稻麥秸稈打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析①

張致源， 劉新柱， 劉文博， 王媛媛， 張琪昊， 楊 柳， 郭永強(qiáng)

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

隨著化石能源的枯竭，可再生的生物質(zhì)能開發(fā)及應(yīng)用得到了前所未有的重視，專家學(xué)者從不同的角度對其進(jìn)行了廣泛深入的研究及探討[1]．我國每年農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量都在7億t以上，其中稻麥秸稈的產(chǎn)量在3億t左右，在生物質(zhì)能中占有很大的比重[2]．但是目前稻麥秸稈的利用率依然很低，還是以荒燒為主，既浪費了能源，又對環(huán)境產(chǎn)生了很大的污染．例如，2013年10月21至23日影響東北大部分地區(qū)的霧霾天氣的成因就與農(nóng)作物秸稈荒燒有很大的關(guān)系．通過調(diào)查了解到，稻麥秸稈之所以選擇荒燒，主要因為其收獲困難，雖然總部設(shè)在美國的紐荷蘭等公司打捆機(jī)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，但是其價格卻很高，農(nóng)戶難以承擔(dān);國產(chǎn)打捆機(jī)價格較為低廉，但技術(shù)不成熟，工作效率較低，且散捆率較高，得不到廣泛應(yīng)用及推廣[3]．因此迫切需要設(shè)計一種低功耗、高效率、價格低廉的打捆機(jī)．項目組對秸稈打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計了一種增力系數(shù)大、適應(yīng)性廣的稻麥秸稈打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)．

1 工作原理

傳統(tǒng)的稻麥秸稈打捆機(jī)大都采用曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點;其缺點是壓縮機(jī)構(gòu)的壓縮力受到了機(jī)器功率的限制．在不增加機(jī)器功率的前提下，為了獲得較大的壓縮力，本文創(chuàng)新設(shè)計了一種利用鉸桿的角度效應(yīng)進(jìn)行增力的壓縮機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)示意圖

下面結(jié)合圖1說明其工作原理．機(jī)構(gòu)的主動力由曲柄輸出，假定作用在連桿上的力為P，在壓縮行程時，力P的方向如圖1所示，推動滾輪向右運動，鉸桿1的壓力角α逐漸減小，利用角度放大原理將力第一次放大;同時鉸桿1推動節(jié)點A向下運動，從而帶動鉸桿2和鉸桿3運動，并使鉸桿2和鉸桿3的壓力角β逐漸減小，將力第二次放大;隨著壓力角β的減小，鉸桿3推動滑塊向右運動，完成對秸稈的一次壓縮．

隨著曲柄的轉(zhuǎn)動，當(dāng)作用在連桿上的力為反方向時，機(jī)構(gòu)進(jìn)行與前述相反的運動，滑塊向左運動，為下一次壓縮過程做準(zhǔn)備．

2 力學(xué)分析

2．1 理論壓縮力和理論增力系數(shù)

在忽略摩擦及能量損耗的前提下，機(jī)構(gòu)輸出的壓力稱為理論壓縮力，用Ft表示，理論壓縮力與輸入力的比值稱為理論增力系數(shù)，用nt表示．建立圖1所示的打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型，對其進(jìn)行力學(xué)分析后可得:

理論壓縮力:

理論增力系數(shù):

式中:α為壓縮行程終止時鉸桿1與鉛垂方向的夾角;β為壓縮行程終止時鉸桿2、3與水平方向的夾角;p這機(jī)構(gòu)的輸入力．

從公式(2)可以看出，理論增力系數(shù)nl的大小與鉸桿的壓力角α，β有直接關(guān)系，隨著α，β的減小，理論增力系數(shù)迅速增大;當(dāng)α，β趨近于零時，理論增力系數(shù)趨近于無窮大．在工程實際中，考慮到制造精度、機(jī)構(gòu)運行的穩(wěn)定性等因素，α，β根據(jù)工作環(huán)境可取 3°～5°．[4]

2．2 實際壓縮力和實際增力系數(shù)

考慮摩擦等能量損耗后，計算所得的壓縮力和增力系數(shù)分別叫做實際壓縮力和實際增力系數(shù)，分別用Fp和np表示．根據(jù)文獻(xiàn)[5]、[6]計算可知實際壓縮力為:

ρ為鉸鏈軸的半徑;μ為鉸鏈副的摩擦系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[7]可知，通常可取μ=0．1～0．15;l1為鉸桿1的長度;l2為鉸桿2，3的長度;γ1為活塞與壓縮室之間的摩擦角;γ2滑道與滾輪之間的摩擦角．

實際增力系數(shù):

3 應(yīng)用舉例

對于上述壓縮機(jī)構(gòu)，如果取 α=5°，β=5°，ρ=8mm，μ=0．15，l1=l2=220mm，γ1=5°，γ2=1°，根據(jù)公式(4)計算可得，實際增力系數(shù)np≈25，可見，此壓縮機(jī)構(gòu)的增力系數(shù)相對而言是比較大的．因此，在稻麥秸稈打捆機(jī)中采用此壓縮機(jī)構(gòu)對于提高打捆機(jī)的工作效率、降低散捆率、增大秸稈捆的尺寸具有很大的實際意義．

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種將鉸桿串聯(lián)到曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)中的稻麥秸稈打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)，其壓縮力利用鉸桿的角度效應(yīng)實現(xiàn)了二級放大，增力系數(shù)較大，在打捆機(jī)輸出壓縮力一定的情況下可以有效降低機(jī)器的輸出功率或增大壓縮室的容積．

(2)建立了該機(jī)構(gòu)的力學(xué)模型，分析了影響增力系數(shù)的主要因素，得出了隨著壓力角，的減小，機(jī)構(gòu)的壓縮力將顯著增大的特點，受制造精度等因素的影響，通常，的取值區(qū)間為3～5．

(3)該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，在不增加成本的前提下，可以串聯(lián)到現(xiàn)有的打捆機(jī)中，實現(xiàn)降低成本、提高壓縮效率的目標(biāo)．

[1] 朱聰玲，王述洋，李濱，等．生物質(zhì)裂解旋轉(zhuǎn)錐式熱解液化反應(yīng)器的設(shè)計研究[J]，佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2006，24(1):46－48．

[2] 高利偉，馬林，張衛(wèi)峰，等．中國作物秸稈養(yǎng)分資源數(shù)量估算及其利用狀況[J]，農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(7):173 －179．

[3] 陳鋒．大方捆打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計及壓縮試驗研究[D]，北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2007，7．

[4] 劉新柱，周海波，姜慶昌．鉸桿——斜楔式氣動夾具增力機(jī)構(gòu)設(shè)計及力學(xué)分析[J]，液壓與氣動，2011，4:86 －87．

[5] 司廣琚，鐘康民．綠色夾具—基于斜楔增力自鎖機(jī)構(gòu)的沖擊式氣動夾具[J]．液壓與氣動，2006，1:73－74．

[6] 陸雯，王兵，鐘康民．氣動肌腱與鉸桿增力機(jī)構(gòu)的三種組合系統(tǒng)及其比較[J]．機(jī)械設(shè)計，2005，2:53－54．

[7] 劉文劍，曹天河，趙維緩．夾具工程師手冊[M]．哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社，1992．