農(nóng)作物秸稈打捆機關(guān)鍵部件分析

禚冬玲 付春香 劉凱凱 毛紅燕 廖培旺 李偉 張愛民

摘要 為提高農(nóng)作物秸稈的打捆質(zhì)量、農(nóng)作物打捆機的穩(wěn)定性和可靠性，采用理論分析和仿真分析相結(jié)合的方法，對農(nóng)作物秸稈打捆機的關(guān)鍵部件進行了運動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)仿真分析。其中，對彈齒和曲柄滑塊壓縮機構(gòu)進行了力學(xué)性能分析，對拔叉和彈齒進行了運動學(xué)分析。分析結(jié)果表明，農(nóng)作物秸稈打捆機關(guān)鍵部件符合壓縮打捆的要求。

關(guān)鍵詞 農(nóng)作物秸稈;打捆機;關(guān)鍵部件;運動學(xué);靜力學(xué);動力學(xué)

中圖分類號 S-233? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）13-0217-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.055

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Analysis of Key Components of Crop Straw Baler

ZHUO Dong ling1，F(xiàn)U Chun xiang2，LIU Kai kai1 et al

（1.Binzhou Agricultural Mechanization Science Research Institute，Binzhou，Shandong 256600;2.Binzhou Agricultural and Rural Comprehensive Service Center，Binzhou，Shandong 256600）

Abstract In order to improve the binding quality of crop straw and the stability and reliability of the baler，the kinematics，statics and dynamics simulation analysis of the key components of the baler were carried out by combining theoretical analysis with simulation analysis.Among them，the mechanical properties of spring tooth and crank slider compression mechanism were analyzed，and the kinematics of fork and spring tooth were analyzed.The analysis results showed that the key components of crop straw baler met the requirements of compression bundling.

Key words Crop straw;Baler;Key components;Kinematics;Statics;Dynamics

農(nóng)作物秸稈作為一種可再生資源，其利用途徑不斷增多，但是利用率仍然很低[1-3]。主要原因在于農(nóng)作物秸稈收儲運困難，而農(nóng)作物秸稈壓捆作業(yè)作為收儲運作業(yè)的一項重要工序，直接影響農(nóng)作物秸稈的輸送與儲存的便利性和成本。打捆機作為農(nóng)作物秸稈壓捆作業(yè)的主要機具，直接影響農(nóng)作物秸稈的打捆質(zhì)量[4-7]。因此，設(shè)計穩(wěn)定可靠的農(nóng)作物打捆機，提高農(nóng)作物打捆質(zhì)量是有必要的。

筆者對農(nóng)作物秸稈側(cè)喂入撿拾打捆機的關(guān)鍵部件進行了運動學(xué)、動力學(xué)和靜力學(xué)分析，實現(xiàn)農(nóng)作物壓縮打捆機的高質(zhì)量打捆，并提高農(nóng)作物打捆機的穩(wěn)定性和可靠性。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

農(nóng)作物秸稈打捆機結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括飛輪、延長室、壓縮室、溜板、撥叉、喂料室、撿拾機構(gòu)、撥桿、曲柄滑塊壓縮機構(gòu)。其中，通過飛輪的慣性力將動力傳遞給曲柄滑塊壓縮機構(gòu)，使曲柄滑塊壓縮機構(gòu)實現(xiàn)往復(fù)周期運動對農(nóng)作物秸稈進行壓縮打捆[8]。

農(nóng)作物秸稈打捆機的主要工作原理是通過撿拾機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)將鋪放在田間的農(nóng)作物秸稈撿起并輸送到喂料室，通過撥叉的往復(fù)運動將撿拾的農(nóng)作物秸稈喂入延長室與壓縮室之間，通過曲柄滑塊的往復(fù)周期運動將農(nóng)作物秸稈進行壓縮打捆，壓縮打捆后的農(nóng)作物秸稈經(jīng)由溜板滑落到田間。

2 關(guān)鍵部件的分析

2.1 彈齒

撿拾機構(gòu)是農(nóng)作物秸稈打捆機的關(guān)鍵部件之一，該研究設(shè)計的撿拾機構(gòu)為彈齒滾筒式結(jié)構(gòu)[9]。彈齒作為撿拾機構(gòu)的主要零件，其工作性能直接影響農(nóng)作物秸稈的撿拾率。

