一種打捆機的設(shè)計與研究

摘要：針對目前國內(nèi)打捆機械存在的工作效率低、成本高等問題，結(jié)合當前國內(nèi)市場已有的打捆作業(yè)工藝流程，設(shè)計一種打捆機裝置，建立三維模型，并對打捆裝置的關(guān)鍵作業(yè)部件進行設(shè)計選型，確定傳送裝置、夾持裝置、纏繞裝置、切割裝置的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。研究結(jié)果表明：利用建模軟件對各部件進行了裝配和干涉檢查，驗證了各部件之間的配合情況良好，通過樣機試驗表明該打捆裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、質(zhì)量輕且捆綁結(jié)實、工作效率高，適合在多種環(huán)境中使用。

關(guān)鍵詞：打捆機；農(nóng)業(yè)機械；建模；關(guān)鍵部件設(shè)計

中圖分類號：S225.92" " "文獻標識碼：A" " 文章編號：1674-1161（2023）05-0041-05

打捆機是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)收尾環(huán)節(jié)常用的機械設(shè)備之一，包括蔬菜收割后打捆、經(jīng)濟作物收獲后的秸稈打捆、牧草打捆等功用。國外現(xiàn)生產(chǎn)的打捆機具有性能優(yōu)良、功能齊全、工作穩(wěn)定、適應(yīng)能力強等特點^[1]，品牌主要有美國的約翰迪爾（John Deere）、紐荷蘭（New Holland）、凱斯、惠斯頓，法國的庫恩（Kuhn），德國的克拉斯（Claas）、斯蒂爾（Stihl）、威力格爾等公司^[2-4]。我國是蔬菜生產(chǎn)大國，也是蔬菜消費大國。對蔬菜進行合適的包裝可以有效減少運輸過程中的相互摩擦、擠壓，降低產(chǎn)品呼吸消耗、減少水分蒸發(fā)和保持原有品質(zhì)^[5]。打捆是蔬菜包裝的重要環(huán)節(jié)，它不僅影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，也影響產(chǎn)品的成本和運輸，對蔬菜的綜合利用和提高經(jīng)濟效益至關(guān)重要。國內(nèi)各高校和科研機構(gòu)在汲取國外先進科技方法的基礎(chǔ)上自主創(chuàng)新，如浙江湖州星光農(nóng)機開發(fā)出的橡膠履帶自走式方捆打捆機，能依次自動完成撿拾、輸送、喂入、壓縮、打捆、放捆等工作，無極變速、橡膠履帶行走、水田通過能力強，可在潮濕的稻田、麥田進行作業(yè)，推廣前景好。秸稈打捆機是收集秸稈的必要裝備。秸稈最初多用作焚燒取暖，現(xiàn)在多用于秸稈還田。同時還有“肥料化，飼料化，燃料化，基料化和原料化”五大類^[6]，所以綜合利用秸稈必須把其收集起來。因此，秸稈打捆機研發(fā)刻不容緩。其原理是通過機械部件將地上的秸稈撿拾粉碎，并擠壓成較高密度的長方體或圓柱體，以方便運輸與儲存。牧草作為一種粗飼料，具有營養(yǎng)豐富、成本較低、纖維含量較高等特點，在中國有較大種植面積^[7]，牧草儲存也是國內(nèi)外重要研究內(nèi)容之一。中國農(nóng)機院呼和浩特分院研制的華德9YG-1-4型圓捆卷捆機，其仿形性能好，撿拾遺漏率低，整機采用液壓控制技術(shù)，實現(xiàn)了圓捆機的液壓控制，降低了輸送牧草時的拋草高度，使機器的自動化程度得到了提高，同時操作便捷、性能穩(wěn)定^[8]。綜合分析國內(nèi)外打捆機相關(guān)材料，設(shè)計一種打捆機械，以期提高打捆效率、降低勞動強度。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

研究設(shè)計的打捆機采用膠帶來對物料進行打捆，分為傳送裝置、夾持裝置、纏繞裝置、切割裝置和收集箱5個部分。通過PLC控制動力源電機來精密控制5個裝置的運動，并通過鏈輪鏈條來進行傳動。打捆機具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

