王海超,孫小添,劉瑜,裴志永,郭根勝
(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學能源與交通工程學院,呼和浩特市,010018; 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院,呼和浩特市,010018)
近年來,我國飼草收獲主要采用成捆收獲方式,打捆機械可一次完成飼草撿拾、壓縮成型和綁捆等工作,極大地節(jié)約了勞動成本,提高了生產(chǎn)率,改善了牧民生活水平。據(jù)不完全統(tǒng)計,經(jīng)飼草打捆機械收獲的飼草平均密度增大10倍左右,運輸和儲存成本下降70%左右[1-2]。國內(nèi)許多畜牧機械生產(chǎn)企業(yè)紛紛開展打捆機械的研發(fā)與生產(chǎn),以滿足市場需求。
大方捆打捆機由于結(jié)構(gòu)和性能特點,相較于小型打捆機生產(chǎn)效率、打捆成型密度和質(zhì)量更高。自20世紀70年代中期開始生產(chǎn)大方捆打捆機,隨著技術(shù)水平的不斷提高,逐漸形成產(chǎn)業(yè)化[3]。目前市面上使用的大方捆打捆機主要為進口產(chǎn)品,最具有代表性的有德國生產(chǎn)的QUADRANT大方捆打捆機、法國生產(chǎn)的LSB系列大方捆打捆機和美國生產(chǎn)的BIGBALER系列大方捆打捆機[4-6]。中國大型打捆機相對較少,目前只有中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院在借鑒進口打捆機械研究的基礎(chǔ)上,設計研發(fā)了9YDF系列打捆機。
大方捆打捆機工作過程相對復雜,撿拾喂入機構(gòu)性能是影響后續(xù)飼草壓縮成型質(zhì)量關(guān)鍵,直接影響作業(yè)效率。本文在已有研究基礎(chǔ)上,采用SolidWorks軟件建立喂入機構(gòu)三維模型,進而構(gòu)建大方捆打捆機喂入機構(gòu)的運動方程;采用MATLAB進行編程求解,得到喂入機構(gòu)的運動軌跡圖,旨在為后續(xù)系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供基礎(chǔ),為大方捆打捆機喂入機構(gòu)設計提供借鑒[7-10]。
底端喂入方式是打捆機喂料主要方式,底喂入式大方捆打捆機主要由螺旋輸送器、喂入機構(gòu)、預壓室、檔草爪、鏈輪、電控裝置等組成,其中喂入機構(gòu)主要由小喂入叉和大喂入叉組成[11]。具體工作過程可分為4步。
1) 作業(yè)時,飼草經(jīng)撿拾器拾起,拾起飼草經(jīng)螺旋輸送器輸送至喂入機構(gòu),喂入機構(gòu)中的小喂入叉位于預壓室進料口上方,隨著小喂入叉的運動,將飼草不斷的沿預壓室內(nèi)壁推至擋草爪的下方,如圖1(a) 所示。
2) 預壓室在未填滿飼草前,驅(qū)動鏈輪將一直保持空轉(zhuǎn),此時固定在驅(qū)動鏈輪軸上的大喂入叉保持初始位置不動,飼草在擋草爪的阻擋下被預壓縮,如圖1(b) 所示。
3) 當飼草在預壓室內(nèi)達到一定密度時,將觸發(fā)電控裝置,電控裝置驅(qū)動電機打開擋草爪,飼草上行。由于大喂入叉與活塞運行同步,經(jīng)預先調(diào)試,當活塞處于空行死點時,大喂入叉將滯留在預壓室內(nèi)的飼草一次性地喂入到壓捆室內(nèi),如圖1(c)和圖1(d)所示。
4) 當活塞開始壓縮時,喂入機構(gòu)和擋草爪返回到原起始位置,為下一工作循環(huán)做好準備,從而實現(xiàn)填料過程。
(a)
(b)
(c)
(d)