2.1.1 彈齒的運動軌跡分析。

由于農(nóng)作物秸稈打捆機工作時是由拖拉機牽引前進，因此彈齒自身在做圓周運動的同時，還隨拖拉機向前行走，其運動軌跡為擺線。為了更加直觀清楚地了解彈齒的動作過程和運動規(guī)律，該研究采用SolidWorks建立撿拾裝置的三維模型，然后使用ADAMS對相鄰彈齒進行運動軌跡仿真[10]。運動軌跡仿真時，選取任意2個相鄰彈齒端部頂點為目標運動質(zhì)點，跟蹤并記錄彈齒的運動軌跡（圖2）。

通過分析圖2可知，相鄰兩彈齒的運動軌跡的不重合區(qū)符合農(nóng)作物秸稈撿拾要求，即該研究設(shè)計的撿拾機構(gòu)的漏撿區(qū)比較小，使農(nóng)作物秸稈的漏檢率達到最小[11-12]。

2.1.2 彈齒的力學(xué)性能分析。

農(nóng)作物秸稈被彈齒撥動時的受力模型見圖3。彈齒能夠順利地將農(nóng)作物秸稈撥入喂料室，必須滿足一定條件才可以。根據(jù)圖3可知，農(nóng)作物秸稈保持在彈齒上而不下落的條件為：

μ×N≥Gt

其中：

N=G×sinα+Pb×cosβ

Pb=Gg×ω2×ρ

因此，秸稈保持在撥齒上而不下落必須滿足：

μ×sinα+ω2g×ρcosβ≥cosβ+ω2g×ρsinβ

式中，μ為彈齒與農(nóng)作物秸稈之間的摩擦系數(shù);Gt為農(nóng)作物秸稈自身重力平行于彈齒的分力（N）;

N為彈齒對農(nóng)作物秸稈的正壓力（N）;G為農(nóng)作物秸稈自身的重力（N）;Pb為被撥動農(nóng)作物秸稈由于加速度產(chǎn)生的慣性力（N）;ω為彈齒旋轉(zhuǎn)的角速度（rad）;ρ為被撥動農(nóng)作物秸稈質(zhì)心的瞬時半徑（m）;

α為彈齒與農(nóng)作物秸稈分離時的位置角（°）;β為Gn與Pb之間的夾角（°）。

2.2 曲柄滑塊壓縮機構(gòu)

曲柄滑塊壓縮機構(gòu)是農(nóng)作物秸稈打捆機的關(guān)鍵部件之一，該研究設(shè)計的曲柄滑塊壓縮機構(gòu)為偏置式結(jié)構(gòu)，其工作性能直接影響農(nóng)作物秸稈的壓縮質(zhì)量[13]。

2.2.1 曲柄滑塊壓縮機構(gòu)的力學(xué)性能分析。

農(nóng)作物秸稈被彈齒撥動時曲柄滑塊壓縮機構(gòu)的受力模型見圖4。根據(jù)曲柄滑塊壓縮機構(gòu)的運動規(guī)律和作業(yè)特點，建立XOY坐標系，O點為壓縮曲柄轉(zhuǎn)動中心，OA為壓縮曲柄，AB為壓縮連桿，X軸方向為壓縮行程方向，曲柄以ω1勻速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的角度為φ（t）。由圖4可知：

Fn=F×sinθ（t）

Ft=-F×cosθ（t）

θ（t）=arcsin-b-rsinφ（t）L

φ（t）=ωt

式中，F(xiàn)為曲柄作用于連桿的力（N）;Fn為曲柄作用在自身法向上的分力（N）;Ft為曲柄自身切向上的分力（N）;b為曲柄滑塊壓縮機構(gòu)的偏心距（m）;r為曲柄的長度（m）;L為連桿的長度（m）;φ（t）為曲柄與軸的夾角（rad）;θ（t）為連桿與曲柄的夾角（rad）。

通過分析可知，在壓縮過程中，連桿受曲柄作用的壓力，而曲柄沿切向方向受連桿反作用壓力。當(dāng)活塞運動到最遠處時，即承受的壓縮力最大時，連桿作用于活塞的力最大。此時連桿也受到相同的反作用力。機構(gòu)返回行程中，曲柄帶著連桿返回運動，受到曲柄的拉力，同時連桿拉著活塞返回運動，活塞給連桿反作用拉力。所以經(jīng)過綜合分析，連桿在壓縮過程中受壓力，并且運動到最遠處，壓力最大;在返回行程中，連桿受拉力，此時拉力遠小于最大壓縮時的力。連桿在工作過程中，在受壓力和拉力交替變換;同時曲柄在工作過程中，也是不間斷交替受壓力和拉力。所以對壓縮連桿以曲柄進行應(yīng)力疲勞研究很有必要，進而為連桿的抗疲勞設(shè)計提供依據(jù)。

