9BJ-1.0裹包圓草捆夾包機的研究

徐 冬，郭英洲，陳愛慧，田 健

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

隨著我國經濟的發展，人們的生活水平大大地提高了，對于畜產品的需求也水漲船高，畜牧業亦成為我國農業的主體，草飼料的需求也大幅增加，裹包圓草捆得到了廣泛的應用。然而，草捆包在搬運過程中很容易破損，而且，人工搬運也很費時費力，因此，為了提高工作效率，降低草捆包外膜的破損率，降低工人勞動強度，研發一種專用的搬運裹包圓草捆的機具勢在必行。

1 掛載托架的設計

1.1 設計原理

本機具設計的是一種通過拖拉機掛載的標準掛接機構，再掛載夾包機。掛載機構為兩側對稱的型式，分前后兩節，后節固定在拖拉機上，可繞固定軸旋轉一定角度，前節與后節通過另一組銷軸連接，可繞連接軸轉動，兩節都由液壓缸提供動力，形成類似于人的手臂的結構，能比較靈活地帶動前端的掛載托架升高降低、推前拉后。這種標準的掛接機構比較常見，我們只需要設計能與掛載機構連接的掛載托架(可通用于我們設計開發的夾包機、切包機)和夾包機。簡單的外型分析后，要對掛載托架和夾包機進行詳細的結構及用材設計，兩個機具本著在能實現預定功能的情況下，遵循盡量輕巧耐用的原則。

1.2 掛載托架的設計思路

如圖1，此托架可適用于我們開發設計的夾包機和切包機，圖中S形曲臂和下連接點，用于連接標準掛接機構的前節，用于調整托架的傾斜角。上掛軸與夾包機的上掛鉤連接，快插銷軸組與夾包機下掛鉤連接，夾包機的上掛鉤是開口鉤型結構，可以從上方掛入托架的上掛軸。夾包機的下掛鉤是不開口耳型結構，當整機與托架貼緊后，松開快插銷軸組，正好銷軸能插入下掛鉤的圓孔，這樣就固定住了掛載的夾包機。要卸下夾包機只需拉動快插銷軸組，使銷軸錯開下掛鉤，控制托架傾斜角，使托架下部遠離夾包機，再調節標準掛接機構使托架整體向下移動，使上掛軸脫離夾包機上掛鉤，這樣就卸下了夾包機，可以去掛載有相同掛鉤的其它機具，比如同系列的切包機。本掛載托架盡量減少了使用厚重的方管，代之以圓鋼，在保證整機結構強度的同時，整機更為輕巧；快插銷軸也使得本機具掛載和拆卸其它配套機具更方便快捷。

1.S形曲臂；2.上掛軸；3.主橫梁；4.側板；5.快插銷軸組；6.下橫軸；7.下連接點

2 夾包機的設計

2.1 設計原理

在草捆包運輸過程中，為了保證外包裝膜的完好，最好用一塊托板托著草捆包的底端來移動，不過由于裹包圓草捆存放是多層堆放在一起，托板很難插入草捆包底端，所以，這個方案行不通。那么只能用相對更復雜的機構，像人手一樣，既能抓住草捆包，又能控制力度，不至于力量太大抓破草捆包的外覆膜。大致結構就是一個液壓缸帶動兩個可繞固定軸轉動的對稱夾包臂，夾包臂隨著液壓缸的伸縮繞固定軸轉動，兩臂前端形成閉合、放開狀態，這樣也就能夾取、放開草捆包。

2.2 設計思路

為先確定關鍵部件(夾包手)尺寸外形，再確定機架等結構。結合經驗夾包手的材料應選用鋼管而不是鋼板來制作，夾包手設計成一定彎折角度，以增大與草捆包的接觸面積，減小壓強，降低夾破草捆包外覆膜的幾率，而且圓管制作的夾包手在夾住草捆包，使其產生形變，也能增加摩檫力，避免夾不住草捆包，在移動的過程中掉落。經過試驗，圓管陷入草捆包50～100 mm之間，就可以夾緊草捆包，再深就容易夾破草捆包外覆膜了，所以，工作中操作人員要控制好夾包手閉合尺寸，夾住了就不要再加力了，以免破壞草捆包。

