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油菜联合收割机双动刀切割器及行星齿轮驱动机构设计与试验

油菜联合收割机双动刀切割器及行星齿轮驱动机构设计与试验

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作者：冉军辉中国农业科学院

学位级别：硕士

油菜是我国食用植物油主要来源。油菜植株较高,茎秆较粗,分支缠绕较严重;油菜籽颗粒微小,且成熟果荚易开裂,使得机械化收获存在损失率高、功耗大等问题。传统油菜收获机采用曲柄连杆式或摆环式单动刀切割器,割刀振动大、对油菜茎杆扰动... 详细信息

油菜是我国食用植物油主要来源。油菜植株较高,茎秆较粗,分支缠绕较严重;油菜籽颗粒微小,且成熟果荚易开裂,使得机械化收获存在损失率高、功耗大等问题。传统油菜收获机采用曲柄连杆式或摆环式单动刀切割器,割刀振动大、对油菜茎杆扰动大,使割台产生了较大的落粒损失。针对这一问题,本文开展了不同驱动机构动力学特性和不同切割方式切割特性的理论研究和台架实验,在此基础上设计了一种往复式双动刀切割器及行星齿轮驱动器,并通过样机割台的振动测试和田间性能试验,表明所设计的往复式双动刀切割器及行星齿轮驱动器具有运行平衡性好、振动小、对油菜茎杆扰动小、割台损失率低的显著特点。本文主要工作及结论如下:1、往复式切割器不同传动机构的工作性能、滑切理论及茎秆夹持条件的理论分析。分析表明传统曲柄连杆式及摆环式割刀驱动机构均存在传动效率低、对刀杆有侧向力、引起的振动大等问题;行星齿轮割刀传动机构具有工作可靠、振动小、刀杆不受侧向力等特点。研究了滑切方式省力机理,为选择低功耗切割方式提供了理论支持;分析了油菜茎秆物理机械性质及其对切割的影响,为选择合适的往复式切割器刀片类型提供了理论依据。2、曲柄连杆式单动刀切割机构、双动刀切割机构及不同刀片的油菜茎杆切割台架试验。理论分析结果表明双动刀切割机构较单动刀切割机构惯性力平衡能力强、功耗低、对油菜茎秆扰动小,有利于油菜高效、低损失联合收获作业。通过利用不同切割机构及刀片对油菜茎秆单因素台架切割试验表明,曲柄连杆式双动刀切割器较单动刀切割器降低约22%6%的功耗,齿刃刀片较光刃刀片对油菜茎秆切割能力强,长齿刃较短齿刃切割能力强且两者功耗差异较小。对长齿刃双动刀切割器采用Box-Benhnken中心组合试验方法进行了相关参数指标的试验研究。采用Design-Expert8.0.6软件对试验结果进行了分析,建立了响应面优化数学模型,优化结果表明当切割速度1.17m/s、茎秆输送速度0.98m/s、切割高度400mm时各指标最优,切割成功率99.99%、切割效率48.87根/s、单位割幅切割功率918.14W。3、行星轮驱动器及双动刀切割器的设计及相关性能分析。利用SolidWorks、AutoCADmechanical等计算机辅助设计软件设计了行星轮驱动式双动刀切割器,并对其进行了运动学、动力学等相关分析。采用MATLAB中的遗传算法对行星轮驱动机构中的锥齿轮及行星齿轮进行了基本参数的优化设计,使其在满足强度要求的前提下,结构更紧凑、重量更轻。对新设计的双动刀切割器进行了惯性力及切割阻力分析,结果表明该切割机构惯性力平衡性能好,有利于降低割台振动。绘制了新设计的切割器切割图,对切割图的分析结果表明该切割器切割连续性高、负荷均匀、对油菜茎秆扰动小,有利于减振及降低割台落粒损失率。4、样机试制与割台空载振动测试。试制所设计的行星轮驱动器及双动刀切割器,并将其配置在油菜联合收割机上,构建成试验样机。样机在室内空转状态下割台振动测试结果表明割刀对割台振动大小影响显著,且行星轮驱动式双动割刀较曲柄连杆式单动刀运行平稳、振动显著减小。安装有新设计的切割机构的割台在割刀往复运动方向上的振动加速度较安装有曲柄连杆式单动刀的原有割台振动加速度减小49.1%2%。5、田间作业状态下的割台振动测试及落粒损失试验。为测试行星轮驱动式双动刀切割器在田间实际工作状态下的相关性能指标,对设计的切割器及曲柄连杆驱动式切割器进行了田间对比试验。田间作业状态下割台振动测试结果表明,安装有行星轮驱动式双动割刀的割台振动测点处平均振动加速度较安装有曲柄连杆式单动刀的割台相同振动测点处的振动加速度减小48.1%,证明了行星轮驱动式双动割刀在实际油菜联合收获过程中在割刀往复运动方向上所引起的振动较普通往复式切割器明显减小。田间油菜联合收获割台落粒损失检测结果表明,新设计的行星轮驱动式双动刀切割器相比于曲柄连杆驱动式单动刀割台落粒损失率可得到明显降低。机器前进速度在0.6m/s.4m/s范围内,试验结果表明安装有新设计的双动刀切割器的割台较安装有曲柄连杆驱动式单动刀切割器的割台落粒损失平均降低了42.5%。本文通过在对已有切割机构研究的基础上,创造性地设计出了行星轮驱动式双动刀切割器,通过振动测试和田间性能试验证明其运动平稳、振动小,用于油菜联合收割机上减小割台落粒损失率效果显著。研究结果为改进油菜联合收割机切割器及其驱动器提供了成功实例,对谷物联合收割机提高效率、降低损失具有参考作用。

关键词：油菜联合收割机切割器割刀驱动器振动损失

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