牧草秸稈撿拾裝置設(shè)計(jì)

安 晶， 李 聰， 劉小福， 蔡 蘭， 俞 蓉， 張克平

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)水平不斷提高，對(duì)牧草秸稈的利用有了更多的方式和更高的要求，傳統(tǒng)的利用方式主要是作為青飼料或在田間焚燒，造成資源浪費(fèi)且污染環(huán)境。隨著農(nóng)業(yè)廢棄物高效利用新方法的推廣，牧草秸稈的利用逐步發(fā)展為以壓縮制粒、制取沼氣、青貯飼料等資源化利用方式為主。

牧草秸稈的田間撿拾收集是其資源化利用的前端環(huán)節(jié)，撿拾裝置在此環(huán)節(jié)起著至關(guān)重要的作用，其可與打捆機(jī)等機(jī)具聯(lián)合工作，撿拾鋪放在田間晾曬的牧草秸稈，將其送入打捆機(jī)內(nèi)進(jìn)行打捆，一次性完成牧草秸稈的撿拾收集打捆作業(yè)。研究者對(duì)秸稈撿拾裝置進(jìn)行了大量的研究，研發(fā)出多種適用于我國(guó)田間收獲的撿拾裝置，但可靠性和仿形功能有待加強(qiáng)，在丘陵山地、地面不平整的田間工作時(shí)存在故障率高、漏草嚴(yán)重等問(wèn)題[1-2]。

為解決牧草秸稈撿拾收集過(guò)程中存在的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種具有仿形功能的凸輪式牧草秸稈撿拾裝置。

1 總體結(jié)構(gòu)

牧草秸稈撿拾裝置主要由擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)、防護(hù)裝置和仿形裝置組成，其中擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)主要由彈齒輥、滾筒圓盤、曲柄、滾輪、彈齒、主軸、凸輪滑道等部件組成，防護(hù)與輔助裝置主要由防護(hù)柵板、內(nèi)側(cè)護(hù)板、兩側(cè)滾筒護(hù)板和仿形輪等部件組成，仿形裝置主要由仿形輪與仿形輪調(diào)節(jié)器組成。撿拾裝置整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

撿拾裝置的主要功能是收集鋪放在地面的牧草秸稈，先后完成撿拾、提升、卸草和空行動(dòng)作，四個(gè)動(dòng)作循環(huán)進(jìn)行，將牧草秸稈不斷輸送到與其配套的圓捆機(jī)內(nèi)進(jìn)行打捆作業(yè)[3]。裝置作業(yè)時(shí)，動(dòng)力經(jīng)鏈輪傳遞到主軸上，帶動(dòng)滾筒圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，彈齒隨之旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而對(duì)牧草秸稈進(jìn)行撿拾作業(yè)。彈齒的運(yùn)動(dòng)是由滾筒圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)和曲柄擺動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)有一定軌跡的平面運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)由四個(gè)階段組成：撿拾階段、提升階段、卸草階段和空行階段。

圖1 牧草秸稈撿拾裝置結(jié)構(gòu)示意圖1.仿形輪；2.仿形輪調(diào)節(jié)器；3.鏈輪；4.主軸；5.曲柄；6.彈齒；7.彈齒輥8.凸輪滑道；9.滾輪；10.滾筒圓盤；11.內(nèi)側(cè)護(hù)板；12.防護(hù)柵板；13.兩側(cè)滾筒護(hù)板

撿拾階段：當(dāng)彈齒運(yùn)動(dòng)至滾筒圓盤正下方時(shí)，隨著滾筒圓盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，彈齒將牧草秸稈拾起，當(dāng)彈齒運(yùn)動(dòng)至正前方時(shí)，完成撿拾動(dòng)作。

提升階段：撿拾階段結(jié)束后，彈齒繼續(xù)隨滾筒圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，并將撿拾的牧草秸稈提升至滾筒的正上方，繼續(xù)向后推行，完成提升階段。

卸草階段：彈齒運(yùn)動(dòng)至正上方后，沿著水平向后推行，彈齒受滑道控制從牧草秸稈中迅速抽出，縮回至防護(hù)柵板內(nèi)部，防護(hù)柵板防止彈齒拖帶牧草，完成卸草運(yùn)動(dòng)。

