禚冬玲 付春香 劉凱凱 毛紅燕 廖培旺 李偉 張愛(ài)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(jī)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(duì)農(nóng)作物秸稈打捆機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析。其中，對(duì)彈齒和曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)性能分析，對(duì)拔叉和彈齒進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。分析結(jié)果表明，農(nóng)作物秸稈打捆機(jī)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(jī);關(guān)鍵部件;運(yùn)動(dòng)學(xué);靜力學(xué);動(dòng)力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào) S-233? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2021）13-0217-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.055

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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(chǔ)運(yùn)困難，而農(nóng)作物秸稈壓捆作業(yè)作為收儲(chǔ)運(yùn)作業(yè)的一項(xiàng)重要工序，直接影響農(nóng)作物秸稈的輸送與儲(chǔ)存的便利性和成本。打捆機(jī)作為農(nóng)作物秸稈壓捆作業(yè)的主要機(jī)具，直接影響農(nóng)作物秸稈的打捆質(zhì)量[4-7]。因此，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的農(nóng)作物打捆機(jī)，提高農(nóng)作物打捆質(zhì)量是有必要的。

筆者對(duì)農(nóng)作物秸稈側(cè)喂入撿拾打捆機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)分析，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物壓縮打捆機(jī)的高質(zhì)量打捆，并提高農(nóng)作物打捆機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要包括飛輪、延長(zhǎng)室、壓縮室、溜板、撥叉、喂料室、撿拾機(jī)構(gòu)、撥桿、曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)。其中，通過(guò)飛輪的慣性力將動(dòng)力傳遞給曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)，使曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)對(duì)農(nóng)作物秸稈進(jìn)行壓縮打捆[8]。

農(nóng)作物秸稈打捆機(jī)的主要工作原理是通過(guò)撿拾機(jī)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(guò)撥叉的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將撿拾的農(nóng)作物秸稈喂入延長(zhǎng)室與壓縮室之間，通過(guò)曲柄滑塊的往復(fù)周期運(yùn)動(dòng)將農(nóng)作物秸稈進(jìn)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(jī)構(gòu)是農(nóng)作物秸稈打捆機(jī)的關(guān)鍵部件之一，該研究設(shè)計(jì)的撿拾機(jī)構(gòu)為彈齒滾筒式結(jié)構(gòu)[9]。彈齒作為撿拾機(jī)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(yùn)動(dòng)軌跡分析。

由于農(nóng)作物秸稈打捆機(jī)工作時(shí)是由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，因此彈齒自身在做圓周運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還隨拖拉機(jī)向前行走，其運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線。為了更加直觀清楚地了解彈齒的動(dòng)作過(guò)程和運(yùn)動(dòng)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(duì)相鄰彈齒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡仿真[10]。運(yùn)動(dòng)軌跡仿真時(shí)，選取任意2個(gè)相鄰彈齒端部頂點(diǎn)為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)，跟蹤并記錄彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖2）。

通過(guò)分析圖2可知，相鄰兩彈齒的運(yùn)動(dòng)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(jì)的撿拾機(jī)構(gòu)的漏撿區(qū)比較小，使農(nóng)作物秸稈的漏檢率達(dá)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(dòng)時(shí)的受力模型見(jiàn)圖3。彈齒能夠順利地將農(nóng)作物秸稈撥入喂料室，必須滿(mǎn)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(mǎn)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(duì)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(dòng)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(dòng)農(nóng)作物秸稈質(zhì)心的瞬時(shí)半徑（m）;

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

2.2 曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)

曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)是農(nóng)作物秸稈打捆機(jī)的關(guān)鍵部件之一，該研究設(shè)計(jì)的曲柄滑塊壓縮機(jī)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(jī)構(gòu)的力學(xué)性能分析。

農(nóng)作物秸稈被彈齒撥動(dòng)時(shí)曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)的受力模型見(jiàn)圖4。根據(jù)曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和作業(yè)特點(diǎn)，建立XOY坐標(biāo)系，O點(diǎn)為壓縮曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心，OA為壓縮曲柄，AB為壓縮連桿，X軸方向?yàn)閴嚎s行程方向，曲柄以ω1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的偏心距（m）;r為曲柄的長(zhǎng)度（m）;L為連桿的長(zhǎng)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(guò)分析可知，在壓縮過(guò)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(yùn)動(dòng)到最遠(yuǎn)處時(shí)，即承受的壓縮力最大時(shí)，連桿作用于活塞的力最大。此時(shí)連桿也受到相同的反作用力。機(jī)構(gòu)返回行程中，曲柄帶著連桿返回運(yùn)動(dòng)，受到曲柄的拉力，同時(shí)連桿拉著活塞返回運(yùn)動(dòng)，活塞給連桿反作用拉力。所以經(jīng)過(guò)綜合分析，連桿在壓縮過(guò)程中受壓力，并且運(yùn)動(dòng)到最遠(yuǎn)處，壓力最大;在返回行程中，連桿受拉力，此時(shí)拉力遠(yuǎn)小于最大壓縮時(shí)的力。連桿在工作過(guò)程中，在受壓力和拉力交替變換;同時(shí)曲柄在工作過(guò)程中，也是不間斷交替受壓力和拉力。所以對(duì)壓縮連桿以曲柄進(jìn)行應(yīng)力疲勞研究很有必要，進(jìn)而為連桿的抗疲勞設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)主要部件為壓縮活塞，因此為保證該機(jī)具的可靠性，需要對(duì)壓縮活塞的強(qiáng)度和剛度進(jìn)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(duì)壓縮活塞進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

