9YG-1.2 型圓捆機(jī)撿拾裝置參數(shù)優(yōu)化研究

■賀占清 郭志平* 李瑞平 李鳳偉 楊 莉 董忠義 陳夢(mèng)穎

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010000；2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院，內(nèi)蒙古呼和浩特010000；3.內(nèi)蒙古華德牧草機(jī)械有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000；4.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014000)

畜牧業(yè)作為我國內(nèi)蒙古地區(qū)重要經(jīng)濟(jì)來源，在農(nóng) 村經(jīng)濟(jì)中扮演重要角色。牧草是畜牧業(yè)最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，其高效低損收獲是牧草收獲工作最重要的環(huán)節(jié)。圓捆卷捆機(jī)作為現(xiàn)代化牧草收獲的重要工具之一，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)牧草的自動(dòng)撿拾、自動(dòng)卷捆和自動(dòng)捆制等工作，增加牧草收獲自動(dòng)化水平，減輕牧草收獲工作量，縮短牧草收獲周期，提高牧草收獲質(zhì)量。而現(xiàn)階段我國牧草收獲機(jī)械還大多為引進(jìn)或仿制國外先進(jìn)裝備，對(duì)牧草收獲機(jī)械工作原理及收獲裝備優(yōu)化還處于較低水平。如圖1 為中國農(nóng)機(jī)院呼和浩特特分院研制的9YG-1.2 型圓捆機(jī)，其主要由撿拾裝置，喂入裝置，卷捆裝置，捆繩裝置等組成，實(shí)現(xiàn)牧草卷制圓捆工作，其卷制草捆內(nèi)松外緊，有利于草捆的通風(fēng)干燥，提高牧草的存儲(chǔ)時(shí)間。在實(shí)施卷捆工作時(shí)發(fā)現(xiàn)圓捆機(jī)撿拾裝置在撿拾牧草時(shí)出現(xiàn)漏撿和打擊花葉等問題。為提高9YG-1.2 型圓捆機(jī)撿拾裝置的撿拾質(zhì)量，通過ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)撿拾裝置各部件結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析研究，探究各參數(shù)對(duì)漏檢率及花葉損失率的影響，以撿拾裝置低漏撿率和低花葉損失率為目標(biāo)對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)配比優(yōu)化，找到低漏撿率和低花葉損失率的最優(yōu)參數(shù)組合，為我國現(xiàn)有牧草收獲裝備撿拾裝置的優(yōu)化提供理論支撐，提高我國牧草撿拾裝置的撿拾質(zhì)量，提高牧草收獲效率，促進(jìn)畜牧業(yè)的高效高質(zhì)量發(fā)展。

圖1 9YG-1.2型圓捆機(jī)

1 撿拾裝置理論分析

撿拾裝置作為圓捆機(jī)重要部件主要作用是將地面上已經(jīng)摟集成條的牧草撿拾并喂入后續(xù)卷捆工作機(jī)構(gòu)中，撿拾裝置的撿拾質(zhì)量及效率直接影響牧草的收獲。在對(duì)9YG-1.2型圓捆機(jī)卷捆試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，撿拾裝置在撿拾牧草時(shí)出現(xiàn)牧草漏撿及牧草被彈齒打碎等現(xiàn)象。為提高撿拾裝置的撿拾質(zhì)量，對(duì)撿拾裝置進(jìn)行理論分析，分析影響撿拾裝置撿拾質(zhì)量的因素，為撿拾裝置的優(yōu)化提供理論分析。

1.1 撿拾機(jī)構(gòu)工作原理

9YG-1.2 型圓捆機(jī)的撿拾裝置采用彈齒滾筒式撿拾機(jī)構(gòu)，如圖2。撿拾裝置主要由彈齒、滾筒、凸輪、曲柄、滾子、彈齒桿等組成。圓捆機(jī)工作時(shí)，撿拾裝置整體安裝在圓捆機(jī)前段隨圓捆機(jī)一同前進(jìn)，同時(shí)自身通過動(dòng)力傳動(dòng)進(jìn)行牧草的撿拾工作。