根據(jù)實際參數(shù),采用SolidWorks對小喂入叉和大喂入叉構(gòu)建三維模型,如圖2、圖3所示。通過對模型進行分析,適當優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù),消除零件間干涉。
圖2 小喂入叉三維裝配圖Fig. 2 3D assembly drawing of small feeding fork
圖3 大喂入叉三維裝配圖Fig. 3 3D assembly drawing of large feeding fork
根據(jù)小喂入叉結(jié)構(gòu)特點,小喂入叉機構(gòu)運動簡圖如圖4所示,D為坐標原點,各桿矢量圍成封閉多邊形ABCDA。其矢量方程為
(1)
式中:l1——曲柄DC長度,mm;
l2——連桿CB長度,mm;
l3——搖桿AB長度,mm;
l4——機架AD長度,mm。
圖4 小喂入叉機構(gòu)運動簡圖Fig. 4 Movement diagram of the small feeding fork mechanism
各桿件在x方向和y方向應滿足
(2)
式中:φ1——曲柄DC轉(zhuǎn)角,(°);
φ2——連桿CB轉(zhuǎn)角,(°);
φ3——搖桿AB轉(zhuǎn)角,(°)。
為保證喂入叉與其他機構(gòu)運動無干涉,小喂入叉機構(gòu)運動應滿足
(3)
式中:L——小喂入叉曲柄回轉(zhuǎn)中心距壓縮室最近邊緣的水平距離,mm;
H——小喂入叉曲柄回轉(zhuǎn)中心距壓縮室最近邊緣的垂直距離,mm;
le——小喂入叉CM長度,mm;
θ1——小喂入叉CM轉(zhuǎn)角,(°)。
綜上,由式(2)、式(3)可知,當曲柄做回轉(zhuǎn)運動時,小喂入叉端點M會隨曲柄做一定規(guī)律回轉(zhuǎn)運動,M點坐標值與曲柄DC轉(zhuǎn)角φ1、長度l1以及小喂入叉CM轉(zhuǎn)角θ1、長度le相關(guān),由此可推導出M點的位置方程
(4)
將式(4)對時間t求導,則可得出M點速度方程
(5)
式中:vM x——小喂入叉端點M在x軸方向線速度,mm/s;
vM y——小喂入叉端點M在y軸方向線速度,mm/s;
w1——曲柄l1繞A點旋轉(zhuǎn)角速度,(°)/s;
w11——小喂入叉le繞C點旋轉(zhuǎn)角速度,(°)/s。
大喂入叉機構(gòu)運動簡圖如圖5所示。
圖5 大喂入叉機構(gòu)運動簡圖Fig. 5 Movement diagram of the large feeding fork mechanism
經(jīng)分析,大喂入叉機構(gòu)位置方程應滿足
(6)
式中:l′1——曲柄EF長度,mm;
l′2——導桿FH長度,mm;
l′3——搖桿HG長度,mm;
l′4——機架EG長度,mm;
φ′1——曲柄EF轉(zhuǎn)角,(°);
φ′2——導桿FH轉(zhuǎn)角,(°);
φ′3——搖桿HG轉(zhuǎn)角,(°);
L′——大喂入叉曲柄回轉(zhuǎn)中心距壓縮室最近邊緣的水平距離,mm;
H′——大喂入叉曲柄回轉(zhuǎn)中心距壓縮室最近邊緣的垂直距離,mm;
l′e——大喂入叉HP長度,mm;
θ′1——大喂入叉FP轉(zhuǎn)角,(°)。
由式(6)可知,當曲柄做回轉(zhuǎn)運動時,大喂入叉端點P會隨曲柄做一定規(guī)律回轉(zhuǎn)運動,P點坐標值與曲柄EF轉(zhuǎn)角φ′1、長度l′1以及大喂入叉FP轉(zhuǎn)角θ′1、長度l′e相關(guān),由此推導出大喂入叉端點P位置方程
(7)
將式(7)對時間t求導,則可得出P點速度方程
(8)
式中:vPx——大喂入叉端點P在x軸方向線速度,mm/s;
vPy——大喂入叉端點P在y軸方向線速度,mm/s;
w′1——搖桿l′1繞E點旋轉(zhuǎn)角速度,(°)/s;
