楊志超，張 云，劉忠舍

牽引式草捆拆包粉碎機(jī)的設(shè)計與實驗研究

楊志超1，張 云1，劉忠舍2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；2.呼倫貝爾市蒙拓農(nóng)牧科技股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

為實現(xiàn)草捆拆包與粉碎的機(jī)械化和自動化，設(shè)計了一種草捆拆包粉碎機(jī)。該機(jī)采用液壓系統(tǒng)控制草捆撿拾機(jī)構(gòu)和草捆旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的動作，碎草機(jī)構(gòu)動力由拖拉機(jī)動力輸出軸提供，調(diào)整托草環(huán)機(jī)構(gòu)可粉碎出不同長度的牧草。整機(jī)由三維軟件SolidWorks進(jìn)行建模與仿真，并對重要部件碎草刀進(jìn)行了有限元分析。樣機(jī)出廠后，對其進(jìn)行大量粉碎草捆試驗，結(jié)果表明：經(jīng)三維建模仿真并不斷優(yōu)化，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，操作方便，可有效拆包并粉碎草捆；該拆包粉碎機(jī)完全符合使用要求，整機(jī)撿拾、拆包、碎草動作靈活，操作簡單，拆包率為100%，牧草粉碎長度可調(diào)，最小長度3cm，牧草拋撒距離可調(diào)，距離范圍1～10m。

草捆；粉碎拆包機(jī)；牽引式

0 引言

現(xiàn)階段，我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了一些牧草收運設(shè)備，但這些設(shè)備已經(jīng)不能滿足牧民們的需要，尤其在草捆拆包及牧草粉碎方面需要更穩(wěn)定、更高效的設(shè)備來滿足牧民的需要。雖然國內(nèi)捆草機(jī)發(fā)展速度較快，但沒有相應(yīng)的大型拆包、碎草設(shè)備，通?？咳斯砀顢嗖堇ν獾睦K或捆網(wǎng)來播分大型草捆，再運送到粉碎機(jī)的入料口進(jìn)行粉碎。

當(dāng)用戶使用打捆機(jī)穿梭在牧場作業(yè)的時候，大多是方捆機(jī)、圓捆機(jī)，卻很少看到拆包機(jī)。有結(jié)結(jié)實實的打捆，當(dāng)然需要徹徹底底的拆捆。這兩種相逆的作業(yè)流程，完成了飼料從牧場到棚間的整個機(jī)械過程。因此，有了“打捆專家”，自然不能缺少“拆包專家”[1]。

國外有很多先進(jìn)的牧草碎草設(shè)備，其不足之處在于國外機(jī)型以大型為主，價格昂貴，與我國國產(chǎn)動力機(jī)械不配套，也與國內(nèi)的牧草種植模式、地塊條件等匹配性差。受農(nóng)牧民經(jīng)濟(jì)條件的限制，國外的農(nóng)牧業(yè)機(jī)械設(shè)備在國內(nèi)推廣應(yīng)用存在一定的局限性。因此，需要一款適合本國飼養(yǎng)規(guī)模和飼養(yǎng)特點的拆包、粉碎機(jī)，根據(jù)國內(nèi)的配套動力、草捆大小和牧民經(jīng)濟(jì)條件等各種因素，設(shè)計出一款符合國內(nèi)發(fā)展需要的設(shè)備，來填補這一項目的空白。本文根據(jù)國內(nèi)的配套動力、草捆大小和牧民經(jīng)濟(jì)條件等各種因素，設(shè)計出一款符合國內(nèi)畜牧業(yè)發(fā)展需要的設(shè)備，該設(shè)備是實現(xiàn)草料生產(chǎn)機(jī)械化產(chǎn)業(yè)鏈的重要環(huán)節(jié)。

1 草捆拆包粉碎機(jī)整體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

牽引式草捆拆包粉碎機(jī)主要包括牽引架、車架主體、碎草倉、碎草轉(zhuǎn)子、托草轉(zhuǎn)子、托草環(huán)、行走總成、托草環(huán)調(diào)整把手、托草環(huán)調(diào)整機(jī)構(gòu)、托草轉(zhuǎn)子液壓馬達(dá)、撿拾油缸、草捆撿拾機(jī)構(gòu)及擋草簾機(jī)構(gòu)等，如圖1所示。整機(jī)采用矩形管與Q235折彎板焊合而成，在滿足使用要求的前提下盡量減少材料成本。

