氣動卡扣打結器的設計與試驗

耿浩，張姬，崔桐瑞，耿愛軍，李汝莘

山東農業大學機械與電子工程學院，山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安271018

氣動卡扣打結器的設計與試驗

耿浩，張姬，崔桐瑞，耿愛軍，李汝莘*

山東農業大學機械與電子工程學院，山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安271018

針對國產打結器可靠性差且大多依賴進口的問題，在研制機械式卡扣打結器的基礎上，通過簡化撥繩裝置和改進打卡裝置，研制了一款氣動打卡的方草捆打結器。打結器安裝在底板上，在打結器主軸的驅動下，由撥繩裝置完成撥繩，卡扣輸送裝置將U型卡扣輸送給打結器，行程開關控制氣動裝置完成打卡動作。針對打結器安裝空間狹小的特點，在滿足卡扣受力條件下，選擇TN25-30雙桿氣缸，并對打結器關鍵部件進行結構設計及優化，制作了氣動卡扣打結器樣機，進行3因素3水平正交試驗。在設定工況下，臺架試驗的成結率在99%以上，滿足設計要求。氣動卡扣打結器具有結構簡單、可靠性高、使用維護方便等優點，與D型打結器相比可降低加工難度和成本。

打結器；氣動；卡扣；正交試驗；成結率

打結器是方草捆打捆機的核心部件［1］，目前國內普遍使用的D型打結器，由于其結構復雜、制造工藝及精度要求高，國產打結器可靠性差，難以滿足生產需要，而進口打結器價格昂貴，導致使用成本增加，從而影響了機械化的快速發展。為了解決打結器這一技術瓶頸，在前期研制的機械式卡扣打結器的基礎上，設計了氣動卡扣打結器，由氣缸提供打卡動力，通過擠壓鋁制U型卡扣實現鎖緊捆繩的目的。經過初步臺架試驗，已取得了比較滿意的效果。

1　氣動卡扣打結器組成與工作原理

氣動卡扣打結器如圖1所示，是在D型打結器的基礎上［2-4］開發而成的。去掉了原有的打結鉗嘴、小錐齒輪及其在扇形齒凸輪盤上相應的扇形齒，改進了撥繩裝置，保留了夾繩及割繩裝置，增加了U型卡扣輸送裝置、氣動系統和打卡裝置等。另外還保留了原有的草捆長度調節裝置、打捆針及送繩機構等打結器輔助機構［5，6］。

草捆達到設定的長度后即開始打捆，此時捆繩被輸送到夾繩及割繩裝置的上方，通過夾繩盤的轉動夾住捆繩，同時，撥繩機構將兩股捆繩撥進打卡裝置的卡槽內，并且由撥繩拉桿觸動復合行程開關，控制氣動系統的氣缸活塞桿伸出執行打卡動作，使卡扣輸送裝置提供的U型卡扣將捆繩扣緊。

打卡完成后，割刀割斷捆繩，各裝置回位，即完成一次打結過程。

2　氣動卡扣打結器關鍵部件設計

2.1夾繩及割繩裝置

夾繩及割繩裝置如圖2所示，主要由割刀、割刀臂、基座、扇形齒凸輪盤、蝸桿小錐齒輪、蝸桿、蝸輪和夾繩盤等組成，主要完成夾繩和割斷捆繩的動作。

圖1　氣動卡扣打結器Fig.1 The pneumatic buckle knotter

圖2　夾繩及割繩裝置Fig.2 Clamping and cutting device

扇形齒凸輪盤是在D型打結器扇形齒凸輪盤的基礎上［7-9］進行了改進，去掉了原來靠外沿的一道扇形齒，使結構更簡單。夾繩及割繩裝置由打結器主軸提供動力，帶動扇形齒凸輪盤轉動，通過凸輪盤上的一道扇形齒與蝸桿小錐齒輪嚙合，帶動蝸輪蝸桿轉動，從而驅動夾繩盤夾住捆繩。扇形齒凸輪盤內表面與割刀臂上的滾輪接觸，帶動割刀臂繞銷軸轉動，在打卡動作完成之后割刀割斷捆繩，完成割繩動作。

