基于牧草壓縮特性的凸輪式牧草壓捆機(jī)設(shè)計(jì)

陳鵬宇，武 佩，馬彥華，王昊毅，薛冬梅

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)草業(yè)與養(yǎng)殖業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，呼和浩特 010018)

0 引言

畜牧業(yè)的發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一[1]，發(fā)展畜牧業(yè)離不開(kāi)優(yōu)質(zhì)充分的牧草供應(yīng)。我國(guó)的牧草資源分布不均勻，牧區(qū)飼草年度間和季節(jié)性不平衡，雪災(zāi)、旱災(zāi)等突發(fā)性自然災(zāi)害嚴(yán)重制約著畜牧業(yè)的發(fā)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(chǔ)存空間大及運(yùn)輸虧噸現(xiàn)象[3]，想要高效利用牧草，必須解決這些問(wèn)題，最有效的方法就是對(duì)牧草進(jìn)行壓縮。

國(guó)外的方草捆壓捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)多采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，故障率低；但在壓縮開(kāi)始時(shí)活塞速度較慢，不能快速預(yù)壓縮[4]。生產(chǎn)的打捆機(jī)規(guī)格大，生產(chǎn)效率高；同時(shí)，也需要大馬力的拖拉機(jī)與之配套，售價(jià)較高，適合產(chǎn)草量大的草場(chǎng)[5]。國(guó)內(nèi)一些研究所和高校的學(xué)者開(kāi)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(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，建立了開(kāi)式壓縮的數(shù)學(xué)模型，揭示了草物料開(kāi)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)組成、工作原理和推箱壓縮力、曲柄切線力及曲柄轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律[7]。雷昌毅等人設(shè)計(jì)了一種非圓齒輪曲柄滑塊式新型壓縮機(jī)構(gòu)[8]，可以實(shí)現(xiàn)變速壓縮，但齒輪加工復(fù)雜困難，致使整機(jī)的成本較高。

牧草壓縮過(guò)程中的松散和壓緊階段是存在一定規(guī)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(shè)備，從壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理角度出發(fā)，解決目前曲柄連桿和各種形式壓縮設(shè)備存在的能耗高、效率低的問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)

1.1 牧草壓縮特性

壓縮過(guò)程有兩個(gè)明顯的階段：松散階段壓縮力主要消耗在物料間的相對(duì)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(xué)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(shí)物料的壓縮密度(kg/m3)；

C、D—試驗(yàn)系數(shù)。

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

圖1 壓縮力與位移關(guān)系曲線

可見(jiàn)，在活塞位移前100mm內(nèi)，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(dòng)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛的現(xiàn)象，為了降低再次壓縮時(shí)的應(yīng)力，壓縮行程結(jié)束后，需要有一定的保型時(shí)間。通過(guò)查閱資料可知，不同的壓縮截面均表現(xiàn)出在前3s內(nèi)應(yīng)力松弛明顯[10]。應(yīng)力松弛時(shí)間越長(zhǎng)，保型效果越好，但效率降低，因此應(yīng)力松弛時(shí)間可以為壓縮頻率的確定提供參考。

1.2 壓捆機(jī)總體設(shè)計(jì)

凸輪式牧草壓捆機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1．草塊接板 2.密度調(diào)節(jié)絲杠 3.壓捆室 4.料斗 5.減速器 6.電動(dòng)機(jī) 7. 凸輪支撐機(jī)構(gòu) 8.凸輪 9.機(jī)架 10.活塞從動(dòng)件

壓捆機(jī)的動(dòng)力輸入為1.5kW電動(dòng)機(jī)，通過(guò)渦輪蝸桿減速機(jī)將動(dòng)力傳輸給凸輪軸，凸輪軸帶動(dòng)凸輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)壓縮活塞壓縮牧草。料斗與壓捆室喂入口連接，方便牧草進(jìn)入喂入室。絲杠彈簧機(jī)構(gòu)可以增加壓縮阻力大小，以產(chǎn)生較大密度的草捆。接料板在壓捆機(jī)剛工作時(shí)向上翻起，作為堵頭對(duì)草捆建立起初始?jí)毫Α?/p>