利用左右兩個夾包手和機架前部的固定架一同夾緊草捆包圓柱面，考慮到本機具要適用于多種直徑的草捆包，因此夾包手與固定架包裹形成的近似于圓的直徑應該在0.75～1.15 m之間，這樣在夾緊草捆包使其產生一定形變后，可以穩定夾取直徑在0.8～1.2 m的草捆包，而這也決定了夾包手中部的彎折角度，如圖2所示。

圖2 夾包臂定形圖

2.3 整機結構

通過夾包臂的彎折角度、長度以及兩臂之間距離就能確定液壓缸的尺寸和沖程，繼而也可將整體機架的尺寸確定下來。如圖3，機架以四段方管做為主體框架，背部焊接上、下掛鉤，前部焊接人字形支架，用以固定U型橫梁，橫梁兩端通過定軸與夾包臂連接，這樣夾包臂就能繞定軸轉動，夾包臂前端焊接夾包手，后端以銷軸同液壓缸連接。前面已經確定了液壓缸的沖程及外形尺寸，還要通過整機的結構來確定液壓缸的動力輸出，在保證能夾住最重的草捆包的前提下，夾緊的力量不能太大，避免損壞草捆包外覆膜。

1.機架；2.下掛鉤；3.上掛鉤；4.液壓缸；5.夾包臂；6.夾包手；7.固定架；8.定軸

2.4 液壓缸設計

經測試，在500 kgf壓力作用下，可將φ60圓管壓入玉米秸稈青貯圓草捆包80 mm，能夠夾住草捆包并在顛簸路面移動而不掉落，為了適應不同的草捆包，如果將壓力放大到700 kgf，根據圖3結構尺寸，就可計算出液壓缸需輸出動力最大值

Fmax=550×700÷220≈1750 kgf

再代入缸筒內壁直徑D=60 mm，則算出液壓缸額定壓強

P=(1750×9.8)÷(3.14×0.032)≈6.07 MPa

因此選擇額定壓強P≥6.07 MPa的液壓缸即可滿足本機具的需求。

3 應力集中部位的受力分析

由于整個夾包臂只有一個定軸與機架連接，夾包臂與夾起來的草捆包的重量，都靠夾包臂與定軸連接處上下兩塊鋼板承擔，為了保證結構的強度，利用simulation軟件對夾包臂進行了以下簡化的受力分析過程：(1)只做單面夾包臂的受力分析，夾臂部分為普通碳鋼；(2)去掉了夾包手部分，把整個夾包臂及草捆包重量都算在單臂上，因為在機具夾包移動過程中，路面不平可能會造成單臂受力增大；(3)假定與定軸連接處的兩塊鋼板開的圓孔內壁為固定面，因為穿上銷軸后，此處為固定旋轉軸；(4)假定所有重力都作用于夾包臂的前半部分，而且，設定夾起的是本機具能夾取的最大直徑的草捆包。通過以上設定，得出的作用力F

F=(M臂+M包)×g
F=(74+850)×9.8
F=9055.2 N

取F=10 000 N做受力分析，如圖4。

圖4 夾包臂受力分析圖

在遠大于理論重力的作用下，夾包臂定軸連接部分變形不大，前部變形也沒有超出材料極限，如果前部再連上夾包手的四根圓管，那么強度還會明顯提升。

在本次受力分析中，重點關注圓孔部分，由于增加了兩個加強備板和一個橫向加強筋，使得整體強度大幅度提高，應力在承受范圍內，形變也很小，考慮可以減小各處采用的材料厚度，以降低整機重量，為了保證圓孔內壁強度，還可以用強度更好的材料做軸套，焊接在圓孔內，加入潤滑油，以增加耐磨性。考慮到與其相連的U形橫梁頭部也是主要受力部位，因此，通過加厚U形橫梁頭部所用鋼板，采用整體包圍結構，其中部焊接著一個長軸套，軸套與銷軸配合不能過松，以免因夾包臂上下擺動太大而變形，損毀機具。本機具液壓缸除了兩端分別與夾包臂通過銷軸連接外，并無任何部位與機架相連，只靠夾取草捆包時，利用草捆包與夾包臂兩端受力平衡來調整液壓缸所處位置，因此，在沒有夾草捆包而兩個夾包臂沒有對稱的情況下，應盡量避免閉合兩夾包臂導致液壓缸與機架的磕碰。

4 結論

以上設計的是一種通用的掛載托架和與其掛接的一種夾包機，可以降低青貯裹包圓草捆人工運輸中破損率高、費時費力的缺陷，通過對機具關鍵部位的受力分析，優化了設計。