空行階段：卸草動(dòng)作完成后，彈齒繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，其末端從防護(hù)柵板之間的空隙伸出，接著開(kāi)始下一個(gè)撿拾動(dòng)作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)

2.1.1 機(jī)構(gòu)確定運(yùn)動(dòng)的驗(yàn)證

撿拾裝置的核心是控制其循環(huán)進(jìn)行撿拾作業(yè)的擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)，其由限定滾輪運(yùn)動(dòng)的凸輪滑道、控制彈齒輥運(yùn)動(dòng)的曲柄、鉸接于曲柄上的滾輪、安裝彈齒的彈齒輥、安裝彈齒輥的滾筒圓盤、彈齒等部件組成。對(duì)其零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。因其具有可以做相對(duì)擺動(dòng)的曲柄結(jié)構(gòu)，彈齒輥在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起到推桿的作用，但該機(jī)構(gòu)中凸輪滑道靜止，主動(dòng)件為由主軸帶動(dòng)的滾筒圓盤，所以，其實(shí)質(zhì)為反轉(zhuǎn)的擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)。

圖2 擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖1.彈齒；2.曲柄；3.彈齒輥；4.滾筒圓盤；5.凸輪滑道；6.滾子

該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)由多個(gè)運(yùn)動(dòng)單元組成，且彈齒的運(yùn)動(dòng)是由彈齒輥繞主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)、曲柄的相對(duì)擺動(dòng)、整機(jī)的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，故有必要對(duì)其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行確定性分析。在該機(jī)構(gòu)中，凸輪滑道靜止不動(dòng)，曲柄受凸輪滑道的驅(qū)動(dòng)以P為中心相對(duì)于滾筒盤擺動(dòng)，同時(shí)，彈齒隨主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)繞回轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。分析可得，該機(jī)構(gòu)的活動(dòng)構(gòu)件有2個(gè)，分別為滾筒圓盤與主軸組成的整體、曲柄和彈齒及彈齒輥組成的整體，凸輪滑道為機(jī)架。P點(diǎn)和O點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，滾輪和滑道接觸點(diǎn)為高副，滾輪中心即旋轉(zhuǎn)中心實(shí)質(zhì)上是局部自由度。由式(1)可以計(jì)算出整個(gè)機(jī)構(gòu)的自由度：

F=3n-2pL-pH

(1)

式中：F為機(jī)構(gòu)的自由度；n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù)；pL為低副數(shù)；pH為高副數(shù)。

F=3×2-2×2-1=1

(2)

根據(jù)機(jī)構(gòu)確定運(yùn)動(dòng)的條件：原動(dòng)件數(shù)等于自由度數(shù)，得該反轉(zhuǎn)擺動(dòng)從動(dòng)件盤形凸輪機(jī)構(gòu)是一個(gè)具有確定運(yùn)動(dòng)的高副機(jī)構(gòu)。

2.1.2 滾筒圓盤

撿拾裝置在工作時(shí)，由主軸帶動(dòng)滾筒圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，5根彈齒輥通過(guò)軸承座周向均布固定于其上，因此本裝置的整體尺寸范圍在一定程度上由滾筒圓盤決定。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度考慮，參考其他已有相關(guān)裝置，取滾筒圓盤直徑為380 mm，彈齒輥旋轉(zhuǎn)半徑—安裝彈齒輥的孔徑圓心到圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離，取值300 mm。滾筒圓盤通過(guò)法蘭固定在主軸上，滾筒圓盤與法蘭固定連接，法蘭與主軸之間通過(guò)花鍵連接，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 滾筒圓盤結(jié)構(gòu)

2.1.3 彈齒設(shè)計(jì)

彈齒的主要作用是撿拾鋪放在田間的牧草秸稈，在撿拾作業(yè)中，彈齒的長(zhǎng)度、彈齒末端形成的夾角等與所要撿拾牧草秸稈垂直方向上的高度、撿拾器與地面的相對(duì)距離等因素有關(guān)，即：

Rn=ln+R

(3)

h=Rn-rh

(4)

