9YG-1.2 型圓捆機撿拾裝置參數優化研究

■賀占清 郭志平* 李瑞平 李鳳偉 楊 莉 董忠義 陳夢穎

(1.內蒙古工業大學機械學院，內蒙古呼和浩特010000；2.中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院，內蒙古呼和浩特010000；3.內蒙古華德牧草機械有限責任公司，內蒙古呼倫貝爾021000；4.內蒙古科技大學包頭醫學院，內蒙古包頭014000)

畜牧業作為我國內蒙古地區重要經濟來源，在農 村經濟中扮演重要角色。牧草是畜牧業最重要的物質基礎，其高效低損收獲是牧草收獲工作最重要的環節。圓捆卷捆機作為現代化牧草收獲的重要工具之一，可以實現對牧草的自動撿拾、自動卷捆和自動捆制等工作，增加牧草收獲自動化水平，減輕牧草收獲工作量，縮短牧草收獲周期，提高牧草收獲質量。而現階段我國牧草收獲機械還大多為引進或仿制國外先進裝備，對牧草收獲機械工作原理及收獲裝備優化還處于較低水平。如圖1 為中國農機院呼和浩特特分院研制的9YG-1.2 型圓捆機，其主要由撿拾裝置，喂入裝置，卷捆裝置，捆繩裝置等組成，實現牧草卷制圓捆工作，其卷制草捆內松外緊，有利于草捆的通風干燥，提高牧草的存儲時間。在實施卷捆工作時發現圓捆機撿拾裝置在撿拾牧草時出現漏撿和打擊花葉等問題。為提高9YG-1.2 型圓捆機撿拾裝置的撿拾質量，通過ADAMS 多體動力學仿真軟件對撿拾裝置各部件結構及運動參數進行分析研究，探究各參數對漏檢率及花葉損失率的影響，以撿拾裝置低漏撿率和低花葉損失率為目標對多個參數進行參數配比優化，找到低漏撿率和低花葉損失率的最優參數組合，為我國現有牧草收獲裝備撿拾裝置的優化提供理論支撐，提高我國牧草撿拾裝置的撿拾質量，提高牧草收獲效率，促進畜牧業的高效高質量發展。

圖1 9YG-1.2型圓捆機

1 撿拾裝置理論分析

撿拾裝置作為圓捆機重要部件主要作用是將地面上已經摟集成條的牧草撿拾并喂入后續卷捆工作機構中，撿拾裝置的撿拾質量及效率直接影響牧草的收獲。在對9YG-1.2型圓捆機卷捆試驗時發現，撿拾裝置在撿拾牧草時出現牧草漏撿及牧草被彈齒打碎等現象。為提高撿拾裝置的撿拾質量，對撿拾裝置進行理論分析，分析影響撿拾裝置撿拾質量的因素，為撿拾裝置的優化提供理論分析。

1.1 撿拾機構工作原理

9YG-1.2 型圓捆機的撿拾裝置采用彈齒滾筒式撿拾機構，如圖2。撿拾裝置主要由彈齒、滾筒、凸輪、曲柄、滾子、彈齒桿等組成。圓捆機工作時，撿拾裝置整體安裝在圓捆機前段隨圓捆機一同前進，同時自身通過動力傳動進行牧草的撿拾工作。

圓捆機通過鏈傳動形式將動力傳遞至撿拾裝置，撿拾裝置中滾筒做勻速轉動帶動彈齒桿繞中軸做勻速轉動，彈齒安裝在彈齒桿上隨之運動，同時彈齒桿也與曲柄固定并呈一定角度，曲柄另一端與凸輪配合沿凸輪輪廓運動。最終滾筒運動與曲柄沿凸輪運動兩個運動合成彈齒的運動，從而實現撿拾裝置的牧草撿拾工作。工作過程中，滾筒旋轉一周為彈齒的一個工作周期，一個工作周期主要分為以下三個工作階段：

①放齒階段：放齒階段是彈齒完成上一個工作周期并準備進行下一個工作周期的過程。首先彈齒運動到撿拾位置，逐漸將彈齒伸出滾筒護板并插入牧草草條內，當彈齒伸出量達到最長并開始向上運動時放齒動作完成并開始下一階段。

②升運階段：升運階段是牧草撿拾工作中最重要的環節，主要是彈齒托運牧草至指定位置的過程。升運階段彈齒的狀態直接決定牧草撿拾效果的好壞，彈齒的速度及加速度的變化對牧草的漏撿及花葉損失影響很大。

