蔣曉強， 王佩犇

(1.上海預(yù)錦環(huán)保科技有限公司，上海 200000; 2.鹽城工學(xué)院 汽車工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224001)

0 引 言

當前我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展基本上進入中級階段，而與平原地區(qū)相比，丘陵地區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展相對滯后，多數(shù)仍處于初級階段。各區(qū)域發(fā)展局部不平衡問題日益顯露，就當前所面臨的問題,我國丘陵山區(qū)絕大多數(shù)是經(jīng)濟相對欠發(fā)達地區(qū)，且國家對丘陵山區(qū)農(nóng)機政策扶持力度不夠大，從而讓部分農(nóng)民無力購買生產(chǎn)設(shè)備，制約了農(nóng)機具在丘陵山區(qū)的發(fā)展[5]。如果能設(shè)計出一種擁有基本割捆功能，實現(xiàn)對谷物收割打捆的機械設(shè)備，而且結(jié)構(gòu)相對簡單，保養(yǎng)維修方便，從而降低人員的技術(shù)要求，以此來帶動成本的有效下降。這樣可以加快這類機械在相應(yīng)地區(qū)農(nóng)業(yè)機械化進程。以此來減輕農(nóng)民的勞動強度，減少勞動力成本，有利于農(nóng)民進城務(wù)工，形成良性循環(huán)，較有一定的市場前景。近年來，國內(nèi)學(xué)者在打捆機的研發(fā)上取得了豐碩的成果。李普等針對現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)切割喂入刀具建立了力學(xué)模型，利用虛擬樣機技術(shù)進行了優(yōu)化與改進[1]。陶雷等針對打捆機進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對打捆機機體進行了靜力學(xué)分析和動力學(xué)分析，實現(xiàn)了輕量化[2]。

筆者則針對一款小型谷物割捆機設(shè)計了打捆系統(tǒng)，該打捆系統(tǒng)集成了三大功能：打捆、喂料、輸料。實現(xiàn)了割捆機打捆的基本需要。

1 打捆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

打捆系統(tǒng)是谷物割捆一體農(nóng)用車關(guān)鍵工作單元，其主要實現(xiàn)谷物傳輸、谷物打捆以及成捆谷物拋出三項功能。筆者設(shè)計的打捆系統(tǒng)主要由三部分組成：打捆機構(gòu)、喂料機構(gòu)以及輸料機構(gòu)。分別實現(xiàn)了谷物打捆與成捆谷物拋出，散谷物壓入打捆機，輸送谷物以及臨時儲存谷物。圖1所示為谷物割捆一體農(nóng)用車打捆系統(tǒng)整體模型圖，分別由圖2打捆機構(gòu)，圖3喂料機構(gòu)以及圖4輸料機構(gòu)組成。

圖1 打捆機模型圖 圖2 打捆機構(gòu)

2 打捆系統(tǒng)工作原理

目前谷物打捆機的打捆方式大多數(shù)為從谷物的四周對谷物進行打捆，采用這種打捆方式的打捆機大多使用打結(jié)器實現(xiàn)打捆動作。設(shè)計了一種縱向打捆方式的打捆機。通過打捆機構(gòu)、喂料機構(gòu)以及輸料機構(gòu)實現(xiàn)打捆功能。

2.1 打捆機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

打捆機構(gòu)工作包含兩個工作階段，分別為套繩階段與恢復(fù)階段。

第一個工作階段：套繩階段。如圖5所示。

圖5 打捆機構(gòu)局部模型圖1.套繩機構(gòu) 2.底部撞針 3.下收攏桶 4.齒條 5.頂部撞針 6.擋板 7.擋板 8.凸緣 9.回位彈簧 10.鏈輪支承架11.電機 12.減速器

電機11將動力傳遞給減速器12，減速器12實現(xiàn)減速增扭，將動力傳遞給齒條4。從而套繩機構(gòu)1開始向下移動(假定在套繩機構(gòu)1的底部撞針2上存在一個繩套)。在套繩機構(gòu)1位移的過程中會與下收攏桶3的上部平臺發(fā)生接觸，從而致使底部撞針2與下收攏桶3上部的平臺發(fā)生接觸。在接觸過程中，底部撞針2會使套繩機構(gòu)1殼體內(nèi)部的彈簧被壓縮。底部撞針2同時向內(nèi)側(cè)與上部位移。在位移的過程中，位于底部撞針上的套繩自然脫落。

