成 三维图形。应用方便快捷。 特征建模如图4所示: 2(2干涉检验 完成装配后，对改进设计部分，最后通过专用模块 对装配体在静态和动态两种情况下进行干涉检查昀。上 述参数化设计达到了设计的要求(输出各部分及总体的 2(3切碎器的运动仿真 装配完成后。为了对所设计的切割装置有一个直观 的认识了解。使用Solid3000的专用模块对铡草机切碎 器进行运动仿真。首先给驱动轴加上一个侍服电机，定 义电机的轮廓。然后进行分析定义，定义开始和终止时 间(最后通过运行即可在屏幕上形象看到切割装置整个 运动过程及其各个部件相互位置关系。通过可视化界面 可以进入虚拟世界分析产品的性能、模拟产品的使用和 制造工程。进而满足系列产品的设计要求。 3等滑切角型刀片的正交试验设计 采用正交试验设计方法进行试验，试验目标是样机 实际工作功率(kW)。 3(1试验因素的选择 对于盘刀式切碎器，影响其剪切性能的因素很多， 如:动刀片的滑切角，刀周的转速，动定刀的间隙，喂入 量等。根据国内外相关资料的介绍，并结合本样机实际 情况选择动刀片的滑切角。动定刀的间隙和喂人量三个 因素作为主要因素。 滑切角T:滑切角T的大小直接影响动刀的切割阻 力矩的大小。一般来说滑切角越大。切割越省力。剪切功 率越小，本试验选35。一50。范围。用代号A表示。 动定刀间隙ly:一般来说(r越小越好，但实际上太小 会造成阻力增大，使得切割功率增加。所以结合实际情 况选择0(8-3mm，用代号B表示。 喂入量q:单位时间内喂入草料重量(蜘)。通过试 验确定在O(15加(3范围，用代号C表示。 实验条件:为了使各组试验数据具有可比性(其试 验条件如下(正交试验设计表如表l所示): 玉米品种配置高度H 切碎长度物料含水率 辽远1号12 mm 18(5mm 60, 动刀刃角定刀刃角转速 19。75。900 r,min 表1试验设计 实验号A B C l Al(50。) B 1(3ram) C1(O(15kg,s) 2 A1 B 2(2ram) C2(0(22) 3 A1 B3(O(8mm) C3(O(3、 4 A2(45‘) Bl C2 5 A2 B2 C3 6 A2 B3 Cl 7 A3(35。) Bl C3 8 A3 B2 Cl 9 A3 B3 C2 3(2试验数据处理及分析 为了提高精度和消除干扰因素影响。每号试验重复 5次。结果见表2。 裹2平均耗能试验结果， 、、迫验次教平均值茸重号, l 2 3 4 5 Y(W) l 340 350 345 350 360 2094 2 330 350 325 335 345 2022 3 325 335 350 360 350 2064 4 335 320 340 345 335 2010 5 340 3S0 320 335 340 2022 6 335 320 335 350 340 2016 7 3jO 3j5 340 350 355 2100 8 355 350 350 345 360 2112 9 360 350 355 355 365 2142 从表2中的9次试验结果看出(第4号试验 A281C2的功耗最小。但第4号试验方案不一定是最优 方案。需要进一步对试验结果分析获得最优。分析结果 见表3。 表3方差分析表 实验号A B C Y l 1 l l 2094 2 I 2 2 2022 3 l 3 3 2064 4 2 l 2 2010 5 2 2 3 2022 6 2 3 1 2016 7 3 l 3 2100 8 3 2 l 2112 9 3 3 2 2142 Tl 6180 6204 6222 T2 6048 6156 6174 T3 6354 6222 6186 Tl’ 2060 2068 2074 T2’ 2016 2052 2058 T3’ 2118 2074 2062 误差 SS 15704 776 416 19328 2432 df 2 2 2 8 2 MS 7852 388 208 2416 1216 F 6(457237 O(319079 0(171053 P值0(055925 0(743753 0(848632 ?26? 从各因素同一水平结果之和T1,T2,T3;再分别除以 3得到T1化，’(137三行新数据可以看出各因素在每一水 平下的功耗。所以可推算出最优方案为A282C2，也就是 用各水平因素平均功耗最小的水平组合方案。 通过方差计算分析，显著性概率P值都大于O(05( 当P<0(05时认为该因素显著。但此时不能断定三因素都 不重要。通过剔除三个中最大的那个即P=O(848632。重 新傲方差分析结果如表4。 表4 SS l 5704 776 2848 df 2 2 4 MS 7852 388 712 F 11(02809 O(544944 P值0(023567 O(617595 从表中可以看出A因素是对试验指标影响最显著 的因素，即是主要因素。 4结论 针对样机9z-480型铡草机。其切碎器最初采用直 刃式动刀片，切碎质量不高而且功耗比较高。现利用虚 拟设计，先在虚拟环境下对影响其功耗的主要部件动刀 刃改进设计。利用具有强大数学功能的软件Matlab编程 画出刀刃曲线。再结合二维、三维绘图软件对改进设计 部分分析其结构是否合理。如果在确定该机构受力和结 构的边界条件后我们还可以结合其他软件对其进行强 度和刚度分析。从而在保证产品质量的前提下可以大大 节省时问、成本。这是虚拟设计在各行业得到广泛认可 及应用的最突出贡献。当然还可以为加工生产提供依 据，为后续实践检验提供理论根据。 同时在各种工况下做了直刃刀片的对比试验(分析 结果直刃刀片的平均功耗(2166W)高于所有等滑切角型 动刀片。而且再结合其它两个因素确定当滑切角(r-((450( 动定刀间隙"y=2mm。喂入量q=O(22kg,s时功耗最小为 2010W，算生产率是0(8t,h。 由于试验条件所限，只是从测量整个机器的功耗分 析，这样对单个分析刀刃曲线对试验指标的影响有一定 的误差，数据只能作为参考。但分析结果整体趋势还是 和理论分析计算相吻合的。 参考文献: 【1】庞声海。盘刀式切碎器设计的数学解析法，农业机械 学报，1981，12(2):43-52 【2】尤嘉陵，等滑切角曲线刃圆盘式切碎器的研究，四川 农机(1983(3):22-27 【3】姜杉，王玉新，喻宏波等(三维实，体机构虚拟装配及运 动仿真的自动化方法(天津大学学报，2001，34(2):178"- 182( 【4】邰晓梅(三维虚拟机械创新设计自动化方法研究网( 天津:天津大学(2001 【5】卫江红基于SolidWorks的连杆机构的运动分析与仿 真:(硕士论文)大连理工大学，2005 【6】刘文卿。试验设计(清华大学出版社，2005(2):