式中：Rn為彈齒端部的旋轉(zhuǎn)半徑，ln為彈齒長(zhǎng)度，R為彈齒輥旋轉(zhuǎn)半徑，h為彈齒端部到防護(hù)柵板圓弧部分的距離，rh為防護(hù)柵板圓弧部分的半徑。取ln=180 mm，彈齒端部夾角取為165°，則彈齒伸出撿拾器的最大長(zhǎng)度為130 mm。彈齒結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 彈齒結(jié)構(gòu)

2.1.4 滑道設(shè)計(jì)

裝置工作過(guò)程中，撿拾階段要求彈齒接近于徑向，其端部開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)以撿拾牧草和秸稈；升舉階段彈齒相對(duì)速度應(yīng)向上，同時(shí)也要求平穩(wěn)，將牧草秸稈提升至滾筒圓盤上方；卸草階段要求彈齒運(yùn)動(dòng)方向向下，相對(duì)速度減少，且相對(duì)于半徑線有較大的后傾，使牧草能很好與彈齒脫離，避免將牧草秸稈帶入防護(hù)柵板間的縫隙中；空行階段彈齒繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，且相對(duì)速度應(yīng)較大，以便到下一個(gè)撿拾階段時(shí)能接近于徑向[4-5]。

根據(jù)以上要求，結(jié)合設(shè)計(jì)的彈齒、滾輪、彈齒輥等結(jié)構(gòu)，采用Solid Works軟件中的“樣條曲線”命令進(jìn)行滑道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在軟件的草圖工作界面，將彈齒、曲柄、滾輪、彈齒輥、滾筒圓盤等結(jié)構(gòu)按尺寸比例進(jìn)行簡(jiǎn)化，并等距陣列為24組，以表示彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后按照以上要求對(duì)彈齒端部的位置進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，其中彈齒位置12～18為撿拾階段，19～24為升舉階段，1～6為卸草階段，7～11為空行階段，最后使用 “樣條曲線”命令以24個(gè)滾輪圓心為控制點(diǎn)進(jìn)行凸輪滑道的設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 凸輪滑道圖解法設(shè)計(jì)

基于撿拾裝置凸輪形滑道不規(guī)則的特點(diǎn)，選取以基圓圓心正上方為0°，每隔15°測(cè)量其回轉(zhuǎn)半徑的方法，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 凸輪輪廓回轉(zhuǎn)半徑變化情況

凸輪機(jī)構(gòu)強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的保證：為了保證凸輪機(jī)構(gòu)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡，凸輪上的運(yùn)動(dòng)副元素必須始終保持接觸，確保其接觸主要通過(guò)力鎖合凸輪機(jī)構(gòu)(簡(jiǎn)稱力鎖合)和幾何形狀鎖合凸輪機(jī)構(gòu)(形鎖合，也稱形封閉)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因撿拾裝置的工作強(qiáng)度比較大，經(jīng)常進(jìn)行連續(xù)作業(yè)，故選用形封閉結(jié)構(gòu)，即上文所述的滑道。為保證滾輪能在滑道內(nèi)運(yùn)動(dòng)流暢，滑道的寬度需略大于滾輪的直徑，取值為22 mm。另一方面，撿拾裝置的兩端應(yīng)留有與圓捆機(jī)機(jī)架相固定的區(qū)域。為便于安裝，保證兩側(cè)滾筒護(hù)板和滾筒以及主軸的相對(duì)位置，將凸輪滑道與固定裝置設(shè)計(jì)成整體式。凸輪滑道如圖6所示。

圖6 凸輪滑道

2.1.5 滾輪半徑

滾輪半徑的大小應(yīng)考慮外輪廓的尺寸，為了避免滑道嚴(yán)重磨損，需要滿足：

ρmin-rr>3 mm

(5)

式中：ρmin為滑道中心線最小曲率半徑。經(jīng)計(jì)算得：

rr<60 mm

(6)

同時(shí)，滾輪的尺寸因其強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)限制，其值不宜太小，通常有如下規(guī)律：

rr=(0.1～0.5)ra

(7)

得：

rr=8～40 mm

(8)