2.2撥繩裝置

撥繩裝置［10-12］如圖3所示，主要由打結器主軸、凸輪、滾輪、驅動擺桿、撥繩傳動軸、撥繩曲柄、撥繩拉桿、傳動V形桿、連接桿、撥繩板及撥繩回位彈簧等組成。

圖3　撥繩裝置Fig.3 Toggling device

如圖4所示，撥繩板的初始位置與撥繩拉桿平行（由圖4中實線表示），捆繩能夠順利進入打卡裝置的卡槽內。打卡扣結時，由打結器主軸提供動力，帶動凸輪轉動，通過滾輪和驅動擺桿帶動撥繩傳動軸和撥繩曲柄一起旋轉，使撥繩拉桿拉動傳動V形桿繞軸轉動，通過連接桿推動撥繩板閉合（由圖4中虛線表示），將捆繩收攏，以備打卡。當捆繩打完卡扣結并由割刀割斷捆繩之后，在撥繩回位彈簧的作用下，撥繩板等相關桿件再回到初始位置。

經仿真試驗，撥繩板的旋轉角度為107.2°，在空間有限的情況下，優先確定撥繩裝置的設計尺寸，然后確定AC=AB=20.6 mm，∠BAC=44.64°，由正弦定理定理得出撥繩拉桿運動距離：

BC=2×AB×sin（44.64°/2）

=2×20.6×0.3798

=15.65 mm

碾壓混凝土施工技術在水利工程大壩施工中的應用能夠有效提升大壩施工的質量，同時還能夠有效節約大壩施工的成本。在具體的應用過程中，要結合水利工程大壩施工的設計要求，在材料選擇、攪拌、運輸、澆筑和保溫等方面采取有效措施，提升水利工程大壩施工的效率，確保大壩施工的質量。

根據撥繩拉桿的位移、驅動擺桿和撥繩曲柄長度、凸輪轉速以及撥繩時間等參數，最終確定凸輪的輪廓線和有效轉角。

圖4　撥繩裝置簡圖Fig.4 Diagram of the toggling device

圖5　凸輪傳動簡圖Fig.5 Diagram of the cam transmission

如圖5所示，bc=BC=15.648 mm，即為撥繩裝置撥繩拉桿運動的距離，撥繩曲柄dc=db=90 mm，撥繩拉桿在豎直方向的位移可忽略，由正弦定理得：

Sinα=ch/cd

α=arcsin（ch/cd）

其中ch=bc/2=7.824 mmdc=90 mm

所以∠α=4.987°≈5°

∠cdb=5°×2=10°

圖5中的e、f點是凸輪與驅動擺桿上的滾輪相切的點，由位置及角度關系可以得出：

即驅動擺桿和曲柄之間的固定角度為70°。

2.3氣動系統

氣動系統［13］如圖6所示，主要由空氣壓縮機、膠管、三通接頭、二位五通電磁閥、直流電源、雙桿氣缸、復合行程開關等組成，兩個氣缸A、B分別為兩個打卡裝置提供動力。

氣動系統由空氣壓縮機作為氣源，通過二位五通電磁閥和三通接頭分別為A和B兩個氣缸提供壓縮空氣。當撥繩拉桿觸動復合行程開關時，二位五通電磁閥的正動作線圈通電并接通正動作氣流通道，氣缸活塞伸出，完成打卡動作；當撥繩拉桿回位后，二位五通電磁閥的反動作線圈通電并接通反動作氣流通道，實現氣流換向，控制氣缸活塞回位。

選用的卡扣為S740U型鋁制標準卡扣［14］，卡扣所用鋁絲直徑d=2r1=2 mm，長度L=11.7 mm，許用應力420 MPa。通過計算和實驗驗證，將卡扣扣緊需要350 N左右的力，打卡裝置安裝在夾繩盤的斜下方，安裝空間有限，設計了30 mm的打卡行程，選用TN25-30雙桿氣缸［15-17］。氣缸輸出力：

F=2 πr2p?

