切捆除膜機的設計與模態分析

陳玉華，田富洋，閆銀發，宋占華，李法德，張忠良

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院/山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；2.肥城市畜豐農牧機械有限公司，山東 泰安 271608)

0 引言

隨著國家“糧改飼”政策的不斷推廣實施，青貯飼草打捆包膜技術已經成為我國牧草青貯產業發展的必然趨勢。將充分混合的全混合日糧用專業青貯打捆機壓實,然后通過青貯裹包機利用塑料拉伸膜將其緊緊密封，從而創造一個厭氧的發酵環境，制作出營養搭配合理、能夠長期貯存的日糧。打捆包膜技術與傳統窖貯工藝相比具有投資少、見效快、效益高、便于貯存和商品化運輸、青貯質量好、浪費極少、霉變損失少等優點[1-15]。

然而，使用包膜青貯具有一些缺點，特別是當把包裹在青貯捆中的飼草料準備用來喂養牲畜時，首先需要人工借助小刀具實現塑料膜與飼草料完全分離，以免牲畜誤食摻雜塑料膜的飼草料進而對其健康造成嚴重危害；其次，青貯塑料膜通常是不可生物降解的材料，隨意丟棄會污染環境，必須以適當的方式進行處理；此外，青貯飼草通常需多層塑料拉伸膜將其包裹壓實，要想人工手動從青貯捆中快速分離塑料膜也有一定的操作難度。

為此，本文主要針對裹包青貯圓捆和方捆(以下統稱“捆包”)的塑料拉伸膜設計一種切捆除膜機，一人一臺設備可實現捆包的抓捆、運輸、切捆、除膜及裝料等作業，有效解決了打捆包膜青貯料需人工取捆及手動除膜所導致的勞動強度大、作業效率低，以及廢膜亂扔造成的環境污染等問題。

1 主要構造及工作原理

1.1 主要構造

切捆除膜機結構示意圖如圖1所示。

1.上部構件 2.下部構件 3.支撐機架 4.夾持裝置 5.支撐裝置 6.切割裝置 7.承載臂 8.主液壓油缸 9.樞軸銷 10.端板 11.主樞轉軸軸線 12.裝載機

切捆除膜機主要由支撐裝置、切割裝置、夾持裝置、液壓油缸驅動裝置及裝載機等部分組成。

1.2 工作原理

調整掛接在裝載機上切捆除膜機的工作位置，啟動切捆除膜機，利用液壓系統操控支撐裝置保持青貯捆包的固定，液壓操控夾持裝置夾住捆包的塑料膜，同時通過主液壓油缸驅動切割裝置夾緊捆包并向上提升；然后，運輸捆包至TMR攪拌機料箱上方位置，再利用切割裝置在主油缸驅動下將捆包的塑料包膜逐步切開，解除與青貯飼草料的附著力；當切割裝置幾乎完全切開捆包時，包膜內的全部飼草料會在自重作用下落入TMR攪拌機內進行充分攪拌混合，以便進一步完成全混合日糧的制備；待捆包內飼草料與塑料膜實現完全分離時，切捆除膜機可從TMR攪拌機料箱上方位置移開，而此時廢膜仍阻滯在夾持裝置上，在進入下一個捆包抓取工序前，由液壓操控夾持裝置將廢膜卸下，方便集中回收處理。

1.3 主要技術指標

主要技術指標如表1所示。

表1 主要技術指標Table 1 Maintechnicalspecifications

2 關鍵部件設計

2.1 支撐裝置的設計

支撐裝置包括垂直安裝的支撐機架及從支撐機架的下部構件橫向延伸的至少兩個細長叉齒捆包支撐構件。叉齒捆包支撐構件構成固定和支撐捆包的支撐裝置部分，以便于把位于地面上捆包通過叉齒抵住進而將其托起；支撐裝置還包括一個矩形截面鋼制的下部構件和1個與之間隔平行的矩形鋼制上部構件，它們各自的兩端由相應的兩塊鋼制端板固定連接。