2.2.2 壓縮活塞的靜力學(xué)仿真分析。

曲柄滑塊壓縮機構(gòu)主要部件為壓縮活塞，因此為保證該機具的可靠性，需要對壓縮活塞的強度和剛度進行校核。首先使用SolidWorks建立壓縮活塞的三維模型，然后使用SolidWorks Simulation對壓縮活塞進行靜應(yīng)力分析。

靜應(yīng)力分析時，根據(jù)壓縮活塞特點，在不影響機構(gòu)力學(xué)性能的前提下，對其進行簡化處理;壓縮活塞釆用的材料有Q235、65Mn和HT200，其中壓縮活塞焊接的各個板件均采用Q235結(jié)構(gòu)鋼，壓縮活塞動刀釆用65Mn，滑道采用HT200;在壓縮過程中，壓縮活塞最大壓縮壓力為22.6 kN;添加相應(yīng)約束，采用標準網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格質(zhì)量選擇良好，共劃分單元55 358個，共得到節(jié)點29 683個。壓縮活塞的應(yīng)力和應(yīng)變分布見圖5。

從圖5a可以得出，在最大壓縮力情況下，壓縮活塞最大應(yīng)力發(fā)生在壓縮面，主要集中在中間面板處，最大應(yīng)力值為2.10×108 Pa，遠小于材料的許用應(yīng)力[σ]=7.00×108 Pa（安全系數(shù)取1.5），表明壓縮活塞的強度完全滿足要求。

從圖5b可以得出，壓縮活塞在最大壓縮力的情況下，壓縮活塞變形最大的位置發(fā)生在壓縮面，主要集中在中間面板處，最大變形量為1.54×10-2 mm，壓縮活塞其他部件基本不變形，表明壓縮活塞的剛度滿足設(shè)計要求。

2.2.3 曲柄滑塊壓縮機構(gòu)的動力學(xué)分析。

首先采用SolidWorks建立曲柄滑塊壓縮機構(gòu)的三維模型，然后導(dǎo)入動力學(xué)分析軟件Adams中，對曲柄滑塊壓縮機構(gòu)進行動力學(xué)分析，得出曲柄滑塊壓縮機構(gòu)在壓縮過程中隨時間變化的曲線，從而得出壓縮裝置的最大壓縮力[14]。仿真時，設(shè)置曲柄滑塊壓縮機構(gòu)的壓縮頻率為常用壓縮頻率110次/min，仿真結(jié)果見6。當(dāng)曲柄滑塊壓縮機構(gòu)以110次/min進行壓縮時，最大壓縮力為22 500 N。

2.3 撥叉

撥叉是農(nóng)作物秸稈打捆機的關(guān)鍵部件之一，該研究設(shè)計的撥叉為雙撥叉喂入機構(gòu)，其工作性能直接影響農(nóng)作物秸稈是否能夠順利喂入延長室和壓縮室內(nèi)[15]。

為了更加清楚地了解雙撥叉喂入機構(gòu)的動作過程和運動規(guī)律，使秸稈能夠順利喂入壓縮室，首先使用SolidWorks建立雙撥叉喂入機構(gòu)的三維模型，然后使用Adams對其進行運動軌跡分析。

運動軌跡仿真時，選取喂入機構(gòu)撥叉端部頂點和撥叉曲柄與撥叉鉸接點為目標運動質(zhì)點，跟蹤并記錄雙撥叉喂入機構(gòu)的運動軌跡（圖7）。

為使雙撥叉能夠順利地將農(nóng)作物秸稈喂入延長室和壓縮室內(nèi)，雙撥叉運動關(guān)系應(yīng)是相錯的，而且不能相互干擾。通過分析可知，該雙撥叉喂入機構(gòu)滿足以上條件。

3 總結(jié)

該研究采用理論與仿真分析相結(jié)合的方法，分析了農(nóng)作物秸稈關(guān)鍵部件的運動學(xué)、靜力學(xué)和動力學(xué)等特性。經(jīng)分析可知，撿拾機構(gòu)的農(nóng)作物秸稈漏檢率符合相關(guān)要求，彈齒撿

拾農(nóng)作物秸稈時需滿足的力學(xué)條件;曲柄滑塊壓縮機構(gòu)的力學(xué)性能滿足農(nóng)作物秸稈的壓縮條件，雙撥叉喂入機構(gòu)能夠順利地將秸稈喂入壓縮室。通過該研究的分析，可以為農(nóng)作物秸稈的壓縮打捆作業(yè)提供理論支撐，提高農(nóng)作物秸稈壓捆質(zhì)量、農(nóng)作物秸稈打捆機的穩(wěn)定性和可靠性，從而促進農(nóng)作物秸稈的綜合利用。

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