=2×3.14×0.01252×0.5×85%×106

=417 N

式中p-空壓機輸出氣壓，MPa

η-氣缸的效率，%

2.4卡扣輸送裝置

卡扣輸送裝置如圖7所示，主要由導軌固定座、卡扣、上導軌、下導軌、導軌緊固件、卡扣推進彈簧、彈簧固定座、彈簧頂塊等組成。

圖6　氣動系統簡圖Fig.6 Diagram of the pneumatic system

圖7　卡扣輸送裝置Fig.7 Delivering device

卡扣輸送裝置通過導軌固定座安裝在打卡裝置上，卡扣上導軌和下導軌通過導軌緊固件固定在一起，導軌間的距離為2.2 mm，這樣既可以使卡扣在兩導軌之間自由移動又不使卡扣滑出。工作時，在卡扣推進彈簧的作用下，卡扣沿著導軌移動，被連續輸送至打卡裝置。

2.5打卡裝置

打卡裝置如圖8所示，主要由下面板、上面板、軌道下固定板、砧塊擋板、砧塊、卡扣下導軌、卡扣上導軌、打卡推桿、軌道上固定板、撥繩板及軌道、打卡推桿連接板等組成。

圖8　打卡裝置Fig.8 Extruding device

當捆繩被撥入打卡裝置的卡槽內后，氣動系統控制氣缸活塞伸出，推動打卡推桿在卡扣上導軌、卡扣下導軌和撥繩板上的導軌共同組成的導軌內運動，并在砧塊的配合下使卡扣產生彎曲，直至扣緊捆繩，完成打卡動作。然后，撥繩板和打卡推桿分別在回位彈簧和氣動系統的雙桿氣缸作用下回到原位。

3　試驗結果及分析

為驗證氣動卡扣打結器的適用性，在自制的打結器試驗臺上［18］，利用類草捆模型進行了3因素3水平的正交試驗，找出最優方案，并求出成結率，以評判是否達到要求。

參照方草捆打捆機工作參數，確定主軸轉速為90 r/min，以空壓機輸出氣體氣壓、捆繩種類和卡扣尺寸作為試驗材料參數（如表1所示），每組重復試驗1000次，打結2000個，并記錄成結數，試驗結果及分析如表2所示。通過極差分析，選出最優方案為A2B1C2，即空壓機輸出氣體氣壓為0.5 MPa、塑料繩和2.0x11.7 mm的鋁質卡扣的組合，求出此方案下的成結率為99.15%，滿足實用要求。

表1　試驗參數Table 1 Parameters in test

表2　試驗結果及分析Table 2 Test results and analysis

4　結論

（1）設計的氣動卡扣打結器，由夾繩割繩裝置、氣動裝置、撥繩裝置、打卡裝置、卡扣輸送裝置等組成，便于拆卸和檢修，且具有結構簡單、可靠性強等優點，降低了加工難度和成本。

（2）按照國家頒布的方草捆壓捆機打結器可靠性考核方法進行相應的臺架試驗，成結率為99.15%，滿足設計要求。

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Design and Experiment of the Pneumatic Buckle Knotter

GENG Hao，ZHANG Ji，CUI Tong-rui，GENGAi-jun，LI Ru-xin*
Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment，College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University，Taian 271018，China

In view of the problems that the domestic knotters have a poor reliability and most of the knotters rely on imports. On the basis of the developed mechanical buckle knotter，by simplifying the toggling device and improving the extruding device，we developed a square bale knotter of using pneumatic device to extrude buckles.The knotter is installed on the floor，by the drive of the knotter bearing，the delivering device sending the U-buckle to the knotter，the overtravel-limit switch controlling the pneumatic device and the pneumatic device completing the action of extruding buckles.According to the characteristic of narrow knotter installation space，under the condition of meeting the buckle stress.We choose the TN 25-30 double pole cylinder，and developed a pneumatic buckle knotter through designing and optimizing to the structure of the knotter's key parts，and 3 factors and 3 levels orthogonal test was carried out.Under the setting conditions，the knotting rate of the knotter bench test is over 99%，meeting the design requirement.The pneumatic buckle knotter has many advantages，such as simple structure，high reliability，convenient in use and maintenance，etc.Compared with D-type knotter，it can reduce processing difficulty and cost.

Knotter，pneumatic；buckle；orthogonal test；knotting rate

S226.7；S220.2

A

1000-2324（2016）05-0726-05

2015-03-10

2015-04-14

“十二五”農村領域國家科技計劃課題（2011BAD20B04-03）

耿浩（1988-），男，山東省淄博市人，機械工程專業碩士生.E-mail：303516354@qq.com

Author for correspondence.E-mail：rxli@sdau.edu.cn