圓捆機(jī)通過鏈傳動(dòng)形式將動(dòng)力傳遞至撿拾裝置，撿拾裝置中滾筒做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)彈齒桿繞中軸做勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，彈齒安裝在彈齒桿上隨之運(yùn)動(dòng)，同時(shí)彈齒桿也與曲柄固定并呈一定角度，曲柄另一端與凸輪配合沿凸輪輪廓運(yùn)動(dòng)。最終滾筒運(yùn)動(dòng)與曲柄沿凸輪運(yùn)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)合成彈齒的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)撿拾裝置的牧草撿拾工作。工作過程中，滾筒旋轉(zhuǎn)一周為彈齒的一個(gè)工作周期，一個(gè)工作周期主要分為以下三個(gè)工作階段：

①放齒階段：放齒階段是彈齒完成上一個(gè)工作周期并準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)工作周期的過程。首先彈齒運(yùn)動(dòng)到撿拾位置，逐漸將彈齒伸出滾筒護(hù)板并插入牧草草條內(nèi)，當(dāng)彈齒伸出量達(dá)到最長并開始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)放齒動(dòng)作完成并開始下一階段。

②升運(yùn)階段：升運(yùn)階段是牧草撿拾工作中最重要的環(huán)節(jié)，主要是彈齒托運(yùn)牧草至指定位置的過程。升運(yùn)階段彈齒的狀態(tài)直接決定牧草撿拾效果的好壞，彈齒的速度及加速度的變化對(duì)牧草的漏撿及花葉損失影響很大。

③收齒階段：收齒階段是整個(gè)撿拾工作的最后工作。此工作階段主要為保證在升運(yùn)階段撿拾的牧草能夠順利與彈齒分離并被推送至喂入機(jī)構(gòu)。收齒階段必須保證彈齒對(duì)牧草的作用力方向與牧草運(yùn)動(dòng)方向相同，避免作用力方向偏移使得牧草進(jìn)入滾筒護(hù)板內(nèi)或被打飛等現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 撿拾質(zhì)量影響因素分析

撿拾裝置的撿拾質(zhì)量主要可以分為兩方面進(jìn)行考慮，一方面由于撿拾裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得撿拾裝置在撿拾牧草過程中產(chǎn)生撿拾彈齒無法觸及到的漏撿區(qū)，撿拾裝置出現(xiàn)漏檢率，如圖3 所示，撿拾裝置的漏撿區(qū)域主要是兩個(gè)相鄰彈齒在工作過程中彈齒都未撿拾到的區(qū)域。另一方面由于撿拾裝置運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置不合理可能導(dǎo)致?lián)焓皬楜X對(duì)牧草作用力太大，導(dǎo)致牧草在撿拾過程中受到破壞。撿拾水分大的牧草可能導(dǎo)致花葉破碎使得牧草營養(yǎng)大量流失降低牧草質(zhì)量；撿拾干牧草使得牧草受沖擊破碎無法撿拾，降低牧草收獲量。所以撿拾裝置撿拾彈齒的加速在撿拾工作過程中需要控制不易過高。

圖3 彈齒滾筒式撿拾裝置漏撿區(qū)

2 撿拾機(jī)構(gòu)仿真分析

經(jīng)上述分析，對(duì)現(xiàn)有9YG-1.2型圓捆機(jī)撿拾裝置的各參數(shù)進(jìn)行建模分析，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS對(duì)各參數(shù)下?lián)焓把b置的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬。從撿拾質(zhì)量入手，研究分析撿拾裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)撿拾裝置中撿拾彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡及撿拾彈齒加速度曲線的影響關(guān)系，從而分析各參數(shù)對(duì)漏檢率及花葉損失率的影響。

2.1 各參數(shù)對(duì)撿拾彈齒位移軌跡影響分析

分析采用單因素水平分析法對(duì)撿拾裝置中滾筒轉(zhuǎn)速、圓捆機(jī)前進(jìn)速度、滾筒半徑、曲柄與彈齒夾角、滾子半徑和曲柄長度進(jìn)行仿真分析，分析各單因素對(duì)撿拾彈齒端點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。如圖4 為各參數(shù)下彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

圖4 各參數(shù)下彈齒端部位移軌跡

圖4a為撿拾裝置在滾筒轉(zhuǎn)速單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的位移軌跡曲線，設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速分別為60、70、80 r/min，由圖中可知撿拾彈齒端點(diǎn)處的位移曲線呈擺線狀，隨滾筒轉(zhuǎn)速的增大，擺線環(huán)扣增大；λ值越大，位移軌跡曲線降低，漏撿面積減小。