草捆拆包粉碎機(jī)使用56kW以上輪式拖拉機(jī)牽引作業(yè)，碎草時需拖拉機(jī)動力輸出軸給碎草轉(zhuǎn)子提供動力，動力輸出軸轉(zhuǎn)速需為1 000r/min；液壓系統(tǒng)可控制托草轉(zhuǎn)子和草捆撿拾機(jī)構(gòu)的運動，來完成草捆撿拾和草捆旋轉(zhuǎn)動作。該機(jī)碎草前可控制液壓系統(tǒng)將一捆草放入碎草倉內(nèi)，草捆撿拾機(jī)構(gòu)還可叉起另一捆草并控制液壓缸將草叉傾斜一定角度，防止草捆掉落。手動調(diào)整托草環(huán)機(jī)構(gòu)可控制碎草刀到草捆的距離，可以粉碎出不同長度的牧草，最短碎草長度3cm。碎草前液壓調(diào)整擋草簾位置可控制牧草拋撒距離，最遠(yuǎn)拋灑距離10m，一切工作僅需拖拉機(jī)手一人完成，節(jié)約了人力，降低了勞動成本。

1.托草環(huán)調(diào)整把手 2.車架主體 3.托草環(huán)調(diào)整機(jī)構(gòu) 4.托草轉(zhuǎn)子液壓馬達(dá) 5.撿拾油缸 6.碎草倉 7.行走總成 8.草捆撿拾機(jī)構(gòu) 9. 擋草簾機(jī)構(gòu) 10.托草轉(zhuǎn)子 11.托草環(huán) 12.碎草轉(zhuǎn)子 13.牽引架圖1 牽引式草捆拆包粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of Traction type bale unpacking crusher

1.2 工作過程

牽引式草捆拆包粉碎機(jī)由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，工作時由拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)和動力輸出軸共同提供動力，完成撿拾、拆包、粉碎及拋撒的一系列粉碎過程。

工作前，將機(jī)器牽引與拖拉機(jī)后懸掛連接，動力輸出軸與機(jī)器傳動軸連接，4根液壓管分別連接拖拉機(jī)液壓輸出口，調(diào)整托草環(huán)高度，液壓調(diào)整擋草簾位置。機(jī)器工作時，先控制液壓系統(tǒng)將機(jī)器撿拾機(jī)構(gòu)草叉放下，拖拉機(jī)手開動拖拉機(jī)倒車叉草，然后反向控制拖拉機(jī)液壓操縱桿使撿拾液壓油缸提升，帶動草捆撿拾機(jī)構(gòu)將草捆翻落到碎草倉內(nèi)，如需要，可繼續(xù)撿拾另一捆草并控制液壓缸將草叉傾斜一定角度，防止草捆掉落。到碎草地點時，操縱另一個液壓手柄使托草轉(zhuǎn)子液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)帶動托草轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使草捆旋轉(zhuǎn)，同時接合拖拉機(jī)動力輸出軸并開動拖拉機(jī)，控制油門使動力輸出軸轉(zhuǎn)速為1 000r/min左右；拖拉機(jī)緩慢行駛開始拆包碎草，完全打散草捆后，可正反向來回控制托草轉(zhuǎn)子液壓手柄，使牧草更順暢地進(jìn)入碎草轉(zhuǎn)子粉碎并拋出。拆包碎草機(jī)作業(yè)情況如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 草捆撿拾機(jī)構(gòu)的設(shè)計

草捆撿拾機(jī)構(gòu)的作用是將草捆撿拾并翻運到碎草倉內(nèi)，該機(jī)構(gòu)直接關(guān)系到草捆撿拾是否成功。圖3為撿拾臂結(jié)構(gòu)圖。

1.草叉 2.草捆 3.撿拾油缸 4.撿拾提升臂 5.撿拾固定架 6.旋轉(zhuǎn)軸管圖3 撿拾臂結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure diagram of lifting arm

根據(jù)草捆的幾何尺寸與野外所處環(huán)境，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、能滿足撿拾功能和高效率的草捆撿拾裝置，提出了精簡桿件焊合構(gòu)架與最佳桿件彎曲、傾斜相結(jié)合的提升臂結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念[2]。

機(jī)器撿拾草捆時需要倒車撿拾，機(jī)器倒車方向與草捆軸線方向總會有一定的夾角，所以設(shè)計草叉前端折彎一定角度，帶弧的草叉前端接觸到草捆，機(jī)器繼續(xù)倒車，草叉將自動擺正并撿拾草捆。

本次試驗撿拾草捆為捆繩圓草捆，草捆直徑1.3m，長1.5m。經(jīng)實地試驗，該撿拾機(jī)構(gòu)可以在平地上撿拾機(jī)器倒車方向與草捆軸線方向呈30°角范圍內(nèi)的圓草捆。

