徐 冬,郭英洲,陳愛慧,田 健
(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)
隨著人們生活水平的提高,畜牧業(yè)已成為我國農(nóng)業(yè)的主體,草飼料打包得到了廣泛應(yīng)用,靠人力切開裹包圓草捆的效率過于低下,切開捆包的飼料也不易再移動(dòng)位置,因此,需要設(shè)計(jì)一種機(jī)械,既可以在地面將草捆包切開,也可以舉起在高處(如攪拌機(jī)上方)切開草捆包。草捆包應(yīng)該盡量從圓心處切開,并且切開后還應(yīng)有一套機(jī)構(gòu)能夠自動(dòng)剝離草捆包外覆的包膜和繩網(wǎng),以免切碎的外包膜和繩網(wǎng)混入飼料,被牲畜誤食。
本機(jī)具是一種通過拖拉機(jī)掛載的標(biāo)準(zhǔn)掛接機(jī)構(gòu)掛載的切包機(jī)。用AutoCAD建立了兩種不同模型進(jìn)行比對分析,受草捆包尺寸所限,想要既完全切開草捆包、不切偏,又使草捆包貼近夾膜裝置自動(dòng)去除外包膜,切包機(jī)切刀運(yùn)行的軌跡選擇就是首要條件,定下所選軌跡也就定下了切包臂大致長度,之后就是使切包臂帶著切刀沿預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)。圖1為兩種不同液壓缸布置方式的切包機(jī)。
初步設(shè)計(jì)了兩種不同形式的機(jī)具模型進(jìn)行比較分析,兩種設(shè)計(jì)方案都采取兩側(cè)對稱的形式,動(dòng)力輸出來源于兩側(cè)對稱的同步液壓缸,而由于液壓缸的沖程受液壓缸外缸筒長度所限,所以,并不能設(shè)計(jì)出一種液壓缸既能收縮的無限短,還能拉伸的很長,以滿足切包臂既能張開很大的角度,適應(yīng)大直徑草捆包,又能閉合至固定齒處,將草捆包完全切開的功能需求。因此,切刀運(yùn)行的軌跡受草捆包直徑、切包臂長度、液壓缸尺寸所限。
1.機(jī)架;2.液壓缸;3.切包臂;4.切刀軌跡;5.草捆包;6.固定齒;7.夾膜刀
圖1a采用液壓缸收縮帶動(dòng)切包臂和切刀向固定齒運(yùn)動(dòng),以切開草捆包的結(jié)構(gòu),機(jī)架上裝有夾膜裝置,當(dāng)草捆包貼上機(jī)架時(shí),夾膜裝置工作,夾住草捆包外包膜及繩網(wǎng),在切刀切到位后,液壓缸伸長,帶動(dòng)切包臂反向運(yùn)動(dòng),利用連接架調(diào)整整機(jī)角度,將切開的捆包內(nèi)的飼料抖落,之后放開夾膜裝置,將草捆包外包膜及繩網(wǎng)丟棄。在這種設(shè)計(jì)方案中可以看出,切刀并不能完全切至固定齒,也就不能充分切開草捆包,要想充分切開,就要盡量縮短液壓缸外缸筒的長度,這也使得液壓缸內(nèi)支桿縮短,那么,液壓缸整體伸長的長度就縮短了,導(dǎo)致切包臂張口變小,不適用規(guī)定直徑的草捆包??蓪⑶邪酆蟛恐屋S降低,把液壓缸放在切包臂上面,利用液壓缸伸長的推力帶動(dòng)切刀向下運(yùn)動(dòng),這樣切包臂帶動(dòng)切刀就可以切至固定齒處,能夠充分切開草捆包。如圖1b為第二種方案,看起來切刀運(yùn)行的軌跡離草捆包圓心有些遠(yuǎn),不能更好地切開草捆包,因此,就要調(diào)整切包臂的長度,以使切刀盡量切過草捆包的圓心,更容易完全抖落切開的草捆包內(nèi)的飼料。通過以上分析,圖1a切包機(jī)的切刀運(yùn)行軌跡較差,切包效果不好,草捆包直徑改變就不易將草捆包切透,采取回縮液壓缸拉動(dòng)切包臂的結(jié)構(gòu),無法充分利用液壓缸的動(dòng)力輸出。相對而言,圖1b的切包機(jī)切刀運(yùn)行軌跡較好,切包充分,能夠適應(yīng)多種直徑的草捆包。
切刀在切開草捆包的過程中受到了一定的阻力,以上兩種不同的利用液壓缸的方式,即一種利用液壓缸內(nèi)支桿回縮的拉力,另一種利用液壓缸內(nèi)支桿伸長的推力,來帶動(dòng)切包臂切開草捆包。由液壓缸的結(jié)構(gòu)決定了同等情況下液壓缸的推力大約是拉力的2倍,為了滿足切包機(jī)液壓缸動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)化為切刀切包的力能切開草捆包,以及切包臂受到的作用力對強(qiáng)度的要求,需要對切包臂頭部連接切刀處進(jìn)行受力分析,如圖2可知
