基于牧草壓縮特性的凸輪式牧草壓捆機設計

陳鵬宇，武 佩，馬彥華，王昊毅，薛冬梅

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院， 呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區草業與養殖業智能裝備工程技術研究中心，呼和浩特 010018)

0 引言

畜牧業的發展水平是一個國家農業發達程度的重要標志之一[1]，發展畜牧業離不開優質充分的牧草供應。我國的牧草資源分布不均勻，牧區飼草年度間和季節性不平衡，雪災、旱災等突發性自然災害嚴重制約著畜牧業的發展[2]。因此，高效利用牧草是非常必要的。牧草本身存在著松散、體積密度低(干草密度一般為20～40kg/m3)、儲存空間大及運輸虧噸現象[3]，想要高效利用牧草，必須解決這些問題，最有效的方法就是對牧草進行壓縮。

國外的方草捆壓捆機壓縮機構多采用曲柄滑塊機構，結構簡單可靠，故障率低；但在壓縮開始時活塞速度較慢，不能快速預壓縮[4]。生產的打捆機規格大，生產效率高；同時，也需要大馬力的拖拉機與之配套，售價較高，適合產草量大的草場[5]。國內一些研究所和高校的學者開始自主研制牧草壓縮裝置。楊明韶等人采用9KG-350型液壓壓捆機進行壓縮試驗，建立了開式壓縮的數學模型，揭示了草物料開式壓縮與閉式壓縮有顯著不同[6]。孟慶福等人研究了壓縮機構結構組成、工作原理和推箱壓縮力、曲柄切線力及曲柄轉矩隨轉角的變化規律[7]。雷昌毅等人設計了一種非圓齒輪曲柄滑塊式新型壓縮機構[8]，可以實現變速壓縮，但齒輪加工復雜困難，致使整機的成本較高。

牧草壓縮過程中的松散和壓緊階段是存在一定規律的，其壓縮特性隨壓縮密度的變化而變化。因此，本文提出一基于牧草壓縮特性曲線的牧草壓縮設備，從壓縮機構設計原理角度出發，解決目前曲柄連桿和各種形式壓縮設備存在的能耗高、效率低的問題。

1 設計基礎及結構

1.1 牧草壓縮特性

壓縮過程有兩個明顯的階段：松散階段壓縮力主要消耗在物料間的相對位移和摩擦上;壓緊階段物料密度較大,物料被壓縮的阻力起主要作用。其分界線約在壓縮密度為30～60kg/m3之間。本文以李旭英博士論文[9]中草物料直接壓縮流變學研究為參考，確定壓縮力與密度比的回歸方程式為

(1)

式中P—壓縮力(MPa)；

γ0—松散物料的初始密度(kg/m3)；

γ—直接壓縮時物料的壓縮密度(kg/m3)；

C、D—試驗系數。

牧草壓縮室總長度150mm，其中喂入室長100mm。因此，活塞位移前50mm并沒有壓縮牧草，只是將牧草向后推移。根據密度公式,壓縮力與位移關系曲線如圖1所示。

圖1 壓縮力與位移關系曲線

可見，在活塞位移前100mm內，壓縮力隨位移變化緩慢，100mm以后壓縮力隨位移變化急劇增大。為了提高壓縮效率及平衡動力輸入，需要活塞在前100mm快速壓縮提高效率，而在后50mm低速壓縮降低能耗。

牧草是黏彈性物料，其壓縮后會產生應力松弛的現象，為了降低再次壓縮時的應力，壓縮行程結束后，需要有一定的保型時間。通過查閱資料可知，不同的壓縮截面均表現出在前3s內應力松弛明顯[10]。應力松弛時間越長，保型效果越好，但效率降低，因此應力松弛時間可以為壓縮頻率的確定提供參考。

1.2 壓捆機總體設計

凸輪式牧草壓捆機整體結構如圖2所示。

1．草塊接板 2.密度調節絲杠 3.壓捆室 4.料斗 5.減速器 6.電動機 7. 凸輪支撐機構 8.凸輪 9.機架 10.活塞從動件

壓捆機的動力輸入為1.5kW電動機，通過渦輪蝸桿減速機將動力傳輸給凸輪軸，凸輪軸帶動凸輪旋轉，進而驅動壓縮活塞壓縮牧草。料斗與壓捆室喂入口連接，方便牧草進入喂入室。絲杠彈簧機構可以增加壓縮阻力大小，以產生較大密度的草捆。接料板在壓捆機剛工作時向上翻起，作為堵頭對草捆建立起初始壓力。

主要技術參數如下：

外形尺寸/mm：2 040×540×670

打捆密度/kg·m-3：200(可調)

草捆尺寸/mm：230×180

喂入量/kg：0.104

壓縮頻率/次·min-1：23(可調)

生產率/kg·h-1：145(可調)

配套動力/kW：1.5

2 壓捆機主要結構設計

2.1 凸輪機構設計

凸輪是整個壓捆機設計的核心。在機械傳動中，凸輪機構因其具有結構簡單、緊湊、可靠性高及能夠完成各種復雜的運動等諸多優點而受到廣泛的應用[11]。合理的凸輪設計不僅可以使整臺壓縮裝置省力高效，還可以減小裝置的體積，使其緊湊輕便。

