高 雄，湯 巖，陳鐵英，劉 瑜，崔紅梅，王洪波

(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.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，呼和浩特 010010)

?

大方草捆壓捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與優(yōu)化

高 雄1，湯 巖1，陳鐵英2，劉 瑜1，崔紅梅1，王洪波1

(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.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，呼和浩特 010010)

以9YFD-2.0型大方草捆壓捆機(jī)為例，探索其喂入機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過(guò)初步確定的喂入機(jī)構(gòu)基本參數(shù)，獲得了兩個(gè)喂入撥叉的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，建立了位置、速度方程，并采用MatLab進(jìn)行編程求解，分別得到兩個(gè)喂入撥叉端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。將利用SolidWorks軟件建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，分別對(duì)兩個(gè)喂入撥叉進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真模擬和分析，得到了喂入撥叉端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡及速度曲線，揭示了喂入機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。同時(shí)，通過(guò)分析，考慮在二者不發(fā)生干涉且結(jié)構(gòu)不發(fā)生改變的前提下，適當(dāng)提高大喂入撥叉裝置的高度。完成優(yōu)化后，大方草捆壓捆機(jī)的喂入量在原來(lái)的基礎(chǔ)上有所增加,從而提高了大方草捆壓捆機(jī)的壓捆密度和質(zhì)量。

大方草捆壓捆機(jī)；喂入機(jī)構(gòu)；實(shí)體建模；運(yùn)動(dòng)仿真

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)牧區(qū)以成捆方式收獲的飼草迅速增加。用壓縮草捆的方法收獲牧草，可以減少牧草最富營(yíng)養(yǎng)的草葉損失，且壓縮出的草捆具有固定的形狀和相對(duì)高的密度，運(yùn)輸、貯藏都節(jié)省了一定的空間[1]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)成套設(shè)備所的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:采用壓捆機(jī)收獲牧草后，飼草平均密度達(dá)到傳統(tǒng)收獲工藝的10倍左右，儲(chǔ)存運(yùn)輸成本是原來(lái)的30%左右[2]。壓捆機(jī)可一次完成對(duì)干草的撿拾、壓縮和捆綁作業(yè)，捆草快，節(jié)省了勞力，改善了環(huán)境，極大地調(diào)動(dòng)了農(nóng)牧民從事農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)的積極性，是目前市場(chǎng)需求的熱點(diǎn)[3]。壓捆機(jī)自國(guó)內(nèi)研發(fā)并投入生產(chǎn)以來(lái)，以其在操作性能、適用范圍及運(yùn)輸成本方面的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)得到普遍推廣應(yīng)用，不僅提高了我國(guó)飼草收獲機(jī)械化水平，還使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到了迅猛發(fā)展。

隨著我國(guó)農(nóng)村、牧區(qū)經(jīng)濟(jì)體制的改革，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和機(jī)械化水平的提高，大方草捆壓捆機(jī)的需求量將會(huì)逐年增加；而我國(guó)的大方草捆壓捆機(jī)大多進(jìn)口，雖然使用性能反應(yīng)不錯(cuò)，但就現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的消費(fèi)水平來(lái)說(shuō)，國(guó)外的壓捆機(jī)價(jià)格昂貴，增大了農(nóng)戶的負(fù)擔(dān)。國(guó)內(nèi)當(dāng)前現(xiàn)有的小型打捆設(shè)備在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中出現(xiàn)了一系列的問(wèn)題，如運(yùn)輸成本高、生產(chǎn)效率低、故障率高等問(wèn)題。因此，大方草捆壓捆機(jī)的開(kāi)發(fā)與研制不僅可以填補(bǔ)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的空白，而且還將推動(dòng)國(guó)內(nèi)大方草捆壓捆機(jī)科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，使我國(guó)正在日新月異的草產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益更上一個(gè)臺(tái)階[4]。

1 大方草捆壓捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)工作原理

本文選用9YFD-2.0型大方草捆壓捆機(jī)喂入機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，如圖1所示。

