电驱动偏摆式天然橡胶割胶装置设计及运动特性分析

邓祥丰 陈娃容 曹建华 杨浩勇 许萌 肖苏伟

摘要：天然橡膠是我国重要的战略物资，针对当前胶工流失严重、割胶作业难以实现机械化等问题，设计一种电驱动偏摆式割胶装置。以理论分析结合数学建模为基础进行，通过Adams与ANSYS建立传动结构的有限元模型，并阐述运动特征规律，来验证模型的构建准确性，分析传动部件在运动情况过程下的应力分布、动态特性及振动机理，为便携式割胶装置的设计以及后期改进提供参照途径。通过运动学分析，刀片摆幅、传动结构受力与理论计算值误差分别为4%和3%；在数值模拟中传动结构的最大应力出现在Y型驱动叉与刀座的连接处，XYZ三个方向面的等效应力均小于材料屈服极限，故不会发生失效与出现共振；通过试验分析，偏摆式割胶装置样机相较于传统人工割胶刀，在割胶速度、耗皮厚度以及割胶深度上的平均值相差分别为42.3%、4.3%、0.6%，其中割胶速度差异较为显著。割胶装置的理论模型分析结果与实际样机加工制造的试验情况基本符合。

关键词：天然橡胶；偏摆式；割胶装置；振动机理

中图分类号：S7： TH122

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2024） 02008407

收稿日期：2023年1月9日  修回日期：2023年4月24日

基金项目：海南省自然科学基金项目（521QN0937）；国家重点研发计划（2020YFD1000600）；海南省科技计划项目（ZDYF2021GXJS009）

第一作者：邓祥丰，男，1995年生，海南海口人，硕士，研究实习员；研究方向为农业机械化工程。Email： 928010405@qq.com

通讯作者：肖苏伟，男，1987年生，江苏南京人，硕士，工程师；研究方向为农业机械化工程。Email： 80096501@qq.com

Research design and kinematic characteristic analysis of electric driven offset

natural rubber tapping device

Deng Xiangfeng1， 2， Chen Warong1， 2， Cao Jianhua1， 2， Yang Haoyong3， Xu Meng1， 2， Xiao Suwei1， 2

（1. Rubber Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， 571101， China;

2. Mechanical Subcenter of National Important Tropical Crops Engineering Technology Research Center， Haikou，

571101， China; 3. Jiangsu Agricultural Machinery Test and Identification Station， Nanjing， 210017， China）

Abstract：

Natural rubber is an important strategic material in our country. In this paper， an electricdriven bias rubber tapping device was designed for the serious loss of rubber workers and the difficulty of mechanization of rubber tapping. Based on the theoretical analysis and mathematical modeling， the finite element model of the transmission structure was established by Adams and ANSYS， and the motion characteristic law was expounded to verify the accuracy of the model construction， and the stress distribution， dynamic characteristics and vibration mechanism of the transmission parts were analyzed in the process of motion. It provided a reference way for the design and later improvement of portable rubber tapping device. Through the analysis of kinematics， the errors of blade swing， transmission structure force and theoretical calculation value were 4% and 3%， respectively. In the numerical simulation， the maximum stress of the transmission structure appears at the connection between the Ytype drive fork and the tapper seat， and the equivalent stress in the three directions of XYZ is all less than the yield limit of the material， so there will be no failure and no resonance. According to the experimental analysis， compared with the traditional manual glue tapper， the average difference of the offset glue tapping device prototype in the glue tapping speed， skin consumption thickness and glue tapping depth is respectively 42.3%， 4.3%， 0.6%， among which the difference of glue tapping speed is more significant. The theoretical model analysis results of the rubber tapping device are basically consistent with the actual prototype manufacturing test.

Keywords：

natural rubber; offset type; glue tapping device; mechanism of vibration

0 引言

截至2022年，我国植胶区开割面积约为790 khm2［1］，据不完全统计，全国约有130万天然橡胶从业人员［2］。割胶作业是天然橡胶生产中的重要环节，在橡胶园前期的扶管与后期的初加工之间起到衔接作用。目前割胶仍旧以传统的割胶刀具为主，劳动成本占直接生产成本的60%～70%［3］，由于近年胶价的低迷，导致胶工大量流失，胶树弃割、胶园弃管的现象日益严重，同时，传统的作业方式劳动强度大、技术要求高［4］，易对橡胶树造成损伤［5］，影响长期的经济效益。因此天然橡胶产业面临的采胶困境，需要依靠机械化的方式解决［6］。