2.2 托草環(huán)調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計

為滿足農(nóng)牧民對粉碎牧草不同長度的要求，設(shè)計一種簡單、有效的碎草長度調(diào)整機(jī)構(gòu)，使用者可隨意調(diào)整碎草長度，來增加牧草對牲畜的適口性。該機(jī)構(gòu)中的各個零部件相互配合動作，來調(diào)節(jié)碎草刀到草捆間的距離，調(diào)整范圍0～5cm，被粉碎牧草長度范圍3～20cm。圖4為托草環(huán)調(diào)整機(jī)構(gòu)局部放大圖。

1.連接螺栓 2.調(diào)整板焊合 3.U型環(huán) 4.托草環(huán)焊合 5.調(diào)整圓管焊合 6.連接板 7.限位擋板4 8.調(diào)整把手圓管焊合圖4 托草環(huán)調(diào)整機(jī)構(gòu)局部放大圖Fig.4 Grass ring adjustment mechanism of partial enlargement

手動旋轉(zhuǎn)托草環(huán)調(diào)整把手帶動調(diào)整把手圓管焊合轉(zhuǎn)動，通過連接板帶動調(diào)整圓管焊合動作，因為有限位擋板，調(diào)整圓管只能沿兩面相切的的方向上下移動，進(jìn)而帶動托草環(huán)上下動作；托草環(huán)的另一端由一組U型環(huán)將其固定在調(diào)整板焊合上，調(diào)整板焊合兩側(cè)由螺栓連接并可繞其轉(zhuǎn)動。

2.3 草捆轉(zhuǎn)向與碎草部件轉(zhuǎn)向的相互關(guān)系

因為圓草捆的成型是由內(nèi)向外一層一層的，所以碎草時，牧草也是一層一層從圓草捆上撥下來，托草轉(zhuǎn)子與碎草轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，草捆與碎草轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向相同；托草轉(zhuǎn)子由液壓馬達(dá)提供旋轉(zhuǎn)動力，轉(zhuǎn)速比碎草轉(zhuǎn)子慢很多。圖5為草捆與機(jī)器轉(zhuǎn)向圖。

2.4 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

液壓與機(jī)械傳動、電氣傳動相比具有安裝方便靈活、質(zhì)量輕、體積小、反應(yīng)速度快及可實現(xiàn)自動過載保護(hù)等特點。液壓技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中，能夠提高農(nóng)機(jī)機(jī)械的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)含量，是農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展趨勢之一[3]。

該機(jī)全部使用螺紋插裝閥，泄露小，質(zhì)量輕，集成度高，加工改型相對容易，制造成本低[4]。該機(jī)整個液壓系統(tǒng)主要控制草捆撿拾油缸升降，完成撿拾草捆動作；控制擋草簾升降，來調(diào)整碎草拋灑距離；控制托草轉(zhuǎn)子液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動?？紤]大部分國產(chǎn)拖拉機(jī)的液壓動力輸出系統(tǒng)有兩套，設(shè)計1組液壓閥控制整個機(jī)器4個油缸動作，另一組液壓控制2個液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動。圖6為撿拾油缸、擋草簾油缸原理圖。

1.圓草捆 2.托草轉(zhuǎn)子 3.托草環(huán)機(jī)構(gòu) 4.碎草轉(zhuǎn)子 5.托草環(huán)調(diào)整機(jī)構(gòu)圖5 草捆與碎草部件轉(zhuǎn)向圖Fig.5 Bale and crushed grass components

1.擋草簾液壓油缸 2.蓄能器 3.雙向溢流閥 4.節(jié)流閥 5.二位二通電磁換向閥(錐閥) 6.草捆撿拾油缸 7.液壓鎖 8.二位二通電磁換向閥(滑閥)圖6 液壓原理圖Fig.6 Hydraulic principle diagram