F1×L1=F2×L2
即:F1/F2=844/272=3.1。
F3×L3=F2×L4
即:F3/F2=838/227=3.7。
也即是為達(dá)到切開草捆包相同大小的力,第一種液壓缸回縮需要輸出的力是切刀阻力的3.1倍,第二種液壓缸伸長需要輸出的力是切刀阻力的3.7倍,結(jié)合液壓缸推力與拉力之間的關(guān)系,第一種液壓缸需要更大的動(dòng)力輸出,由F1≈F3,可得出兩種切包臂的強(qiáng)度要求相仿。
圖2 切包機(jī)切包臂受力圖
圖3 夾膜刀結(jié)構(gòu)圖
經(jīng)過以上對切刀軌跡和切包臂受力分析,選擇第二種設(shè)計(jì)方案的切包機(jī),它能充分利用液壓缸的動(dòng)力輸出,使切刀更有力,適用于阻力更大的草捆包??紤]到實(shí)際應(yīng)用中草捆包的直徑并不是固定的,經(jīng)過上面的綜合分析,設(shè)計(jì)的切刀軌跡只能針對一種特定直徑的草捆包,這違背了設(shè)計(jì)機(jī)具的初衷,因此,還需在不改變切包臂長度的情況下,使設(shè)計(jì)出的切包機(jī)的切開功能更好地適應(yīng)不同直徑的草捆包。要想使切包機(jī)能適用于多種尺寸直徑的草捆包又不改變機(jī)具主要結(jié)構(gòu)的尺寸,那么就要改變草捆包在切包機(jī)上的夾取位置,位置的改變就造成草捆包與機(jī)架前擋板之間距離的改變,處于機(jī)架前擋板處的夾膜刀組就有可能無法夾住草捆包外包膜,因此,要調(diào)整夾膜刀的結(jié)構(gòu),夾膜刀不能太小,勾入深度應(yīng)大于100 mm。繞轉(zhuǎn)的固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度不能太大,應(yīng)小于60°。如圖3中為初步設(shè)計(jì)的兩種夾膜刀組,雖然大小上滿足了需求,但是很難保證固定軸不轉(zhuǎn)動(dòng)太大角度。轉(zhuǎn)動(dòng)角度太大,就需要相配合的小液壓缸沿固定軸旋轉(zhuǎn)過大的角度,有可能掰缸,更不能夾住草捆包外包膜,因此,只能放棄這種形式的結(jié)構(gòu),改為能靈活調(diào)整夾膜刀組位置的結(jié)構(gòu),即設(shè)計(jì)一個(gè)靈活的可以伸出的機(jī)械手,或者縮小的切包臂樣的機(jī)構(gòu),由另一套液壓缸帶動(dòng),繞一個(gè)固定軸轉(zhuǎn)動(dòng),隨著草捆包直徑的改變而調(diào)整位置,使夾膜刀組始終能貼近草捆包,夾緊草捆包外包膜。最后,在主液壓缸動(dòng)力輸出足夠的情況下,可考慮改變切刀與運(yùn)行軌跡所成的角度,這樣使切刀在切開草捆包后,還能產(chǎn)生一個(gè)向前的推力,推開前半部草捆包,更利于抖落飼料。
通過以上的各種改變,我們設(shè)計(jì)的工作流程也要做相應(yīng)的改變,即液壓缸收縮使切包臂開角至最大,由拖拉機(jī)帶動(dòng)本機(jī)具,使切刀處于橫放的草捆包垂直中線處壓緊;控制液壓缸伸長,同時(shí)緩慢前行拖拉機(jī),使切刀盡量沿草捆包圓心切過,同時(shí)使草捆包盡量貼近固定架前擋板;草捆包貼近前擋板后就可以使夾膜刀組閉合,夾住捆包外膜,直至切刀完全切開捆包后,收縮液壓缸,使切包臂開角至最大;調(diào)整拖拉機(jī)連接架,將包內(nèi)飼料完全抖落;移走拖拉機(jī),反向操作夾膜刀組,抖落剝下的捆包外膜。
通過以上設(shè)計(jì),本切包機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更靈活,由于改變了與切刀的連接角度,改變了夾膜刀組運(yùn)行模式,選用了圖1b所示的整體結(jié)構(gòu),使本套設(shè)計(jì)方案切包效果更好,能充分利用液壓缸的動(dòng)力輸出;夾膜刀組適應(yīng)性強(qiáng),可徹底清除外包膜,避免被家畜誤食。
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