打捆機三維模型圖如圖2所示，擺桿滑塊機構(gòu)與夾持纏繞機構(gòu)聯(lián)動圖如圖3所示，送帶機構(gòu)與擋刀機構(gòu)聯(lián)動圖如圖4所示。電機給夾持纏繞機構(gòu)提供動力，夾持纏繞機構(gòu)的夾持動作由擺桿滑塊機構(gòu)控制。當物料承載運輸裝置將物料運輸至指定位置時，擺桿滑塊機構(gòu)以運行來促使夾持機構(gòu)完成夾持動作。夾持機構(gòu)中的擋針將膠帶固定在物料之間，電機則提供動力使纏繞機構(gòu)運行，同時送帶裝置隨動送帶。完成纏繞動作后，物料承載運輸裝置的運動物料將接觸擋刀尾部，刀刃隨之轉(zhuǎn)動至膠帶上完成切割動作，之后物料滑落至收集箱中，完成一次打捆動作。

1.2.1 擺桿滑塊機構(gòu)與夾持纏繞機構(gòu)聯(lián)動 通過擺桿擺動來帶動滑塊箱左平移，以達到控制移動塊向左平移。由于連接桿長度固定使得夾持爪繞固定塊做回轉(zhuǎn)運動來完成夾持動作并使擋針到達指定位置時將膠帶壓入物料之間，之后膠帶端部固定協(xié)助送帶裝置在纏繞動作運行時將膠帶送出，并在物料表面纏繞以保證纏繞質(zhì)量。此時，圖3中箱體內(nèi)的電機會提供動力來帶動塊1、塊2旋轉(zhuǎn)3周完成纏繞動作。

1.2.2 送帶機構(gòu)與擋刀機構(gòu)聯(lián)動 如圖3所示，物料在纏繞夾持裝置的作用下轉(zhuǎn)動，并帶動膠帶運動，膠帶輪被迫轉(zhuǎn)動沿著棘輪將膠帶送出。完成纏繞后在圖4中承接運輸裝置的運輸下將與擋刀接觸，擋刀在物料的作用下拉伸彈簧，并繞安裝板上的固定軸轉(zhuǎn)動以將刀刃轉(zhuǎn)向膠帶來完成切割動作，之后物料落入圖4中的收集箱中。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 夾持機構(gòu)設(shè)計

夾持裝置主要由3個夾持機構(gòu)、1個移動塊和擺桿滑塊機構(gòu)組成。夾持裝置模型如圖5所示。擺桿滑塊通過滑塊上的輪子與移動塊連接在一起，移動塊外鉸接定夾持爪連接桿的一端，另一端鉸接在夾持爪上；移動塊在對應(yīng)膠帶初始端位置安裝擋針且在夾持狀態(tài)時位于夾持爪內(nèi)。夾持爪一端鉸接在固定塊上。夾持動作流程：電機控制擺桿轉(zhuǎn)動，滑塊隨之推動移動塊向前移動，連接桿推動夾持爪轉(zhuǎn)動來完成夾持動作；電機控制擺桿反向轉(zhuǎn)動，滑塊隨之拉著移動塊向后移動，完成放開動作，同時完成一次工作循環(huán)。

夾持爪是3個弧心角略小于2/3π的爪，其通過擺動來完成夾持動作，類似于擺桿的運動原理。3個爪同時運動完成夾持動作，可以夾持粗細誤差相對大一點的物料，也可以完成夾持后的纏繞動作，能夠滿足工作要求。夾持爪弧心角為110 °，半徑為48 mm，固定桿長度為125 mm。其三維模型圖和配套的連桿與運動如圖6所示。連接桿利用兩段式連接，可以根據(jù)打捆需要來更改夾持爪，方便快捷，并且在工作過程中即使發(fā)生故障也可以快速完成工作件的替換，節(jié)省維修時間。左側(cè)連桿直徑6 mm，右側(cè)連桿直徑為內(nèi)外直徑分別是6，10 mm的空心桿，由于兩者之間在工作中產(chǎn)生的應(yīng)力較小，因此采用緊定螺釘連接。

2.2 擺桿滑塊機構(gòu)設(shè)計

夾持爪合攏動作需要提供動力。由于纏繞動作需要夾持爪整體圍繞中心軸做回轉(zhuǎn)運動，因此采用連接式連桿機構(gòu)，因為連接式推力機構(gòu)不能滿足旋轉(zhuǎn)要求以及一次性完成三個夾持爪同步運動控制的要求，因此試驗采用了創(chuàng)新設(shè)計方案來同時控制三個夾持爪的運動，并可以完成旋轉(zhuǎn)運動。結(jié)構(gòu)如圖7所示。

