■賀占清 郭志平* 李瑞平 李鳳偉 楊 莉 董忠義 陳夢穎

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010000；2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院，內(nèi)蒙古呼和浩特010000；3.內(nèi)蒙古華德牧草機(jī)械有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000；4.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭014000)

畜牧業(yè)作為我國內(nèi)蒙古地區(qū)重要經(jīng)濟(jì)來源，在農(nóng) 村經(jīng)濟(jì)中扮演重要角色。牧草是畜牧業(yè)最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，其高效低損收獲是牧草收獲工作最重要的環(huán)節(jié)。圓捆卷捆機(jī)作為現(xiàn)代化牧草收獲的重要工具之一，可以實(shí)現(xiàn)對牧草的自動撿拾、自動卷捆和自動捆制等工作，增加牧草收獲自動化水平，減輕牧草收獲工作量，縮短牧草收獲周期，提高牧草收獲質(zhì)量。而現(xiàn)階段我國牧草收獲機(jī)械還大多為引進(jìn)或仿制國外先進(jìn)裝備，對牧草收獲機(jī)械工作原理及收獲裝備優(yōu)化還處于較低水平。如圖1 為中國農(nóng)機(jī)院呼和浩特特分院研制的9YG-1.2 型圓捆機(jī)，其主要由撿拾裝置，喂入裝置，卷捆裝置，捆繩裝置等組成，實(shí)現(xiàn)牧草卷制圓捆工作，其卷制草捆內(nèi)松外緊，有利于草捆的通風(fēng)干燥，提高牧草的存儲時間。在實(shí)施卷捆工作時發(fā)現(xiàn)圓捆機(jī)撿拾裝置在撿拾牧草時出現(xiàn)漏撿和打擊花葉等問題。為提高9YG-1.2 型圓捆機(jī)撿拾裝置的撿拾質(zhì)量，通過ADAMS 多體動力學(xué)仿真軟件對撿拾裝置各部件結(jié)構(gòu)及運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行分析研究，探究各參數(shù)對漏檢率及花葉損失率的影響，以撿拾裝置低漏撿率和低花葉損失率為目標(biāo)對多個參數(shù)進(jìn)行參數(shù)配比優(yōu)化，找到低漏撿率和低花葉損失率的最優(yōu)參數(shù)組合，為我國現(xiàn)有牧草收獲裝備撿拾裝置的優(yōu)化提供理論支撐，提高我國牧草撿拾裝置的撿拾質(zhì)量，提高牧草收獲效率，促進(jìn)畜牧業(yè)的高效高質(zhì)量發(fā)展。

圖1 9YG-1.2型圓捆機(jī)

1 撿拾裝置理論分析

撿拾裝置作為圓捆機(jī)重要部件主要作用是將地面上已經(jīng)摟集成條的牧草撿拾并喂入后續(xù)卷捆工作機(jī)構(gòu)中，撿拾裝置的撿拾質(zhì)量及效率直接影響牧草的收獲。在對9YG-1.2型圓捆機(jī)卷捆試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，撿拾裝置在撿拾牧草時出現(xiàn)牧草漏撿及牧草被彈齒打碎等現(xiàn)象。為提高撿拾裝置的撿拾質(zhì)量，對撿拾裝置進(jìn)行理論分析，分析影響撿拾裝置撿拾質(zhì)量的因素，為撿拾裝置的優(yōu)化提供理論分析。

1.1 撿拾機(jī)構(gòu)工作原理

9YG-1.2 型圓捆機(jī)的撿拾裝置采用彈齒滾筒式撿拾機(jī)構(gòu)，如圖2。撿拾裝置主要由彈齒、滾筒、凸輪、曲柄、滾子、彈齒桿等組成。圓捆機(jī)工作時，撿拾裝置整體安裝在圓捆機(jī)前段隨圓捆機(jī)一同前進(jìn)，同時自身通過動力傳動進(jìn)行牧草的撿拾工作。

圓捆機(jī)通過鏈傳動形式將動力傳遞至撿拾裝置，撿拾裝置中滾筒做勻速轉(zhuǎn)動帶動彈齒桿繞中軸做勻速轉(zhuǎn)動，彈齒安裝在彈齒桿上隨之運(yùn)動，同時彈齒桿也與曲柄固定并呈一定角度，曲柄另一端與凸輪配合沿凸輪輪廓運(yùn)動。最終滾筒運(yùn)動與曲柄沿凸輪運(yùn)動兩個運(yùn)動合成彈齒的運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)撿拾裝置的牧草撿拾工作。工作過程中，滾筒旋轉(zhuǎn)一周為彈齒的一個工作周期，一個工作周期主要分為以下三個工作階段：