根據牧草的壓縮特性曲線，確定活塞的運動參數，即凸輪機構從動件的運動參數。表1列舉出了各種基本運動規律和典型組合規律運動的特征值[12]。

表1 運動規律特征值

通常，評價從動件的運動規律時，希望各特征值VM、AM、TM和JM均盡可能地小。但是，由于各特征值之間存在相互制約的關系，需要根據凸輪機構的工作狀況來區分對各特征值要求的主次關系。工作在高速輕載條件下的凸輪機構，特征值的主次順序應為AM、VM、JM、TM。由于較小的AM值，梯形修正加速度運動規律被認為是一種較理想的運動規律。因此，在預壓縮這種需要快速壓縮而壓縮力小的工況下，選用梯形修正加速度運動規律。在低速重載荷的工況下，要求特征值按VM、AM、TM、JM考慮。各修正型的運動規律由于較小的VM值，適用于重載條件，故在壓縮速度慢壓縮力大的壓緊階段采用簡諧修正等速運動規律。最后，在活塞回程階段選用綜合性能良好的組合擺線運動規律。

為了提高凸輪效率同時防止壓力角過大，需要為每個階段分配合適的凸輪轉角。避免凸輪機構過于龐大，確定凸輪基圓直徑120mm。預壓縮階段凸輪轉角104°，壓緊階段凸輪轉角80°，回程階段凸輪轉角100°。此外，在壓緊階段和回程階段之間還需要有保型階段，此階段凸輪轉角為60°，其余為喂料階段凸輪轉角。

預壓縮階段的運動規律參數計算如下：

1)擺線運動加速區段。

(2)

其中，φ∈[0，φ/8]。

2)等加速運動區段。

(3)

其中，φ∈[φ/8，3φ/8]。

3)擺線運動區段。

(4)

其中，φ∈[3φ/8，5φ/8]。

4)等減速運動區段。

(5)

其中，φ∈[5φ/8，7φ/8]。

5)擺線運動減速區段。

(6)

通過EXCEL表格計算出各項運動參數值和壓力角，結果如表2所示。

表2 各項運動參數及壓力角

續表2

同樣，計算出其余階段運動參數，將其依次排列，即為整個壓縮過程中活塞的運動參數。活塞位移、速度與凸輪轉角的關系如圖3所示。

圖3 從動件位移、速度與凸輪轉角關系曲線

根據求出的從動件運動參數和凸輪基本尺寸，由公式(7)可以計算出凸輪的理論廓線，即

(7)

本文采用滾子直動溝槽凸輪，滾子選用6302-2Z滾動軸承。因此，還需就算出凸輪實際輪廓曲線。其極坐標值計算公式確定為

(8)

為了將數據導入三維建模軟件，在求得實際廓線的極坐標值后，需由下式轉變為直角坐標值，即

(9)

(10)

將計算得數據編寫入Pro/E軟件的ibl文件中，通過導入文件生成凸輪主體，如圖4所示。

圖4 凸輪主體

2.2 壓縮室設計

壓縮室主要由壓縮室壁、喂料口及切刀等組成，如圖5所示。

1.壓捆室底板 2.絲杠彈簧調節機構 3.壓捆室上壓板

壓縮室截面為180mm×230mm，總長600mm。其中，壓縮室上壁可以活動，通過彈簧創建壓縮所需的阻力以達到較高的草捆密度；喂料口長100mm，喂料口上裝有定切刀，與活塞上的動切刀配合切斷牧草。

2.3 支撐機構的設計

支撐機構用于安裝凸輪軸、導軌，如圖6所示。導軌由安裝在上下支板上的矩形導軌和左支撐上的圓柱導軌組成，控制從動件的往復運動方向。

1.左支撐 2.圓柱導軌 3.矩形導軌 4.下支板

2.4 活塞從動件的設計

活塞從動件主要由活塞、推桿和凸輪從動件等組成，如圖7所示。

1.壓縮活塞 2.動切刀 3.草料擋板 4.推桿

活塞上方裝有動切刀，用以切斷牧草；活塞后方還加裝了草料擋板，防止壓縮過程中草料進入喂入室；從動件上裝有滾子軸和滾子，通過推桿與活塞連接在一起。

2.5 整機的模擬仿真

通過Pro/E三維建模軟件生成零件進行裝配，將各個部件裝配到機架上，再將減速機、料斗和接料板安裝好，完成整臺凸輪式壓縮機的裝配。利用Pro/E的機構功能對凸輪進行定義連接，再對凸輪軸進行伺服電機定義，確定凸輪轉速，即根據電機轉速及減速比確定壓縮頻率為23次/min。然后，進行機構干涉檢測及運動學分析，并對分析結果進行測量，得到活塞壓縮過程中的速度和位移曲線，如圖8所示。

圖8 從動件位移和速度曲線

由圖8可以看出：壓縮機剛開始壓縮牧草時(預壓縮階段)，活塞移動迅速，壓縮速度快；在壓縮后期(致密階段)活塞移動緩慢，壓縮速度慢，活塞回程快速。根據之前對壓縮過程的分析可知，此規律符合牧草壓縮特性要求的。

3 壓縮試驗與結果

3.1 試驗材料與條件

選用2017年收苜蓿草作為壓縮試驗對象，密度為26kg/m，壓縮試驗前使用牧草水分測定儀測量苜蓿含水率。選用臺達VFD-M系列變頻器為電機調節轉速，以實現軟啟動，減小沖擊。

3.2 試驗結果

苜蓿草壓縮試驗結果如表3所示。

表3 凸輪式牧草壓捆機試驗性能結果

由表3可知：經過壓捆機壓捆后，牧草的密度增大較為明顯。這說明，經過壓縮后，牧草能夠滿足一般情況下的儲存與運輸。

4 結論

利用凸輪結構能夠實現復雜運動的特性，提出基于牧草壓縮特性的凸輪式牧草壓捆機。 根據壓縮特性曲線確定了凸輪機構基本尺寸和主要參數，同時使用Pro/E三維建模軟件對凸輪式牧草壓捆機進行建模，對裝配模型進行碰撞檢測及運動學分析。試驗結果表明：壓捆機能夠正常運行，實現在預壓縮階段快速壓縮以提高效率、在壓緊階段慢速壓縮以達到降低能耗的要求。