式中：ra為基圓半徑(mm)。最終確定滾輪的半徑為10 mm。

2.1.6 彈齒間距確定

彈齒間距的大小決定了撿拾作業(yè)的效果，若彈齒間距太大，則容易造成秸稈脫落；若彈齒間距過(guò)小，則極容易使牧草秸稈堆積在防護(hù)柵板之間的縫隙中[6]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外各類方捆機(jī)、圓捆機(jī)以及其他畜牧機(jī)械撿拾裝置的彈齒布置情況，并查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可知彈齒式撿拾裝置的彈齒間距的參考范圍為63～100 mm。本設(shè)計(jì)最終確定彈齒間距為80 mm，并依據(jù)其彈齒間距給出彈齒輥安裝孔之間的間距為160 mm。設(shè)計(jì)彈齒輥長(zhǎng)度為1 400 mm，故一根彈齒輥上可安裝8個(gè)彈齒，則共需彈齒40根。撿拾輥結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 撿拾輥結(jié)構(gòu)示意圖1.彈齒輥；2.彈齒；3.彈齒固定件；4.曲柄；5.滾輪

2.2 防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 兩側(cè)滾筒護(hù)板設(shè)計(jì)

滾筒護(hù)板的主要作用是保護(hù)滾筒圓盤及擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)，防止撿拾起的牧草秸稈進(jìn)入滾筒圓盤和擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)內(nèi)，破壞機(jī)構(gòu)、影響裝置工作，故滾筒護(hù)板應(yīng)安裝于撿拾裝置的兩側(cè)，并應(yīng)將整個(gè)撿拾裝置的關(guān)鍵部件即滾筒圓盤及滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)包絡(luò)在內(nèi)。其大小應(yīng)略大于滾筒圓盤，取其輪廓大圓直徑為400 mm，小圓直徑為護(hù)板結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 滾筒護(hù)板

2.2.2 保護(hù)柵板設(shè)計(jì)

內(nèi)側(cè)護(hù)板的主要作用是用于安裝防護(hù)柵板，并與兩側(cè)凸輪滑道固定連接，提高撿拾裝置整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其長(zhǎng)為1 480 mm，橫截面為長(zhǎng)邊200 mm、高150 mm、兩腰夾角為30°的等腰梯形。內(nèi)側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

圖9 內(nèi)側(cè)護(hù)板

防護(hù)柵板的主要作用是防止撿拾過(guò)程中撿拾起的牧草和秸稈進(jìn)入撿拾器內(nèi)部，引起堵塞[7]。防護(hù)柵板在輪廓外形的設(shè)計(jì)上應(yīng)與兩側(cè)滾筒護(hù)板形狀和尺寸相差不大，并且應(yīng)便于安裝。取其圓弧部分直徑400 mm，兩平面部分長(zhǎng)度為280 mm，夾角為30°。每?jī)蓚€(gè)柵板之間的間距應(yīng)略大于彈齒間距。這樣既可以保證彈齒的順利通過(guò)，又可以保證稻稈不至于進(jìn)入撿拾器內(nèi)部，故寬度取70 mm。防護(hù)柵板如圖10所示。

圖10 防護(hù)柵板

2.3 仿形裝置設(shè)計(jì)

2.3.1 仿形輪尺寸確定

仿形輪的主要作用是支撐撿拾裝置，保證彈齒的離地間隙不受地形的影響而改變，以達(dá)到仿形效果，從而大大提高撿拾效果。當(dāng)田間地形有局部凹陷時(shí)，彈齒隨仿形輪向下運(yùn)動(dòng)，撿拾凹陷部分的牧草和秸稈，提高撿拾效果；當(dāng)田間地形有局部凸出時(shí)，彈齒隨仿形輪向上運(yùn)動(dòng)，防止彈齒劃傷凸出的草皮。其半徑不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致仿形效果不佳且機(jī)身笨重，但也不宜過(guò)小，否則會(huì)由于地面摩擦力導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)不暢，綜合考慮，取其直徑為200 mm。

2.3.2 仿形輪調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

撿拾裝置的撿拾效果受彈齒離地間距的影響，但不同的牧草秸稈和工作環(huán)境對(duì)彈齒的離地間距又有不同的要求，故仿形輪的安裝位置應(yīng)為可調(diào)節(jié)式，以適應(yīng)更多種類的牧草和秸稈撿拾作業(yè)。設(shè)計(jì)的仿形輪調(diào)節(jié)器由仿形輪、支架、固定筒、調(diào)節(jié)螺桿、調(diào)節(jié)手柄等部件構(gòu)成，仿形輪調(diào)節(jié)器如圖11所示。