国内外研究者提出和设计多种采胶方法，以运动形式划分主要有旋切式、往复式［7］。旋切式割胶机以电机旋转直接驱动切割刀片［8］，该类方式速度快、操作轻松，但在切削过程中产生的粉末状木屑污染胶乳，且割胶轨迹为圆弧状，下刀与收刀时会存有圆弧口，影响割胶作业的品质与产量［9］。往复式割胶机主要以连杆机构驱动刀片作为传动结构［10］，黄敞等［11］基于冲击钻原理加载于传统割胶刀上，解决了部分割胶动力替代的问题；吴米［12］、黄敞［13］等通過曲柄滑块机构的运动方式，实现割胶作业的效果，由于存在偏心件的动不平衡问题，运动副的配合间隙会对运动机构产生振动和受力的影响。

现有文献大多致力于割胶装置的结构设计，鲜有分析割胶装置各机械构件的运动特性及设计依据，且割胶深度和耗皮厚度仍需由胶工凭技术掌握，存在掌握难度大，易伤树或耗皮量过大等问题，未能在设计机制、作业机理等方面形成一个科学有效的研究方式。本文根据传统割胶刀的行刀方式，设计一种偏摆式电动割胶装置，该结构运动形式能够有效对传统割胶刀的切割方式进行仿照，在满足割胶农艺要求的同时，可提高割胶作业的速度、降低胶工的劳动强度。基于数学建模的理论分析，通过建立传动结构的有限元模型，分析传动部件在运动情况过程下的应力分布、动态特性及振动机理，为便携式割胶装置的设计以及后期改进提供参照途径，对提高电动割胶装备的作业性能、优化结构的设计形式具有重要意义。

1 割胶装置传动结构设计理论及运动仿真

1.1 三维模型构建与工作原理

本文设计的割胶装置激振机构采用偏心轴单转子驱动结构，主要由无刷电机、偏心轴、偏心转子、Y型驱动叉等组成。偏心转子以过盈配合的方式安装在偏心轴的轴肩上，在高速旋转过程中，通过偏心轴的连带作用下，偏心转子对Y型驱动叉施加一个绕轴向运动的惯性偏心力，促使两者之间相互接触对刀座形成摆动轨迹，这种设计形式这也实现切割装置传动结构紧凑、动力传输稳定高效的目的，其主要结构如图1所示。

1.无刷电机 2.散热叶片 3.偏心轴 4.偏心转子

5.驱动叉

6.限位圈

7.右刀片

8.刀座

9.左刀片

割胶装置的运动形式是通过激振机构产生的振动，迫使切割机构形成偏摆的运动方式，虽然振动机体的结构会存在一定阻尼力和弹性力，但对整个振动系统而言，还是远小于机体在运动时的惯性力和激振力，所以产生的影响可忽略不计。在理想的状态下，振动系统中激振机构产生的惯性力和Y型驱动叉受到的撞击力保持动态平衡，即2mω2e=Mω2B，其中m为偏心转子质量，kg；e为偏心轴偏心距，mm；ω为偏心转子的转动角速度，rad/s；M为刀座等效质量，kg；B为切割刀片振幅，mm。偏心轴的偏心距e设计为0.6 mm，电机的最高动力输出转速为12000 r/min。输出动力经传动装置、振动装置传递到切割装置，以中心固定点为轴心，使切割刀片做前后式的偏摆运动，切割刀片的振幅可根据传动轴偏心距e、振动装置连接孔距切割装置固定位置实际长度a，以及切割刀片端面与振动装置连接孔的距离L计算得出，如图2所示。

切割刀片围绕着几何中心的偏摆最大角度α1计算如式（1）所示。

α1=arctan2ea

（1）

振幅R计算如式（2）所示。

R=Lsinα1

（2）

其中：e=0.6mm，a=12mm，L=31mm，计算可得α1=5.7°，R=2.6mm。

通过上述对割胶装置的模型构建原理及机构工作方式的解析，该类型的运动方式可能会产生一定的振动量，因此，下文将探究割胶装置的振源响应，以及分析其振动量对机构运动特性的影响，以此在理论上验证该设计结构的合理性。

1.2 振动因素对传动结构的机械性能影响

电动割胶装置是在电机的高速旋转下，通过传动结构实现切割刀片的偏摆运动，因此，这样的传动方式也会伴随着振动的产生。当机械结构长期处于振动的情况下，容易出现以下情况［14］：（1）造成零部件的共振。会引起机械系统中零部件的疲劳损坏，无法正常工作；（2）改变配合间隙产生噪声。零部件磨损过度让配合间隙变大，导致配合尺寸发生变化加剧配合部位的摩擦，引起空气粒子的波动而出现噪声；（3）影响割胶作业。振动会对切割轨迹产生偏移，从而导致割胶效果不理想，影响作业质量。