①放齒階段：放齒階段是彈齒完成上一個工作周期并準(zhǔn)備進(jìn)行下一個工作周期的過程。首先彈齒運(yùn)動到撿拾位置，逐漸將彈齒伸出滾筒護(hù)板并插入牧草草條內(nèi)，當(dāng)彈齒伸出量達(dá)到最長并開始向上運(yùn)動時放齒動作完成并開始下一階段。

②升運(yùn)階段：升運(yùn)階段是牧草撿拾工作中最重要的環(huán)節(jié)，主要是彈齒托運(yùn)牧草至指定位置的過程。升運(yùn)階段彈齒的狀態(tài)直接決定牧草撿拾效果的好壞，彈齒的速度及加速度的變化對牧草的漏撿及花葉損失影響很大。

③收齒階段：收齒階段是整個撿拾工作的最后工作。此工作階段主要為保證在升運(yùn)階段撿拾的牧草能夠順利與彈齒分離并被推送至喂入機(jī)構(gòu)。收齒階段必須保證彈齒對牧草的作用力方向與牧草運(yùn)動方向相同，避免作用力方向偏移使得牧草進(jìn)入滾筒護(hù)板內(nèi)或被打飛等現(xiàn)象發(fā)生。

1.2 撿拾質(zhì)量影響因素分析

撿拾裝置的撿拾質(zhì)量主要可以分為兩方面進(jìn)行考慮，一方面由于撿拾裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得撿拾裝置在撿拾牧草過程中產(chǎn)生撿拾彈齒無法觸及到的漏撿區(qū)，撿拾裝置出現(xiàn)漏檢率，如圖3 所示，撿拾裝置的漏撿區(qū)域主要是兩個相鄰彈齒在工作過程中彈齒都未撿拾到的區(qū)域。另一方面由于撿拾裝置運(yùn)動參數(shù)設(shè)置不合理可能導(dǎo)致?lián)焓皬楜X對牧草作用力太大，導(dǎo)致牧草在撿拾過程中受到破壞。撿拾水分大的牧草可能導(dǎo)致花葉破碎使得牧草營養(yǎng)大量流失降低牧草質(zhì)量；撿拾干牧草使得牧草受沖擊破碎無法撿拾，降低牧草收獲量。所以撿拾裝置撿拾彈齒的加速在撿拾工作過程中需要控制不易過高。

圖3 彈齒滾筒式撿拾裝置漏撿區(qū)

2 撿拾機(jī)構(gòu)仿真分析

經(jīng)上述分析，對現(xiàn)有9YG-1.2型圓捆機(jī)撿拾裝置的各參數(shù)進(jìn)行建模分析，運(yùn)用多體動力學(xué)仿真軟件ADAMS對各參數(shù)下?lián)焓把b置的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬。從撿拾質(zhì)量入手，研究分析撿拾裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動參數(shù)對撿拾裝置中撿拾彈齒運(yùn)動軌跡及撿拾彈齒加速度曲線的影響關(guān)系，從而分析各參數(shù)對漏檢率及花葉損失率的影響。

2.1 各參數(shù)對撿拾彈齒位移軌跡影響分析

分析采用單因素水平分析法對撿拾裝置中滾筒轉(zhuǎn)速、圓捆機(jī)前進(jìn)速度、滾筒半徑、曲柄與彈齒夾角、滾子半徑和曲柄長度進(jìn)行仿真分析，分析各單因素對撿拾彈齒端點(diǎn)處運(yùn)動軌跡的影響。如圖4 為各參數(shù)下彈齒運(yùn)動軌跡圖。

圖4 各參數(shù)下彈齒端部位移軌跡

圖4a為撿拾裝置在滾筒轉(zhuǎn)速單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的位移軌跡曲線，設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速分別為60、70、80 r/min，由圖中可知撿拾彈齒端點(diǎn)處的位移曲線呈擺線狀，隨滾筒轉(zhuǎn)速的增大，擺線環(huán)扣增大；λ值越大，位移軌跡曲線降低，漏撿面積減小。