③收齒階段：收齒階段是整個撿拾工作的最后工作。此工作階段主要為保證在升運階段撿拾的牧草能夠順利與彈齒分離并被推送至喂入機構。收齒階段必須保證彈齒對牧草的作用力方向與牧草運動方向相同，避免作用力方向偏移使得牧草進入滾筒護板內或被打飛等現象發生。

1.2 撿拾質量影響因素分析

撿拾裝置的撿拾質量主要可以分為兩方面進行考慮，一方面由于撿拾裝置結構特點使得撿拾裝置在撿拾牧草過程中產生撿拾彈齒無法觸及到的漏撿區，撿拾裝置出現漏檢率，如圖3 所示，撿拾裝置的漏撿區域主要是兩個相鄰彈齒在工作過程中彈齒都未撿拾到的區域。另一方面由于撿拾裝置運動參數設置不合理可能導致撿拾彈齒對牧草作用力太大，導致牧草在撿拾過程中受到破壞。撿拾水分大的牧草可能導致花葉破碎使得牧草營養大量流失降低牧草質量；撿拾干牧草使得牧草受沖擊破碎無法撿拾，降低牧草收獲量。所以撿拾裝置撿拾彈齒的加速在撿拾工作過程中需要控制不易過高。

圖3 彈齒滾筒式撿拾裝置漏撿區

2 撿拾機構仿真分析

經上述分析，對現有9YG-1.2型圓捆機撿拾裝置的各參數進行建模分析，運用多體動力學仿真軟件ADAMS對各參數下撿拾裝置的運動狀態進行仿真模擬。從撿拾質量入手，研究分析撿拾裝置結構參數及運動參數對撿拾裝置中撿拾彈齒運動軌跡及撿拾彈齒加速度曲線的影響關系，從而分析各參數對漏檢率及花葉損失率的影響。

2.1 各參數對撿拾彈齒位移軌跡影響分析

分析采用單因素水平分析法對撿拾裝置中滾筒轉速、圓捆機前進速度、滾筒半徑、曲柄與彈齒夾角、滾子半徑和曲柄長度進行仿真分析，分析各單因素對撿拾彈齒端點處運動軌跡的影響。如圖4 為各參數下彈齒運動軌跡圖。

圖4 各參數下彈齒端部位移軌跡

圖4a為撿拾裝置在滾筒轉速單因素影響下撿拾彈齒端點處的位移軌跡曲線，設置滾筒轉速分別為60、70、80 r/min，由圖中可知撿拾彈齒端點處的位移曲線呈擺線狀，隨滾筒轉速的增大，擺線環扣增大；λ值越大，位移軌跡曲線降低，漏撿面積減小。

圖4b為撿拾裝置在圓捆機前進速度單因素影響下撿拾彈齒端點處的位移軌跡曲線，設置圓捆機前進速度分別為1.2、1.4、1.6 m/s，由圖中可知隨圓捆機前進速度的增大，擺線環扣減小；λ值減小，位移軌跡曲線越高，漏撿面積增大。

圖4c為撿拾裝置在滾筒半徑單因素影響下撿拾彈齒端點處的位移軌跡曲線，設置滾筒半徑分別為150、160、170 mm。由圖中可知隨撿拾裝置滾筒半徑增大，撿拾彈齒端部位移軌跡擺線環扣大小變化很小，位移軌跡曲線高度相近，滾筒半徑對漏撿面積影響很小。

圖4d為撿拾裝置在曲柄與彈齒夾角單因素影響下撿拾彈齒端點處位移軌跡曲線，設置夾角分別為45°、60°、75°。由圖中可知隨著撿拾機構曲柄與彈齒夾角增大，彈齒端部位移軌跡擺線環扣增大；λ值越大，位移軌跡曲線越高，漏撿面積越小。

圖4e為撿拾裝置在滾子半徑單因素影響下撿拾彈齒端點處位移軌跡曲線，設置半徑分別為15、17.5、20 mm。由圖中可知滾子半徑對撿拾裝置彈齒端點位移軌跡并無影響。

圖4f為撿拾裝置在曲柄長度單因素影響下撿拾彈齒端點位移軌跡曲線，設置曲柄長度分別為70、80、90 mm。由圖中可知彈齒端點處位移軌跡在不同曲柄長度下只有在擺線環扣處有所不同而對漏撿面積無明顯影響。

2.2 各參數對撿拾彈齒加速度影響分析

分析同樣采用單因素水平分析法對撿拾裝置中滾筒轉速、圓捆機前進速度、滾筒半徑、曲柄與彈齒夾角、滾子半徑、曲柄長度進行仿真模擬，分析單因素對撿拾彈齒端點處加速度的影響。各因素參數選擇與研究各參數對漏檢率影響分析時相同，如圖5為各參數下彈齒端點處加速度變化。