靜應(yīng)力分析時(shí)，根據(jù)壓縮活塞特點(diǎn)，在不影響機(jī)構(gòu)力學(xué)性能的前提下，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)板件均采用Q235結(jié)構(gòu)鋼，壓縮活塞動(dòng)刀釆用65Mn，滑道采用HT200;在壓縮過(guò)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(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格質(zhì)量選擇良好，共劃分單元55 358個(gè)，共得到節(jié)點(diǎn)29 683個(gè)。壓縮活塞的應(yīng)力和應(yīng)變分布見(jiàn)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(yuǎn)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(qiáng)度完全滿(mǎn)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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析。

首先采用SolidWorks建立曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)的三維模型，然后導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams中，對(duì)曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)在壓縮過(guò)程中隨時(shí)間變化的曲線，從而得出壓縮裝置的最大壓縮力[14]。仿真時(shí)，設(shè)置曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)的壓縮頻率為常用壓縮頻率110次/min，仿真結(jié)果見(jiàn)6。當(dāng)曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)以110次/min進(jìn)行壓縮時(shí)，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(jī)的關(guān)鍵部件之一，該研究設(shè)計(jì)的撥叉為雙撥叉喂入機(jī)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(zhǎng)室和壓縮室內(nèi)[15]。

為了更加清楚地了解雙撥叉喂入機(jī)構(gòu)的動(dòng)作過(guò)程和運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)的三維模型，然后使用Adams對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡分析。

運(yùn)動(dòng)軌跡仿真時(shí)，選取喂入機(jī)構(gòu)撥叉端部頂點(diǎn)和撥叉曲柄與撥叉鉸接點(diǎn)為目標(biāo)運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)，跟蹤并記錄雙撥叉喂入機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)室和壓縮室內(nèi)，雙撥叉運(yùn)動(dòng)關(guān)系應(yīng)是相錯(cuò)的，而且不能相互干擾。通過(guò)分析可知，該雙撥叉喂入機(jī)構(gòu)滿(mǎn)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(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)等特性。經(jīng)分析可知，撿拾機(jī)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(shí)需滿(mǎn)足的力學(xué)條件;曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)的力學(xué)性能滿(mǎn)足農(nóng)作物秸稈的壓縮條件，雙撥叉喂入機(jī)構(gòu)能夠順利地將秸稈喂入壓縮室。通過(guò)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(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，從而促進(jìn)農(nóng)作物秸稈的綜合利用。

參考文獻(xiàn)

[1]

王丹丹.農(nóng)作物秸稈的綜合利用與可持續(xù)發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（11）：264-268.

[2] 周春婧.農(nóng)作物秸稈綜合利用分析[J].中國(guó)科技信息，2020（23）：36-37.

[3] 王立開(kāi)，凌紀(jì)英.農(nóng)作物秸稈高效利用新方法及關(guān)鍵技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備，2020（8）：75-76.

[4] 張士勝，霍家佳，洪登華，等.我國(guó)農(nóng)作物秸稈收儲(chǔ)運(yùn)體系現(xiàn)狀·問(wèn)題及對(duì)策[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（19）：260-261，264.

[5] 姜偉，張華，李娜，等.山東省農(nóng)作物秸稈利用與裝備現(xiàn)狀[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（2）：169-174.

[6] 劉紹鋒，盧春嶺.農(nóng)作物秸稈收儲(chǔ)運(yùn)機(jī)械化技術(shù)應(yīng)用探討[J].山東農(nóng)機(jī)化，2019（1）：46-48.

[7] 惠金泉.機(jī)械化秸稈綜合利用的形式及意義[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2019（7）：91.

[8] 廖培旺，劉凱凱，宋德平，等.基于側(cè)喂入打捆機(jī)的棉稈壓捆試驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，24（8）：133-146.

[9] 賈吉秀.彈齒滾筒式玉米秸稈撿拾機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[10] 郭衛(wèi)東，李守忠，馬璐.ADAMS2013應(yīng)用實(shí)例精解教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[11] 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[12] 廖培旺，禚冬玲，王成，等.棉田地膜回收打捆機(jī)關(guān)鍵部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（8）：27-31.

[13] 周桂霞，李玉清，張偉，等.基于MATLAB的牧草壓捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)仿真分析[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2011（4）：4-5.

[14] 張愛(ài)民，廖培旺，趙新學(xué)，等.壓捆試驗(yàn)平臺(tái)及其測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（5）：160-170.

[15] 陳月鋒，景全榮，汪雄偉，等.秸稈打捆機(jī)雙撥叉喂入機(jī)構(gòu)虛擬仿真設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程，2012，2（10）：43-46.