1.3 偏心转子的振动力学模型方程构建

1） 模型描述。根据文献［15］中的运动方程，构建偏小转子的数学模型，如图3所示，该结构绕几何形心O点运动以接触Y型驱动叉内壁，几何形心O、偏心点O′轴心分别以角速度Ω自转和角速度Ωa公转。O为极点、O-O′连心方向为极轴，建立O-rθz随动坐标系和O′-rθz惯性坐标系，p（n）为偏心转子边界圆上任意点（n=0，1，2，…），v和u分别表示该点的径向和

切向位移，er、eθ和ez分别表示径向r→、切向θ→及轴向z→单位矢量［16］。转子半径R、偏心半径Re、偏心距e、杨氏模量E和质量密度ρm。

2） 内切向作用力的分布。根据运动学关系推理，可知转子转速的自转与公转需满足于ΩΩa=R+dR之间的联系，运动时，自转离心力Fr与公转离心力Fr′分别从p处产生，如图所示，在切向和径向上将公转离心力Fr′分解为公转离心切向力Fru′、公转离心径向力Frv′。

Fru′=Fr′esinθRΔ

（3）

Frv′=Fr′R+esinθRΔ

（4）

故p处的离心力在坐标系下分解为自转离心切向力Fru、自转离心径向力Frv。

Fru（θ）=-ρmΩa2esinθ

（5）

Frv（θ）=ρmR（Ω2+Ωa2）+ρmΩa2ecosθ

（6）

由此可知，Y型驱动叉内壁对偏心转子的反向作用力

Fs=-2πRρmeΩa2

（7）

代入各项数值计算可得Fs约为28.4N。

依据上述公式的推导与模型构建，能够确立偏心转子的运动数学方程，通过该动力学方程的建立，能够更好地掌握设计参数之间的关系。同时，也作为该运动结构的设计依据，为模型后期的优化提供参考价值。

2 基于Adams的结构运动学仿真验证及分析

为进一步分析切割机构的振动响应特性，验证动力学模型构建的准确性以及切割机构的设计可行性，本节将基于ANSYS和ADAMS对机械结构的振动系统进行仿真分析。根据偏心转子运动模型构建的参数式关系，在ADAMS中对其进行运动学分析，以此来趋近于真实的作业效果，模型导入后，根据机构中不同零件之间的配合状态和运动关系，对其构件的几何位置施加约束关系，组成一个给定自由度的机械系统，如表1所示。

偏心轴采用旋转副与大地连接，作为旋转动力输出构件驱动整个模型进行相应运动，偏心转子与偏心轴进行固定连接，同时和Y型驱动叉做接触设置，其余传动构件之间均采用固定副的方式相连。考虑在运动时会有摩擦因素的存在，因此，静摩擦系数选择0.6，动摩擦系数选择为0.4。各项仿真参数确认后，开始进行运动仿真与特性分析，设电机的恒定驱动转速为12000r/min，仿真时间设0.2s，仿真步数为500。在实际的工况下，所受载荷会根据作业情况进行调整，因此，在仿真时可设置空载与负载两种方式，从而探究模型整体结构的运动情况，通过不同负载与不同转速之间的变换，研究切割机构的运动特性。

经过傅里叶（FFT）三维变换方式，可将二维坐标轴生成为两坐标的FFT三维曲线，即变换出了频率的幅值，从幅值可以看出，在空载及各负载的条件下，传动结构在运动过程中，产生的振动频率均较为平稳，这也保证了在作业时，对于树皮的切割稳定性，如图4所示。FFT是一种有效、快捷的数学运算方法，能将时域函数映射到正弦分量，以时间为自变量，将函数转换为频域形式，分离出正弦分量表达的频率成分。由图5可知，切割刀片的摆动幅度以0点为基点，规律性地做正弦曲线往复偏摆运动，即刀片单刀的摆动幅值为2.5mm，这与式（1）、式（2）理论计算的摆动幅值2.6mm大约相差4％，误差范围较小，故满足设计要求。

在高速运转下，偏转转子会对Y型驱动叉形成冲击，从而驱动刀座进行偏摆式運动，如图6所示，从Adams的仿真结果可以看出，该处的受力变化幅度整体较为平稳，但也间接性的出现锯齿状波动，这是由于该类接触为间歇性的，因此受力幅值会产生一定规律的变化。相较于式（7）的计算结果28.4N相差不大，基本覆盖于这一数值范围，因此，仿真结果与理论计算较为一致。

