楊智凱， 郭宇航， 安 晶， 張克平

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

隨著我國農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展，畜牧業(yè)正在進(jìn)入集約化的智慧農(nóng)業(yè)時期。對牧草進(jìn)行打捆裹膜青貯，不但能夠較大程度地保留牧草中的營養(yǎng)成分，而且能夠改善冬季牧草缺乏的現(xiàn)象。圓草捆裹膜裝置是牧草青貯發(fā)酵的常用設(shè)備，在我國需求量大，其常用的卷捆裹膜方式為：固定倉人工喂料卷捆后，圓草捆被推送至裹膜機(jī)旋轉(zhuǎn)架上，最后通過手動操作控制完成纏膜、切膜以及卸捆等工藝流程，人工需求量大且產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。因而，圓草捆裹膜的工藝和打捆效率有待優(yōu)化和提高[1-2]。

裹膜貯藏是牧草打捆裹膜青貯的終端環(huán)節(jié)，裹膜裝置在此環(huán)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。為解決圓草捆裹膜作業(yè)過程中周期長、人工投入高、裹膜效率低等問題，本文設(shè)計了一種具有控制功能的裹膜裝置，以完成圓草捆的快速高效裹膜青貯，其可與牧草圓草捆卷捆機(jī)等機(jī)具聯(lián)合工作，循環(huán)執(zhí)行該裝置裝載、裹膜以及卸捆的工藝流程，實現(xiàn)牧草卷捆裹膜一體化田間作業(yè)。

1 總體結(jié)構(gòu)

1.1 工作參數(shù)要求

參照國產(chǎn)小型圓草捆卷捆機(jī)的技術(shù)參數(shù)，確定裹膜裝置與圓草捆直徑400 mm、長度500 mm、草捆密度450～500 kg/m3的圓草捆卷捆機(jī)配套使用。在該技術(shù)參數(shù)下，要求圓草捆裹膜裝置能夠使塑料薄膜展開平整，包內(nèi)殘留空氣少，圓草捆密實度高，裹膜密封效果好，防止圓草捆青貯牧草與外界物質(zhì)的相互交換，有效減少飼料內(nèi)部殘存的空氣，抑制青貯飼料過程中微生物霉菌的污染，有效降低青貯飼料中的呼吸強度和干物質(zhì)損失[3-4]。

裹膜時間周期T(s)為裝載時間、裹膜時間與卸捆時間之和。

T=tW+TR+tX

(1)

式中：tW(s)為圓草捆從卷捆機(jī)內(nèi)被推送至裹膜平臺平置的裝載時間；tR(s)為離合裝置開始工作至完成裹膜的時間；tX(s)為裹膜平臺向后傾斜至圓草捆落入田間的卸捆時間。裹膜時間周期越短，圓草捆裹膜效率越高，故設(shè)計時應(yīng)盡可能縮短裹膜時間周期。

1.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，設(shè)計的圓草捆裹膜裝置主要由懸掛式支撐機(jī)架、頂箱、橡膠滾筒、裹膜平臺、離合機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、切膜機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、U型懸臂支架、各級傳動裝置和其他附屬部件組成。

圖1 圓草捆裹膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖1.切膜刀；2.切刀架；3.U型懸臂支架；4.懸掛式支撐機(jī)架；5.皮帶輪；6.主動軸；7.減速機(jī)構(gòu)；8.液壓控制系統(tǒng)；9.離合機(jī)構(gòu)；10.傳動機(jī)構(gòu)；11.頂箱；12.鏈輪；13.薄膜卷退卷裝置；14.橡膠滾筒；15.裹膜平臺

1.3 工作原理

裹膜裝置采用動力輸入與傳動機(jī)構(gòu)可分離方式進(jìn)行工作，其中動力輸入經(jīng)皮帶輪連接前端動力輸入裝置提供總驅(qū)動力，再由減速機(jī)構(gòu)減速，帶動離合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)隨之旋轉(zhuǎn)工作，以實現(xiàn)圓草捆自轉(zhuǎn)與U型懸臂支架公轉(zhuǎn)的同時運動。裹膜裝置的主要功能是先后執(zhí)行圓草捆的裝載、裹膜、切膜和卸捆動作，作業(yè)過程主要由3個階段組成：裝載階段、裹膜階段、卸捆階段。