叉齒捆包支撐構件的頂部一小段部分形成一個錐形尖端，亦或是沿著整個叉齒長度從下部構件基部到末梢端逐漸變細的近似錐形體，如圖2所示。當切捆除膜機將捆包運輸至目的地時，叉齒起到固定和支撐捆包的作用。在切捆除膜機抓取捆包的過程中，若捆包整體尺寸較小，叉齒可直接托起捆包；若捆包整體尺寸較大，叉齒尖端可直接插入捆包中，然后通過切捆除膜機將捆包提升至水平位置，再運輸至TMR飼料攪拌機料箱上方準備切捆作業。

圖2 叉齒結構剖面示意圖Fig.2 Cross-sectional view of tine

在正常作業時，通過安裝在拖拉機或其它合適機具前端裝載設備上的切捆除膜機及連接到拖拉機液壓系統的主液壓油缸液壓回路，可調整切捆除膜機的位置方向，使其處于等待工作狀態。當驅動主液壓油缸使切割裝置升高至完全張開狀態，并且夾持裝置處于釋放狀態時，驅動切捆除膜機朝向捆包運動，叉齒尖端靠近地面且抵靠住捆包；此時，捆包的幾何中心軸線平行于主樞轉軸軸線，然后繼續驅動切捆除膜機與捆包緊密接合，使得捆包的塑料拉伸膜可被正處于釋放狀態的夾持裝置夾緊固定。

切捆除膜機的叉齒能有效地限定切捆除膜機上的捆包支撐平面。捆包支撐平面沿著垂直支撐機架方向橫向水平延伸，當切割裝置處于張開的第1狀態，其切刀切割刃位于由叉齒限定捆包支撐平面的上方位置處，并且處于第1狀態下的切刀切割刃與捆包支撐平面共同限定捆包的容納空間；當切割裝置從張開第1狀態轉動到切割第2狀態時，其切刀切割刃大致沿著朝向捆包支撐平面位置的方向移動，以便于繼續進行分割飼草捆并同時切割塑料拉伸膜的作業。

2.2 切割裝置的設計

切割裝置包括附帶縱向延伸鋸齒狀切割刃的一個細長切刀。切刀固定安裝在可圍繞主樞轉軸轉動的承載臂上，可以從圖3(a)所示的第1狀態圍繞主樞軸軸線轉動，從捆包的外部向下切過捆包將其分割，并將塑料拉伸膜切割至圖3(b)所示的第2狀態。切刀切割刃可從第1狀態轉動至與叉齒捆包支撐構件鄰近但略微間隔一段距離的第2狀態，其切刀切割刃相對于叉齒捆包支撐構件定位。切割刃用于切分捆包至兩半但要避免直接接觸位于叉齒支撐構件上面的塑料拉伸膜而使其被完全切割穿透，即第2狀態的切刀切割刃位于叉齒上方且稍微間隔開一定距離的位置，以便即使捆包被分割但塑料拉伸膜仍然沒有被徹底一分為二而且還保持為一個整塊。

1.捆包 2.捆包幾何中心軸線 3.塑料拉伸膜 >4.叉齒支撐構件 5.樞軸銷 6.主液壓油缸7.承載臂

玉米秸稈裹包青貯大多是將收穗后的秸稈去除雜物和根莖之后再進行調制，使用相關機械設備對秸稈壓扁、揉搓及擠絲等精細加工，然后打捆壓實，通常草捆容重為500～600kg/m3，壓縮率40%左右。最后，草捆需用專用青貯塑料拉伸膜包裹，使其處于一個最佳的密封發酵環境，經過 3～6 周時間，可完成乳酸菌自然發酵的過程[16]。在反芻牲畜飼養方面，針對不同的動物所選擇青貯塑料拉伸膜的包膜層數也有所區別。針對羊來講，因其需要較多干物質的物料，所以包膜層數相對要多一些，大致需要包裹6層；而對于牛來講，包膜層數只需要包裹4層即可，當然，青貯包膜層數應根據不同的包膜材料及不同的用途進行靈活調整。