（a） 空载

（b） 30 N

（c） 50 N

（d） 80 N

3 关键部件有限元分析

3.1 有限元模型的参数设计

偏心转子是偏摆式割胶装置完成割胶作业的重要部件及振动产生的主要源头，因此其自身结构必须满足一定的材料强度和刚度，才能符合实际作业要求，同时，固定在切割装置刀座的切割刀片在工作状态时应有合理的动态特性，从而达到对振动的控制，确保割胶工作的质量。将割胶装置转换为x_t格式后导入ANSYS workbench软件中，并建立尺寸驱动关系进行动力学响应分析。网格划分质量会影响模型计算求解的精准度，因此网格划分的密度大小应根据模型的实际大小与施加载荷位置来设定。网格划分产生109373个节点，49581个单元，如图7所示。

模型结构的运动部分采用转动副连接，其余则采用Bonded连接；考虑切割机构存在预应力的影响，通过添加载荷加以分析，电机的恒定转矩0.8Nm，刀片受到切割树皮时的最大切割阻力f约为50N，该力作用于刀片的刃面，在Load中添加上述的力矩和切割阻力。

3.2 结构静力学分析

通过软件运算对切割机构进行静力学分析，其所受到的最大应力主要分布在Y型驱动叉与刀座的连接处，如图8所示。在XY、YZ、XZ三个面上传动结构的最大应力分别为161.68MPa、207.93MPa、186.46MPa，均小于所使用材料的屈服强度值250MPa，因此该设计形式能够满足使用要求。

3.3 动力学分析

完成前处理的设定后，对各阶振型进行振动形态分析，而且一般只有前几阶的模态对系统振动有较大的贡献度，故默认设置求解前六阶模态［1718］。偏心轴的前六阶振型如图9所示，其前六阶发生的形变以扭转振动为主，振幅最大部位在轴前端部位，其次为轴肩，最后为轴座。

（a） 1阶模态

（b） 2阶模态

（c） 3阶模态

（d） 4阶模态

（e） 5阶模态

（f） 6阶模态

根据频率与转速的计算关系可得知［19］，切割机构的偏心轴1阶模态频率对应的极限转速为256452r/min，而割胶装置的最高设计转速为12000r/min，远低于其危险转速范围，说明割胶装置的驱动偏心轴即使在高速运转下也能有效避免共振情况的发生，从而保证整个传动结构部件的工作稳定性，故设计合理。

4 田间试验

4.1 试验方案设计

以本文设计的割胶装置作为试验样机，与传统割胶刀进行对比，将割胶速度、耗皮厚度、割胶深度作为考量指标。试验选择树干径围大于50cm且已进行开割作业的橡胶树，为保障试验条件的一致性，试验组分为A、B两组，即A组为偏摆式割胶装置样机，B组为传统人工割胶刀，每组选取1名经验丰富的胶工开展试验，在同一林段里，任意选取11株橡胶树，A、B两组在每株橡胶树上各割1刀次。

4.2 试验结果与分析

根据表2的试验对比结果所示，在相同试验条件下，A组的偏摆式割胶装置样机在割胶速度上显著优于B组的传统人工割胶刀，而耗皮厚度以及割胶深度等割胶作业考量指标两者差异不大。通过对两类割胶作业方式分析可得知，传统人工割胶刀需每刀交替实现树皮的切削，因此对人工的操作技术难度大；而偏摆式割胶装置样机则以电机为输出动力，以此来替代部分人力，操作者只需要把持住装置的行走轨迹、切削角度等要素，便可以完成割胶作业。

由于试验样本有限，试验结果具有一定的局限，后期也将会持续开展试验，以期来探究满足割胶农艺要求下的机械化割胶作业模式，从而不断优化偏摆式割胶装置的结构设计与作业方式。

5 结论

本文根据传统割胶刀的行刀方式，设计一种偏摆式电动割胶装置，以理论分析结合数学建模为基础，通过Adams与ANSYS建立传动结构的有限元模型，并阐述运动特征规律，来验证模型的构建准确性，分析传动部件在运动过程的振动机理、应力分布及动态特性，得出以下结论。

1） 通过运动学分析，刀片的偏摆幅度、传动结构的受力与模型构建时的理论计算值误差分别为4％和3％。

2） 传动结构应力主要集中在Y型驱动叉与刀座的连接处，在XY、YZ、XZ三个面上传动结构的最大应力分别为161.68MPa、207.93MPa、186.46MPa，均小于所使用材料的屈服强度值250MPa，传动结构强度满足要求，不会发生失效；而传动结构产生的激振力远低于1阶模态的临界振动量，故不会发生共振。

3） 通过试验分析，基于偏摆式传动结构试制的割胶装置样机相较于传统人工割胶刀，在割胶速度、耗皮厚度以及割胶深度上的平均值相差分别为42.3％、4.3％、0.6％，其中割胶速度差异较为显著。

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