裝載階段：當(dāng)卷捆機(jī)的卷捆室內(nèi)圓草捆達(dá)到足夠的尺寸和密度時，卷捆機(jī)后門打開，此時離合機(jī)構(gòu)斷開，傳動機(jī)構(gòu)停止工作，工作液壓控制系統(tǒng)促使液壓桿伸長，可翻轉(zhuǎn)裹膜平臺稍向前傾斜至卷捆機(jī)后門處，圓草捆被推送至裹膜平臺。液壓桿收縮，可翻轉(zhuǎn)裹膜平臺后傾，回歸水平位置，使圓草捆完全落入裹膜平臺，完成裝載動作。

裹膜階段：裝載階段完成后，雙向牙嵌式離合器通過液壓或電磁吸引的方式進(jìn)行對中嵌合，傳動機(jī)構(gòu)獲得動力，開始工作。傳動機(jī)構(gòu)帶動橡膠滾筒和U型懸臂支架實現(xiàn)圓草捆的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，在圓草捆表面緊密纏繞至4～6層聚氯乙烯薄膜，通過青貯專用聚氯乙烯薄膜自身的粘性以及各層之間自粘，將圓草捆密封，隔絕空氣以達(dá)到青貯飼料的目的[5-6]。纏膜結(jié)束后，液壓或電磁裝置回歸原位，雙向牙嵌式離合器分離，切斷動力輸入，裹膜裝置停止轉(zhuǎn)動，完成一個圓草捆的裹膜。

卸捆階段：薄膜達(dá)到4～6層厚度后，切膜裝置開始工作，即切膜機(jī)構(gòu)的開合油缸收縮，驅(qū)動切膜刀緊壓薄膜完成切膜，同時液壓桿收縮，裹膜平臺向后傾斜，圓草捆自然跌落，完成卸捆動作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 懸掛式支撐機(jī)架設(shè)計

懸掛式支撐機(jī)架安裝于圓草捆卷捆機(jī)的后方，可根據(jù)圓草捆卷捆機(jī)的推送高度自由調(diào)節(jié)，以滿足不同環(huán)境下的作業(yè)要求。如圖2所示，該機(jī)架主要由底盤支架、起落架、裹膜平臺支撐板、液壓控制系統(tǒng)組成，其中底盤支架和裹膜平臺支撐板能有效提高裹膜裝置的強度和承載能力，保證裹膜作業(yè)的穩(wěn)定性，液壓控制系統(tǒng)完成起落架的前傾與后翻，以配合圓草捆的裝載與卸捆任務(wù)。

圖2 懸掛式支撐機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖1.液壓控制系統(tǒng)；2.固定軸孔；3.起落架；4.傳動軸孔；5.裹膜平臺支撐板；6.底盤支架；7.動力輸入軸軸孔

2.2 動力傳輸機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計

該減速機(jī)構(gòu)由三個直齒錐齒輪嚙合構(gòu)成差動輪系。如圖 3 所示，驅(qū)動力經(jīng)皮帶輪輸送至主動軸，主動軸驅(qū)動直齒錐齒輪勻角速度轉(zhuǎn)動，兩直齒錐齒輪之間的軸交角ε=90°。直齒錐齒輪嚙合傳動過程中，由從動軸直齒錐齒輪實現(xiàn)減速增扭，達(dá)到符合要求的轉(zhuǎn)速和扭矩，帶動離合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，也可以通過改變兩直齒錐齒輪的齒數(shù)比實現(xiàn)不同的減速傳動。

圖3 減速機(jī)構(gòu)示意簡圖

為減小直齒錐齒輪傳動產(chǎn)生的震蕩，確保傳動的平穩(wěn)性，從動軸錐齒輪傳動采用同軸對稱安裝。另外，該機(jī)構(gòu)中的直齒錐齒輪具備同軸等速對轉(zhuǎn)、穩(wěn)定雙輸出的傳動特性。