第二個工作階段：恢復(fù)階段。電機11反轉(zhuǎn)，套繩機構(gòu)1上行。套繩機構(gòu)1內(nèi)底部撞針2在回位彈簧9作用下復(fù)原。套繩機構(gòu)1在向上位移時，頂部撞針5進入鏈輪與支撐板之間。繼續(xù)上行將撞擊內(nèi)側(cè)鏈條擋板7，擋板7帶動鏈條運動使鏈條外側(cè)附加擋板上的繩套落入套繩機構(gòu)1，被底部撞針2鉤住。此時內(nèi)側(cè)被撞擊的擋板7頂端與支撐板上凸緣8接觸且在受到頂部撞針撞擊后從凸緣8下方移動到凸緣8上方。在移動的過程中迫使鏈輪支承架10左移，回位彈簧9被壓縮從而迫使凸緣8上方的擋板7在凸緣8的阻礙下出現(xiàn)向上移動的趨勢。但由于套繩機構(gòu)的頂部撞針5仍處于撞擊點位置，下一個擋板6被頂部撞針5擋住，在鏈條的連接下，凸緣8上方的擋板7無法繼續(xù)運動，其處于凸緣8的上方，未離開凸緣8。當套繩機構(gòu)1再次下行時凸緣8上的頂部撞針5不在將擋板6擋住，在回位彈簧9的作用力下，鏈輪支承架10右移，凸緣8上的擋板7，在凸緣8的阻礙下被迫向上移動，從而迫使鏈輪轉(zhuǎn)動，下一個擋板6進入被撞擊的位置。如此反復(fù)運動。

2.2 喂料機構(gòu)工作原理

喂料機構(gòu)的功用是將谷物輸送進入收攏桶。如圖3所示。喂料機構(gòu)的組成由外圍擋板1、上壓入輪2、下壓入輪3、從動軸及帶輪4、皮帶5、電機6、主動帶輪7、粗伸長臂8、細伸長臂9等組成。外圍擋板1與其他零部件相比較薄，其底部附加有骨架支撐，增加剛度。從動帶輪外側(cè)安裝有皮帶5,電機6將動力傳遞給主動小帶輪7，主動小帶輪再將動力傳遞給大帶輪4。電機6固定在外圍擋板1上，電機6的軸心位置與從動輪4的軸心位置間距離始終不變。粗伸長桿7與外圍擋板1的連接關(guān)系為剛性連接。粗伸長桿8的末端為細伸長桿9。細伸長桿9與粗伸長桿8為移動副。

喂料機構(gòu)的工作原理：如圖6所示當喂料機構(gòu)處于工作狀態(tài)，在輸料機構(gòu)的作用下，谷物以“站立”的姿態(tài)向喂料機構(gòu)中的上壓入輪2與下壓入輪3移動。上下兩個壓入輪的邊緣為橡膠材料，在與谷物接觸的過程中，可以減少對谷物造成傷害。當被喂入的谷物漸漸增多，下收攏桶內(nèi)的谷物達到了打捆量后，輸料機構(gòu)停止向喂料機構(gòu)進行輸料。此時電機6停止工作。此時圖7中細伸長桿9與推桿3通過鉸鏈1相連，在推桿工作時，圖6中細伸長桿9收到來自圖7中推桿3的力，使得在推桿的作用力下圍繞著圖6中粗伸長桿8與外圍擋板1的結(jié)合處2做旋轉(zhuǎn)動作。從而，外圍擋板1帶動著傳動皮帶輪與上下壓入輪離開下收攏桶的的入口，給已經(jīng)打捆好的谷物讓出一條通道。使其可以被順利的推出。在推桿將谷物推出后，推桿在電機的帶動下回到原來的位置，外圍擋板圍繞著結(jié)合點2恢復(fù)原有位置。

