牽引式草捆拆包粉碎機的設計與實驗研究

楊志超，張 云，劉忠舍

牽引式草捆拆包粉碎機的設計與實驗研究

楊志超1，張 云1，劉忠舍2

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.呼倫貝爾市蒙拓農牧科技股份有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000)

為實現草捆拆包與粉碎的機械化和自動化，設計了一種草捆拆包粉碎機。該機采用液壓系統控制草捆撿拾機構和草捆旋轉機構的動作，碎草機構動力由拖拉機動力輸出軸提供，調整托草環機構可粉碎出不同長度的牧草。整機由三維軟件SolidWorks進行建模與仿真，并對重要部件碎草刀進行了有限元分析。樣機出廠后，對其進行大量粉碎草捆試驗，結果表明：經三維建模仿真并不斷優化，整機結構設計簡單，操作方便，可有效拆包并粉碎草捆；該拆包粉碎機完全符合使用要求，整機撿拾、拆包、碎草動作靈活，操作簡單，拆包率為100%，牧草粉碎長度可調，最小長度3cm，牧草拋撒距離可調，距離范圍1～10m。

草捆；粉碎拆包機；牽引式

0 引言

現階段，我國畜牧業發展迅速，出現了一些牧草收運設備，但這些設備已經不能滿足牧民們的需要，尤其在草捆拆包及牧草粉碎方面需要更穩定、更高效的設備來滿足牧民的需要。雖然國內捆草機發展速度較快，但沒有相應的大型拆包、碎草設備，通常靠人工來割斷草捆外的捆繩或捆網來播分大型草捆，再運送到粉碎機的入料口進行粉碎。

當用戶使用打捆機穿梭在牧場作業的時候，大多是方捆機、圓捆機，卻很少看到拆包機。有結結實實的打捆，當然需要徹徹底底的拆捆。這兩種相逆的作業流程，完成了飼料從牧場到棚間的整個機械過程。因此，有了“打捆專家”，自然不能缺少“拆包專家”[1]。

國外有很多先進的牧草碎草設備，其不足之處在于國外機型以大型為主，價格昂貴，與我國國產動力機械不配套，也與國內的牧草種植模式、地塊條件等匹配性差。受農牧民經濟條件的限制，國外的農牧業機械設備在國內推廣應用存在一定的局限性。因此，需要一款適合本國飼養規模和飼養特點的拆包、粉碎機，根據國內的配套動力、草捆大小和牧民經濟條件等各種因素，設計出一款符合國內發展需要的設備，來填補這一項目的空白。本文根據國內的配套動力、草捆大小和牧民經濟條件等各種因素，設計出一款符合國內畜牧業發展需要的設備，該設備是實現草料生產機械化產業鏈的重要環節。

1 草捆拆包粉碎機整體結構與工作過程

1.1 整機結構

牽引式草捆拆包粉碎機主要包括牽引架、車架主體、碎草倉、碎草轉子、托草轉子、托草環、行走總成、托草環調整把手、托草環調整機構、托草轉子液壓馬達、撿拾油缸、草捆撿拾機構及擋草簾機構等，如圖1所示。整機采用矩形管與Q235折彎板焊合而成，在滿足使用要求的前提下盡量減少材料成本。

草捆拆包粉碎機使用56kW以上輪式拖拉機牽引作業，碎草時需拖拉機動力輸出軸給碎草轉子提供動力，動力輸出軸轉速需為1 000r/min；液壓系統可控制托草轉子和草捆撿拾機構的運動，來完成草捆撿拾和草捆旋轉動作。該機碎草前可控制液壓系統將一捆草放入碎草倉內，草捆撿拾機構還可叉起另一捆草并控制液壓缸將草叉傾斜一定角度，防止草捆掉落。手動調整托草環機構可控制碎草刀到草捆的距離，可以粉碎出不同長度的牧草，最短碎草長度3cm。碎草前液壓調整擋草簾位置可控制牧草拋撒距離，最遠拋灑距離10m，一切工作僅需拖拉機手一人完成，節約了人力，降低了勞動成本。