主要技術(shù)參數(shù)如下：

外形尺寸/mm：2 040×540×670

打捆密度/kg·m-3：200(可調(diào))

草捆尺寸/mm：230×180

喂入量/kg：0.104

壓縮頻率/次·min-1：23(可調(diào))

生產(chǎn)率/kg·h-1：145(可調(diào))

配套動(dòng)力/kW：1.5

2 壓捆機(jī)主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 凸輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸輪是整個(gè)壓捆機(jī)設(shè)計(jì)的核心。在機(jī)械傳動(dòng)中，凸輪機(jī)構(gòu)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、可靠性高及能夠完成各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)等諸多優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的應(yīng)用[11]。合理的凸輪設(shè)計(jì)不僅可以使整臺(tái)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(jù)牧草的壓縮特性曲線，確定活塞的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即凸輪機(jī)構(gòu)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。表1列舉出了各種基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律和典型組合規(guī)律運(yùn)動(dòng)的特征值[12]。

表1 運(yùn)動(dòng)規(guī)律特征值

通常，評(píng)價(jià)從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，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(guān)系，需要根據(jù)凸輪機(jī)構(gòu)的工作狀況來(lái)區(qū)分對(duì)各特征值要求的主次關(guān)系。工作在高速輕載條件下的凸輪機(jī)構(gòu)，特征值的主次順序應(yīng)為AM、VM、JM、TM。由于較小的AM值，梯形修正加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律被認(rèn)為是一種較理想的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，在預(yù)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(yùn)動(dòng)規(guī)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(yùn)動(dòng)規(guī)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(jiǎn)諧修正等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律。最后，在活塞回程階段選用綜合性能良好的組合擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

為了提高凸輪效率同時(shí)防止壓力角過(guò)大，需要為每個(gè)階段分配合適的凸輪轉(zhuǎn)角。避免凸輪機(jī)構(gòu)過(guò)于龐大，確定凸輪基圓直徑120mm。預(yù)壓縮階段凸輪轉(zhuǎn)角104°，壓緊階段凸輪轉(zhuǎn)角80°，回程階段凸輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角為60°，其余為喂料階段凸輪轉(zhuǎn)角。

預(yù)壓縮階段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律參數(shù)計(jì)算如下：

1)擺線運(yùn)動(dòng)加速區(qū)段。

(2)

其中，φ∈[0，φ/8]。

2)等加速運(yùn)動(dòng)區(qū)段。

(3)

其中，φ∈[φ/8，3φ/8]。

3)擺線運(yùn)動(dòng)區(qū)段。

(4)

其中，φ∈[3φ/8，5φ/8]。

4)等減速運(yùn)動(dòng)區(qū)段。

(5)

其中，φ∈[5φ/8，7φ/8]。

5)擺線運(yùn)動(dòng)減速區(qū)段。

(6)

通過(guò)EXCEL表格計(jì)算出各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)值和壓力角，結(jié)果如表2所示。

表2 各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)及壓力角

續(xù)表2

同樣，計(jì)算出其余階段運(yùn)動(dòng)參數(shù)，將其依次排列，即為整個(gè)壓縮過(guò)程中活塞的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。活塞位移、速度與凸輪轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖3所示。

圖3 從動(dòng)件位移、速度與凸輪轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線

根據(jù)求出的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)參數(shù)和凸輪基本尺寸，由公式(7)可以計(jì)算出凸輪的理論廓線，即

(7)

本文采用滾子直動(dòng)溝槽凸輪，滾子選用6302-2Z滾動(dòng)軸承。因此，還需就算出凸輪實(shí)際輪廓曲線。其極坐標(biāo)值計(jì)算公式確定為