圖5 各參數下彈齒端部加速度

圖5a為撿拾裝置在滾筒轉速單因素影響下撿拾彈齒端點處的加速度變化曲線，滾筒的轉速越大，撿拾裝置撿拾周期縮短；單個撿拾彈齒撿拾時間縮短，彈齒端部加速度值有明顯提高，加速度波動量增大，對牧草的撿拾力及對牧草的沖擊力都相應增加。

圖5b為撿拾裝置在圓捆機前進速度單因素影響下撿拾彈齒端點處的加速度變化曲線，由圖可知圓捆機前進速度對彈齒端部加速度并無影響。

圖5c為撿拾裝置在滾筒半徑單因素影響下撿拾彈齒端點處的加速度變化曲線，由圖可知滾筒半徑越大加速度值有所增加，波動量也相應增加，在滾筒半徑為170 mm時彈齒端部加速度曲線出現明顯高于其他參數值的尖點位置，撿拾裝置在撿拾牧草過程中出現對牧草的沖擊作用，嚴重提高撿拾器撿拾牧草的花葉損失率。

圖5d為撿拾裝置在曲柄與彈齒夾角單因素影響下撿拾彈齒端點處加速度變化曲線，由圖可知夾角越大加速度值越大；夾角增大后加速度波動量增加，花葉損失率增大。

圖5e為撿拾裝置在滾子半徑單因素影響下撿拾彈齒端點處加速度變化曲線，由圖可知出滾子半徑對加速度影響不大，表現為滾子半徑越大加速度越大，但增加量較小，只有在加速度波動時有增加。

圖5f 為撿拾裝置在曲柄長度單因素影響下撿拾彈齒端點加速度變化曲線，由圖中可知曲柄長度對穩定區域加速度幅值的影響不大；但隨曲柄長度的增加加速度的波動量有明顯降低，對降低牧草花葉損失有重要作用。

分析各參數對撿拾裝置撿拾彈齒端部位移軌跡圖及加速度曲線的影響可知，撿拾裝置漏檢率主要受滾筒半徑、圓捆機前進速度和曲柄與彈齒夾角影響，而滾筒半徑、滾子半徑和曲柄長度對撿拾裝置漏檢率影響很小。撿拾裝置花葉損失率主要受滾筒轉速，滾筒半徑，曲柄與彈齒夾角、滾子半徑和曲柄長度影響，而圓捆機前進速度對其影響較小。

3 撿拾裝置參數優化

分析各參數對撿拾裝置撿拾效果的影響，發現滾筒半徑、滾子半徑和曲柄長度對撿拾裝置彈齒端點位移軌跡無明顯影響，對撿拾裝置漏檢率影響不大，只對撿拾裝置花葉損失率有影響。為減少試驗次數，首先對只影響花葉損失率的參數進行仿真試驗，將所得優化結果帶入下一仿試驗，最終對滾筒轉速、圓捆機前進速度、曲柄與彈齒夾角進行參數優化。從而有效降低圓捆機撿拾裝置漏撿率及花葉損失率。

3.1 仿真試驗一

對曲柄長度、滾筒半徑和滾子半徑三個參數進行3 因素3 水平響應面分析，其他參數采用9YG-1.2 型圓捆機原有參數值，圓捆機前進速度1.4 m/s、滾筒轉速70 r/min、曲柄與彈齒夾角60°。表1為試驗水平與因素取值。各因素對撿拾裝置撿拾彈齒加速度的影響主要表現在加速度波動區域是加速度的波動幅值，即降低加速度波動區域處加速度最大值將會明顯降低撿拾裝置在撿拾工作時出現的花葉損失，所以本試驗以三因素影響下的彈齒加速度最大值為目標參數進行優化試驗，表2為實驗方案及結果。

表1 試驗水平與因素

表2 實驗方案及結果

通過試驗軟件design-expert 對各因素進行顯著性分析，找出擬合回歸方程。如表3 為方差分析與顯著性分析，模型的AC 項和C2大于0.05，檢驗值不顯著，其余項檢驗值都檢驗顯著，其中A 項、B 項、AB 項、A2項、B2項檢驗檢驗極顯著。對加速度影響的主次順序為曲柄長度＞滾筒半徑＞滾子半徑。通過試驗數據去掉擬合不顯著項，得到的二次回歸方程為：