1.托草環調整把手 2.車架主體 3.托草環調整機構 4.托草轉子液壓馬達 5.撿拾油缸 6.碎草倉 7.行走總成 8.草捆撿拾機構 9. 擋草簾機構 10.托草轉子 11.托草環 12.碎草轉子 13.牽引架圖1 牽引式草捆拆包粉碎機結構Fig.1 Structure of Traction type bale unpacking crusher

1.2 工作過程

牽引式草捆拆包粉碎機由拖拉機牽引作業，工作時由拖拉機液壓系統和動力輸出軸共同提供動力，完成撿拾、拆包、粉碎及拋撒的一系列粉碎過程。

工作前，將機器牽引與拖拉機后懸掛連接，動力輸出軸與機器傳動軸連接，4根液壓管分別連接拖拉機液壓輸出口，調整托草環高度，液壓調整擋草簾位置。機器工作時，先控制液壓系統將機器撿拾機構草叉放下，拖拉機手開動拖拉機倒車叉草，然后反向控制拖拉機液壓操縱桿使撿拾液壓油缸提升，帶動草捆撿拾機構將草捆翻落到碎草倉內，如需要，可繼續撿拾另一捆草并控制液壓缸將草叉傾斜一定角度，防止草捆掉落。到碎草地點時，操縱另一個液壓手柄使托草轉子液壓馬達旋轉帶動托草轉子旋轉，進而使草捆旋轉，同時接合拖拉機動力輸出軸并開動拖拉機，控制油門使動力輸出軸轉速為1 000r/min左右；拖拉機緩慢行駛開始拆包碎草，完全打散草捆后，可正反向來回控制托草轉子液壓手柄，使牧草更順暢地進入碎草轉子粉碎并拋出。拆包碎草機作業情況如圖2所示。

2 關鍵部件設計

2.1 草捆撿拾機構的設計

草捆撿拾機構的作用是將草捆撿拾并翻運到碎草倉內，該機構直接關系到草捆撿拾是否成功。圖3為撿拾臂結構圖。

1.草叉 2.草捆 3.撿拾油缸 4.撿拾提升臂 5.撿拾固定架 6.旋轉軸管圖3 撿拾臂結構圖Fig.3 The structure diagram of lifting arm

根據草捆的幾何尺寸與野外所處環境，設計一種結構簡單、操作方便、能滿足撿拾功能和高效率的草捆撿拾裝置，提出了精簡桿件焊合構架與最佳桿件彎曲、傾斜相結合的提升臂結構設計的理念[2]。

機器撿拾草捆時需要倒車撿拾，機器倒車方向與草捆軸線方向總會有一定的夾角，所以設計草叉前端折彎一定角度，帶弧的草叉前端接觸到草捆，機器繼續倒車，草叉將自動擺正并撿拾草捆。

本次試驗撿拾草捆為捆繩圓草捆，草捆直徑1.3m，長1.5m。經實地試驗，該撿拾機構可以在平地上撿拾機器倒車方向與草捆軸線方向呈30°角范圍內的圓草捆。

2.2 托草環調整機構的設計

為滿足農牧民對粉碎牧草不同長度的要求，設計一種簡單、有效的碎草長度調整機構，使用者可隨意調整碎草長度，來增加牧草對牲畜的適口性。該機構中的各個零部件相互配合動作，來調節碎草刀到草捆間的距離，調整范圍0～5cm，被粉碎牧草長度范圍3～20cm。圖4為托草環調整機構局部放大圖。

1.連接螺栓 2.調整板焊合 3.U型環 4.托草環焊合 5.調整圓管焊合 6.連接板 7.限位擋板4 8.調整把手圓管焊合圖4 托草環調整機構局部放大圖Fig.4 Grass ring adjustment mechanism of partial enlargement