(8)

為了將數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件，在求得實(shí)際廓線的極坐標(biāo)值后，需由下式轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯亲鴺?biāo)值，即

(9)

(10)

將計(jì)算得數(shù)據(jù)編寫(xiě)入Pro/E軟件的ibl文件中，通過(guò)導(dǎo)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(shè)計(jì)

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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.壓捆室上壓板

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

2.3 支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

支撐機(jī)構(gòu)用于安裝凸輪軸、導(dǎo)軌，如圖6所示。導(dǎo)軌由安裝在上下支板上的矩形導(dǎo)軌和左支撐上的圓柱導(dǎo)軌組成，控制從動(dòng)件的往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向。

1.左支撐 2.圓柱導(dǎo)軌 3.矩形導(dǎo)軌 4.下支板

2.4 活塞從動(dòng)件的設(shè)計(jì)

活塞從動(dòng)件主要由活塞、推桿和凸輪從動(dòng)件等組成，如圖7所示。

1.壓縮活塞 2.動(dòng)切刀 3.草料擋板 4.推桿

活塞上方裝有動(dòng)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(guò)程中草料進(jìn)入喂入室；從動(dòng)件上裝有滾子軸和滾子，通過(guò)推桿與活塞連接在一起。

2.5 整機(jī)的模擬仿真

通過(guò)Pro/E三維建模軟件生成零件進(jìn)行裝配，將各個(gè)部件裝配到機(jī)架上，再將減速機(jī)、料斗和接料板安裝好，完成整臺(tái)凸輪式壓縮機(jī)的裝配。利用Pro/E的機(jī)構(gòu)功能對(duì)凸輪進(jìn)行定義連接，再對(duì)凸輪軸進(jìn)行伺服電機(jī)定義，確定凸輪轉(zhuǎn)速，即根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速及減速比確定壓縮頻率為23次/min。然后，進(jìn)行機(jī)構(gòu)干涉檢測(cè)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行測(cè)量，得到活塞壓縮過(guò)程中的速度和位移曲線，如圖8所示。

圖8 從動(dòng)件位移和速度曲線

由圖8可以看出：壓縮機(jī)剛開(kāi)始?jí)嚎s牧草時(shí)(預(yù)壓縮階段)，活塞移動(dòng)迅速，壓縮速度快；在壓縮后期(致密階段)活塞移動(dòng)緩慢，壓縮速度慢，活塞回程快速。根據(jù)之前對(duì)壓縮過(guò)程的分析可知，此規(guī)律符合牧草壓縮特性要求的。

3 壓縮試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)材料與條件

選用2017年收苜蓿草作為壓縮試驗(yàn)對(duì)象，密度為26kg/m，壓縮試驗(yàn)前使用牧草水分測(cè)定儀測(cè)量苜蓿含水率。選用臺(tái)達(dá)VFD-M系列變頻器為電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，減小沖擊。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

苜蓿草壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 凸輪式牧草壓捆機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果

由表3可知：經(jīng)過(guò)壓捆機(jī)壓捆后，牧草的密度增大較為明顯。這說(shuō)明，經(jīng)過(guò)壓縮后，牧草能夠滿足一般情況下的儲(chǔ)存與運(yùn)輸。

4 結(jié)論

利用凸輪結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的特性，提出基于牧草壓縮特性的凸輪式牧草壓捆機(jī)。 根據(jù)壓縮特性曲線確定了凸輪機(jī)構(gòu)基本尺寸和主要參數(shù)，同時(shí)使用Pro/E三維建模軟件對(duì)凸輪式牧草壓捆機(jī)進(jìn)行建模，對(duì)裝配模型進(jìn)行碰撞檢測(cè)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：壓捆機(jī)能夠正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)在預(yù)壓縮階段快速壓縮以提高效率、在壓緊階段慢速壓縮以達(dá)到降低能耗的要求。