牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)的設(shè)計與研究

王樂寧，侯加林，李今成，劉加旺，王 磊

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；3. 山東迪肯重工有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

我國年產(chǎn)農(nóng)作物秸稈7億t以上，秸稈資源豐富，但收集運輸困難。目前，國家注重環(huán)境保護(hù)，禁止焚燒植物秸稈，植物秸稈的回收利用迫在眉睫。根據(jù)實際需求，把秸稈打成高密度的草捆后再儲存或運輸，是降低秸稈原料收集儲運成本、促進(jìn)秸稈規(guī)?；I(yè)利用的關(guān)鍵。打捆機(jī)在國內(nèi)的普及，基本解決了秸稈物料松散、密度小的問題，但草捆收集及堆垛耗時長、勞動強度大等問題依然影響秸稈原料的收集儲運效率。現(xiàn)在秸稈打捆后形成的草捆放置在田間，需要人工搬運到拖車上，且莖稈撿拾收獲時處于三夏三秋時節(jié)，氣候較為炎熱，采用人工搬運的方式費時費力。統(tǒng)計表明：6名工人在1輛運輸設(shè)備的環(huán)境中，每天可完成1 000捆的草捆撿拾工作。撿拾堆垛機(jī)能有效解決草捆撿拾、運輸、堆垛中生產(chǎn)勞動力成本高、工作效率低等難題，為市場提供強勁、效率高、能耗小、成本低的草捆撿拾機(jī)械[1]。使用該設(shè)備作業(yè)效率提高50%以上，減少用工80%以上，節(jié)能降耗10%以上，為草捆的撿拾、運輸、堆垛提供了可靠的保障，市場需求量巨大。為此，筆者設(shè)計了一種牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)，該產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)對玉米秸稈、小米秸稈、苜蓿、草捆的撿拾堆垛。產(chǎn)品生產(chǎn)過程中無"三廢"污染；設(shè)計過程中采用模塊化設(shè)計，采用節(jié)能工藝，使用先進(jìn)加工設(shè)備，生產(chǎn)效率高，有效降低能耗。方草捆撿拾堆垛機(jī)的研究設(shè)計對于能源的再利用和動物飼料的快速儲備具有十分重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

1 基本結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 基本機(jī)構(gòu)

牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.牽引傳動接口 2.液壓油箱 3.一級翻板 4.二級翻板 5.壓草叉 6.立擋欄 7.左右護(hù)欄 8.集載平臺 9.固定擋草叉 10.推垛裝置 11.推桿油缸 12.集載平臺翻轉(zhuǎn)油缸 13.行駛系統(tǒng) 14.二級翻板翻轉(zhuǎn)油缸 15.車架 16.一級翻板翻轉(zhuǎn)油缸 17.撿拾器 18.變速箱 19.操作盒

牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)主要由操作盒、變速箱、牽引傳動接口、撿拾器、一級翻板、二級翻板、集載平臺、液壓系統(tǒng)、立擋欄、左右護(hù)欄、車架、壓草叉、行駛系統(tǒng)、推垛裝置和電控系統(tǒng)等部分組成。

撿拾器、一級翻板、二級翻板、集載平臺、左右護(hù)欄、立擋欄、車架及推垛裝置均采用獨立單元模塊化設(shè)計。撿拾器安裝在車架前中部，工作時降落，運輸時升起并通過鎖止機(jī)構(gòu)鎖止；整機(jī)車架采用整體車架系統(tǒng)，變速箱和液壓油箱位于車架前部，一級翻板和二級翻板位于車架中部，集載平臺和推垛裝置位于車架后部。牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)采用整體式U型鋼車架模式，兩側(cè)車架采用交叉式連接機(jī)構(gòu)，增加了整機(jī)的穩(wěn)定性；車架和車橋之間采用板簧減震連接，減少了地面對車架的震動變形；輪胎采用大直徑超寬基低壓牽引型花紋輪胎，防滑耐用；電控工作液壓系統(tǒng)采用多路電磁閥系統(tǒng)，分別控制撿拾器升降、一級翻板升降、二級翻板升降、集載平臺升降及推桿伸縮等。