圖4b為撿拾裝置在圓捆機(jī)前進(jìn)速度單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的位移軌跡曲線，設(shè)置圓捆機(jī)前進(jìn)速度分別為1.2、1.4、1.6 m/s，由圖中可知隨圓捆機(jī)前進(jìn)速度的增大，擺線環(huán)扣減?。沪酥禍p小，位移軌跡曲線越高，漏撿面積增大。

圖4c為撿拾裝置在滾筒半徑單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的位移軌跡曲線，設(shè)置滾筒半徑分別為150、160、170 mm。由圖中可知隨撿拾裝置滾筒半徑增大，撿拾彈齒端部位移軌跡擺線環(huán)扣大小變化很小，位移軌跡曲線高度相近，滾筒半徑對(duì)漏撿面積影響很小。

圖4d為撿拾裝置在曲柄與彈齒夾角單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處位移軌跡曲線，設(shè)置夾角分別為45°、60°、75°。由圖中可知隨著撿拾機(jī)構(gòu)曲柄與彈齒夾角增大，彈齒端部位移軌跡擺線環(huán)扣增大；λ值越大，位移軌跡曲線越高，漏撿面積越小。

圖4e為撿拾裝置在滾子半徑單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處位移軌跡曲線，設(shè)置半徑分別為15、17.5、20 mm。由圖中可知滾子半徑對(duì)撿拾裝置彈齒端點(diǎn)位移軌跡并無影響。

圖4f為撿拾裝置在曲柄長度單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)位移軌跡曲線，設(shè)置曲柄長度分別為70、80、90 mm。由圖中可知彈齒端點(diǎn)處位移軌跡在不同曲柄長度下只有在擺線環(huán)扣處有所不同而對(duì)漏撿面積無明顯影響。

2.2 各參數(shù)對(duì)撿拾彈齒加速度影響分析

分析同樣采用單因素水平分析法對(duì)撿拾裝置中滾筒轉(zhuǎn)速、圓捆機(jī)前進(jìn)速度、滾筒半徑、曲柄與彈齒夾角、滾子半徑、曲柄長度進(jìn)行仿真模擬，分析單因素對(duì)撿拾彈齒端點(diǎn)處加速度的影響。各因素參數(shù)選擇與研究各參數(shù)對(duì)漏檢率影響分析時(shí)相同，如圖5為各參數(shù)下彈齒端點(diǎn)處加速度變化。

圖5 各參數(shù)下彈齒端部加速度

圖5a為撿拾裝置在滾筒轉(zhuǎn)速單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的加速度變化曲線，滾筒的轉(zhuǎn)速越大，撿拾裝置撿拾周期縮短；單個(gè)撿拾彈齒撿拾時(shí)間縮短，彈齒端部加速度值有明顯提高，加速度波動(dòng)量增大，對(duì)牧草的撿拾力及對(duì)牧草的沖擊力都相應(yīng)增加。

圖5b為撿拾裝置在圓捆機(jī)前進(jìn)速度單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的加速度變化曲線，由圖可知圓捆機(jī)前進(jìn)速度對(duì)彈齒端部加速度并無影響。

圖5c為撿拾裝置在滾筒半徑單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的加速度變化曲線，由圖可知滾筒半徑越大加速度值有所增加，波動(dòng)量也相應(yīng)增加，在滾筒半徑為170 mm時(shí)彈齒端部加速度曲線出現(xiàn)明顯高于其他參數(shù)值的尖點(diǎn)位置，撿拾裝置在撿拾牧草過程中出現(xiàn)對(duì)牧草的沖擊作用，嚴(yán)重提高撿拾器撿拾牧草的花葉損失率。

圖5d為撿拾裝置在曲柄與彈齒夾角單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處加速度變化曲線，由圖可知夾角越大加速度值越大；夾角增大后加速度波動(dòng)量增加，花葉損失率增大。

圖5e為撿拾裝置在滾子半徑單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處加速度變化曲線，由圖可知出滾子半徑對(duì)加速度影響不大，表現(xiàn)為滾子半徑越大加速度越大，但增加量較小，只有在加速度波動(dòng)時(shí)有增加。

圖5f 為撿拾裝置在曲柄長度單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)加速度變化曲線，由圖中可知曲柄長度對(duì)穩(wěn)定區(qū)域加速度幅值的影響不大；但隨曲柄長度的增加加速度的波動(dòng)量有明顯降低，對(duì)降低牧草花葉損失有重要作用。