w′11——大喂入叉l′e繞H點旋轉(zhuǎn)角速度,(°)/s。
喂入機構(gòu)各指標實際尺寸為:l1=160 mm,l2=418 mm,l3=435 mm,l4=495 mm,le=270 mm;l′1=382 mm,l′2=175 mm,l′3=226 mm,l′4=355 mm,l′e=520 mm,θ1=θ′1=60°。當l1、l′1、θ1和θ′1為定值時,M點和P點坐標值隨曲柄轉(zhuǎn)角φ1、φ′1變化而變化,故曲柄轉(zhuǎn)角φ1和φ′1取k個特定值,運用MATLAB仿真,則可生成M點和P點的運動軌跡曲線。曲柄l1繞A點旋轉(zhuǎn)角速度w1=514°/s,運動周期T1=0.7 s,搖桿l′1繞E點旋轉(zhuǎn)角速度w′1=240°/s,運動周期為T′1=1.5 s。由此確定小喂入叉仿真模擬時長為0.7 s,大喂入叉仿真模擬時長為1.5 s,時間間隔為0.1 s,每秒幀數(shù)為500,精確度為0.000 1。
大喂入叉采用的是曲柄滑塊機構(gòu),仿真求解較復雜,為簡化,將滑塊簡化為鉸接。采用MATLAB工具箱fsolve函數(shù)進行求解。程序編寫時需要特別注意:(1) 設置數(shù)組,用于曲柄旋轉(zhuǎn)時各特定點角度的存儲;(2) 將角度值均分為41個點,9°為一個間隔,同時取兩個端點值,使圖像光滑封閉。
大、小喂入叉的端點運動軌跡如圖6、圖7所示。小喂入叉和大喂入叉的軌跡均為腰果型,且坐標值也有相對高的精度。相較于小喂入叉,大喂入叉在x軸和y軸方向行程更大,這更有利于將飼草充分喂入壓縮室,保證壓縮效率。點A和點①為大、小喂入叉起始點,點C和點③為大、小喂入叉運動最高點,點①→點③及點A→點C為小喂入叉和大喂入叉工作行程,點③→點①及點C→點A為小喂入叉和大喂入叉返回行程。
圖6 小喂入叉端點M軌跡圖Fig. 6 Trajectory diagram of the end point M of the small feeding fork
圖7 大喂入叉端點P軌跡圖Fig. 7 Trajectory diagram of the end point P of the large feeding fork
大、小喂入叉的端點P和M速度變化曲線如圖8、圖9所示。
點A和點①為大、小喂入叉工作起始點,結(jié)合圖6、圖7軌跡圖對大、小喂入叉端點速度變化曲線分析結(jié)果如下。
1) 小喂入叉端點M由點①至點③為工作行程階段,所用時間為0.35 s,期間水平速度vM x、豎直速度vM y及合加速度vM均先增大后減小,并伴有方向改變,當時間為0.19 s時,端點M運動至點②,速度達到最大值,合速度為5 985.03 mm/s;大喂入叉端點P由點A至點C為工作行程階段,所用時間為0.75 s,期間水平速度vP x、豎直速度vP y及合加速度vP均先增大后減小,方向不斷改變,在0.25 s時,vP y達到最大值,0.60 s時,vP x達到極值,在0.375 s時,端點P運動至點B,vP為6 124.38 m/s,達到最大值。
圖8 小喂入叉端點M速度變化曲線圖Fig. 8 Speed change curve of the end point M of the small feeding fork
圖9 大喂入叉端點P速度變化曲線圖Fig. 9 Speed change curve of the end point P of the large feeding fork
2) 小喂入叉端點M由點③至點①合速度先增大后減小,在0.45 s時,運動至點④,合加速度為6 285.47 m/s,即此時小喂入叉完成喂料后,快速離開預壓室,向起始位置回退;大喂入叉端點P由點C至點A過程中,合速度先增大后減小,在0.88 s時,運動至D點,合加速度為5 001.36 m/s,大喂入叉實現(xiàn)快速回退,速度逐漸減小,而后逐漸趨于平穩(wěn),避免了喂入叉過度打擊飼草花葉,有利于飼草喂入。