切捆除膜機的設計尺寸適合于切割直徑和軸向長度約為1.3m的圓形捆包，主樞轉軸軸線分別同支撐裝置的下部和上部構件平行，切刀可繞主樞軸軸線在第一狀態和第二狀態之間往復轉動。當進行切捆作業時，放置在叉齒支撐構件上的捆包幾何中心軸線基本上平行于主樞軸軸線，使得當切刀從第一狀態運動到第二狀態時，切刀近似切過捆包的幾何中心軸線，以將捆包分割成大致相等的兩半。雖然，本文的切刀兩端被描述為固定在一對承載臂上，但在某些情況下，也可設想切刀固定在單個承載臂上。

2.3 夾持裝置的設計

用于夾持和夾緊捆包塑料拉伸膜的夾持裝置(見圖4)大體安裝在支撐裝置上部構件的中間位置。夾持裝置包括一對夾鉗，即用于夾緊塑料拉伸膜的下部固定夾鉗和上部可動夾鉗，下部固定夾鉗和上部可動夾鉗分別由一塊槽鋼組成，且每個夾鉗各限定一個細長夾持邊，兩個夾持邊能彼此接觸重合，用于在不穿透塑料拉伸膜的前提下咬合夾緊塑料拉伸膜。下部固定夾鉗焊接到支撐裝置上部構件的一對固定安裝板位置處，而上部可動夾鉗安裝在一對可動安裝板上，其與固定安裝板通過一對樞軸銷共同限定一個副樞軸。當夾鉗夾持邊處于彼此間隔開的釋放狀態時，上部可動夾鉗可圍繞副樞軸向下轉動使之處于夾緊狀態；同理，當夾鉗夾持邊彼此接觸且處于夾持塑料拉伸膜的夾緊狀態時，上部可動夾鉗也可圍繞副樞軸向上轉動使之處于松開狀態。促使夾持裝置工作的液壓油缸作用于固定安裝板和上部可動夾鉗，以驅動上部可動夾鉗在釋放和夾緊兩種狀態之間進行轉換。夾持裝置液壓缸包括連接第1樞軸銷且位于1對固定安裝板之間的1個缸筒及1個與缸筒相配合的活塞桿，活塞桿末端通過第2樞軸銷與1對聯接板相連接。

1.夾持裝置 2. 活塞桿 3.第2樞軸銷 4.聯接板 5.上部可動夾鉗 6.夾持邊 7.下部固定夾鉗 8.第1樞軸銷 9.固定安裝板 10.副樞軸 11.缸筒 12.可動安裝板 13.夾持裝置液壓缸

夾持裝置位于叉齒捆包支撐構件上方間隔一定距離的支撐裝置上，該距離與沿著叉齒捆包支撐構件垂直向上測量的圓形捆包半徑的長度大致相等。當切捆除膜機托起捆包時，操作夾持裝置液壓缸已在切割裝置切割捆包的動作發生之前預先夾緊捆包塑料拉伸膜；由于夾持裝置的夾鉗之間沒有附帶可穿透塑料拉伸膜的鋒利爪鉤，當夾持裝置夾鉗從夾緊狀態轉換到釋放狀態時，塑料拉伸膜很容易地從夾持裝置中脫落而無需手動干預，從而實現飼草捆與塑料拉伸膜的完全分離。