圖4b為撿拾裝置在圓捆機(jī)前進(jìn)速度單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的位移軌跡曲線，設(shè)置圓捆機(jī)前進(jìn)速度分別為1.2、1.4、1.6 m/s，由圖中可知隨圓捆機(jī)前進(jìn)速度的增大，擺線環(huán)扣減??；λ值減小，位移軌跡曲線越高，漏撿面積增大。

圖4c為撿拾裝置在滾筒半徑單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的位移軌跡曲線，設(shè)置滾筒半徑分別為150、160、170 mm。由圖中可知隨撿拾裝置滾筒半徑增大，撿拾彈齒端部位移軌跡擺線環(huán)扣大小變化很小，位移軌跡曲線高度相近，滾筒半徑對漏撿面積影響很小。

圖4d為撿拾裝置在曲柄與彈齒夾角單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處位移軌跡曲線，設(shè)置夾角分別為45°、60°、75°。由圖中可知隨著撿拾機(jī)構(gòu)曲柄與彈齒夾角增大，彈齒端部位移軌跡擺線環(huán)扣增大；λ值越大，位移軌跡曲線越高，漏撿面積越小。

圖4e為撿拾裝置在滾子半徑單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處位移軌跡曲線，設(shè)置半徑分別為15、17.5、20 mm。由圖中可知滾子半徑對撿拾裝置彈齒端點(diǎn)位移軌跡并無影響。

圖4f為撿拾裝置在曲柄長度單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)位移軌跡曲線，設(shè)置曲柄長度分別為70、80、90 mm。由圖中可知彈齒端點(diǎn)處位移軌跡在不同曲柄長度下只有在擺線環(huán)扣處有所不同而對漏撿面積無明顯影響。

2.2 各參數(shù)對撿拾彈齒加速度影響分析

分析同樣采用單因素水平分析法對撿拾裝置中滾筒轉(zhuǎn)速、圓捆機(jī)前進(jìn)速度、滾筒半徑、曲柄與彈齒夾角、滾子半徑、曲柄長度進(jìn)行仿真模擬，分析單因素對撿拾彈齒端點(diǎn)處加速度的影響。各因素參數(shù)選擇與研究各參數(shù)對漏檢率影響分析時相同，如圖5為各參數(shù)下彈齒端點(diǎn)處加速度變化。

圖5 各參數(shù)下彈齒端部加速度

圖5a為撿拾裝置在滾筒轉(zhuǎn)速單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的加速度變化曲線，滾筒的轉(zhuǎn)速越大，撿拾裝置撿拾周期縮短；單個撿拾彈齒撿拾時間縮短，彈齒端部加速度值有明顯提高，加速度波動量增大，對牧草的撿拾力及對牧草的沖擊力都相應(yīng)增加。

圖5b為撿拾裝置在圓捆機(jī)前進(jìn)速度單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的加速度變化曲線，由圖可知圓捆機(jī)前進(jìn)速度對彈齒端部加速度并無影響。

圖5c為撿拾裝置在滾筒半徑單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處的加速度變化曲線，由圖可知滾筒半徑越大加速度值有所增加，波動量也相應(yīng)增加，在滾筒半徑為170 mm時彈齒端部加速度曲線出現(xiàn)明顯高于其他參數(shù)值的尖點(diǎn)位置，撿拾裝置在撿拾牧草過程中出現(xiàn)對牧草的沖擊作用，嚴(yán)重提高撿拾器撿拾牧草的花葉損失率。

圖5d為撿拾裝置在曲柄與彈齒夾角單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處加速度變化曲線，由圖可知夾角越大加速度值越大；夾角增大后加速度波動量增加，花葉損失率增大。

圖5e為撿拾裝置在滾子半徑單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)處加速度變化曲線，由圖可知出滾子半徑對加速度影響不大，表現(xiàn)為滾子半徑越大加速度越大，但增加量較小，只有在加速度波動時有增加。

圖5f 為撿拾裝置在曲柄長度單因素影響下?lián)焓皬楜X端點(diǎn)加速度變化曲線，由圖中可知曲柄長度對穩(wěn)定區(qū)域加速度幅值的影響不大；但隨曲柄長度的增加加速度的波動量有明顯降低，對降低牧草花葉損失有重要作用。