1.撿拾器 2.螺旋輸送器 3.旋轉(zhuǎn)式輸送器 4.預(yù)壓縮室 5.擋草爪 6.喂入撥叉 7.活塞 8.鏈輪

撿拾器將飼草經(jīng)進(jìn)料口由小喂入撥叉裝置輸送到預(yù)壓縮室，隨著機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)，小喂入撥叉裝置將物料沿著預(yù)壓縮室的內(nèi)壁推送到擋草爪的下方[見(jiàn)圖1(a)]；在預(yù)壓縮室未填滿物料之前，大喂入撥叉裝置停留在起始位置，物料在擋草爪的阻擋下被壓縮[見(jiàn)圖1(b)]。當(dāng)物料在預(yù)壓縮室內(nèi)所受的壓力達(dá)到預(yù)先設(shè)定的壓力時(shí)，由設(shè)置在機(jī)器上的電子監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)大喂入撥叉裝置開(kāi)關(guān)，大喂入撥叉裝置開(kāi)關(guān)上的連桿帶動(dòng)喂入連動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)啟動(dòng)復(fù)位凸輪機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)上的喂入曲軸帶動(dòng)擋草爪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將擋草爪打開(kāi)，大喂入撥叉裝置將滯留在預(yù)壓縮室內(nèi)的草片一次性的喂入到壓捆室內(nèi)[見(jiàn)圖1(c)]；當(dāng)活塞開(kāi)始?jí)嚎s物料時(shí)，喂入機(jī)構(gòu)和擋草爪返回到起始位置，為下一個(gè)工作循環(huán)做準(zhǔn)備[見(jiàn)圖1(d)]。

2 小喂入撥叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

2.1 小喂入撥叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及建模

本文運(yùn)用矩陣法，將測(cè)得的各桿件的尺寸參數(shù)以1:10的比例尺分別得到兩個(gè)機(jī)構(gòu)的矢量多邊形并建立數(shù)學(xué)模型[5]，通過(guò)MatLab編程得到兩個(gè)喂入撥叉端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。為對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，本文先以曲柄l1固定鉸鏈中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，取x軸與l4一致，建立小喂入撥叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖2所示。

圖2 小喂入撥叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

此曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCDA組成了一個(gè)封閉矢量多邊形，則可得出該機(jī)構(gòu)的矢量方程式為

(1)

將機(jī)構(gòu)的封閉矢量方程式(1)分別向兩坐標(biāo)軸投影，即可得到機(jī)構(gòu)的位置方程為

(2)

將式(2)對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)并進(jìn)行整理，可得速度方程為

(3)

當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)一定角度時(shí)，小喂入撥叉裝置端點(diǎn)也會(huì)隨曲柄做一定規(guī)律的運(yùn)動(dòng)。P點(diǎn)坐標(biāo)值與曲柄轉(zhuǎn)角φ1、長(zhǎng)度l1及喂入撥叉長(zhǎng)度le有關(guān)。由圖2中可得到小喂入撥叉裝置端點(diǎn)P點(diǎn)的位置、速度方程為

(4)

(5)

2.2 大喂入撥叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

以曲柄l1固定鉸鏈中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，繪制出的大喂入撥叉裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 大喂入撥叉機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

大喂入撥叉裝置為曲柄導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)EFGHE形成了一個(gè)封閉矢量多邊形，由此得出矢量方程式為

(6)

將機(jī)構(gòu)的封閉矢量方程式(6)分別向兩坐標(biāo)軸投影，即可得到機(jī)構(gòu)的位置方程式為

(7)

由圖3建立的直角坐標(biāo)系中可得到大喂入撥叉裝置端點(diǎn)M點(diǎn)的位置方程式為

(8)

然后，將式(8)對(duì)時(shí)間求一次導(dǎo)數(shù)，并寫(xiě)成矩陣形式，即可得到大喂入撥叉裝置端點(diǎn)M點(diǎn)的速度方程式為

(9)

