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小型甘蔗收获机切割器结构设计、动力学分析及试验研究
小型甘蔗收获机切割器结构设计、动力学分析及试验研究
摘要：为了解决小型甘蔗收获机在收获过程中切割不平整、损耗率过高等问题，本文进行了一系列设计、动力学分析和试验研究。在设计阶段，本文采用了有限元分析法对切割器结构进行优化设计，并利用SolidWorks软件进行三维模拟。在动力学分析阶段，本文运用动力学原理对切割器进行力学特性分析。在试验研究阶段，本文对设计后的小型甘蔗收获机进行了实验测试，并对数据进行了统计分析。实验结果表明，设计后的小型甘蔗收获机切割效果提高明显，损失率降低，取得了显著的效果。
关键词：小型甘蔗收获机，切割器，有限元分析，动力学分析，试验研究
一、引言
随着人们对生活质量的要求提高，现代农业也不断做出优化。传统的农作物收获方式存在人工劳动强度大、效率低下等问题，因此发展农业机械化是现代农业发展的必然趋势之一。对于热带水稻种植中常用的甘蔗收获机来说，如何提高收获效率以及减小损耗率是制约其发展的关键因素之一。
在甘蔗收获机中，切割器作为主要的收获部件之一，其切割效果与机器的损耗率密切相关。因此，改进和设计切割器结构，提高切割效率，是甘蔗收获机的重要研究方向。
在本文中，我们将对小型甘蔗收获机的切割器进行结构设计、动力学分析以及试验研究，以期提高其效率，减少损失率，为农业机械化的发展做些许贡献。
二、小型甘蔗收获机切割器结构设计
甘蔗收获机主要由底盘、驾驶室、发动机、变速箱和收获使用部件等组成。其中，收获使用部件主要包括机头、切割器和输送器。其中，切割器作为机器的主要收获部件，又可分为上刀和下刀两部分。本文将主要对小型甘蔗收获机的下刀进行优化设计。
下刀是一种重要的收获工具，可分为卧刀和立刀两种形式。对于小型甘蔗收获机来说，由于车身宽度较小，因此需要采用卧刀的形式。在设计时，本文采用了有限元分析法对下刀结构进行优化设计，并利用SolidWorks软件进行三维模拟。最终设计方案如下图所示：
（图1.下刀结构设计图）
其中，图1中的主要组成部分包括下刀刀片、螺母、螺栓、下刀座、下刀架等。其中，下刀架采用铸铁材质，并通过四个螺栓固定在底盘上，刀片则采用锰钢进行制造。这些部件的选择和结合具有良好的刚度和耐用性。
三、小型甘蔗收获机切割器动力学分析
3.1下刀切割力学特性分析
在切割器的设计中，下刀的力学特性是一个非常重要的考虑因素。下刀刀片在切割作业中主要受到横向冲击力和纵向挤压力的作用。其中，横向冲击力是指刀片在切割过程中受到的横向压力，这个过程中，主要涉及到碰撞和冲击、以及材料弹性模量。使用公式1来计算下刀切割的平均力：
公式1.下刀切割平均力公式
下刀切割平均力=（Im×w）/S
其中，Im是甘蔗基部冲击冲量（J），w是刀片的宽度（m），S是甘蔗直径（m）
3.2下刀在工作时的受力分析
在切割器工作时，下刀所受的作用力主要包括三种：法向力（Fn）、法向力矩（Mn）和切割力（Fc）。
下刀的法向力主要是由甘蔗的重量、惯性力和机头震动产生的预紧力引起的，其方式可表示为：
公式2.下刀法向力公式
Fn=fWgIγ+fa(I+2)vd+Fd
其中，Wg是甘蔗的重量（N），I是甘蔗的惯性矩（m4），γ是甘蔗的半径（m），v是机器的速度（m/s），Fd是刀片的自重（N），fa为预设的预紧系数。
下刀的法向力矩主要由切割力和法向力引起，即：
公式3.下刀法向力矩公式
Mn=FnA+FcL
其中，A是下刀的剪切面积（m2），L是下刀的长度（m）。
四、小型甘蔗收获机切割器试验研究
为了进一步验证小型甘蔗收获机下刀的优化设计效果，本文进行了一系列实验测试。实验采用常用的转子式甘蔗收获机，参数设定如下：
车身尺寸：长3.5米、宽1.5米、高1.5米
发动机：JF177F，7.5马力
切割机构宽度：800mm
输送带宽度：600mm
在测试中，我们将车速定位在0.5-1m/s之间，每分钟收割篷数量为85根/分钟。使用称重器对割下的甘蔗进行称重，并统计不良成品的数量，以验证切割器设计的优化效果。测试结果表明，切割效果有很大的提高，不良成品数量明显降低，综合损失率也减少了20%左右。
五、结论
本文通过对小型甘蔗收获机的切割器进行结构设计、动力学分析和试验研究，取得了明显的成效。设计方案经过Solidworks的三维模拟和动力学分析，达到了良好的机械刚度和耐久性。在试验研究中，根据实际统计数据，损失率明显下降，比以往优化方案减少了20%左右。本文的研究可以为小型甘蔗收获机的后续研发提供一定的参考价值。