牽引式圓草捆撿拾車的設計與試驗研究

楊志超，張 云，劉麗娟

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.呼倫貝爾市蒙拓農牧科技股份有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000)

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牽引式圓草捆撿拾車的設計與試驗研究

楊志超1，張 云1，劉麗娟2

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.呼倫貝爾市蒙拓農牧科技股份有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000)

為解決大型圓草捆短距離運輸難的問題，設計了一種圓草捆撿拾車。該車采用液壓系統來控制撿拾機構、運草和卸草機構的動作，運用三維軟件Pro/E進行建模與仿真，并對牽引架進行有限元分析，樣機出廠后對其進行大量裝卸試驗。結果顯示：整機設計結構簡單，撿拾車強度完全符合使用要求，樣機撿拾、卸草動作靈活。經實地試驗，該車撿成功裝卸率98%。

圓草捆撿拾車；牽引式；仿真

0 引言

草是牧業之本，牧草是牲畜的“糧食”，“無草則無畜，無畜則無業”[1]。牧草產業作為草原生態畜牧業的基礎，越來越受到重視。隨著畜牧業的現代化、集約化、智能化的發展，畜牧機械使用率也越來越高，需求也越來越明顯，而牧草收割、盤摟、捆裝等機械化將大大促進牧草產業的發展。自2013年以來，國內牧草機械迎來了良好的發展機遇[2]，目前從打草到捆草已基本實現機械化，大大節約了時間和人力；但是草捆在壓實、打捆之后打捆機只能將草捆放在原地，在草捆的短距離運輸過程中一般采用人工或叉車進行草捆裝卸，勞動強度高，而叉車也只能一次裝卸1～2個草捆，工作效率低，給農牧民帶來了不便，且在經濟上也有不必要的浪費，增加了牧草收割成本。目前，草捆裝載作業工序的機械化作業一直沒有得到解決，實現大面積草場草捆的短距離運輸迫在眉睫。本文設計的圓草捆草捆撿拾車，是實現草料生產機械化產業鏈的重要環節。

1 圓草捆撿拾車整體結構與工作過程

1.1 整機結構

牽引式圓草捆撿拾車主要包括主牽引、車架主體、草捆撿拾機構、行走總成、卸載機構、擋草機構、草捆移動機構及液壓系統，如圖1所示。整機采用型材矩形管等焊合而成，以保證其具有足夠的強度。

1.主牽引 2.草捆撿拾機構 3.前主架 4.車架提升單作用油缸 5.行走總成 6.草捆移動機構 7.后主架 8.防掉落卸載機構 9.液壓馬達 10.擋草機構 11.撿拾臂油缸

牽引式圓草捆撿拾車使用47.8kW以上輪式拖拉機牽引作業，無需拖拉機傳動軸輸出動力，由拖拉機手控制手柄和電子觸摸屏，各機構通過液壓系統控制可將圓草捆自動撿拾裝車; 單排圓草捆自動裝卸車可一次性裝運圓草捆6～8個，運到目的地后可自動整齊地卸下草捆，一切工作僅需拖拉機手1人完成，節約人力，減少草捆損壞，最大額定載荷8.33t。

1.2 工作過程

牽引式圓草捆撿拾車由拖拉機牽引作業，動作時由拖拉機液壓系統提供動力，完成從撿拾到卸載的一系列動作過程,如圖2所示。

圖2 撿拾車作業圖

工作時，先控制液壓系統將撿拾車后端卸載機構的擋草板升起，防止因撿拾草捆過多或其它原因而導致圓草捆掉落。拖拉機牽引撿拾車沿圓草捆軸線方向前進，同時拖拉機手控制液壓手柄將草捆撿拾叉放到最低位置；拖拉機繼續前進，撿拾叉運動到草捆底部，拖拉機手反向拉動拖拉機液壓手柄，撿拾臂將圓草捆托起并翻轉，圓草捆將自動滾離撿拾臂運動到車架內，另一邊的擋草機構可有效擋住圓草捆，防止其滾落撿拾車；焊合機架兩個主梁間有140°夾角，可以有效存放圓草捆。將草捆撿拾裝車后，拖拉機手控制另一組液壓手柄給撿拾車前端的液壓馬達提供動力，液壓馬達旋轉帶動軸端鏈輪旋轉，鏈輪旋轉帶動鏈條移動，鏈條上的草捆也將向撿拾車后移動；運動一段距離后控制液壓馬達停止旋轉，繼續撿拾圓草捆并裝車。草捆裝滿撿拾車后，將撿拾車拉到草捆堆放位置，控制液壓系統將撿拾車后端卸載機構的擋草板落下，控制液壓手柄將一組車架提升油缸升起，同時控制液壓馬達旋轉，拖拉機緩慢向前移動，整齊地卸下圓草捆。