手動旋轉托草環調整把手帶動調整把手圓管焊合轉動，通過連接板帶動調整圓管焊合動作，因為有限位擋板，調整圓管只能沿兩面相切的的方向上下移動，進而帶動托草環上下動作；托草環的另一端由一組U型環將其固定在調整板焊合上，調整板焊合兩側由螺栓連接并可繞其轉動。

2.3 草捆轉向與碎草部件轉向的相互關系

因為圓草捆的成型是由內向外一層一層的，所以碎草時，牧草也是一層一層從圓草捆上撥下來，托草轉子與碎草轉子的旋轉方向相反，草捆與碎草轉子的轉向相同；托草轉子由液壓馬達提供旋轉動力，轉速比碎草轉子慢很多。圖5為草捆與機器轉向圖。

2.4 液壓系統的設計

液壓與機械傳動、電氣傳動相比具有安裝方便靈活、質量輕、體積小、反應速度快及可實現自動過載保護等特點。液壓技術應用到農業機械當中，能夠提高農機機械的產品質量和技術含量，是農業機械的發展趨勢之一[3]。

該機全部使用螺紋插裝閥，泄露小，質量輕，集成度高，加工改型相對容易，制造成本低[4]。該機整個液壓系統主要控制草捆撿拾油缸升降，完成撿拾草捆動作；控制擋草簾升降，來調整碎草拋灑距離；控制托草轉子液壓馬達轉動。考慮大部分國產拖拉機的液壓動力輸出系統有兩套，設計1組液壓閥控制整個機器4個油缸動作，另一組液壓控制2個液壓馬達轉動。圖6為撿拾油缸、擋草簾油缸原理圖。

1.圓草捆 2.托草轉子 3.托草環機構 4.碎草轉子 5.托草環調整機構圖5 草捆與碎草部件轉向圖Fig.5 Bale and crushed grass components

1.擋草簾液壓油缸 2.蓄能器 3.雙向溢流閥 4.節流閥 5.二位二通電磁換向閥(錐閥) 6.草捆撿拾油缸 7.液壓鎖 8.二位二通電磁換向閥(滑閥)圖6 液壓原理圖Fig.6 Hydraulic principle diagram

機器倒車撿拾草捆時，控制手持終端打開8位置的一組二位二通電磁換向閥，同時操作拖拉機液壓手柄將草叉放到可以撿拾草捆的位置，倒車叉草；然后，反向操作該液壓手柄，使草捆撿拾機構翻轉，將草捆拋送到碎草倉內，如需要，可以撿拾另一個草捆備用。考慮拖拉機液壓閥有內泄露，當撿拾機構叉起另一捆草并翻轉一定角度后，因重力作用該液壓系統的自泄露會導致草叉反向翻轉，草捆掉落，所以草捆撿拾液壓油路中增加一組7位置的液壓鎖，液壓鎖可使執行元件在任意位置停留，并能防止在外力作用下的漂移或竄動，這種回路能使執行元件長期鎖緊[5],即使斷開動力液壓油，因液壓鎖的存在，草捆也不會掉落。因有液壓鎖的存在，選擇該換向閥的閥芯為滑閥結構，節省成本。碎草時，可隨時控制擋草簾的升降來控制碎草的拋撒距離，操控手持終端打開5位置的一組二位二通電磁換向閥，同時操作同一組拖拉機液壓手柄來完成擋草簾的升降。考慮擋草簾持續受到外力作用，增加蓄能器來為該油路持續保壓，當停止向執行元件供油時，由蓄能器釋放儲存的壓力油，補償系統泄露，維持系統壓力，以減少能耗和降低溫度。為減小系統內泄露，選用錐閥閥芯的電磁換向閥。為防止操作員升起擋草簾油缸時發生誤操作或其它原因導致擋草簾受力力太大損壞油缸和蓄能器，在油路中裝有3雙向溢流閥，當油路壓力過大接近蓄能器可承受的最大壓力時，溢流閥開啟泄壓，保護蓄能器和油缸。考慮擋草簾油缸緩慢動作可以更精準地控制牧草拋撒距離，油路中增加一個直徑為1mm阻尼孔的二通接頭，控制液壓流量，起調速作用。兩套液壓油路通過手持終端控制共用一組拖拉機液壓輸出接頭。