根據(jù)直齒錐齒輪傳動比計算的計算公式：

(2)

式中：Z1為主動軸直齒錐齒輪的齒數(shù)；Z2為從動軸直齒錐齒輪的齒數(shù)。

通過分析該減速傳動機(jī)構(gòu)，在輸入轉(zhuǎn)速不變的條件下，可以根據(jù)不同的輸出要求調(diào)整連接直齒錐齒輪的齒數(shù)，從而調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率等動力參數(shù)。

2.2.2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

傳動機(jī)構(gòu)主要由U型懸臂支架、離合機(jī)構(gòu)、鏈輪、直齒錐齒輪和轉(zhuǎn)軸組成，將U型懸臂支架與主傳動軸連接在一起，以實現(xiàn)U型懸臂支架的平面回轉(zhuǎn)運動。通過一組直齒錐齒輪的嚙合變向和鏈條帶動橡膠滾筒的轉(zhuǎn)動，驅(qū)使帶傳動實現(xiàn)裹膜平臺上圓草捆的自轉(zhuǎn)，如圖4所示。

圖4 傳動機(jī)構(gòu)1.U型懸臂支架；2.離合機(jī)構(gòu)；3.鏈輪；4.塑料薄膜支撐底座

圓草捆裹膜裝置共有三級傳動結(jié)構(gòu)，動力經(jīng)皮帶輪連接在由拖拉機(jī)帶動的前端動力裝置，為主動軸提供總驅(qū)動力。通過直齒錐齒輪嚙合第一級傳動減速機(jī)構(gòu)減速后，帶動離合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動。當(dāng)2個半離合器端面上的牙互相對中嵌合時，由直齒錐齒輪嚙合第二級同軸傳動，再配合直齒錐齒輪改變其傳動方向，使2個直齒錐齒輪具有相同的轉(zhuǎn)速。通過直齒錐齒輪帶動軸端齒輪嚙合傳動，以實現(xiàn)U型懸臂支架的連續(xù)轉(zhuǎn)動，如圖5所示。

圖5 各級傳動示意簡圖

最后，由傳動軸帶動第三級的直齒錐齒輪嚙合轉(zhuǎn)動，將動力傳動到直齒錐齒輪的同時改變方向，并向鏈輪提供輸入動力，帶動橡膠滾筒轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)圓草捆裹膜裝置的U型懸臂支架自轉(zhuǎn)纏膜和圓草捆在裹膜平臺公轉(zhuǎn)運動的要求。

2.2.3 各級傳動比的確定

查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊，結(jié)合大中型拖拉機(jī)的主要性能技術(shù)參數(shù)，本設(shè)計最終確定的動力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min[7]。

按圓草捆的要求轉(zhuǎn)速，計算得：

(3)

已知各級傳動的傳動比分別為：第1級直齒錐齒輪傳動(減速機(jī)構(gòu))i2=2.5；第2級直齒錐齒輪傳動i3=1，鏈傳動i4=2.33。

則可確定帶傳動比為：

(4)

2.2.4 運動參數(shù)及動力參數(shù)計算

各軸中，連接從動帶輪的軸為動力輸入軸，連接第一級直齒錐齒傳動的軸為傳動軸，連接主動鏈輪的軸為主動鏈輪軸，連接從動鏈輪的軸為從動鏈輪軸。根據(jù)配套圓草捆卷捆機(jī)的技術(shù)特征，確定其前端輸入裝置的動力2.2 kW，依據(jù)通用機(jī)械設(shè)計要求，確定工況系數(shù)為[8]。

則：PC=KAP=1.2×2.2 kW=2.64 kW

(5)

前端動力輸入的轉(zhuǎn)矩：

(6)

設(shè)各軸的傳動效率為：η1=0.96，η2=0.95，η3=0.95，η4=0.96；

根據(jù)功率和轉(zhuǎn)矩的計算公式：

Pn=Pn-1ηn

(7)