分析各參數(shù)對(duì)撿拾裝置撿拾彈齒端部位移軌跡圖及加速度曲線的影響可知，撿拾裝置漏檢率主要受滾筒半徑、圓捆機(jī)前進(jìn)速度和曲柄與彈齒夾角影響，而滾筒半徑、滾子半徑和曲柄長度對(duì)撿拾裝置漏檢率影響很小。撿拾裝置花葉損失率主要受滾筒轉(zhuǎn)速，滾筒半徑，曲柄與彈齒夾角、滾子半徑和曲柄長度影響，而圓捆機(jī)前進(jìn)速度對(duì)其影響較小。

3 撿拾裝置參數(shù)優(yōu)化

分析各參數(shù)對(duì)撿拾裝置撿拾效果的影響，發(fā)現(xiàn)滾筒半徑、滾子半徑和曲柄長度對(duì)撿拾裝置彈齒端點(diǎn)位移軌跡無明顯影響，對(duì)撿拾裝置漏檢率影響不大，只對(duì)撿拾裝置花葉損失率有影響。為減少試驗(yàn)次數(shù)，首先對(duì)只影響花葉損失率的參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，將所得優(yōu)化結(jié)果帶入下一仿試驗(yàn)，最終對(duì)滾筒轉(zhuǎn)速、圓捆機(jī)前進(jìn)速度、曲柄與彈齒夾角進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。從而有效降低圓捆機(jī)撿拾裝置漏撿率及花葉損失率。

3.1 仿真試驗(yàn)一

對(duì)曲柄長度、滾筒半徑和滾子半徑三個(gè)參數(shù)進(jìn)行3 因素3 水平響應(yīng)面分析，其他參數(shù)采用9YG-1.2 型圓捆機(jī)原有參數(shù)值，圓捆機(jī)前進(jìn)速度1.4 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速70 r/min、曲柄與彈齒夾角60°。表1為試驗(yàn)水平與因素取值。各因素對(duì)撿拾裝置撿拾彈齒加速度的影響主要表現(xiàn)在加速度波動(dòng)區(qū)域是加速度的波動(dòng)幅值，即降低加速度波動(dòng)區(qū)域處加速度最大值將會(huì)明顯降低撿拾裝置在撿拾工作時(shí)出現(xiàn)的花葉損失，所以本試驗(yàn)以三因素影響下的彈齒加速度最大值為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，表2為實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果。

表1 試驗(yàn)水平與因素

表2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

通過試驗(yàn)軟件design-expert 對(duì)各因素進(jìn)行顯著性分析，找出擬合回歸方程。如表3 為方差分析與顯著性分析，模型的AC 項(xiàng)和C2大于0.05，檢驗(yàn)值不顯著，其余項(xiàng)檢驗(yàn)值都檢驗(yàn)顯著，其中A 項(xiàng)、B 項(xiàng)、AB 項(xiàng)、A2項(xiàng)、B2項(xiàng)檢驗(yàn)檢驗(yàn)極顯著。對(duì)加速度影響的主次順序?yàn)榍L度＞滾筒半徑＞滾子半徑。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)去掉擬合不顯著項(xiàng)，得到的二次回歸方程為：

Y=1.419×106+8 718.4A-17 062.7B-45 042.4C-148.43AB+203.31BC+89.78A2+82.996B2

則可求得在滾筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、曲柄與彈齒夾角因素為9YG-1.2 型圓捆機(jī)原有參數(shù)時(shí)曲柄長度90 mm、滾筒半徑163.5 mm和滾子半徑16.1 mm可得最優(yōu)結(jié)果，撿拾裝置撿拾彈齒最大加速度優(yōu)化為40 637 mm/s2。

表3 方差分析及顯著性分析

3.2 仿真試驗(yàn)二

對(duì)前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速和曲柄與彈齒夾角三個(gè)參數(shù)進(jìn)行3 因素3 水平響應(yīng)面分析，其他參數(shù)采用試驗(yàn)一優(yōu)化后的參數(shù)值。如表4 為試驗(yàn)水平與因素取值。本試驗(yàn)以三因素影響下的彈齒加速度最大值和撿拾裝置漏檢率為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，漏撿率通過對(duì)彈齒端部位移軌跡漏撿區(qū)域測(cè)得。表5 為實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果。