根據(jù)實(shí)際情況確定方程組中基本參數(shù)，運(yùn)用MatLab中的非線性求解器分別對(duì)兩個(gè)喂入撥叉的位置方程進(jìn)行求解，并擬合成P、M兩點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如圖4、圖5所示。同時(shí)，運(yùn)用MatLab對(duì)式(5)、式(10)求解線性方程組分別得到了P點(diǎn)和M點(diǎn)的速度變化曲線，如圖6、圖7所示。

圖4 小喂入撥叉裝置端點(diǎn)軌跡圖

圖5 大喂入撥叉裝置端點(diǎn)軌跡圖

圖6 小喂入撥叉端點(diǎn)速度變化曲線圖

圖7 大喂入撥叉端點(diǎn)速度變化曲線圖

3 喂入機(jī)構(gòu)的仿真研究

3.1 喂入撥叉端點(diǎn)軌跡分析

運(yùn)行ADAMS環(huán)境，分別選取兩個(gè)喂入撥叉端部頂點(diǎn)為目標(biāo)點(diǎn)，跟蹤并記錄兩個(gè)喂入撥叉的虛擬運(yùn)動(dòng)軌跡。兩個(gè)喂入撥叉的軌跡如圖8、圖9所示。

圖8 小喂入撥叉裝置端點(diǎn)復(fù)合軌跡

圖9 大喂入撥叉裝置端點(diǎn)復(fù)合軌跡

通過(guò)對(duì)比可以看出：在ADAMS中對(duì)兩個(gè)喂入撥叉進(jìn)行仿真所得到的跟蹤軌跡形狀與利用MatLab解析法理論計(jì)算得到的軌跡形狀相似或相同，驗(yàn)證了理論數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 小喂入撥叉裝置速度分析

在ADAMS后處理模塊得到的小喂入撥叉裝置端點(diǎn)各方向的速度曲線如圖10所示。圖10中，由于在建立模型時(shí)網(wǎng)格方向設(shè)置為yz平面，所以Vy代表小喂入撥叉裝置端點(diǎn)水平方向的速度曲線，Vz代表豎直方向的曲線，且合成曲線Vmag僅表示速度大小，不能代表速度的方向。

由小喂入撥叉裝置端點(diǎn)速度變化規(guī)律可以看出：合成速度曲線出現(xiàn)了4個(gè)極值點(diǎn)，也就是說(shuō)小喂入撥叉裝置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以分為4個(gè)階段來(lái)進(jìn)行分析。為方便觀察，記錄了小喂入撥叉裝置4個(gè)階段的瞬時(shí)狀態(tài)動(dòng)作分解圖組，如圖11所示。

圖10 小喂入撥叉裝置端點(diǎn)各方向速度變化曲線

圖11 小喂入撥叉裝置動(dòng)作分解圖

1)喂入撥叉從初始位置到約0.084s時(shí)間段。此階段小喂入撥叉裝置端點(diǎn)合成速度逐漸增大，水平方向線速度逐漸減小;垂直方向以逐漸減小的速度向上運(yùn)動(dòng)，減小到0后，改變方向；到0.084s時(shí)合成速度達(dá)到峰值，水平方向速度達(dá)到極小值。

2)0.080 4～0.161s 時(shí)間段。在0.161s時(shí)，小喂入撥叉裝置已經(jīng)到達(dá)軌跡頂點(diǎn)位置。此時(shí)，合成速度達(dá)到最小值，垂直方向速度減小到0，延長(zhǎng)了物料進(jìn)入預(yù)壓縮室的時(shí)間，更加充分地將草料送入預(yù)壓縮室。

3)0.161～0.203s時(shí)喂入撥叉進(jìn)入回程階段。在0.203s時(shí)，速度達(dá)到此階段的極大值。喂入撥叉在將飼草送入預(yù)壓縮室后，以最快速度返回到起始位置，避免了過(guò)多的無(wú)用功產(chǎn)生。

4)0.203s～0.329s時(shí)間段。此階段小喂入撥叉裝置進(jìn)入了回程空行末端，小喂入撥叉裝置以較平緩的速度運(yùn)行可使撥叉端部插入物料時(shí)對(duì)物料的打擊有所減輕，以減少牧草花葉的損失[6]。