Tn=Tn-1inηn

(8)

可計算出各轉(zhuǎn)軸運動參數(shù)見表1。

表1 各轉(zhuǎn)軸運動參數(shù)

2.3 控制機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.3.1 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

液壓控制系統(tǒng)實際原理類似于擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，起落架(曲柄)AB為原動件，以等角速度ω1轉(zhuǎn)動，其長度為L，角位移為φ1，液壓桿(導(dǎo)桿)回轉(zhuǎn)中心與起落架回轉(zhuǎn)中心的中心距為S(S>L)[9]。

由于要實現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)的裝載階段、裹膜階段、卸捆階段的功能特性，需要滿足經(jīng)過位置Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ處的往復(fù)運動。將該機(jī)構(gòu)置于直角坐標(biāo)系OXY中，液壓桿的底端固定鉸鏈C點，假設(shè)活塞桿(滑塊)在導(dǎo)桿上的位置距C點距離為S，如圖6所示。

圖6 擺動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)示意簡圖

計算該機(jī)構(gòu)的自由度：

F=3n-2PL-PH

(9)

式中：F為機(jī)構(gòu)的自由度；n為活動構(gòu)件數(shù)；PL為低副數(shù)；PH為高副數(shù)。

F=3×3-2×4-0=1

(10)

根據(jù)機(jī)構(gòu)確定運動的條件：原動件數(shù)大于自由度數(shù)，可知該機(jī)構(gòu)是一個具有確定運動的低副機(jī)構(gòu)。

由封閉矢量多邊形ABC可得矢量方程式：

lAB+lAC=lBC

(11)

即 ：

(12)

根據(jù)歐拉公式展開得：

lAB+lAC(cosφ1+isinφ1)=S(cosφ2+isinφ2)

(13)

該方程的實部與虛部分別相等，即：

lAB+lAC·sinφ1=S·sinφ2

(14)

lAC·cosφ1=S·cosφ2

(15)

可求得液壓桿與水平面的夾角：

(16)

根據(jù)余弦定理可求得液壓桿的最大伸長量為：

(17)

由此可推得液壓桿在位置Ⅰ的角速度ω1和相對速度v1為：

(18)

v1=-lACω2sin(φ1-φ2)

(19)

在滿足工作需要的條件下，液壓桿的實際轉(zhuǎn)速和角速度可根據(jù)實際角度適當(dāng)調(diào)整。

2.3.2 離合機(jī)構(gòu)設(shè)計

雙向牙嵌式離合機(jī)構(gòu)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、傳遞扭矩大等優(yōu)點，本設(shè)計選用該機(jī)構(gòu)完成傳動軸與主動軸的嵌合連接。雙向牙嵌式離合機(jī)構(gòu)由兩個端面上有牙的半離合器組成，半離合器固定于主動軸上且用導(dǎo)向花鍵與從動軸聯(lián)接，通過操縱機(jī)構(gòu)軸向移動滑塊使其做軸向移動，從而起到離合作用。為確保該離合機(jī)構(gòu)對中嵌合時的平穩(wěn)性，在主動軸的半離合器上固定安裝對中環(huán)，從動軸可在對中環(huán)中自由轉(zhuǎn)動。離合器的操縱通過液壓或電磁吸引的方式進(jìn)行。利用兩半離合器端面上的牙互相嵌合或脫開以達(dá)到主、從動軸的通斷。離合器牙數(shù)的種類較多：有矩形、梯形、三角形、鋸齒形和螺旋形等幾種形式，由于同時參與嵌合的牙數(shù)多，故承載能力較高，適合于傳遞扭矩大的機(jī)構(gòu)中使用[10-12]。

當(dāng)圓草捆裝載動作完成后，液壓桿收縮，起落架向后傾倒，裹膜平臺回歸水平位置。雙向牙嵌式離合機(jī)構(gòu)通過液壓或電磁吸引的方式進(jìn)行對中嵌合，裹膜平臺開始工作。裹膜完成后，雙向牙嵌式離合機(jī)構(gòu)斷開，動力輸入斷開，裹膜平臺停止工作。