圖11 仿形輪調(diào)節(jié)器1.仿形輪；2.支架；3.固定筒；4.調(diào)節(jié)螺桿；5.調(diào)節(jié)手柄

參照萬(wàn)向輪結(jié)構(gòu)，支架上的仿形輪安裝孔偏置，使其能夠跟隨拖拉機(jī)的行走方向順利完成轉(zhuǎn)向，減少轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)地面草皮的損傷。支架旋轉(zhuǎn)軸為空心，其上端有內(nèi)螺紋，與調(diào)節(jié)螺桿下端連接，調(diào)節(jié)螺桿上端與調(diào)節(jié)手柄固定連接，且有固定筒對(duì)其限位，固定筒與凸輪滑道固定。旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄，調(diào)節(jié)螺桿隨之旋轉(zhuǎn)，通過(guò)螺紋連接將調(diào)節(jié)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為支架與仿形輪在豎直方向上的移動(dòng)，進(jìn)而改變彈齒的離地間距。仿形輪的半徑和安裝位置與彈齒端部的回轉(zhuǎn)半徑和離地間距有關(guān)。

r+d=Rmax+H

(9)

式中：r為仿形輪半徑；d為仿形輪安裝位置(仿形輪與滾筒的豎直中心距)；Rmax為彈齒端部的旋轉(zhuǎn)半徑；H為離地間距。調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)范圍為0～150 mm，安裝位置范圍為250～400 mm，經(jīng)計(jì)算彈齒離地間距的調(diào)節(jié)范圍為20～170 mm。

3 撿拾裝置工作性能分析

3.1 滾筒圓盤轉(zhuǎn)速

查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可得，國(guó)內(nèi)圓捆機(jī)工作前進(jìn)速度為5 km/h。因彈齒端點(diǎn)的線速度應(yīng)大于機(jī)器的前進(jìn)速度[8-10]，進(jìn)而可以推導(dǎo)出其角速度和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系：

V=ωRmax>Vt

(10)

ω=2πn

(11)

n>Vt/2πRmax

(12)

式中：V為彈齒端點(diǎn)的線速度(m/s)；ω為撿拾裝置的滾筒盤角速度(rad/s)；Rmax為彈齒端點(diǎn)的最大回轉(zhuǎn)半徑(m)；n為撿拾裝置的滾筒盤轉(zhuǎn)速(r/s)；Vt為機(jī)器前進(jìn)速度(m/s)。經(jīng)計(jì)算可得n>0.67 r/s。在滿足工作需要的條件下，其實(shí)際轉(zhuǎn)速和角速度可以根據(jù)實(shí)際前進(jìn)速度適當(dāng)調(diào)整。

3.2 漏檢率

漏撿率是指撿拾器漏拾牧草的重量與測(cè)定地段全長(zhǎng)上草條重量之比[11-12]。漏檢率的百分比可以由式(13)表示：

(13)

式中：Sj為撿拾損失率(%)；Wj為撿拾裝置漏拾秸稈質(zhì)量(kg)；L為測(cè)定長(zhǎng)度(m)；Pt為每米秸稈重量(kg/m)。其值越小撿拾效果越好。撿拾裝置具有仿形功能，故在一定程度上大大減少了漏草率，使該裝置整體性能得到提升。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種具有仿形功能的凸輪式牧草秸稈撿拾裝置，主要結(jié)論如下：

(1)該裝置主要由擺動(dòng)滾子推桿盤形凸輪機(jī)構(gòu)、防護(hù)裝置和仿形裝置組成，經(jīng)驗(yàn)證各零部件之間運(yùn)動(dòng)不干涉，滿足裝配工藝要求。

(2)該裝置具有仿形功能，能夠降低漏草率，提升整體工作性能。仿形輪在豎直方向上的位置可以通過(guò)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變彈齒端部的離地間距，以適應(yīng)不同的牧草秸稈撿拾作業(yè)和工作環(huán)境。