大方草捆壓捆機喂入機構運動分析與優化

高 雄，湯 巖，陳鐵英，劉 瑜，崔紅梅，王洪波

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古農牧業機械技術推廣站，呼和浩特 010010)

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大方草捆壓捆機喂入機構運動分析與優化

高 雄1，湯 巖1，陳鐵英2，劉 瑜1，崔紅梅1，王洪波1

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.內蒙古農牧業機械技術推廣站，呼和浩特 010010)

以9YFD-2.0型大方草捆壓捆機為例，探索其喂入機構的運動規律。通過初步確定的喂入機構基本參數，獲得了兩個喂入撥叉的機構簡圖，建立了位置、速度方程，并采用MatLab進行編程求解，分別得到兩個喂入撥叉端點的運動軌跡。將利用SolidWorks軟件建立的三維實體模型導入ADAMS軟件中，分別對兩個喂入撥叉進行運動仿真模擬和分析，得到了喂入撥叉端點的運動軌跡及速度曲線，揭示了喂入機構的運動規律。同時，通過分析，考慮在二者不發生干涉且結構不發生改變的前提下，適當提高大喂入撥叉裝置的高度。完成優化后，大方草捆壓捆機的喂入量在原來的基礎上有所增加,從而提高了大方草捆壓捆機的壓捆密度和質量。

大方草捆壓捆機；喂入機構；實體建模；運動仿真

0 引言

近年來，我國牧區以成捆方式收獲的飼草迅速增加。用壓縮草捆的方法收獲牧草，可以減少牧草最富營養的草葉損失，且壓縮出的草捆具有固定的形狀和相對高的密度，運輸、貯藏都節省了一定的空間[1]。中國農業大學成套設備所的實驗數據表明:采用壓捆機收獲牧草后，飼草平均密度達到傳統收獲工藝的10倍左右，儲存運輸成本是原來的30%左右[2]。壓捆機可一次完成對干草的撿拾、壓縮和捆綁作業，捆草快，節省了勞力，改善了環境，極大地調動了農牧民從事農牧業生產的積極性，是目前市場需求的熱點[3]。壓捆機自國內研發并投入生產以來，以其在操作性能、適用范圍及運輸成本方面的絕對優勢，在國內得到普遍推廣應用，不僅提高了我國飼草收獲機械化水平，還使農業生產得到了迅猛發展。

隨著我國農村、牧區經濟體制的改革，農業生產技術的進步和機械化水平的提高，大方草捆壓捆機的需求量將會逐年增加；而我國的大方草捆壓捆機大多進口，雖然使用性能反應不錯，但就現在國內的消費水平來說，國外的壓捆機價格昂貴，增大了農戶的負擔。國內當前現有的小型打捆設備在實際生產應用中出現了一系列的問題，如運輸成本高、生產效率低、故障率高等問題。因此，大方草捆壓捆機的開發與研制不僅可以填補我國相關領域的空白，而且還將推動國內大方草捆壓捆機科學技術水平的發展，使我國正在日新月異的草產業經濟和社會效益更上一個臺階[4]。

1 大方草捆壓捆機喂入機構工作原理

本文選用9YFD-2.0型大方草捆壓捆機喂入機構進行分析，如圖1所示。

1.撿拾器 2.螺旋輸送器 3.旋轉式輸送器 4.預壓縮室 5.擋草爪 6.喂入撥叉 7.活塞 8.鏈輪

撿拾器將飼草經進料口由小喂入撥叉裝置輸送到預壓縮室，隨著機器的運轉，小喂入撥叉裝置將物料沿著預壓縮室的內壁推送到擋草爪的下方[見圖1(a)]；在預壓縮室未填滿物料之前，大喂入撥叉裝置停留在起始位置，物料在擋草爪的阻擋下被壓縮[見圖1(b)]。當物料在預壓縮室內所受的壓力達到預先設定的壓力時，由設置在機器上的電子監控系統啟動大喂入撥叉裝置開關，大喂入撥叉裝置開關上的連桿帶動喂入連動機構，同時啟動復位凸輪機構，凸輪機構上的喂入曲軸帶動擋草爪驅動機構將擋草爪打開，大喂入撥叉裝置將滯留在預壓縮室內的草片一次性的喂入到壓捆室內[見圖1(c)]；當活塞開始壓縮物料時，喂入機構和擋草爪返回到起始位置，為下一個工作循環做準備[見圖1(d)]。

2 小喂入撥叉機構運動分析

2.1 小喂入撥叉機構運動分析及建模

本文運用矩陣法，將測得的各桿件的尺寸參數以1:10的比例尺分別得到兩個機構的矢量多邊形并建立數學模型[5]，通過MatLab編程得到兩個喂入撥叉端點的運動軌跡。為對機構進行運動分析，本文先以曲柄l1固定鉸鏈中心為坐標原點建立直角坐標系，取x軸與l4一致，建立小喂入撥叉機構運動簡圖，如圖2所示。

圖2 小喂入撥叉機構運動簡圖

此曲柄搖桿機構ABCDA組成了一個封閉矢量多邊形，則可得出該機構的矢量方程式為

(1)

