與聯(lián)合收割機(jī)配套打捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

毋高峰

(焦作師范高等?？茖W(xué)校 理工學(xué)院，河南 焦作 454000)

1 緒論

農(nóng)作物秸稈具有很高的使用價(jià)值，隨著我國(guó)利用秸稈技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)作物秸稈的需求量隨之增多，但目前存在難以將秸稈快速收集利用的問題[1-2].尤其是在小麥、水稻、玉米等作物收獲季節(jié)，旬降水量和旬降水時(shí)間都較平時(shí)多，增加了短期內(nèi)將散碎秸稈收集的難度.

秸稈打捆機(jī)(后文稱為配套打捆機(jī))是一種可快速收獲秸稈的打捆機(jī).該機(jī)器直接安裝在聯(lián)合收割機(jī)的左側(cè)，通過鏈條從聯(lián)合收割機(jī)處獲得動(dòng)力，與聯(lián)合收割機(jī)組成了糧食收集和秸稈打捆同步的一體機(jī).這種裝置極大提高了農(nóng)作物剩余秸稈的收獲速度，降低了運(yùn)輸成本，提高了秸稈收集利用的效益[3-4].

工作前，將秸稈打捆的捆繩經(jīng)打結(jié)機(jī)構(gòu)和機(jī)架的穿線孔安裝到位.工作中，聯(lián)合收割機(jī)的出草口將作物秸稈噴出后，與出草口直接對(duì)接的配套打捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)將秸稈輸入集草箱中.緊接著壓縮機(jī)構(gòu)的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將秸稈壓縮，隨著秸稈的不斷進(jìn)入，以方片狀的秸稈捆不斷推動(dòng)計(jì)量輪旋轉(zhuǎn).當(dāng)壓縮后的片狀秸稈捆不斷疊加，形成的大方塊秸稈捆長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打結(jié)機(jī)構(gòu)工作，將捆繩送入打結(jié)機(jī)構(gòu)中的打結(jié)器，由打結(jié)器完成系捆動(dòng)作。隨后成型的秸稈捆會(huì)被壓縮結(jié)構(gòu)推出機(jī)架，掉落到地面，至此，一個(gè)完整的打捆動(dòng)作完成.

2 喂入機(jī)構(gòu)喂料分析

喂入機(jī)構(gòu)喂入秸稈的均勻程度、喂入量和喂入速度等因素的好壞，直接影響配套打捆機(jī)的后續(xù)動(dòng)作.因此喂入機(jī)構(gòu)工作質(zhì)量十分重要，喂入機(jī)構(gòu)出現(xiàn)問題輕可導(dǎo)致秸稈堆積堵塞，重則導(dǎo)致配套打捆機(jī)損壞.因此，對(duì)喂入機(jī)構(gòu)的工作有三點(diǎn)要求：第一，喂入機(jī)構(gòu)的撥輥撥齒的旋轉(zhuǎn)撥入運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)速可以保證秸稈正常喂入；第二，在壓縮機(jī)構(gòu)的活塞運(yùn)動(dòng)至后端點(diǎn)時(shí)，可以同時(shí)協(xié)助將喂入的秸稈推入壓縮成捆；第三，當(dāng)壓縮機(jī)構(gòu)的活塞開始前行時(shí)，阻擋后續(xù)秸稈的進(jìn)入，保證活塞后面不再出現(xiàn)秸稈[5-7].

3 喂入機(jī)構(gòu)的參數(shù)確定

3.1 出草口秸稈運(yùn)動(dòng)特性

目前，市場(chǎng)上的聯(lián)合收割機(jī)從出草口噴出的秸稈，利用的是分離清選系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)作用.分離清選系統(tǒng)中的物料速度用Va表示，Va的計(jì)算由Va=kρFV2所得[8-9]，式中：k—阻力系數(shù)；ρ—空氣密度，g/m3；F—物體的迎風(fēng)面積，m2；V—?dú)饬魉俣龋琺/s.

以河南小麥秸稈為例，市場(chǎng)主流機(jī)型小麥秸稈的Va=8.5m/s左右，小麥秸稈噴出量在0.7kg/s以上[10-11].