在擺桿滑塊的最右端安裝一個輪子與移動塊上的凹槽配合，并利用對應(yīng)的端蓋將輪子封閉其中，即可在擺桿往復(fù)運動過程中控制移動塊往復(fù)運動。在纏繞運動時，由于頂端轉(zhuǎn)動的輪子可以在移動塊的凹槽中隨之轉(zhuǎn)動，并且對于槽壁的損傷極小，從而可以保證工作時長。為了滿足工作和鉸接強度要求，擺桿1與擺桿2長度均為100 mm，寬為20 mm，鉸制孔直徑為10 mm。

2.3 擋針設(shè)計

擋針要能夠固定膠帶且需要能夠處于物料之間而不損傷物料，這要求擋針具有一定的強度，外徑不應(yīng)過大，也不應(yīng)具有棱角等能夠破壞物料表面的物理性能。因此，擋針應(yīng)設(shè)計為圓柱形且直徑不應(yīng)超過8 mm的具有一定硬度和強度的構(gòu)件。擋針材料應(yīng)采用鋁材制成，具有足夠的硬度、延展性，且屬于無毒金屬，密度小、質(zhì)量輕，不會對整體機構(gòu)造成過大的載荷。擋針固定在移動塊上，隨移動塊移動，以避免在物料運輸過程中阻隔物料到達指定位置。其形狀應(yīng)根據(jù)一般夾持狀態(tài)下夾持爪的位置設(shè)計，以避免與夾持爪碰撞。因此，擋針從左到右長度分別為77，38，62 mm。同時，應(yīng)避免深入物料過多導(dǎo)致打捆完成后不能抽離物料，或者由于深入物料過多損傷物料破壞自身形狀。如圖8所示。

2.4 纏繞機構(gòu)設(shè)計

固定塊與移動塊在完成夾持裝置主要零部件設(shè)計之后，需要設(shè)計出驅(qū)動夾持爪并能夠與之配合。在滿足結(jié)構(gòu)性和運動平衡性原則的基礎(chǔ)上，基于六棱柱體來進行創(chuàng)新設(shè)計，從而設(shè)計出軸心對稱、能夠裝載夾持機構(gòu)的固定塊和移動塊。固定塊與移動塊通過外形定心，以保證裝配精度及運行穩(wěn)定性。固定塊通過聯(lián)軸器與步進電機進行連接來作為加持纏繞裝置的驅(qū)動件，其邊線長度與夾持爪弧形半徑共同決定打捆直徑下限。因此，為保證打捆質(zhì)量，設(shè)置固定塊邊線長度為52 mm，型心制19 mm孔，以滿足配合要求。在與夾持爪鉸接處，為滿足夾持爪轉(zhuǎn)動要求，應(yīng)將固定塊進行倒角。如圖9和圖10所示。

移動塊與固定塊通過外形定心限位在纏繞過程中相對靜止且需要保持一定強度來完成工作要求，其邊線決定夾持機構(gòu)中夾持爪完成夾持動作所需要的行程，因此設(shè)計移動塊邊線長度為103 mm，型心銑出固定塊形狀并在固定塊突出位置留有運動間隙。為給夾持爪留有充足轉(zhuǎn)動余量，應(yīng)一面加工出圓形凹槽與夾持機構(gòu)中的零部件進行連接。

2.5 送帶機構(gòu)設(shè)計

由于夾持纏繞裝置的工作原理，送帶機構(gòu)不需要動力，因此設(shè)計時應(yīng)注意不能夠干涉物料到達打捆位置。送帶機構(gòu)應(yīng)設(shè)計為從動，裝配位置尺寸應(yīng)小。整體工作原理是夾持纏繞機構(gòu)將膠帶的端部固定，轉(zhuǎn)動過程中帶動膠帶，帶輪、小輪和棘輪從動運輸膠帶，完成纏繞動作。送帶機構(gòu)應(yīng)達到送帶流暢、結(jié)構(gòu)緊湊、送帶過程膠帶張緊的標準以保障打捆質(zhì)量要求。因此，設(shè)計時采用折返式送帶機構(gòu)，設(shè)置棘輪輔助張緊，并在送帶過程中提供一定的輸送力來保證送帶流暢。送帶板理論尺寸設(shè)置為：物料進入位置設(shè)計倒角以防止劃傷物料。棘輪設(shè)計尺寸不應(yīng)過大，否則容易對膠帶造成損傷以影響打捆質(zhì)量；也不應(yīng)過小，否則不能達到張緊的目的。棘輪理論尺寸設(shè)計為：直徑30 mm，棘爪長度為10 mm。送帶機構(gòu)整體設(shè)計見圖11。