1.3 撿拾機構的設計

撿拾機構的作用是將圓草捆撿拾并翻運到車架上，其性能的好壞將直接影響到圓草捆的撿拾是否成功。圖3 為提升臂的結構圖。

圖3 提升臂結構圖

根據圓草捆的幾何尺寸與野外所處環境，設計一種結構簡單、操作方便、能滿足撿拾功能和效率的圓草捆撿拾裝置，提出了精簡桿件焊合構架與最佳桿件彎曲、傾斜相結合的提升臂結構設計的理念[3]。

由于圓捆機吐包出的方向是不確定的，撿拾車的前進方向也不可能與草捆軸線方向平行，所以設計的撿拾叉端折彎一定角度，帶弧的撿拾叉前端接觸到草捆，撿拾車繼續前進，撿拾叉將自動擺正撿拾。撿拾叉彎管通過螺栓固定，根據草捆大小可以隨意調整撿拾寬度，來適應不同的草捆直徑。

1.4 防掉落卸載機構的設計

整車長12m，為防止向車架后端運送圓草捆時因操作失誤或其它原因導致草捆意外跌落，設計了一種機構來防止圓草捆掉落并可根據實際使用需要自由開閉。圖4為防掉落卸載機構圖。

該機后端裝有防掉落卸載機構，擋板由小油缸控制可以相對車架豎起或平放來完成擋草和卸草動作。在裝草時，擋板豎起，鏈條傳動草捆向機器后端運動；當草捆后端接觸到擋板時，因有擋板阻擋，即使鏈條繼續運動，草捆也不會再向后運動而掉落。此機構也可防止撿拾車上坡或顛簸而造成草捆掉落。

1.橫梁 2.加強橫梁 3.豎梁 4.卸載支撐板 5.小油缸 6.擋板 7.漲緊小鏈輪

1.5 液壓系統的設計

液壓與機械傳動、電氣傳動相比具有安裝方便靈活、質量輕、體積小、反應速度快及可實現自動過載保護等特點。液壓技術應用到農業機械當中，能夠提高農機機械的產品質量和技術含量，是農業機械的發展趨勢之一[4]。

該撿拾車液壓系統是控制撿拾臂提升、液壓馬達帶動鏈條運動、擋草板豎起放下、整個車架升高起卸草的動力源。考慮國產拖拉機的液壓動力輸出系統有兩套，設計2組液壓閥來控制4組油缸的動作。圖5為車架提升、擋草板豎起液壓原理圖。

1.擋草板油缸 2.蓄能器 3.雙向溢流閥 4.二位二通電磁換向閥(錐閥) 5.車架提升油缸 6.液控單向閥 7.二位二通電磁換向閥(滑閥)

該油路中有2個蓄能器，在裝草過程中，擋草板油缸一直豎起，蓄能器可以在油路斷開時持續保壓。為防止操作員升起擋板油缸時發生誤操作或其它原因導致草捆向后力太大損壞油缸和蓄能器，在油路中裝有雙向溢流閥，當油路壓力超過蓄能器額定壓力時，溢流閥開啟泄壓，保護蓄能器和油缸。裝草過程中，擋草板油缸伸出，油路斷開蓄能器持續保壓，為減小該液壓系統的內泄露選用4錐閥閥芯的二位二通電磁換向閥。卸草捆時，升起車架提升油缸后斷開油路即可，單向閥阻止油缸內液壓油回流[5]，同時控制鏈輪鏈條轉動拖拉機向前行駛，圓草捆便可整齊卸車。考慮該油路中有液控單向閥，選擇換向閥的閥芯為滑閥結構，以節省成本。

2 懸掛牽引機構的設計與有限元分析

圖6為懸掛牽引機構，由鋼板和矩形管焊合而成。該機構直接拉動整個車身，其性能好壞直接關系到整個機器是否能正常工作。進行有限元分析可以增加設計功能，減少設計成本，提高產品和工程的可靠性，降低材料的消耗。在產品制造或工程施工前預先發現潛在的問題，將有限元分析方法應用于實踐中，有助于提高產品設計的質量與效率[6]，所以對牽引架的有限元分析是非常必要的。

圖6 牽引架

選用Pro/E中Mechanica 模塊進行有限元分析，操作步驟為：創建三維實體模型、進入Mechanica模塊、定義材料為STEEL、添加約束和載荷、創建網格、運行分析、查看結果[7]。

該車總質量3 000kg，按草捆尺寸長1 500mm、直徑1 300mm計算，最多可裝載6個草捆，每個草捆500kg。假設在30°坡的草地上進行作業，該牽引所受的最大拉力為