3.2 喂入機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件

撥輥.利用伸縮撥齒原理，可有效防止作物秸稈纏繞撥輥，避免堵塞，應(yīng)設(shè)計(jì)撥輥為三齒兩排的伸縮撥齒機(jī)構(gòu).3排撥齒每2個(gè)一組并排鉸接在撥齒軸上，每組相隔120°.為防止撥齒端點(diǎn)磨損后造成撥齒出入困難，在撥齒運(yùn)動(dòng)到最底端時(shí)，撥齒能超出輥筒外8mm，所設(shè)定的輥筒半徑r為264mm，撥齒長(zhǎng)度L為185mm，偏心距e為33mm.

撥輥轉(zhuǎn)速.據(jù)上文，出草口秸稈噴出量大小約為0.7kg/s，按照1kg/s的喂入量去設(shè)定撥輥的轉(zhuǎn)速.撥輥旋轉(zhuǎn)動(dòng)作近似為圓柱，喂入體積按照V=πL2W-πr2W計(jì)算；輥筒旋轉(zhuǎn)一周秸稈的喂入量按照m=ρkV計(jì)算.式中：W—喂入寬度，m；L—撥齒長(zhǎng)度，m；r—撥輥半徑，m；ρ—小麥秸稈密度，kg/m3；k—撥輥的充滿系數(shù).

可配套安裝秸稈打捆機(jī)的聯(lián)合收割機(jī)出草口寬度為0.45m，在此W取值為0.45m，k按照設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)取值為0.1[12-13]，可計(jì)算得到n=1/m=138r/min.

撥齒指端的速度、位移、加速度方程如下式所示，式中以撥輥主動(dòng)軸為參考.

上活塞設(shè)計(jì).上活塞的設(shè)定可以加大通過喂入機(jī)構(gòu)后秸稈的密度，也可以加強(qiáng)與撥輥運(yùn)動(dòng)的配合，以及與配套打捆機(jī)主活塞運(yùn)動(dòng)的配合.上活塞的動(dòng)力由活塞鏈輪提供，運(yùn)動(dòng)時(shí)序由正時(shí)鏈輪控制.上活塞運(yùn)行到最上端時(shí)配套打捆機(jī)的主活塞運(yùn)動(dòng)到最遠(yuǎn)端.在上活塞下端設(shè)計(jì)一個(gè)合頁(yè)，可以在上活塞下行運(yùn)動(dòng)時(shí)，合頁(yè)折疊，起到壓片的作用，可以更好地將秸稈壓縮喂入.

4 喂入機(jī)構(gòu)虛擬仿真

文中利用ADMAS軟件對(duì)喂入機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真分析，確定撥輥撥齒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性.在虛擬仿真前，為達(dá)到更加直觀的觀察，首先將喂入機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，留下與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的零件，在導(dǎo)入ADAMS仿真軟件時(shí)，喂入機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要最簡(jiǎn)化[11].本文利用SolidWorks軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化.

簡(jiǎn)化后的模型主要留下曲柄、主動(dòng)軸、撥齒軸、撥齒(每排撥齒1個(gè))，再向簡(jiǎn)化后的模型添加動(dòng)作約束和驅(qū)動(dòng).在喂入機(jī)構(gòu)工作時(shí)，撥齒的轉(zhuǎn)動(dòng)由輥外殼轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)，曲柄固定不運(yùn)動(dòng)，最后撥齒的伸縮運(yùn)動(dòng)由所設(shè)定的偏心距實(shí)現(xiàn).因此，將曲柄和地面添加上固定約束，輥筒與曲柄添加相對(duì)的旋轉(zhuǎn)副，并將其運(yùn)動(dòng)設(shè)定為主動(dòng)，轉(zhuǎn)速設(shè)定由138r/min換算為828°/s.另外，對(duì)于曲柄和撥齒、殼體與撥齒添加上實(shí)體接觸約束，撥齒與曲柄添加相對(duì)的旋轉(zhuǎn)副.添加約束后的簡(jiǎn)化喂入機(jī)構(gòu)撥輥三維簡(jiǎn)圖如圖1.ADAMS虛擬仿真中設(shè)定的單位選擇為默認(rèn)設(shè)置.