機(jī)器倒車撿拾草捆時，控制手持終端打開8位置的一組二位二通電磁換向閥，同時操作拖拉機(jī)液壓手柄將草叉放到可以撿拾草捆的位置，倒車叉草；然后，反向操作該液壓手柄，使草捆撿拾機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，將草捆拋送到碎草倉內(nèi)，如需要，可以撿拾另一個草捆備用?？紤]拖拉機(jī)液壓閥有內(nèi)泄露，當(dāng)撿拾機(jī)構(gòu)叉起另一捆草并翻轉(zhuǎn)一定角度后，因重力作用該液壓系統(tǒng)的自泄露會導(dǎo)致草叉反向翻轉(zhuǎn)，草捆掉落，所以草捆撿拾液壓油路中增加一組7位置的液壓鎖，液壓鎖可使執(zhí)行元件在任意位置停留，并能防止在外力作用下的漂移或竄動，這種回路能使執(zhí)行元件長期鎖緊[5],即使斷開動力液壓油，因液壓鎖的存在，草捆也不會掉落。因有液壓鎖的存在，選擇該換向閥的閥芯為滑閥結(jié)構(gòu)，節(jié)省成本。碎草時，可隨時控制擋草簾的升降來控制碎草的拋撒距離，操控手持終端打開5位置的一組二位二通電磁換向閥，同時操作同一組拖拉機(jī)液壓手柄來完成擋草簾的升降?？紤]擋草簾持續(xù)受到外力作用，增加蓄能器來為該油路持續(xù)保壓，當(dāng)停止向執(zhí)行元件供油時，由蓄能器釋放儲存的壓力油，補償系統(tǒng)泄露，維持系統(tǒng)壓力，以減少能耗和降低溫度。為減小系統(tǒng)內(nèi)泄露，選用錐閥閥芯的電磁換向閥。為防止操作員升起擋草簾油缸時發(fā)生誤操作或其它原因?qū)е聯(lián)醪莺熓芰αμ髶p壞油缸和蓄能器，在油路中裝有3雙向溢流閥，當(dāng)油路壓力過大接近蓄能器可承受的最大壓力時，溢流閥開啟泄壓，保護(hù)蓄能器和油缸?？紤]擋草簾油缸緩慢動作可以更精準(zhǔn)地控制牧草拋撒距離，油路中增加一個直徑為1mm阻尼孔的二通接頭，控制液壓流量，起調(diào)速作用。兩套液壓油路通過手持終端控制共用一組拖拉機(jī)液壓輸出接頭。

3 碎草轉(zhuǎn)子的設(shè)計與碎草刀的有限元分析

3.1 碎草轉(zhuǎn)子的設(shè)計

另外，今年還新增了“最佳格魯吉亞葡萄酒”獎杯項目，由Chateau Mukhrani Réserve Royale Red 獲得。東歐的另一焦點地區(qū)是捷克共和國，今年無論是參賽或得獎數(shù)目均有一倍的上升。

碎草轉(zhuǎn)子是整個機(jī)器的核心部件，主要完成拆包、碎草及拋撒牧草的工作。在一定程度上，碎草轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快，粉碎的牧草長度就越短。考慮制造加工精度和拖拉機(jī)動力輸出軸的最高轉(zhuǎn)速，確定碎草轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為1 000r/min。圖7為碎草轉(zhuǎn)子。

圖7 碎草轉(zhuǎn)子Fig.7 Crushed grass rotor

根據(jù)JB/T 5155-2013，當(dāng)碎草轉(zhuǎn)子(帶碎草刀)，寬度與轉(zhuǎn)子直徑之比大于0.2時，轉(zhuǎn)子應(yīng)按GB/T9239.1-2006的規(guī)定做動平衡實驗，其精度不低于G16級。根據(jù)NY 644-2002，粉碎機(jī)的轉(zhuǎn)子應(yīng)按SB/T 10117錘片式粉碎機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中的要求做動平衡效驗，所以該拆包機(jī)碎草轉(zhuǎn)子需做動平衡測試。碎草刀的設(shè)計應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)，主要采用耐磨材料和優(yōu)化碎草刀結(jié)構(gòu)兩個方面來提高錘片的工作性能。碎草刀材料選擇65Mn，具有硬度高、耐磨性好、淬透性好、脫碳傾向少、價格低廉及切削性好等優(yōu)點。碎草刀整體調(diào)質(zhì)，刀刃部分高頻淬火，碎草刀頂部刀刃角為45°，既可鋒利碎草又不易崩刃；碎草刀中部設(shè)計有凹槽，可以更遠(yuǎn)地將碎草拋撒出去。

3.2 碎草刀的有限元分析

進(jìn)行有限元分析，可以增加設(shè)計功能，減少設(shè)計成本，增強(qiáng)產(chǎn)品和工程的可靠性，降低材料的消耗，在產(chǎn)品制造或工程施工前發(fā)現(xiàn)潛在的問題。將有限元分析方法應(yīng)用于實踐中，有助于提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量與效率[6]。

選用SolidWorks中simulation插件對碎草刀進(jìn)行有限元分析，操作步驟為：創(chuàng)建三位模型，打開simulation插件，添加夾具，添加載荷，定義材料；運行與結(jié)果。圖8為對碎草刀的受力分析圖。