分析各參數(shù)對撿拾裝置撿拾彈齒端部位移軌跡圖及加速度曲線的影響可知，撿拾裝置漏檢率主要受滾筒半徑、圓捆機(jī)前進(jìn)速度和曲柄與彈齒夾角影響，而滾筒半徑、滾子半徑和曲柄長度對撿拾裝置漏檢率影響很小。撿拾裝置花葉損失率主要受滾筒轉(zhuǎn)速，滾筒半徑，曲柄與彈齒夾角、滾子半徑和曲柄長度影響，而圓捆機(jī)前進(jìn)速度對其影響較小。

3 撿拾裝置參數(shù)優(yōu)化

分析各參數(shù)對撿拾裝置撿拾效果的影響，發(fā)現(xiàn)滾筒半徑、滾子半徑和曲柄長度對撿拾裝置彈齒端點(diǎn)位移軌跡無明顯影響，對撿拾裝置漏檢率影響不大，只對撿拾裝置花葉損失率有影響。為減少試驗(yàn)次數(shù)，首先對只影響花葉損失率的參數(shù)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，將所得優(yōu)化結(jié)果帶入下一仿試驗(yàn)，最終對滾筒轉(zhuǎn)速、圓捆機(jī)前進(jìn)速度、曲柄與彈齒夾角進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。從而有效降低圓捆機(jī)撿拾裝置漏撿率及花葉損失率。

3.1 仿真試驗(yàn)一

對曲柄長度、滾筒半徑和滾子半徑三個參數(shù)進(jìn)行3 因素3 水平響應(yīng)面分析，其他參數(shù)采用9YG-1.2 型圓捆機(jī)原有參數(shù)值，圓捆機(jī)前進(jìn)速度1.4 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速70 r/min、曲柄與彈齒夾角60°。表1為試驗(yàn)水平與因素取值。各因素對撿拾裝置撿拾彈齒加速度的影響主要表現(xiàn)在加速度波動區(qū)域是加速度的波動幅值，即降低加速度波動區(qū)域處加速度最大值將會明顯降低撿拾裝置在撿拾工作時出現(xiàn)的花葉損失，所以本試驗(yàn)以三因素影響下的彈齒加速度最大值為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，表2為實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果。

表1 試驗(yàn)水平與因素

表2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

通過試驗(yàn)軟件design-expert 對各因素進(jìn)行顯著性分析，找出擬合回歸方程。如表3 為方差分析與顯著性分析，模型的AC 項(xiàng)和C2大于0.05，檢驗(yàn)值不顯著，其余項(xiàng)檢驗(yàn)值都檢驗(yàn)顯著，其中A 項(xiàng)、B 項(xiàng)、AB 項(xiàng)、A2項(xiàng)、B2項(xiàng)檢驗(yàn)檢驗(yàn)極顯著。對加速度影響的主次順序?yàn)榍L度＞滾筒半徑＞滾子半徑。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)去掉擬合不顯著項(xiàng)，得到的二次回歸方程為：

Y=1.419×106+8 718.4A-17 062.7B-45 042.4C-148.43AB+203.31BC+89.78A2+82.996B2

則可求得在滾筒轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、曲柄與彈齒夾角因素為9YG-1.2 型圓捆機(jī)原有參數(shù)時曲柄長度90 mm、滾筒半徑163.5 mm和滾子半徑16.1 mm可得最優(yōu)結(jié)果，撿拾裝置撿拾彈齒最大加速度優(yōu)化為40 637 mm/s2。

表3 方差分析及顯著性分析

3.2 仿真試驗(yàn)二

對前進(jìn)速度、滾筒轉(zhuǎn)速和曲柄與彈齒夾角三個參數(shù)進(jìn)行3 因素3 水平響應(yīng)面分析，其他參數(shù)采用試驗(yàn)一優(yōu)化后的參數(shù)值。如表4 為試驗(yàn)水平與因素取值。本試驗(yàn)以三因素影響下的彈齒加速度最大值和撿拾裝置漏檢率為目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，漏撿率通過對彈齒端部位移軌跡漏撿區(qū)域測得。表5 為實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果。