3.3 大喂入撥叉裝置速度分析

由于兩個(gè)喂入撥叉的形狀幾乎基本一致，所以也將大喂入撥叉裝置的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為4個(gè)階段來(lái)進(jìn)行分析。大喂入撥叉裝置的端點(diǎn)速度變化規(guī)律如圖12所示，4個(gè)階段相對(duì)運(yùn)動(dòng)的位置關(guān)系動(dòng)作分解圖組如圖13所示。

圖12 大喂入撥叉裝置端點(diǎn)速度變化規(guī)律

圖13 大喂入撥叉裝置動(dòng)作分解圖

1)大喂入撥叉裝置從初始位置經(jīng)過(guò)約0.306s后合成速度達(dá)到了峰值，垂直方向速度由正變?yōu)樨?fù)。也就是說(shuō)，大喂入撥叉裝置在該行程階段速度達(dá)到了最大值。

2)0.306s～0.602s時(shí)間段。在0.602s時(shí)，大喂入撥叉裝置已經(jīng)進(jìn)入壓縮室到達(dá)工作行程頂點(diǎn)，水平方向速度和垂直方向速度都為0，合成速度達(dá)到了極小值，這樣可使大喂入撥叉裝置進(jìn)入壓縮室的時(shí)間較長(zhǎng)，從而能夠更充分地喂入物料。

3)0.602～0.758s時(shí)間段為大喂入撥叉裝置開(kāi)始進(jìn)入回程階段。在0.758s時(shí)，合成速度與垂直方向速度均達(dá)到了回程階段的極大值，可以有效縮短大喂入撥叉裝置停留在壓縮室內(nèi)的時(shí)間，使大喂入撥叉裝置迅速離開(kāi)壓縮室，避免兩個(gè)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

4)0.758s～1.203s時(shí)間段，所示撥叉離開(kāi)壓縮室回程階段。在1.203s時(shí)，3條曲線在0點(diǎn)附近趨于平緩，這樣使大喂入撥叉裝置插入物料時(shí)避免撥叉過(guò)度打擊牧草花葉，有利于對(duì)物料的保護(hù)。

由以上對(duì)兩個(gè)喂入撥叉的仿真結(jié)果分析可知：兩個(gè)喂入撥叉的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律基本上滿足大方草捆壓捆機(jī)喂入填料過(guò)程的幾點(diǎn)要求。。

4 大喂入撥叉裝置模型優(yōu)化

通過(guò)對(duì)兩者的仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，可以看到壓縮活塞從讓開(kāi)到返回喂入口的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了大喂入撥叉裝置進(jìn)入壓縮室的時(shí)間。在滿足兩者不發(fā)生干涉的條件下，特提出改進(jìn)方案：將大喂入撥叉裝置的位置在原來(lái)的基礎(chǔ)上提高一定距離，以便牧草的喂入更加充分，從而使大方草捆壓捆機(jī)的壓捆效率有所提高。

選擇大喂入撥叉裝置豎直方向的位移曲線圖作為參照標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行分析求解。從100mm開(kāi)始，以20mm作為一個(gè)分度，分別測(cè)出所對(duì)應(yīng)的大喂入撥叉裝置進(jìn)入壓縮室的時(shí)間，并將數(shù)據(jù)列成表格，如表1所示。

表1 提高大喂入撥叉裝置的位置時(shí)的時(shí)間變化

由表1可知:當(dāng)大喂入撥叉裝置提高180mm時(shí)，大喂入撥叉裝置進(jìn)入壓縮室的時(shí)間達(dá)到了0.360 5s，而活塞讓開(kāi)到返回喂入口左側(cè)邊沿的時(shí)間為0.362s，時(shí)間相差0.001 5s，相差時(shí)間太短；當(dāng)大喂入撥叉裝置提高160mm時(shí)，大喂入撥叉裝置進(jìn)入壓縮室的時(shí)間達(dá)到了0.355 8s，時(shí)間相差0.006 2s。考慮到實(shí)際因素，將大喂入撥叉裝置提高160mm。