Fmax=F下+f

F下=cos60°×30000=15000N

式中 Fmax—機器所受最大拉力；

F下—裝草后機器在30°坡時向下的拉力；

f—輪胎和草地的摩擦力；

M—垂直于地面的壓力；

r—輪胎半徑；

μ—輪胎在農田中的摩擦因數。

該牽引架采用Q235板和矩形管焊合而成，機器所受最大拉力36 650N。經有限元分析(見圖7～圖9)最大應力在牽引圓孔處和方管連接處為261MPa，查表Q235的抗拉強度為375 460MPa[8]，所以該設計完全符合使用要求。

圖7 網格模型劃分圖

圖8 最大應力示意圖

圖9 位移分布圖

3 試驗與分析

實際撿拾過程中，圓草捆軸線方向不可能與撿拾叉中線重合，兩者總會成一定的角度，所以試驗過程中，圓草捆與機器前進方向的角度在±30°范圍內變化。該試驗分別在海拉爾區、陳巴爾虎旗等地進行，每組撿拾100個圓草捆，撿拾草捆長1 500mm、直徑1 300mm，質量300kg。實地試驗如圖10所示。試驗數據如表1、表2所示。

圖10 實地實驗圖

圓草捆旋轉角度/(°)成功裝卸個數/個-5～00～599-10～-510～1598-20～-1515～2099-30～-2525～3098

表2 陳巴爾虎旗試驗數據表

分析裝卸失敗原因：①整機焊后焊縫未經打磨，焊縫掛斷捆繩導致草捆散落；②草捆存放時間太長導致草捆塌陷變形，裝車卸車時草捆易散落；③撿拾臂翻轉速度較慢，草捆不易翻轉到車架上。

改進措施：①整機焊后需打磨，與草捆接觸零件銳角鈍化；②打捆機吐包后盡快撿拾并存放；③加大油管與油缸通徑，增加油缸進油量，提高撿拾臂翻轉速度。

4 結論

該圓草捆撿拾車可以實現任意大小及各種擺放形態草捆的自動撿拾及草捆的自動裝車與卸車，整機設計結構簡單，操作方便，試驗撿拾裝卸成功率98%，可以減輕牧民工作強度，提高工作效率。

[1] 李海東.淺談牧草在生態畜牧發展中的重要作用[J].新疆畜牧業，2010(7)：35.

[2] 張樂佳.國內外主要牧草收獲機械發展概況[J].農業工程，2014(5)：20.

[3] 張圣光.液壓系統在農業機械化中的應用及優勢分析[J].安徽農業科學，2014(20)：6872-6873.

[4] 王超，張云，劉忠舍. 基于CAXA與MATLAB的撿拾臂優化設計與分析求解[J].農機化研究，2016，38(9)：180-184.

[5] 高連興，姬長英.液壓與氣動[M].北京：中國農業出版社，2007：117-120.

[6] 陳永當，鮑志強，任慧娟，等.基于SolidWorks Simulation的產品設計有限元分析[J].計算機技術與發展，2012(9)：177.

[7] 鐘日銘.Pro/ENGINEER Wildfire5.0從入門到精通[M]. 北京:機械工業出版社,2010：360-385.

[8] 鄂中凱，張義民. 機械設計手冊(1)[K].北京:機械工業出版社，2010:20-26.

A Towed Round Bale Collecting Machine Design and Experimental Research

Yang Zhichao1, Zhang Yun1, Liu Lijuan2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2. Hulunbuir Mengtuo Agricultural and Pastoral Development of Science andTechnology Co. LTD，Hulunbuir 021000,China)

To solve the difficulty of short distance transportation of the large round bale, design a kind of round bale pick up the car. The vehicle controlled by hydraulic system to pick up the action of grass and unloading grass agencies, institutions, and use 3 d software Pro/e modeling and simulation, and finite element analysis was carried out on the traction frame, the prototype to a large number of loading and unloading after experiment. Results show that the machine design has simple structure, the design of collecting the strength of the car completely accords with the requirement, the prototype collecting, unloading flexible motion, the field experiment, the car pick up 98% success rate of loading and unloading.

round bale collecting car; towed; simulation

2016-07-01

呼倫貝爾市蒙拓農牧科技發展有限責任公司牧業機械設備生產線改擴建一期工程項目(海經信備案字[2013]03號)；一種圓草捆撿拾車(ZL 2015 2 0620975);裝備制造業發展專項資金農牧業機械技術改造項目( 海經信備案字[2013]03號);內蒙古自治區創新引導項目(2015 -07)

楊志超(1991-),男，內蒙古包頭人，碩士研究生，(E-mail) 411407281@qq.com。

張 云(1958-),男，呼和浩特人，教授，碩士生導師，(E-mail)zhangyund1958@163.com。

S817.11+4

A

1003-188X(2017)08-0242-05