通過實(shí)驗(yàn)軟件design-expert 對各因素進(jìn)行顯著性分析，找出擬合回歸方程。如表6為漏檢率方差分析與顯著性分析，模型漏撿率C12項(xiàng)大于0.01，檢驗(yàn)值顯著；其余項(xiàng)檢驗(yàn)值都小于0.001，檢驗(yàn)極顯著。對漏撿率影響的主次順序?yàn)闄C(jī)構(gòu)前進(jìn)速度＞滾筒轉(zhuǎn)速＞曲柄與彈齒夾角。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到的撿拾率的二次回歸方程為：

L=12.071-6.505A1-0.141 9B1-0.064 6C1+0.022 4A1B1+0.015 4A1C1+0.000 46B1C1+1.684A12+0.000 499B12+1.172C12

表4 實(shí)驗(yàn)水平與因素

表5 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

表6 漏撿率方差分析與顯著性檢驗(yàn)

表7 加速度方差分析與顯著性檢驗(yàn)

如表7為加速度方差分析與顯著性分析，模型加速度A1項(xiàng)、A1B1項(xiàng)、A1C1、A12都大于0.05，這些項(xiàng)檢驗(yàn)值不顯著，B1C1項(xiàng)大于0.01，B1C1項(xiàng)檢驗(yàn)值顯著，其余各項(xiàng)的P 值均小于0.001，檢驗(yàn)極顯著。對加速度影響的主次順序?yàn)闈L筒轉(zhuǎn)速＞曲柄與彈齒夾角＞機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)去除模型中不顯著項(xiàng)，得到的加速度的二次回歸方程為：

Y1=7 917.3+8.95B1-268.37C11-0.685B1C1+8.92B12+2.486C12

最終經(jīng)過優(yōu)化后，得到最佳參數(shù)組合：曲柄長度90 mm、滾筒半徑163.5 mm、滾子半徑16.1 mm、機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度1.28 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速68 r/min、彈齒與曲柄的夾角50°。

3.3 優(yōu)化前后性能比較分析

分析優(yōu)化前后撿拾裝置撿拾彈齒端點(diǎn)處運(yùn)動軌跡和加速度變化曲線，對優(yōu)化效果進(jìn)行評估。圖6為優(yōu)化前后彈齒端部位移軌跡。相比優(yōu)化前，優(yōu)化后的位移軌跡周期變短、余擺線更低、漏撿高度更低、漏撿拾區(qū)域面積更??；優(yōu)化前漏撿率為0.866%，而優(yōu)化后漏撿率為0.677%，漏撿率優(yōu)化了21.8%,優(yōu)化效果顯著。圖7為優(yōu)化前后彈齒端部加速度曲線，加速度波動量在優(yōu)化后略有降低，優(yōu)化前彈齒端部最大的加速度為45 678 mm/s2,而優(yōu)化后彈齒端部最大的加速度為39 507.1 mm/s2,最大加速度優(yōu)化了13.5%。

圖6 優(yōu)化前后彈齒端部位移軌跡

圖7 優(yōu)化前后彈齒端部加速度

4 結(jié)論

①分析研究9YG-1.2型圓捆機(jī)撿拾裝置工作原理，對工作過程進(jìn)行劃分階段性研究，探究各工作階段內(nèi)影響撿拾效果的因素，提出評估撿拾裝置撿拾質(zhì)量目標(biāo)因素。

②運(yùn)用ADAMS 多體動力學(xué)仿真軟件對圓捆機(jī)撿拾裝置進(jìn)行仿真模擬，繪制撿拾彈齒端部位移軌跡圖和加速度曲線。分析曲柄長度、滾筒半徑、滾筒轉(zhuǎn)速、滾子半徑、圓捆機(jī)前進(jìn)速度和曲柄與彈齒夾角單因素水平對撿拾裝置漏檢率和花葉損失率的影響。

③設(shè)計實(shí)施仿真試驗(yàn)研究，對多參數(shù)下?lián)焓把b置漏撿率和花葉損失率優(yōu)化分析，利用響應(yīng)面分析法求得最優(yōu)參數(shù)組合：曲柄長度90 mm、滾筒半徑163.5 mm、滾子半徑16.1 mm、機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度1.28 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速68 r/min 和彈齒與曲柄的夾角50°。最優(yōu)參數(shù)組合下漏撿率0.677%、最大加速度39 507.1 mm/s2，漏撿率和最大加速度分別優(yōu)化了21.8%和13.5%。