3 碎草轉子的設計與碎草刀的有限元分析

3.1 碎草轉子的設計

另外，今年還新增了“最佳格魯吉亞葡萄酒”獎杯項目，由Chateau Mukhrani Réserve Royale Red 獲得。東歐的另一焦點地區是捷克共和國，今年無論是參賽或得獎數目均有一倍的上升。

碎草轉子是整個機器的核心部件，主要完成拆包、碎草及拋撒牧草的工作。在一定程度上，碎草轉子轉速越快，粉碎的牧草長度就越短。考慮制造加工精度和拖拉機動力輸出軸的最高轉速，確定碎草轉子的轉速為1 000r/min。圖7為碎草轉子。

圖7 碎草轉子Fig.7 Crushed grass rotor

根據JB/T 5155-2013，當碎草轉子(帶碎草刀)，寬度與轉子直徑之比大于0.2時，轉子應按GB/T9239.1-2006的規定做動平衡實驗，其精度不低于G16級。根據NY 644-2002，粉碎機的轉子應按SB/T 10117錘片式粉碎機標準中的要求做動平衡效驗，所以該拆包機碎草轉子需做動平衡測試。碎草刀的設計應符合國家標準，主要采用耐磨材料和優化碎草刀結構兩個方面來提高錘片的工作性能。碎草刀材料選擇65Mn，具有硬度高、耐磨性好、淬透性好、脫碳傾向少、價格低廉及切削性好等優點。碎草刀整體調質，刀刃部分高頻淬火，碎草刀頂部刀刃角為45°，既可鋒利碎草又不易崩刃；碎草刀中部設計有凹槽，可以更遠地將碎草拋撒出去。

3.2 碎草刀的有限元分析

進行有限元分析，可以增加設計功能，減少設計成本，增強產品和工程的可靠性，降低材料的消耗，在產品制造或工程施工前發現潛在的問題。將有限元分析方法應用于實踐中，有助于提高產品設計的質量與效率[6]。

選用SolidWorks中simulation插件對碎草刀進行有限元分析，操作步驟為：創建三位模型，打開simulation插件，添加夾具，添加載荷，定義材料；運行與結果。圖8為對碎草刀的受力分析圖。

圖8 碎草刀受力分析圖Fig.8 Crushed grass blade force analysis

碎草刀可以深入草捆的最大距離為8cm，假設碎草刀與草捆軸線方向垂直，所受力記為N。碎草轉子轉速1 000r/min，所受慣性力記為Fg。刀下端用螺栓固定在碎草轉子上，此處添加固定約束，則

N=q×Δs

F=mw2r

式中q—比壓(即單位刃口長的切割阻力)，參考玉米秸稈的比壓值，取q=12.7N/cm[7]；

m—碎草刀質量，取m=1.28kg；

w—碎草轉子角速度，取w=16.7r/s；

r—碎草刀到轉子中心半徑，取r=0.315m。

帶入數據求得F合=114.5N。

有限元分析結果如圖9所示。從分析結果中可以看出：碎草刀的vonMises(N/m2)[8]最大為1.715e+007，而材料最大屈服力為7.002e+008,最大應力處在碎草刀與碎草刀圓管焊接處；碎草刀的URES(mm)最大為1.654e-001，最大位移在碎草刀頂端位置。

圖9 有限元分析結果Fig.9 The finite element analysis

4 試驗與分析

本次試驗地點位于內蒙古呼倫貝爾海拉爾哈克牧場院內，試驗粉碎的草捆為捆繩圓草捆，內松外緊，草捆直徑1.3m，高1.5m，重300kg左右，牧草長度20～40mm。

正交設計是利用正交表科學地安排與分析多因素試驗的方法[9]，是根據正交性從全面試驗中挑選出部分有代表性的點進行試驗，這些點具有“均勻分散，整齊可比”的特點，是一種高效、快速、經濟的試驗設計方法。本次選擇正交試驗設計對試驗數據進行分析。正交試驗設計如表1所示，試驗方案及結果如表2所示。