圖1 添加約束的撥輥仿真模型

大于一個(gè)周期的觀察時(shí)間可以更好地觀察完整的仿真運(yùn)動(dòng)，按照上文添加驅(qū)動(dòng)時(shí)所設(shè)置的速度828°/s，一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期時(shí)間經(jīng)計(jì)算所得為0.436s，為觀察完整運(yùn)動(dòng)仿真情況，此取End Time=1.5s.撥輥為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn).之后開始虛擬仿真分析，通過仿真分析，繪制撥齒的運(yùn)功軌跡，更加直觀地了解撥齒的運(yùn)動(dòng).撥齒的運(yùn)動(dòng)符合喂入秸稈所需的運(yùn)動(dòng)，使喂入的秸稈能隨著撥齒的運(yùn)動(dòng)到達(dá)相應(yīng)的位置，撥齒在輥筒的最下端伸出，隨后撥齒伸出筒外的長(zhǎng)度逐漸增大.撥齒端點(diǎn)的速度變化情況見圖2，從圖中可以看到撥齒端點(diǎn)的速度變化規(guī)律.三條曲線分別表示撥齒指端的合成速度V、Y速度和X速度曲線.

圖2 撥齒端點(diǎn)速度曲線

為防止從零時(shí)作為仿真運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)因突然加速度導(dǎo)致參數(shù)突然波動(dòng)，造成后續(xù)計(jì)算不夠準(zhǔn)確，仿真中將撥齒剛轉(zhuǎn)出輥筒、撥齒運(yùn)動(dòng)的最下端設(shè)定為仿真運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，標(biāo)記為端點(diǎn)1，隨后按照轉(zhuǎn)動(dòng)90°后再固定設(shè)置一個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，依次為2、3、4點(diǎn).

表1 撥齒端點(diǎn)的速度

據(jù)上文結(jié)果分析，從1點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到2點(diǎn)的過程，為撥齒開始轉(zhuǎn)出輥筒的階段，1點(diǎn)處Y方向速度幾乎為0，合速度V與X速度基本相同，約值均為1.9131m/s.合速度V、Y速度不斷增加，當(dāng)撥齒端點(diǎn)到達(dá)2點(diǎn)時(shí)，X速度近乎為0，說明此時(shí)撥齒開始撥動(dòng)將秸稈喂入，使秸稈能夠順利喂入到機(jī)構(gòu)的集草箱中.

從2點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到3點(diǎn)，合速度V和X速度繼續(xù)增大，撥齒伸出輥筒的長(zhǎng)度繼續(xù)增加，同時(shí)撥入秸稈的喂入力度也在增加.撥齒端點(diǎn)到達(dá)3點(diǎn)時(shí)，合速度V和X速度達(dá)到最大，此時(shí)撥動(dòng)秸稈喂入的力度最大。在運(yùn)動(dòng)到3點(diǎn)時(shí)相比于1點(diǎn)有更高的喂入效率.

撥齒伸出的最短點(diǎn)在點(diǎn)1，此時(shí)撥齒的速度、力度最小，消耗能量最少.從3點(diǎn)經(jīng)4點(diǎn)再運(yùn)動(dòng)回1點(diǎn)的過程，合速度V不斷減小，撥齒伸出輥筒的長(zhǎng)度也逐漸變小，可以有效避免作物秸稈纏繞輥筒，防止將已喂入的秸稈因撥齒運(yùn)動(dòng)被挑出.

通過分析配套打捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)的喂入動(dòng)作和聯(lián)合收割機(jī)出草口秸稈運(yùn)動(dòng)特性，檢驗(yàn)配套打捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)的工作可靠性.利用ADMAS仿真軟件對(duì)喂入機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，得到其撥齒運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。仿真分析得到撥齒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度及整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡.設(shè)計(jì)的喂入機(jī)構(gòu)可以滿足秸稈喂入的需求，為喂入機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ).