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)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平大大地提高了，對(duì)于畜產(chǎn)品的需求也水漲船高，畜牧業(yè)亦成為我國農(nóng)業(yè)的主體，草飼料的需求也大幅增加，裹包圓草捆得到了廣泛的應(yīng)用。然而，草捆包在搬運(yùn)過程中很容易破損，而且，人工搬運(yùn)也很費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此，為了提高工作效率，降低草捆包外膜的破損率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，研發(fā)一種專用的搬運(yùn)裹包圓草捆的機(jī)具勢(shì)在必行。

1 掛載托架的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

本機(jī)具設(shè)計(jì)的是一種通過拖拉機(jī)掛載的標(biāo)準(zhǔn)掛接機(jī)構(gòu)，再掛載夾包機(jī)。掛載機(jī)構(gòu)為兩側(cè)對(duì)稱的型式，分前后兩節(jié)，后節(jié)固定在拖拉機(jī)上，可繞固定軸旋轉(zhuǎn)一定角度，前節(jié)與后節(jié)通過另一組銷軸連接，可繞連接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩節(jié)都由液壓缸提供動(dòng)力，形成類似于人的手臂的結(jié)構(gòu)，能比較靈活地帶動(dòng)前端的掛載托架升高降低、推前拉后。這種標(biāo)準(zhǔn)的掛接機(jī)構(gòu)比較常見，我們只需要設(shè)計(jì)能與掛載機(jī)構(gòu)連接的掛載托架(可通用于我們?cè)O(shè)計(jì)開發(fā)的夾包機(jī)、切包機(jī))和夾包機(jī)。簡單的外型分析后，要對(duì)掛載托架和夾包機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)及用材設(shè)計(jì)，兩個(gè)機(jī)具本著在能實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的情況下，遵循盡量輕巧耐用的原則。

1.2 掛載托架的設(shè)計(jì)思路

如圖1，此托架可適用于我們開發(fā)設(shè)計(jì)的夾包機(jī)和切包機(jī)，圖中S形曲臂和下連接點(diǎn)，用于連接標(biāo)準(zhǔn)掛接機(jī)構(gòu)的前節(jié)，用于調(diào)整托架的傾斜角。上掛軸與夾包機(jī)的上掛鉤連接，快插銷軸組與夾包機(jī)下掛鉤連接，夾包機(jī)的上掛鉤是開口鉤型結(jié)構(gòu)，可以從上方掛入托架的上掛軸。夾包機(jī)的下掛鉤是不開口耳型結(jié)構(gòu)，當(dāng)整機(jī)與托架貼緊后，松開快插銷軸組，正好銷軸能插入下掛鉤的圓孔，這樣就固定住了掛載的夾包機(jī)。要卸下夾包機(jī)只需拉動(dòng)快插銷軸組，使銷軸錯(cuò)開下掛鉤，控制托架傾斜角，使托架下部遠(yuǎn)離夾包機(jī)，再調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)掛接機(jī)構(gòu)使托架整體向下移動(dòng)，使上掛軸脫離夾包機(jī)上掛鉤，這樣就卸下了夾包機(jī)，可以去掛載有相同掛鉤的其它機(jī)具，比如同系列的切包機(jī)。本掛載托架盡量減少了使用厚重的方管，代之以圓鋼，在保證整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，整機(jī)更為輕巧；快插銷軸也使得本機(jī)具掛載和拆卸其它配套機(jī)具更方便快捷。

1.S形曲臂；2.上掛軸；3.主橫梁；4.側(cè)板；5.快插銷軸組；6.下橫軸；7.下連接點(diǎn)

2 夾包機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原理

在草捆包運(yùn)輸過程中，為了保證外包裝膜的完好，最好用一塊托板托著草捆包的底端來移動(dòng)，不過由于裹包圓草捆存放是多層堆放在一起，托板很難插入草捆包底端，所以，這個(gè)方案行不通。那么只能用相對(duì)更復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，像人手一樣，既能抓住草捆包，又能控制力度，不至于力量太大抓破草捆包的外覆膜。大致結(jié)構(gòu)就是一個(gè)液壓缸帶動(dòng)兩個(gè)可繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的對(duì)稱夾包臂，夾包臂隨著液壓缸的伸縮繞固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，兩臂前端形成閉合、放開狀態(tài)，這樣也就能夾取、放開草捆包。

2.2 設(shè)計(jì)思路

為先確定關(guān)鍵部件(夾包手)尺寸外形，再確定機(jī)架等結(jié)構(gòu)。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)夾包手的材料應(yīng)選用鋼管而不是鋼板來制作，夾包手設(shè)計(jì)成一定彎折角度，以增大與草捆包的接觸面積，減小壓強(qiáng)，降低夾破草捆包外覆膜的幾率，而且圓管制作的夾包手在夾住草捆包，使其產(chǎn)生形變，也能增加摩檫力，避免夾不住草捆包，在移動(dòng)的過程中掉落。經(jīng)過試驗(yàn)，圓管陷入草捆包50～100 mm之間，就可以夾緊草捆包，再深就容易夾破草捆包外覆膜了，所以，工作中操作人員要控制好夾包手閉合尺寸，夾住了就不要再加力了，以免破壞草捆包。

利用左右兩個(gè)夾包手和機(jī)架前部的固定架一同夾緊草捆包圓柱面，考慮到本機(jī)具要適用于多種直徑的草捆包，因此夾包手與固定架包裹形成的近似于圓的直徑應(yīng)該在0.75～1.15 m之間，這樣在夾緊草捆包使其產(chǎn)生一定形變后，可以穩(wěn)定夾取直徑在0.8～1.2 m的草捆包，而這也決定了夾包手中部的彎折角度，如圖2所示。

圖2 夾包臂定形圖

2.3 整機(jī)結(jié)構(gòu)

通過夾包臂的彎折角度、長度以及兩臂之間距離就能確定液壓缸的尺寸和沖程，繼而也可將整體機(jī)架的尺寸確定下來。如圖3，機(jī)架以四段方管做為主體框架，背部焊接上、下掛鉤，前部焊接人字形支架，用以固定U型橫梁，橫梁兩端通過定軸與夾包臂連接，這樣夾包臂就能繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，夾包臂前端焊接夾包手，后端以銷軸同液壓缸連接。前面已經(jīng)確定了液壓缸的沖程及外形尺寸，還要通過整機(jī)的結(jié)構(gòu)來確定液壓缸的動(dòng)力輸出，在保證能夾住最重的草捆包的前提下，夾緊的力量不能太大，避免損壞草捆包外覆膜。

1.機(jī)架；2.下掛鉤；3.上掛鉤；4.液壓缸；5.夾包臂；6.夾包手；7.固定架；8.定軸

2.4 液壓缸設(shè)計(jì)

經(jīng)測(cè)試，在500 kgf壓力作用下，可將φ60圓管壓入玉米秸稈青貯圓草捆包80 mm，能夠夾住草捆包并在顛簸路面移動(dòng)而不掉落，為了適應(yīng)不同的草捆包，如果將壓力放大到700 kgf，根據(jù)圖3結(jié)構(gòu)尺寸，就可計(jì)算出液壓缸需輸出動(dòng)力最大值

Fmax=550×700÷220≈1750 kgf

再代入缸筒內(nèi)壁直徑D=60 mm，則算出液壓缸額定壓強(qiáng)

P=(1750×9.8)÷(3.14×0.032)≈6.07 MPa

因此選擇額定壓強(qiáng)P≥6.07 MPa的液壓缸即可滿足本機(jī)具的需求。

3 應(yīng)力集中部位的受力分析

由于整個(gè)夾包臂只有一個(gè)定軸與機(jī)架連接，夾包臂與夾起來的草捆包的重量，都靠夾包臂與定軸連接處上下兩塊鋼板承擔(dān)，為了保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，利用simulation軟件對(duì)夾包臂進(jìn)行了以下簡化的受力分析過程：(1)只做單面夾包臂的受力分析，夾臂部分為普通碳鋼；(2)去掉了夾包手部分，把整個(gè)夾包臂及草捆包重量都算在單臂上，因?yàn)樵跈C(jī)具夾包移動(dòng)過程中，路面不平可能會(huì)造成單臂受力增大；(3)假定與定軸連接處的兩塊鋼板開的圓孔內(nèi)壁為固定面，因?yàn)榇┥箱N軸后，此處為固定旋轉(zhuǎn)軸；(4)假定所有重力都作用于夾包臂的前半部分，而且，設(shè)定夾起的是本機(jī)具能夾取的最大直徑的草捆包。通過以上設(shè)定，得出的作用力F

F=(M臂+M包)×g
F=(74+850)×9.8
F=9055.2 N

取F=10 000 N做受力分析，如圖4。

圖4 夾包臂受力分析圖

在遠(yuǎn)大于理論重力的作用下，夾包臂定軸連接部分變形不大，前部變形也沒有超出材料極限，如果前部再連上夾包手的四根圓管，那么強(qiáng)度還會(huì)明顯提升。

在本次受力分析中，重點(diǎn)關(guān)注圓孔部分，由于增加了兩個(gè)加強(qiáng)備板和一個(gè)橫向加強(qiáng)筋，使得整體強(qiáng)度大幅度提高，應(yīng)力在承受范圍內(nèi)，形變也很小，考慮可以減小各處采用的材料厚度，以降低整機(jī)重量，為了保證圓孔內(nèi)壁強(qiáng)度，還可以用強(qiáng)度更好的材料做軸套，焊接在圓孔內(nèi)，加入潤滑油，以增加耐磨性?？紤]到與其相連的U形橫梁頭部也是主要受力部位，因此，通過加厚U形橫梁頭部所用鋼板，采用整體包圍結(jié)構(gòu)，其中部焊接著一個(gè)長軸套，軸套與銷軸配合不能過松，以免因夾包臂上下擺動(dòng)太大而變形，損毀機(jī)具。本機(jī)具液壓缸除了兩端分別與夾包臂通過銷軸連接外，并無任何部位與機(jī)架相連，只靠夾取草捆包時(shí)，利用草捆包與夾包臂兩端受力平衡來調(diào)整液壓缸所處位置，因此，在沒有夾草捆包而兩個(gè)夾包臂沒有對(duì)稱的情況下，應(yīng)盡量避免閉合兩夾包臂導(dǎo)致液壓缸與機(jī)架的磕碰。

4 結(jié)論

以上設(shè)計(jì)的是一種通用的掛載托架和與其掛接的一種夾包機(jī)，可以降低青貯裹包圓草捆人工運(yùn)輸中破損率高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺陷，通過對(duì)機(jī)具關(guān)鍵部位的受力分析，優(yōu)化了設(shè)計(jì)。