2.3.3 切膜機(jī)構(gòu)開合油缸設(shè)計

切膜機(jī)構(gòu)主要由切膜刀、切刀槽、開合油缸、壓縮彈簧、加壓桿、支架及鋁塑管等元件組成。切膜機(jī)構(gòu)通過螺栓固定于裹膜平臺兩側(cè)，該機(jī)構(gòu)主要用于圓草捆裹膜完畢后，執(zhí)行薄膜切斷的操作。切膜機(jī)構(gòu)開合油缸與底座和切膜刀連接，切膜刀與加壓桿連接，鋁塑管包著加壓桿[13]。通過切膜機(jī)構(gòu)開合油缸的伸縮作用實現(xiàn)切膜機(jī)構(gòu)的閉合與打開，當(dāng)油缸伸長時，切膜機(jī)構(gòu)閉合，切膜刀抬升；當(dāng)油缸縮短時，切膜機(jī)構(gòu)打開，切膜刀下落。

當(dāng)裹膜達(dá)到第1.5圈時，開合油缸伸長，切膜刀緩緩抬升將緊壓的塑料薄膜松開，當(dāng)裹膜達(dá)到第5.5圈時，開合油缸縮短，切膜刀落下緊壓塑料薄膜。裹膜完成后，離合機(jī)構(gòu)分離的同時開合油缸關(guān)閉，同時液壓控制系統(tǒng)收縮，裹膜平臺向后傾斜，草捆自然跌落。

裝置工作過程中，通過設(shè)置切膜刀抬升時間、切膜刀停留時間、切膜刀下落時間、U型懸臂支架復(fù)位時間，可有效地防止塑料薄膜被切膜刀刮傷。

2.3.4 圓草捆裹膜平臺設(shè)計

圓草捆裹膜平臺的主要功能為承受圓草捆的質(zhì)量以及實現(xiàn)橡膠滾筒的轉(zhuǎn)動，在U型懸臂支架旋轉(zhuǎn)的同時帶動圓草捆在裹膜平臺上轉(zhuǎn)動，即圓草捆自轉(zhuǎn)。根據(jù)橡膠滾筒的長度以及圓草捆的受力分析，如圖7所示，采用4根200 mm×1 500 mm的帆布帶，考慮到圓草捆在裹膜平臺上工作的穩(wěn)定性，在2個橡膠滾筒之間設(shè)置10～15 mm的彎曲撓度，確保裹膜裝置正常工作且不發(fā)生圓草捆滾落的情況。

圖7 圓草捆裹膜臺示意圖1.橡膠滾筒；2.轉(zhuǎn)軸；3.帆布帶

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種具有控制功能的圓草捆裹膜裝置，主要結(jié)論如下：

(1)設(shè)計的圓草捆裹膜裝置可通過其懸掛式支撐機(jī)架安裝于圓草捆卷捆機(jī)的后方，根據(jù)圓草捆卷捆機(jī)的推送高度進(jìn)行自由調(diào)節(jié)，以搭配不同的圓草捆卷捆機(jī)的作業(yè)條件和工作環(huán)境；底盤支架和裹膜平臺支撐板能有效提高裹膜裝置的強度和承載能力，確保裹膜作業(yè)的穩(wěn)定傳輸。

(2)采用三級傳動機(jī)構(gòu)，動力由前端動力輸入裝置經(jīng)皮帶輪連接提供總驅(qū)動力，再由減速機(jī)構(gòu)減速，帶動離合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)隨之旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)圓草捆自轉(zhuǎn)與U型懸臂支架公轉(zhuǎn)的同時運動。傳動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，兩直齒錐齒輪采用對稱安裝，減少傳動產(chǎn)生的震蕩。

(3)根據(jù)圓草捆裹膜裝置裝載階段、裹膜階段、卸捆階段不同的運動特性，確定了液壓控制系統(tǒng)的最大伸長量與旋轉(zhuǎn)角，滿足裹膜平臺前傾、平置以及后翻的動作要求。