Y=1.419×106+8 718.4A-17 062.7B-45 042.4C-148.43AB+203.31BC+89.78A2+82.996B2

則可求得在滾筒轉速、前進速度、曲柄與彈齒夾角因素為9YG-1.2 型圓捆機原有參數時曲柄長度90 mm、滾筒半徑163.5 mm和滾子半徑16.1 mm可得最優結果，撿拾裝置撿拾彈齒最大加速度優化為40 637 mm/s2。

表3 方差分析及顯著性分析

3.2 仿真試驗二

對前進速度、滾筒轉速和曲柄與彈齒夾角三個參數進行3 因素3 水平響應面分析，其他參數采用試驗一優化后的參數值。如表4 為試驗水平與因素取值。本試驗以三因素影響下的彈齒加速度最大值和撿拾裝置漏檢率為目標參數進行優化試驗，漏撿率通過對彈齒端部位移軌跡漏撿區域測得。表5 為實驗方案及結果。

通過實驗軟件design-expert 對各因素進行顯著性分析，找出擬合回歸方程。如表6為漏檢率方差分析與顯著性分析，模型漏撿率C12項大于0.01，檢驗值顯著；其余項檢驗值都小于0.001，檢驗極顯著。對漏撿率影響的主次順序為機構前進速度＞滾筒轉速＞曲柄與彈齒夾角。通過試驗數據，得到的撿拾率的二次回歸方程為：

L=12.071-6.505A1-0.141 9B1-0.064 6C1+0.022 4A1B1+0.015 4A1C1+0.000 46B1C1+1.684A12+0.000 499B12+1.172C12

表4 實驗水平與因素

表5 實驗方案及結果

表6 漏撿率方差分析與顯著性檢驗

表7 加速度方差分析與顯著性檢驗

如表7為加速度方差分析與顯著性分析，模型加速度A1項、A1B1項、A1C1、A12都大于0.05，這些項檢驗值不顯著，B1C1項大于0.01，B1C1項檢驗值顯著，其余各項的P 值均小于0.001，檢驗極顯著。對加速度影響的主次順序為滾筒轉速＞曲柄與彈齒夾角＞機構前進速度。通過試驗數據去除模型中不顯著項，得到的加速度的二次回歸方程為：

Y1=7 917.3+8.95B1-268.37C11-0.685B1C1+8.92B12+2.486C12

最終經過優化后，得到最佳參數組合：曲柄長度90 mm、滾筒半徑163.5 mm、滾子半徑16.1 mm、機構前進速度1.28 m/s、滾筒轉速68 r/min、彈齒與曲柄的夾角50°。

3.3 優化前后性能比較分析

分析優化前后撿拾裝置撿拾彈齒端點處運動軌跡和加速度變化曲線，對優化效果進行評估。圖6為優化前后彈齒端部位移軌跡。相比優化前，優化后的位移軌跡周期變短、余擺線更低、漏撿高度更低、漏撿拾區域面積更小；優化前漏撿率為0.866%，而優化后漏撿率為0.677%，漏撿率優化了21.8%,優化效果顯著。圖7為優化前后彈齒端部加速度曲線，加速度波動量在優化后略有降低，優化前彈齒端部最大的加速度為45 678 mm/s2,而優化后彈齒端部最大的加速度為39 507.1 mm/s2,最大加速度優化了13.5%。

圖6 優化前后彈齒端部位移軌跡

圖7 優化前后彈齒端部加速度

4 結論

①分析研究9YG-1.2型圓捆機撿拾裝置工作原理，對工作過程進行劃分階段性研究，探究各工作階段內影響撿拾效果的因素，提出評估撿拾裝置撿拾質量目標因素。

②運用ADAMS 多體動力學仿真軟件對圓捆機撿拾裝置進行仿真模擬，繪制撿拾彈齒端部位移軌跡圖和加速度曲線。分析曲柄長度、滾筒半徑、滾筒轉速、滾子半徑、圓捆機前進速度和曲柄與彈齒夾角單因素水平對撿拾裝置漏檢率和花葉損失率的影響。

③設計實施仿真試驗研究，對多參數下撿拾裝置漏撿率和花葉損失率優化分析，利用響應面分析法求得最優參數組合：曲柄長度90 mm、滾筒半徑163.5 mm、滾子半徑16.1 mm、機構前進速度1.28 m/s、滾筒轉速68 r/min 和彈齒與曲柄的夾角50°。最優參數組合下漏撿率0.677%、最大加速度39 507.1 mm/s2，漏撿率和最大加速度分別優化了21.8%和13.5%。