1.2 工作原理

牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)采用40kW以上發(fā)動機(jī)作為動力源，將設(shè)備固定在拖拉機(jī)后端，由拖拉機(jī)牽引行走。拖拉機(jī)后輸出動力經(jīng)傳動軸至變速箱(該變速箱不參與整車的行走變速)，變速箱連接一液壓油箱，將拖拉機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗?。工作時，草捆撿拾器在馬達(dá)帶動下由撿拾鏈條將草捆從地面提起，并側(cè)傾放置至一級翻板上；隨著草捆的不斷撿拾，當(dāng)一級翻板上的草捆數(shù)量增加到3捆后，第1個草捆觸發(fā)一級翻板的限位開關(guān)，一級翻板在一級翻板翻轉(zhuǎn)油缸帶動下將平臺上的草捆翻轉(zhuǎn)至二級翻板，然后再落下等待撿拾器的草捆；隨著一級翻板的翻轉(zhuǎn)，二級翻板平臺上的草捆數(shù)量增至9捆時，草捆觸發(fā)二級翻板的限位開關(guān)，二級翻板在二級翻板翻轉(zhuǎn)油缸帶動下將該平臺上的草捆翻轉(zhuǎn)至集載平臺上，與滑動擋草叉接觸；與此同時，由液壓控制的智能扶正機(jī)構(gòu)壓草叉張開，在液壓控制下收縮支撐翻轉(zhuǎn)至集載平臺上的方草捆，防止草捆的傾斜、倒垛，并將草捆加以固定[2]。隨著集載平臺上草捆數(shù)量的增多，草捆壓迫滑動擋草叉向后移動，當(dāng)集載平臺上的草捆達(dá)到一定數(shù)量后草捆觸發(fā)集載平臺上的限位開關(guān)，控制系統(tǒng)發(fā)出滿載報警信號，提醒駕駛員卸載，同時撿拾部分鎖住不再撿拾草捆，操作者此時可將草捆運至卸貨地點進(jìn)行卸貨。在卸貨時，操控控制盒集載平臺升及推桿伸按鈕，集載平臺翻轉(zhuǎn)，推桿伸出，推垛裝置將草捆從車架上推出，然后操控控制盒集載平臺降、推桿縮按鈕回收復(fù)原，準(zhǔn)備下次作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 撿拾器的設(shè)計

牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)的撿拾器結(jié)構(gòu)如圖2所示。撿拾器機(jī)構(gòu)主要由入口板、擋草板、后擋板、撥草鏈條、限位開關(guān)、導(dǎo)向桿、液壓馬達(dá)、左右側(cè)板、護(hù)欄及安裝架等部分構(gòu)成。牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)可通過控制系統(tǒng)控制撿拾器在工作時降落、在運輸時升起，并通過鎖止機(jī)構(gòu)鎖止，保證機(jī)械運輸過程中的安全性。撿拾器設(shè)計為內(nèi)傾結(jié)構(gòu)，是為了保證草捆在上升時更準(zhǔn)確地放置在一級平臺上。撿拾器擋草板在撿拾草捆時會起到擋草的作用，一方面防止草捆掉落，一方面便于草捆的撿拾，提高工作效率。撿拾器靠馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)帶動撥草鏈條運轉(zhuǎn)來實現(xiàn)草捆的撿拾。當(dāng)撿拾草捆時，草捆會觸發(fā)限位開關(guān)[3]，控制撿拾器馬達(dá)的運轉(zhuǎn)；在接觸到草捆時，馬達(dá)才轉(zhuǎn)動，將草捆運輸?shù)揭患壏?，隨后馬達(dá)停止運轉(zhuǎn)等待在下個草捆到來。沒有草捆時，整個系統(tǒng)停止工作，既能節(jié)約了能源，又減少了由于設(shè)備運轉(zhuǎn)而對人體產(chǎn)生的危害。

1.右側(cè)板 2.安裝架 3.限位機(jī)構(gòu) 4.入口板 5.擋草板 6.后擋板 7.撥草鏈條 8.導(dǎo)向桿 9.液壓馬達(dá) 10.護(hù)欄 11.左側(cè)板

2.2 翻轉(zhuǎn)集載機(jī)構(gòu)的設(shè)計

翻轉(zhuǎn)集載機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.一級翻板 2.二級翻板 3.立擋欄 4.壓草叉 5.集載平臺 6.推垛裝置 7.推桿油缸 8.集載平臺油缸 9.二級翻板翻轉(zhuǎn)油缸 10.車架 11.一級翻板翻轉(zhuǎn)油缸

牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)的翻轉(zhuǎn)集載機(jī)構(gòu)主要由一級翻板、二級翻板、集載平臺、壓草叉、擋草叉、限位開關(guān)和油缸等構(gòu)成。翻轉(zhuǎn)集載機(jī)構(gòu)安裝在牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)的車架上方，用于將方草捆運輸、集載，該機(jī)構(gòu)是撿拾堆垛機(jī)的核心部分，是由兩個平臺組成的傾斜機(jī)構(gòu)[4]。翻轉(zhuǎn)集載機(jī)構(gòu)采用電磁閥和液壓系統(tǒng)控制，實現(xiàn)了快速、高效地運輸草捆，改變了草捆的收集方式，提高了草捆收集效率。

牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)的一級翻板包括放置于車架上的翻板總成和推動翻板總成翻轉(zhuǎn)卸料的推送裝置。翻板總成的一端安裝有由馬達(dá)驅(qū)動的傳動鏈，傳動鏈上沿草捆輸送方向固設(shè)有撥草附件；翻板總成的另一端設(shè)置有可沿草捆輸送方向調(diào)節(jié)的限位板，限位板上朝向草捆的一側(cè)固設(shè)有與推送裝置電性連接的接近開關(guān)。該一級翻板的兩個接近開關(guān)讓撿拾工作有序地進(jìn)行，解決了一個接近開關(guān)誤觸而使得油缸動作的問題，提高了草捆撿拾的智能化，且一級翻板限位加長板可調(diào)節(jié)長度，滿足了不同尺寸草捆的需求，降低了投入成本，提高了一級翻板的經(jīng)濟(jì)適用性和撿拾草捆的效率。一級翻板結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

1.翻板總成 2.傳動鏈 3.擋草板 4.限位加長板 5.翻轉(zhuǎn)臂 6.一級翻板翻轉(zhuǎn)油缸 7.鏈條座

牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)的二級翻板和集載平臺是傾斜放置在車架上的兩塊平板。二級翻板上焊接加強角，使收集的草捆均勻便于運輸，防滑塊的安放是為防止草捆向后滑落。集載平臺采用鋼板焊接而成集載框架，既節(jié)約了成本，又能滿足工作的需要。平臺兩側(cè)設(shè)有側(cè)彎板和側(cè)梁的分布方式不僅實現(xiàn)了支撐平臺，且使平臺左右兩側(cè)的重力達(dá)到平衡，以防止平臺集載時發(fā)生傾斜偏轉(zhuǎn)而影響作業(yè)效果。二級翻板和集載平臺的前端、尾部一側(cè)和尾部都安裝有電性連接的接近開關(guān)。3個接近開關(guān)讓撿拾工作有序地進(jìn)行，解決了兩個接近開關(guān)誤觸而未集載滿而使得油缸動作的問題，提高了草捆撿拾的智能化程度和效率。二級翻板結(jié)構(gòu)圖和集載平臺結(jié)構(gòu)圖如圖5和圖6所示。

1.防滑塊 2.加強角 3.翻板

圖6 集載平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of the unit loading platform

2.3 車架底盤的設(shè)計

車架的結(jié)構(gòu)如圖7所示。車架采用整體式U型鋼車架模式，兩側(cè)車架采用交叉式連接機(jī)構(gòu)，增加了整機(jī)的穩(wěn)定性[5]。車架和橋之間采用板簧減震連接，減少地面對車架的震動變形。機(jī)器配置雙后軸板簧縱置平衡懸架、后軸非驅(qū)動非轉(zhuǎn)向行駛系統(tǒng)，輪胎為特制寬型草場專用輪胎，既滿足形式承載要求，又能有效地保護(hù)草場。行駛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 車架結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of the vehicle frame

2.4 整機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

整機(jī)電控系統(tǒng)采用單片機(jī)編程控制，主要由單片機(jī)、信息采集元件及執(zhí)行元件組成，如圖9所示。其中，單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心，一方面用于采集撿拾器、一級翻板、二級翻板、集載平臺、壓草叉等上的各個限位開關(guān)的狀態(tài)并對電磁閥發(fā)出指令，進(jìn)而控制相應(yīng)油缸工作或報警器報警，達(dá)到作業(yè)要求；另一方面用于控制撿拾器在非工作時的鎖止及當(dāng)操作者發(fā)出錯誤指令時終止錯誤指令的執(zhí)行，起到保護(hù)整機(jī)安全的作用[6]。單片機(jī)位于控制盒內(nèi)，整車的所有動作都是通過控制盒發(fā)出。