將機構的封閉矢量方程式(1)分別向兩坐標軸投影，即可得到機構的位置方程為

(2)

將式(2)對時間t求一階導數并進行整理，可得速度方程為

(3)

當曲柄旋轉一定角度時，小喂入撥叉裝置端點也會隨曲柄做一定規律的運動。P點坐標值與曲柄轉角φ1、長度l1及喂入撥叉長度le有關。由圖2中可得到小喂入撥叉裝置端點P點的位置、速度方程為

(4)

(5)

2.2 大喂入撥叉機構運動分析

以曲柄l1固定鉸鏈中心為坐標原點建立直角坐標系，繪制出的大喂入撥叉裝置機構運動簡圖如圖3所示。

圖3 大喂入撥叉機構運動簡圖

大喂入撥叉裝置為曲柄導桿機構，此機構EFGHE形成了一個封閉矢量多邊形，由此得出矢量方程式為

(6)

將機構的封閉矢量方程式(6)分別向兩坐標軸投影，即可得到機構的位置方程式為

(7)

由圖3建立的直角坐標系中可得到大喂入撥叉裝置端點M點的位置方程式為

(8)

然后，將式(8)對時間求一次導數，并寫成矩陣形式，即可得到大喂入撥叉裝置端點M點的速度方程式為

(9)

根據實際情況確定方程組中基本參數，運用MatLab中的非線性求解器分別對兩個喂入撥叉的位置方程進行求解，并擬合成P、M兩點的運動軌跡曲線，如圖4、圖5所示。同時，運用MatLab對式(5)、式(10)求解線性方程組分別得到了P點和M點的速度變化曲線，如圖6、圖7所示。

圖4 小喂入撥叉裝置端點軌跡圖

圖5 大喂入撥叉裝置端點軌跡圖

圖6 小喂入撥叉端點速度變化曲線圖

圖7 大喂入撥叉端點速度變化曲線圖

3 喂入機構的仿真研究

3.1 喂入撥叉端點軌跡分析

運行ADAMS環境，分別選取兩個喂入撥叉端部頂點為目標點，跟蹤并記錄兩個喂入撥叉的虛擬運動軌跡。兩個喂入撥叉的軌跡如圖8、圖9所示。

圖8 小喂入撥叉裝置端點復合軌跡

圖9 大喂入撥叉裝置端點復合軌跡

通過對比可以看出：在ADAMS中對兩個喂入撥叉進行仿真所得到的跟蹤軌跡形狀與利用MatLab解析法理論計算得到的軌跡形狀相似或相同，驗證了理論數據的準確性。

3.2 小喂入撥叉裝置速度分析

在ADAMS后處理模塊得到的小喂入撥叉裝置端點各方向的速度曲線如圖10所示。圖10中，由于在建立模型時網格方向設置為yz平面，所以Vy代表小喂入撥叉裝置端點水平方向的速度曲線，Vz代表豎直方向的曲線，且合成曲線Vmag僅表示速度大小，不能代表速度的方向。

由小喂入撥叉裝置端點速度變化規律可以看出：合成速度曲線出現了4個極值點，也就是說小喂入撥叉裝置的運動過程可以分為4個階段來進行分析。為方便觀察，記錄了小喂入撥叉裝置4個階段的瞬時狀態動作分解圖組，如圖11所示。

圖10 小喂入撥叉裝置端點各方向速度變化曲線

圖11 小喂入撥叉裝置動作分解圖

1)喂入撥叉從初始位置到約0.084s時間段。此階段小喂入撥叉裝置端點合成速度逐漸增大，水平方向線速度逐漸減小;垂直方向以逐漸減小的速度向上運動，減小到0后，改變方向；到0.084s時合成速度達到峰值，水平方向速度達到極小值。

2)0.080 4～0.161s 時間段。在0.161s時，小喂入撥叉裝置已經到達軌跡頂點位置。此時，合成速度達到最小值，垂直方向速度減小到0，延長了物料進入預壓縮室的時間，更加充分地將草料送入預壓縮室。

3)0.161～0.203s時喂入撥叉進入回程階段。在0.203s時，速度達到此階段的極大值。喂入撥叉在將飼草送入預壓縮室后，以最快速度返回到起始位置，避免了過多的無用功產生。

4)0.203s～0.329s時間段。此階段小喂入撥叉裝置進入了回程空行末端，小喂入撥叉裝置以較平緩的速度運行可使撥叉端部插入物料時對物料的打擊有所減輕，以減少牧草花葉的損失[6]。

3.3 大喂入撥叉裝置速度分析

由于兩個喂入撥叉的形狀幾乎基本一致，所以也將大喂入撥叉裝置的運動過程分為4個階段來進行分析。大喂入撥叉裝置的端點速度變化規律如圖12所示，4個階段相對運動的位置關系動作分解圖組如圖13所示。