5 結(jié)論

1)本文利用MatLab編程軟件、SolidWorks三維實(shí)體建模軟件及ADAMS虛擬仿真軟件。通過(guò)理論分析與研究，揭示了喂入機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，提出了優(yōu)化方案，大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，為以后此類大型方捆機(jī)的研發(fā)提供了理論支持。但是，由于實(shí)際添加的限制，在虛擬的情況下進(jìn)行的仿真與機(jī)器實(shí)際工作時(shí)還會(huì)存在一些偏差。希望在以后的研究中，能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)模型加以驗(yàn)證，從而得到更真實(shí)、可靠的優(yōu)化方案。

2)通過(guò)理論分析與研究可知，為提升大方草捆壓捆機(jī)的打捆質(zhì)量，可在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化分析。運(yùn)用ADAMS優(yōu)化模塊，逐步縮短喂入口與大喂入撥叉裝置端點(diǎn)豎直方向的距離，對(duì)位移曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，獲得了大喂入撥叉裝置可提高160mm的結(jié)論，從而提高大喂入撥叉裝置的喂入量，能夠?qū)暡莞浞值厮腿氲綁嚎s室內(nèi)部，提高了大方捆打捆機(jī)壓捆密度和質(zhì)量。

[1] 李傳忠，劉炳華.捆草機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[J].新農(nóng)村,2011(3):156.

[2] 紐荷蘭BB9080型大方草捆壓捆機(jī)[J].農(nóng)家致富，2015(11):27.

[3] 李大鵬，劉向陽(yáng).飼草產(chǎn)業(yè)化與飼草壓捆機(jī)的開(kāi)發(fā)[J].飼料廣角，2002(15)：10.

[4] 王鋒德，陳志，王俊友，等.4YF-1300型4大方捆打捆機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009(11):36-41.

[5] 周展,張鋼,林富生. 基于Matlab和ADMAS的四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真[J]. 軟件導(dǎo)刊,2011(9):102-103.

[6] 杜建強(qiáng),潘東風(fēng).9YFQ-1.9型跨行式飼草壓捆機(jī)簡(jiǎn)介[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2006(3):57-72.

[7] 李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2014:2.

[8] 王春光，譚立東．基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的牧草高密度壓捆過(guò)程分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36(3)：99-101．Abstract ID:1003-188X(2017)08-0012-EA

Kinetic Analysis and Optimization of Forage Transfer Mechanism of Large Rectangular Baler

Gao Xiong1， Tang Yan1， Chen Tieying2， Liu Yu1，Cui Hongmei1， Wang Hongbo1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering ,Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018 ，China;2.Inner Mongolia Agricultural and Animal Husbandry Machinery Technology Extension Station , Hohhot 010010,China)

Based on 9YFD-01 type large rectangular baler, for exploring the motion law of forage transfer mechanism, basic parameter of forage transfer mechanism were determined, the initial diagram of two feeding fork were obtained. The position equation of two feeding fork was established and the endpoint trajectory were given respectively by the MATLAB programming. Three-dimensional solid model of two feeding fork was built by Solidworks software. Then the motion simulation and analysis was cared out by importing ADAMS virtual simulation software. The endpoint trajectory and velocity curve was resulted. It reveals the movement of the feed mechanism, and provides a reference for the design and research after. By analyzing, increasing the height of the feed fork appropriately under the premise of both does not interfere and change the structure. After that the amount of feed has increased on the basis of the original. Thereby improving the baling density and quality of the large rectangular baler.

large rectangular baler; forage transfer mechanism; solid modeling; motion simulation

2016-07-08

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08B10);內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZC13086)

高 雄(1957-)，男，呼和浩特人，教授，碩士生導(dǎo)師， (E-mail)gao0927cn@aliyun.com。

王洪波(1978-)，男，呼和浩特人，副教授，(E-mail)wanghb@imau.edu.cn。

S817.11+5

A

1003-188X(2017)08-0012-05