當捆包加載至叉齒捆包支撐構件上且與夾持裝置相觸碰時，夾持裝置液壓缸驅動上部可動夾鉗從釋放狀態轉換為夾持狀態，以便把捆包塑料拉伸膜夾緊固定；然后操作主液壓油缸，驅動切割裝置從第1狀態切過捆包到第2狀態，切割刃通過捆包幾何中心軸線并將捆包一分為二；當切刀切過捆包時，塑料拉伸膜也一同被切割使塑料拉伸膜形成一個大的切開口，再操作前端裝載機使切捆除膜機叉齒的遠端沿大致向下的方向傾斜，已分割的飼草捆在自重作用下落入攪拌機料箱，隨著切刀從第2狀態向上運動至第1狀態，可繼續釋放已分割的飼草捆剩余部分，而塑料拉伸膜此時仍被夾持裝置所夾緊；當草捆殘料完全排空后，操作夾持裝置夾鉗使之轉變為釋放狀態，以松開該一整塊塑料拉伸膜，最后可以將已經分離的塑料拉伸膜進行集中回收處理。

2.4 液壓油缸驅動裝置的設計

切捆除膜機油缸包括1對雙作用式主液壓油缸和1個夾持裝置液壓缸。1對雙作用式主液壓油缸驅動裝置安裝在相應的支撐端板和承載臂之間，可驅動承載臂繞主樞轉軸軸線轉動，從而促使切割裝置切刀在第1和第2狀態往復轉動。

主液壓油缸還起到約束切割裝置切刀向下運動的極限位置的作用，使得當切刀處于第2狀態時，其切刀切割刃與叉齒支撐構件相鄰且位于間隔一定距離的上方位置，以防止將塑料拉伸膜徹底一分為二，在分割捆包之后仍使捆包塑料拉伸膜保持為一個整塊。夾持裝置液壓缸和主液壓油缸由拖拉機液壓系統的液壓回路供油驅動，預先操作夾持裝置液壓缸，在主液壓油缸驅動切刀切割刃咬合捆包，以將其切割之前夾持裝置夾鉗就已經夾緊捆包塑料拉伸膜，在分割飼草捆全部從切捆除膜機中排出之后，再驅動夾持裝置夾鉗從夾緊狀態轉換到釋放狀態，從而實現塑料拉伸膜與分割飼草捆的徹底分離。

主液壓油缸和夾持裝置液壓缸的液壓回路已被設計成在開始操作主液壓油缸以將切刀從第1狀態驅動到第2狀態之前就已經完成夾持裝置液壓缸的夾緊執行動作。設想在某些情況下，夾持裝置液壓缸和主液壓油缸可以基本上同步啟動，則將會使捆包與夾持裝置夾鉗之間的方位發生明顯偏離，導致夾鉗不能夾持住捆包塑料拉伸膜；如果在驅動切刀切過捆包動作之前夾持裝置就已經夾緊塑料拉伸膜，即使當切刀切過捆包促使捆包位置發生略微移動，且遇到捆包與夾持裝置輕微錯位的情況時，也能有效避免夾持裝置無法夾住捆包塑料拉伸膜風險事故的發生。

3 機器切割裝置的模態分析

模態分析屬于系統辨識方法在工程振動與控制領域中的應用,是研究結構動力學特性的一種近代科學方法。模態是機械構造的固有振動特性，每一階模態都對應有特定的固有頻率、模態振型和阻尼比。通過結構模態分析方法，可得出機械結構在某一易受影響的頻率范圍內各階主要模態的振動特性，就可以預測機械結構在此頻段內及在內部或外部各種振源激勵作用下的實際振動響應結果，借助模態分析法獲得模態參數并結合相關試驗進行驗證，就可以把這些特有參數用于結構的重新優化與設計。總之，模態分析法是機械結構系統動態設計、設備檢測和故障診斷技術的重要分析方法[17]。

Ansys Workbench是能與三維設計軟件SolidWorks無縫集成的全功能協同仿真環境平臺，能對復雜機械系統的結構靜力學、結構動力學、剛體動力學、流體動力學、結構熱、電磁場，以及耦合場等進行優化分析模擬。切捆除膜機切割裝置的切刀材料采用65Mn彈簧鋼，切刀的左右兩個端面、上端面與承載臂是焊接在一起的，因此可將該切刀的3個端面設置為固定約束，并取切刀厚度設計值為10mm進行模態分析。在結構振動分析中，由于外激勵能量往往集中在低頻范圍內，高階模態能量占比很低，對整個結構振動響應的貢獻很小，因此頻率范圍提取低階模態0～500Hz，歸納如表2所示。