表1 正交試驗表設計

表2 試驗方案及試驗結果分析

由表2分析數據可知：平均碎草長度最短的方案為A3B3C3；影響碎草長度的最主要因素是碎草轉子轉速，其次是托草環頂距碎草刀頂距離，最后是托草轉子轉速。

5 結語

該草捆拆包碎草機可將任意大小及各種擺放形態的草捆搬運到碎草倉內，拆包并碎草，根據使用者的要求將牧草粉碎到一定長度，來增加牧草的適口性，牧草粉碎長度最短為3cm，拋灑距離最遠10m。這款機器不僅解決了人工拆包勞動強度大的問題，而且碎草效率高，對實現牧草作業機械化、智能化具有深遠的意義。

[1] 王嬌.拆包專家—VermeerBPX9000型拆包機[J].農業機械，2013(2)：50-51.

[2] 王超，張云，劉忠舍. 基于CAXA與MATLAB的撿拾臂優化設計與分析求解[J].農機化研究，2016，38(9)：180-184.

[3] 張圣光.液壓系統在農業機械化中的應用及優勢分析[J].安徽農業科學，2014(20)：6872-6873.

[4] 許仰曾.液壓螺紋插裝閥的發展及優缺點[J].流體傳動與控制，2010(6):1.

[5] 張立春，吳曉強.液壓與氣壓傳動[M].北京：中國林業出版社，2012：148.

[6] 陳永當，鮑志強，任慧娟，等.基于SolidWorksSimulation的產品設計有限元分析[J].計算機技術與發展，2012(9)：177.

[7] 楊喜，王金麗.基于SolidWorks的甘蔗葉粉碎機刀片分析[J].農機化研究，2014，36(4)：29-30.

[8]ReeseGM,FieldRV,SegalmanDJ.AtutorialondesignanalysisusingvonMisesstressinrandomvibrationenvironments[J].TheShockandVibrationDigest,2000,32(6):446-474.

[9] 李云雁，胡傳榮.試驗設計與數據處理[M].北京：化學工業出版社，2008:124-138.

A Towed Bale Unpacking Machine Design and Experimental Research

Yang Zhichao1, Zhang Yun1, Liu Zhongshe2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2.Hulunbuir Mengtuo Agricultural and Pastoral Development of Science and Technology Co. LTD，Hulunbuir 021000, China)

Design a unpacking machine for the realization of the bale unpacking mechanization and automation. This machine adopts hydraulic system to control the bale collector and bale rotation mechanism. Crushed grass agency power provided by the tractor pto, adjust the bale mechanism can crush the different lengths of forage grass. The machine by 3 d software Solidworks modeling and simulation, and finite element analysis of important components crushed grass cutter. Then the machine came to a large number of crushing straw bale experiment. The results show that by 3 d modeling simulation and optimization, the whole machine structure design is simple, convenient operation .This machine can unpack and crush forage grass effectively, This machine completely conform to the requirements of use. Machine unpacking rate 100%, grass crushing length is adjustable, the minimum length is 3cm, forage scatters distance is adjustable, range from 1m to 10m.

bale; crushing machine; tow

2016-10-10

呼倫貝爾市蒙拓農牧科技發展有限責任公司牧業機械設備生產線改擴建一期工程(海經信備案字[2013]03號)；裝備制造業發展專項資金農牧業機械技術改造項目( 海經信備案字[2013]03號);內蒙古自治區創新引導項目(2015 -07)

楊志超(1991-),男，內蒙古包頭人，碩士研究生，(E-mail)411407281@qq.com。

張 云(1958-),男，呼和浩特人，教授，碩士生導師，(E-mail)zhangyund1958@163.com。

S817.12+2

A

1003-188X(2017)12-0078-06