圖8 碎草刀受力分析圖Fig.8 Crushed grass blade force analysis

碎草刀可以深入草捆的最大距離為8cm，假設(shè)碎草刀與草捆軸線方向垂直，所受力記為N。碎草轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速1 000r/min，所受慣性力記為Fg。刀下端用螺栓固定在碎草轉(zhuǎn)子上，此處添加固定約束，則

N=q×Δs

F=mw2r

式中q—比壓(即單位刃口長的切割阻力)，參考玉米秸稈的比壓值，取q=12.7N/cm[7]；

m—碎草刀質(zhì)量，取m=1.28kg；

w—碎草轉(zhuǎn)子角速度，取w=16.7r/s；

r—碎草刀到轉(zhuǎn)子中心半徑，取r=0.315m。

帶入數(shù)據(jù)求得F合=114.5N。

有限元分析結(jié)果如圖9所示。從分析結(jié)果中可以看出：碎草刀的vonMises(N/m2)[8]最大為1.715e+007，而材料最大屈服力為7.002e+008,最大應(yīng)力處在碎草刀與碎草刀圓管焊接處；碎草刀的URES(mm)最大為1.654e-001，最大位移在碎草刀頂端位置。

圖9 有限元分析結(jié)果Fig.9 The finite element analysis

4 試驗與分析

本次試驗地點位于內(nèi)蒙古呼倫貝爾海拉爾哈克牧場院內(nèi)，試驗粉碎的草捆為捆繩圓草捆，內(nèi)松外緊，草捆直徑1.3m，高1.5m，重300kg左右，牧草長度20～40mm。

正交設(shè)計是利用正交表科學(xué)地安排與分析多因素試驗的方法[9]，是根據(jù)正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進(jìn)行試驗，這些點具有“均勻分散，整齊可比”的特點，是一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)的試驗設(shè)計方法。本次選擇正交試驗設(shè)計對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。正交試驗設(shè)計如表1所示，試驗方案及結(jié)果如表2所示。

表1 正交試驗表設(shè)計

表2 試驗方案及試驗結(jié)果分析

由表2分析數(shù)據(jù)可知：平均碎草長度最短的方案為A3B3C3；影響碎草長度的最主要因素是碎草轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，其次是托草環(huán)頂距碎草刀頂距離，最后是托草轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)語

該草捆拆包碎草機(jī)可將任意大小及各種擺放形態(tài)的草捆搬運到碎草倉內(nèi)，拆包并碎草，根據(jù)使用者的要求將牧草粉碎到一定長度，來增加牧草的適口性，牧草粉碎長度最短為3cm，拋灑距離最遠(yuǎn)10m。這款機(jī)器不僅解決了人工拆包勞動強(qiáng)度大的問題，而且碎草效率高，對實現(xiàn)牧草作業(yè)機(jī)械化、智能化具有深遠(yuǎn)的意義。

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A Towed Bale Unpacking Machine Design and Experimental Research

Yang Zhichao1, Zhang Yun1, Liu Zhongshe2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2.Hulunbuir Mengtuo Agricultural and Pastoral Development of Science and Technology Co. LTD，Hulunbuir 021000, China)

Design a unpacking machine for the realization of the bale unpacking mechanization and automation. This machine adopts hydraulic system to control the bale collector and bale rotation mechanism. Crushed grass agency power provided by the tractor pto, adjust the bale mechanism can crush the different lengths of forage grass. The machine by 3 d software Solidworks modeling and simulation, and finite element analysis of important components crushed grass cutter. Then the machine came to a large number of crushing straw bale experiment. The results show that by 3 d modeling simulation and optimization, the whole machine structure design is simple, convenient operation .This machine can unpack and crush forage grass effectively, This machine completely conform to the requirements of use. Machine unpacking rate 100%, grass crushing length is adjustable, the minimum length is 3cm, forage scatters distance is adjustable, range from 1m to 10m.

bale; crushing machine; tow

2016-10-10

呼倫貝爾市蒙拓農(nóng)牧科技發(fā)展有限責(zé)任公司牧業(yè)機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)線改擴(kuò)建一期工程(海經(jīng)信備案字[2013]03號)；裝備制造業(yè)發(fā)展專項資金農(nóng)牧業(yè)機(jī)械技術(shù)改造項目( 海經(jīng)信備案字[2013]03號);內(nèi)蒙古自治區(qū)創(chuàng)新引導(dǎo)項目(2015 -07)

楊志超(1991-),男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士研究生，(E-mail)411407281@qq.com。

張 云(1958-),男，呼和浩特人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhangyund1958@163.com。

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1003-188X(2017)12-0078-06