表2 切刀前6階固有頻率Table 2 The first 6 orders inherent frequency of cutter

切割裝置切刀的前6階振型云圖如圖5所示。

圖5 切刀前6階振型云圖Fig.5 The first 6 ordersmodal shape of cutter

由圖5可知：

1)第1階模態振型主要是切刀的中間部分發生了沿Z軸方向的振動，最大形變發生在中間齒刃，大小為21.02mm 。

2)由第2階模態振型可看出：從左端數第3個刀齒和第7個刀齒均具有明顯沿著Z軸方向的振動，最大形變發生在刀齒尖端外緣處，為20.45mm 。

3)由第3階模態振型可看出：不僅切刀的中間部分發生了沿Z軸方向的振動，最大形變為21.02mm；同時還伴有沿Y軸方向的扭轉變形，從左端數第3個刀齒和第7個刀齒產生了18.68mm的形變。

4)由第4階模態振型可發現：從左端數第2、4、6、8刀齒均發生了沿Z軸方向振動，同時刀齒4和刀齒8也伴有沿Y軸方向的扭轉變形；最大形變發生在刀齒2和刀齒6的尖端外緣處，大小為22.13mm。

5)由第5階模態振型可看出：從左端數第2、5、8刀齒均發生了沿Z軸方向振動，刀齒刃口3和6還伴有較大的沿X軸方向扭轉變形；最大形變發生在刀齒2和刀齒8的尖端外緣處，為26.65mm。

6)由第6階振型可發現：從左端數第2、3、7、8刀齒均發生較大范圍的沿Z軸方向扭轉，刀齒2與刀齒3、刀齒7與刀齒8的過渡區域還伴有沿X軸方向的小幅振動；最大形變發生在刀齒2和刀齒7的尖端外緣處，大小為29.91mm。

以上這些局部模態振型表明：切刀各刀齒剛度存在變化不均勻的現象。在切捆除膜機作業過程中，受到捆包飼草料在各個方向上的剪切擠壓作用，容易使切刀結構產生彎曲和扭轉變形，因此切刀的彎曲及扭轉振動模態是其結構動力特性的主要表現形式。為了避免其運動產生的頻率與切刀發生共振現象，有3種能改變切刀固有頻率的可選方案。

1)改變切刀厚度，局部加厚或者局部減薄(如當工作頻率接近某個固有頻率時，可將發生最大變形的部位進行局部加厚)；改變切刀的整體質量，進而改變其固有頻率。

2)通過優化設計切刀刃口曲面的型線，從而提高切刀曲面的結構剛度，改變其自身的固有頻率。

3)為了提高切刀的穩定性和可靠性，需要在局部應力集中的地方進行加固，振動幅度較大的部位是兩兩刀齒連接的過渡處，可采取滲氮或滾壓處理的措施防止裂紋產生。此外，需保證焊接質量并在切割裝置應力集中的部位焊接加強筋也能有效改善應力分布。

4 結論

1)安裝在拖拉機前端裝載臂上的切捆除膜機包括用來支撐和升運捆包的支撐裝置，分割飼草捆和捆包塑料拉伸膜的切割裝置、夾緊塑料拉伸膜的夾持裝置，以及1對雙作用式主液壓油缸和1個夾持裝置液壓缸驅動裝置。

2)本文設計的切捆除膜機集抓捆、運輸、切捆、除膜以及裝料等作業功能于一體，顯著提高了捆包的切捆除膜工作效率。通過對切割裝置切刀的前6階模態分析，確定了切刀在各階模態固有頻率下的振型，并給出了可行的改進意見，為切割裝置切刀的最終優化設計成型及進一步的動力學分析提供了理論支持和參考。