圖6 喂入機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖1.外圍擋板 2.上壓入輪 3.下壓入輪 4.從動軸及帶輪 5.皮帶 6.電機 7.主動帶輪 8.粗伸長臂 9.細伸長臂

圖7 喂料機構(gòu)的動力結(jié)構(gòu)圖1.鉸鏈點 2.旋轉(zhuǎn)點 3.推桿

2.3 輸料機構(gòu)工作原理

輸料機構(gòu)具備輸送谷物和停止輸送并儲存谷物的功能。于是設(shè)計出如圖8所示將谷物暫存于兩傳送帶之間的結(jié)構(gòu)。

圖8 輸料機構(gòu)底部1.滾輪 2.滾輪 3.回位彈簧 4.滾輪 5.滾輪

輸料機構(gòu)結(jié)構(gòu)組成及功能原理分析：如圖9所示，輸料機構(gòu)由傳送帶1、傳送帶2、限位板3、門禁板4、電機5、以及圖4中回位彈簧3等組成。首先從圖4中可知傳動帶1和傳動帶2相互平行，門禁板4處于閉合狀態(tài)。該狀態(tài)屬于儲存谷物的初始狀態(tài)。傳送帶1與傳送帶2處于傳送谷物狀態(tài)，由于門禁板4將谷物攔住，使得谷物堆積在門禁板4的前方，谷物體積的膨脹，直接引起了傳送帶內(nèi)側(cè)的壓力上升，從而使得兩傳送帶在門禁板4的后側(cè)向兩側(cè)擴張。因為傳送帶的滾輪并非全部固定，其中靠近門禁板的2個傳送帶的滾輪是可以在限位板3所限制的范圍內(nèi)做定點旋轉(zhuǎn)運動。傳送帶內(nèi)側(cè)壓力升高后，將使得傳送帶的內(nèi)側(cè)空間越來越大。當打捆動作結(jié)束后，喂料機構(gòu)繼續(xù)工作。此時的輸送機構(gòu)也開始輸料工作。首先，輸料機構(gòu)的門禁板4在電機5的帶動下，將門禁板4打開，谷物向輸料機構(gòu)輸出谷物，在回位彈簧的作用下，兩個移動滾輪恢復(fù)了原來的位置。傳送帶1與傳送板4所滯留的谷物涌向喂入機構(gòu)。使得傳送帶1與傳送帶2內(nèi)側(cè)的壓力驟減，傳送帶恢復(fù)正常的工作狀態(tài)。

圖9 輸料機構(gòu)機構(gòu)圖1.傳送帶 2.傳送帶 3.限位板 4.門禁板 5.電機 6.門禁齒條

3 打捆套筒ADAMS仿真

設(shè)計避免了打結(jié)器，利用打捆套筒代替打結(jié)器實現(xiàn)對谷物的打捆。然而打捆套筒在動態(tài)運動過程中存在諸多不穩(wěn)定因素。利用ADAMS對打捆套筒進行了仿真，選取不同剛度下的回位彈簧進行了模擬，得出了底部撞針的運動特性規(guī)律。

圖10為底部撞針位移特性，當?shù)撞孔册樑鲎矔r其最大位移位置為25 mm，在1 s內(nèi)可以大致恢復(fù)原有狀態(tài)。圖11為不同剛度的回位彈簧對撞針的運動速度影響，結(jié)果表明小剛度下撞針運動速度大于大剛度下撞針的運動速度。但其衰減速度比大剛度慢。通過ADAMS仿真得出撞針的運動特性，對于回位彈簧的選取，以及代替打結(jié)器的套筒進行了可行性分析。

圖10 底部撞針位移特性

圖11 底部撞針速度特性

4 結(jié) 語

此打捆系統(tǒng)采用了特殊的打捆方式，創(chuàng)新設(shè)計打捆機構(gòu)，避免了打結(jié)器的使用。實現(xiàn)了打捆系統(tǒng)的打捆、喂料、輸料連續(xù)作業(yè)，實現(xiàn)了割捆機打捆的基本需要。此設(shè)計適配于谷物割捆一體農(nóng)用車，對于豐富現(xiàn)有打捆機打捆方式有很大的價值。