2.5 割刀設(shè)計

割刀設(shè)計時應(yīng)滿足切割膠帶并自動復(fù)位的要求。試驗設(shè)計參考自動旋擰打包機中的割刀工作原理，并對割刀進行改進，使之適應(yīng)打捆機進行切割使用，并使用彈簧復(fù)位，使機構(gòu)運動能夠往復(fù)進行，以達到持續(xù)工作的效果。割刀設(shè)計時要考慮到切割膠帶時應(yīng)快速切割順利，因此，刀刃設(shè)計為尖角形以滿足切割要求。割刀設(shè)計三維模型如圖12所示。

根據(jù)計算和查閱機械設(shè)計手冊，選用彈簧的型號為E0094-016-0750-M。詳細參數(shù)見表1。

2.6 物料承載運輸機構(gòu)及配套設(shè)備設(shè)計

該機構(gòu)接收葉菜收割機收獲的物料并將其運輸?shù)嚼p繞打捆機構(gòu)的工作位置。為保證設(shè)計與收割機之間結(jié)構(gòu)緊湊，物料承載運輸裝置采用回轉(zhuǎn)運動來進行運輸物料且節(jié)省設(shè)計空間。為滿足物料打捆需要，設(shè)計倒角來滿足夾持爪的運動，因此物料承載運輸機構(gòu)設(shè)計如圖13所示。

2.7 收集箱設(shè)計

收集箱設(shè)計收集時要能夠減少對物料的損傷，因此，應(yīng)設(shè)有緩沖裝置，并與物料承載運輸裝置配合以防止物料打捆后沒能進入收集箱。設(shè)計寬度尺寸應(yīng)與物料承載運輸構(gòu)件相吻合，尺寸為：500 mm×350 mm×460 mm。內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過拋物線運動原理設(shè)計如圖14所示。

3 結(jié)論與討論

研究結(jié)果表明：利用建模軟件對各部件進行了裝配和干涉檢查，驗證了各部件之間的配合情況良好。 通過樣機試驗表明該打捆裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、質(zhì)量輕且捆綁結(jié)實、工作效率高，適合在多種環(huán)境中使用。

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，打捆機廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)中，如物流、包裝、紡織等。研究工業(yè)打捆機可以幫助改進現(xiàn)有的打捆技術(shù)和工藝，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。同時使用打捆機可大大減少散裝物品占用空間和運輸成本，提高物品存放安全性，防止散落和污染環(huán)境，提高工作效率，節(jié)省人力和時間成本。這些優(yōu)點使得打捆機成為許多領(lǐng)域中不可或缺的工具，例如通過改進打捆機的設(shè)計和控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)快速打捆、自動化操作和減少人力投入，從而提高生產(chǎn)效率。此外，研究工業(yè)打捆機還可以解決實際應(yīng)用中遇到的問題，如產(chǎn)品包裝不穩(wěn)定、易受損，從而有助于降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，同時可為企業(yè)提供解決方案，提升競爭力。然而，使用打捆機也有一些挑戰(zhàn)和限制，例如某些類型的物品可能不適合用打捆機打包，因為它們可能太重或太大。同時，打捆機的維護和保養(yǎng)也需要一定的技能和經(jīng)驗，否則可能會影響其性能和壽命。在未來的研究中，可以進一步探討如何更好地優(yōu)化打捆機的性能和效率，以滿足不同類型物品的需求。

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Design and Research of a Baling Machine

LI Jingsong

（ Linfen Vocational And Technical College， Linfen Shanxi 041000， China）

Abstract： In view of the problems of low efficiency and high cost of the current domestic baling machinery， combined with the current domestic market existing baling operation process， a baling machine device is designed， a 3D model is established， and the key components of the baling device are designed and selected， and the key design parameters of the transfer device， the clamping device， the winding device and the cutting device are determined. The results show that： The as-sembly and interference check of each component are carried out by the modeling software， and the coordination between the components is verified. Through the prototype test， the baling device has simple structure， easy operation， light quality， strong binding and high working efficiency， which is suitable for use in various environments.

Key words：" baling machine; agricultural machinery; modeling; key component design

收稿日期：2023-03-19

作者簡介：李靜松（1985—），女，碩士，講師，從事機械設(shè)計教學(xué)及科研工作。