3) 大喂入叉和小喂入叉在點A和點①處速度最小,實現(xiàn)了飼草的平穩(wěn)充分喂入。
經(jīng)前期試驗,按大、小喂入叉原有尺寸進行作業(yè)時,小喂入叉完成2次喂料,大喂入叉完成1次喂料,二者配合完成壓捆。經(jīng)分析,適當提高大喂入叉在壓縮室停留時間,可提高預壓室和壓縮室內(nèi)充草量,進而提高大方捆打捆機工作效率。已知壓縮活塞途經(jīng)喂料口回退至推進過程所用時間為0.362 s,在滿足大喂入叉尺寸不超過壓縮室水平和垂直距離,且不發(fā)生干涉前提下,增加大喂入叉l′e長度,進行試驗。l′e原長為520 mm,以20 mm為步長,l′e不超過590 mm為上限,通過仿真計算出大喂入叉停留于壓縮室內(nèi)的時間,軌跡仿真結(jié)果如圖10所示,大喂入叉在壓縮室內(nèi)停留時間如表1所示。
圖10 改變l′e長度P點運動軌跡Fig. 10 Trajectory of point P of changing the length of l′e
表1 改變l′e長度P點在壓縮室內(nèi)停留時間Tab. 1 Residence time of point P in the compression type after changing the length of l′e
由圖10知,當改變曲柄l′e長度時,P點軌跡形狀不會發(fā)生變化,但P點在x軸和y軸方向的坐標值會隨著l′e長度的增大而增大,從而提高了大喂入叉端點P在壓縮室內(nèi)的停留時間。由表1知,當l′e=580 mm時,大喂入叉端點P在壓縮室內(nèi)停留時間為0.358 s,與壓縮活塞從回退避開壓縮室喂料口到推進經(jīng)過喂料口時間相差0.004 s,時間間隔過短,極易發(fā)生故障,考慮實際因素,選擇l′e=560 mm,時間間隔為0.020 s,基本滿足實際需求。
根據(jù)仿真結(jié)果,加工生產(chǎn)l′e=560 mm大喂入叉,與原尺寸喂入叉喂入量進行對比。經(jīng)試驗,當l′e=520 mm時,整周期喂入秸稈量為1.536 kg;當l′e=560 mm時,整周期內(nèi)喂入秸稈量為1.744 kg,喂入效率提高13.54%,可較好地應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
1) 通過運動分析,建立了大、小喂入叉的軌跡和運動方程。通過MATLAB仿真求解,得到兩喂入叉端點軌跡和速度變化曲線,并最終實現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化。兩喂入叉端點運動軌跡呈腰果型,小喂入叉運動周期T1=0.7 s,大喂入叉運動周期T′1=1.5 s。
2) 大、小喂入叉無論工作行程還是回退行程,其端點合加速度均呈先增大后減小趨勢,工作行程中,小喂入叉端點M運動至點②時速度達到最大值,合速度為5 985.03 mm/s,大喂入叉端點P運動至B點時速度達到最大值,合速度為6 124.38 m/s;返回行程中,小喂入叉端點M運動至點④時速度達到最大值,合速度為6 285.47 m/s,大喂入叉運動至D點時速度達到最大值,合速度為5 001.36 m/s。
3) 適當提高大喂入叉在壓縮室停留時間,可提高預壓室和壓縮室內(nèi)充草量,進而提高大方捆打捆機工作效率。當l′e=560 mm時,整周期內(nèi)喂入秸稈量為1.744 kg,喂入效率提高13.54%,該仿真初步驗證了理論分析的準確性,可較好地應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。