1.車架 2.板簧 3.平衡座 4.車軸 5.輪輞 6.輪胎

圖9 整機(jī)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.9 The central electronic control and monitoring system

行程開關(guān)是信息采集元件。其中，撿拾機(jī)構(gòu)行程開關(guān)用于撿拾器在撿拾過程中檢測是否有草捆喂入；一級翻板行程開關(guān)用于測量一級翻板上是否達(dá)到3捆草捆；二級翻板行程開關(guān)用于檢測二級翻板是否排列9捆草捆；集載平臺行程開關(guān)用于檢測撿拾堆垛機(jī)是否滿載[7]。

電磁閥、馬達(dá)和報警器是執(zhí)行元件。其中，液壓馬達(dá)用于驅(qū)動撿拾器撿拾鏈撿拾草捆；一級翻板電磁閥用于控制一級翻板油缸的伸縮進(jìn)而控制一級翻板翻轉(zhuǎn)與回位；二級翻板電磁閥用于控制二級翻板油缸的伸縮進(jìn)而控制二級翻板翻轉(zhuǎn)與回位；報警器用于提醒駕駛員集載平臺已集滿草捆，需要收起撿拾器并堆垛。

2.5 整機(jī)液壓系統(tǒng)的設(shè)計

液壓系統(tǒng)包括液壓油缸、電磁多路閥、液壓油管及開關(guān)閥等。整個系統(tǒng)的額定工作壓力穩(wěn)定在16MPa左右，工作泵輸出的高壓油經(jīng)過電磁多路閥控制油路的換向[8]，高壓油通過油缸來實現(xiàn)撿拾器的翻轉(zhuǎn)、撿拾馬達(dá)旋轉(zhuǎn)、一級與二級翻板的翻轉(zhuǎn)、集載平臺的翻轉(zhuǎn)及推桿的伸縮等動作。傳統(tǒng)的機(jī)械控制方式是利用拉桿來實現(xiàn)的，無法保證動作的準(zhǔn)確性和完整性。本機(jī)采用液壓控制替代傳統(tǒng)的機(jī)械控制模式[9]，提高了機(jī)械動作柔性化、自動化程度，彌補了機(jī)械控制方式的缺陷。液壓系統(tǒng)原理圖如圖10所示。

1.壓草叉 2.頂針 3.立檔桿 4.推桿 5.集載平臺 6.撿拾器 7.二級翻板 8.一級翻板 9.馬達(dá) 10.油箱

3 主要技術(shù)指標(biāo)

牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，樣機(jī)如圖11所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indexes

續(xù)表1

圖11 牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)樣機(jī)Fig.11 The prototype of Pull-type Rectangular Pickup Bales and Straw Bales Buncher

4 結(jié)論

1)牽引式方草捆撿拾堆垛機(jī)由拖拉機(jī)牽引，駕駛員無需離開駕駛室即可高效地完成自動撿拾、集載、運輸和堆垛等，代替了繁重的人工撿拾堆垛工作，提高了工作效率，減少了不必要的勞動力浪費。

2)該機(jī)能夠應(yīng)用于草原大草捆的撿拾，也能夠滿足植物秸稈的小捆撿拾，且撿拾草捆的尺寸大小可調(diào)，滿足不同尺寸的草捆撿拾，大大降低了生產(chǎn)成本，為用戶提供了方便。

3)該機(jī)撿拾速度可達(dá)15km/h，運輸速度可達(dá)30km/h，根據(jù)運輸距離的不同，每天完成3 000～5 000捆方草捆的撿拾和堆垛，是人工的30～50倍。

4)整機(jī)的自動化、智能化程度高。控制系統(tǒng)采用單片機(jī)編程控制，既保證了整機(jī)工作時的穩(wěn)定性，又能確保動作的準(zhǔn)確完成，同時各動作間又能通過編程實現(xiàn)互鎖控制，確保操作者在誤操作的情況下也不損壞機(jī)器。