圖12 大喂入撥叉裝置端點速度變化規律

圖13 大喂入撥叉裝置動作分解圖

1)大喂入撥叉裝置從初始位置經過約0.306s后合成速度達到了峰值，垂直方向速度由正變為負。也就是說，大喂入撥叉裝置在該行程階段速度達到了最大值。

2)0.306s～0.602s時間段。在0.602s時，大喂入撥叉裝置已經進入壓縮室到達工作行程頂點，水平方向速度和垂直方向速度都為0，合成速度達到了極小值，這樣可使大喂入撥叉裝置進入壓縮室的時間較長，從而能夠更充分地喂入物料。

3)0.602～0.758s時間段為大喂入撥叉裝置開始進入回程階段。在0.758s時，合成速度與垂直方向速度均達到了回程階段的極大值，可以有效縮短大喂入撥叉裝置停留在壓縮室內的時間，使大喂入撥叉裝置迅速離開壓縮室，避免兩個機構出現干涉現象。

4)0.758s～1.203s時間段，所示撥叉離開壓縮室回程階段。在1.203s時，3條曲線在0點附近趨于平緩，這樣使大喂入撥叉裝置插入物料時避免撥叉過度打擊牧草花葉，有利于對物料的保護。

由以上對兩個喂入撥叉的仿真結果分析可知：兩個喂入撥叉的運動軌跡和運動規律基本上滿足大方草捆壓捆機喂入填料過程的幾點要求。。

4 大喂入撥叉裝置模型優化

通過對兩者的仿真結果進行分析比較，可以看到壓縮活塞從讓開到返回喂入口的時間遠遠超過了大喂入撥叉裝置進入壓縮室的時間。在滿足兩者不發生干涉的條件下，特提出改進方案：將大喂入撥叉裝置的位置在原來的基礎上提高一定距離，以便牧草的喂入更加充分，從而使大方草捆壓捆機的壓捆效率有所提高。

選擇大喂入撥叉裝置豎直方向的位移曲線圖作為參照標準來進行分析求解。從100mm開始，以20mm作為一個分度，分別測出所對應的大喂入撥叉裝置進入壓縮室的時間，并將數據列成表格，如表1所示。

表1 提高大喂入撥叉裝置的位置時的時間變化

由表1可知:當大喂入撥叉裝置提高180mm時，大喂入撥叉裝置進入壓縮室的時間達到了0.360 5s，而活塞讓開到返回喂入口左側邊沿的時間為0.362s，時間相差0.001 5s，相差時間太短；當大喂入撥叉裝置提高160mm時，大喂入撥叉裝置進入壓縮室的時間達到了0.355 8s，時間相差0.006 2s。考慮到實際因素，將大喂入撥叉裝置提高160mm。

5 結論

1)本文利用MatLab編程軟件、SolidWorks三維實體建模軟件及ADAMS虛擬仿真軟件。通過理論分析與研究，揭示了喂入機構的運動特性。通過數據分析，提出了優化方案，大大縮短了設計時間，為以后此類大型方捆機的研發提供了理論支持。但是，由于實際添加的限制，在虛擬的情況下進行的仿真與機器實際工作時還會存在一些偏差。希望在以后的研究中，能夠通過實驗對模型加以驗證，從而得到更真實、可靠的優化方案。

2)通過理論分析與研究可知，為提升大方草捆壓捆機的打捆質量，可在原有基礎上進行優化分析。運用ADAMS優化模塊，逐步縮短喂入口與大喂入撥叉裝置端點豎直方向的距離，對位移曲線進行數據分析后，獲得了大喂入撥叉裝置可提高160mm的結論，從而提高大喂入撥叉裝置的喂入量，能夠將飼草更充分地送入到壓縮室內部，提高了大方捆打捆機壓捆密度和質量。

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Kinetic Analysis and Optimization of Forage Transfer Mechanism of Large Rectangular Baler

Gao Xiong1， Tang Yan1， Chen Tieying2， Liu Yu1，Cui Hongmei1， Wang Hongbo1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering ,Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018 ，China;2.Inner Mongolia Agricultural and Animal Husbandry Machinery Technology Extension Station , Hohhot 010010,China)

Based on 9YFD-01 type large rectangular baler, for exploring the motion law of forage transfer mechanism, basic parameter of forage transfer mechanism were determined, the initial diagram of two feeding fork were obtained. The position equation of two feeding fork was established and the endpoint trajectory were given respectively by the MATLAB programming. Three-dimensional solid model of two feeding fork was built by Solidworks software. Then the motion simulation and analysis was cared out by importing ADAMS virtual simulation software. The endpoint trajectory and velocity curve was resulted. It reveals the movement of the feed mechanism, and provides a reference for the design and research after. By analyzing, increasing the height of the feed fork appropriately under the premise of both does not interfere and change the structure. After that the amount of feed has increased on the basis of the original. Thereby improving the baling density and quality of the large rectangular baler.

large rectangular baler; forage transfer mechanism; solid modeling; motion simulation

2016-07-08

“十二五”農村領域國家科技計劃項目(2014BAD08B10);內蒙古自治區高等學校科學研究項目(NJZC13086)

高 雄(1957-)，男，呼和浩特人，教授，碩士生導師， (E-mail)gao0927cn@aliyun.com。

王洪波(1978-)，男，呼和浩特人，副教授，(E-mail)wanghb@imau.edu.cn。

S817.11+5

A

1003-188X(2017)08-0012-05