通過實(shí)驗(yàn)軟件design-expert 對(duì)各因素進(jìn)行顯著性分析，找出擬合回歸方程。如表6為漏檢率方差分析與顯著性分析，模型漏撿率C12項(xiàng)大于0.01，檢驗(yàn)值顯著；其余項(xiàng)檢驗(yàn)值都小于0.001，檢驗(yàn)極顯著。對(duì)漏撿率影響的主次順序?yàn)闄C(jī)構(gòu)前進(jìn)速度＞滾筒轉(zhuǎn)速＞曲柄與彈齒夾角。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的撿拾率的二次回歸方程為：

L=12.071-6.505A1-0.141 9B1-0.064 6C1+0.022 4A1B1+0.015 4A1C1+0.000 46B1C1+1.684A12+0.000 499B12+1.172C12

表4 實(shí)驗(yàn)水平與因素

表5 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表6 漏撿率方差分析與顯著性檢驗(yàn)

表7 加速度方差分析與顯著性檢驗(yàn)

如表7為加速度方差分析與顯著性分析，模型加速度A1項(xiàng)、A1B1項(xiàng)、A1C1、A12都大于0.05，這些項(xiàng)檢驗(yàn)值不顯著，B1C1項(xiàng)大于0.01，B1C1項(xiàng)檢驗(yàn)值顯著，其余各項(xiàng)的P 值均小于0.001，檢驗(yàn)極顯著。對(duì)加速度影響的主次順序?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速＞曲柄與彈齒夾角＞機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)去除模型中不顯著項(xiàng)，得到的加速度的二次回歸方程為：

Y1=7 917.3+8.95B1-268.37C11-0.685B1C1+8.92B12+2.486C12

最終經(jīng)過優(yōu)化后，得到最佳參數(shù)組合：曲柄長度90 mm、滾筒半徑163.5 mm、滾子半徑16.1 mm、機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度1.28 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速68 r/min、彈齒與曲柄的夾角50°。

3.3 優(yōu)化前后性能比較分析

分析優(yōu)化前后撿拾裝置撿拾彈齒端點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)軌跡和加速度變化曲線，對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行評(píng)估。圖6為優(yōu)化前后彈齒端部位移軌跡。相比優(yōu)化前，優(yōu)化后的位移軌跡周期變短、余擺線更低、漏撿高度更低、漏撿拾區(qū)域面積更??；優(yōu)化前漏撿率為0.866%，而優(yōu)化后漏撿率為0.677%，漏撿率優(yōu)化了21.8%,優(yōu)化效果顯著。圖7為優(yōu)化前后彈齒端部加速度曲線，加速度波動(dòng)量在優(yōu)化后略有降低，優(yōu)化前彈齒端部最大的加速度為45 678 mm/s2,而優(yōu)化后彈齒端部最大的加速度為39 507.1 mm/s2,最大加速度優(yōu)化了13.5%。

圖6 優(yōu)化前后彈齒端部位移軌跡

圖7 優(yōu)化前后彈齒端部加速度

4 結(jié)論

①分析研究9YG-1.2型圓捆機(jī)撿拾裝置工作原理，對(duì)工作過程進(jìn)行劃分階段性研究，探究各工作階段內(nèi)影響撿拾效果的因素，提出評(píng)估撿拾裝置撿拾質(zhì)量目標(biāo)因素。

②運(yùn)用ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)圓捆機(jī)撿拾裝置進(jìn)行仿真模擬，繪制撿拾彈齒端部位移軌跡圖和加速度曲線。分析曲柄長度、滾筒半徑、滾筒轉(zhuǎn)速、滾子半徑、圓捆機(jī)前進(jìn)速度和曲柄與彈齒夾角單因素水平對(duì)撿拾裝置漏檢率和花葉損失率的影響。

③設(shè)計(jì)實(shí)施仿真試驗(yàn)研究，對(duì)多參數(shù)下?lián)焓把b置漏撿率和花葉損失率優(yōu)化分析，利用響應(yīng)面分析法求得最優(yōu)參數(shù)組合：曲柄長度90 mm、滾筒半徑163.5 mm、滾子半徑16.1 mm、機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度1.28 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速68 r/min 和彈齒與曲柄的夾角50°。最優(yōu)參數(shù)組合下漏撿率0.677%、最大加速度39 507.1 mm/s2，漏撿率和最大加速度分別優(yōu)化了21.8%和13.5%。