可變壓捆室打捆機結構設計與仿真分析*

王成軍，韓錳，龔智強

(1. 安徽理工大學人工智能學院，安徽淮南，232001； 2. 安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南，232001)

0 引言

我國擁有豐富的秸稈資源，約占全球秸稈資源量的五分之一[1]。2020年我國秸稈產量為7.97×108t，綜合利用率為90%，其中39%左右的秸稈以直接還田為主。秸稈還田量過大不利于田間農作物的生長，可能會導致死苗及影響種子發芽等問題[2-4]。

打捆機是目前主要的秸稈收集機械，主要有圓捆打捆機和方捆打捆機兩種。國外研制的ZR5-1200型自走式圓捆打捆機具有維修方便，通過性強及自動化程度高等優點[5]。國內外多位學者對圓捆打捆機進行設計、改進[6-10]。王德福等[11]通過增加喂入對輥改善喂入性能，較好地解決秸稈喂入時堵塞問題；李葉龍等[12]設計了一種輥盤式圓捆機構，消除了圓捆機工作時堵塞現象并降低卷捆功耗。上述圓捆打捆機機只能形成直徑單一的圓草捆，對可變壓捆室打捆機的研究設計和分析較少。

為此本文設計了一種可變壓捆室圓捆打捆機，主要分析圓捆機的工作原理、設計壓捆室結構并進行分析計算，為后續可變壓捆室圓捆機的研究提供思路。

1 整體結構及工作原理

1.1 整體結構

完整的圓捆打捆機應可以完成撿拾、喂入、卷捆及卸捆等作業。本文設計的可變壓捆室圓捆打捆機主要由行走裝置、撿拾機構、喂入機構、壓捆機構、草捆卸載裝置、駕駛室及鏈傳動系統七個部分組成。其中，行走裝置由多個方鋼焊接成框架，在框架上安裝驅動箱、驅動軸和驅動輪；行走裝置、壓捆室框架、撿拾喂入裝置框架和從動輪組合成打捆機整體機架，行走裝置與壓捆室框架、壓捆室框架與撿拾喂入裝置框架均通過螺栓連接，從動輪經連接桿與撿拾框架連接；撿拾裝置、喂入裝置、螺旋輸送器和鋼輥均通過軸孔配合安裝在機架上，負責將秸稈由地面撿拾喂入至壓捆室后卷捆成形，液壓缸與支撐座和內鋼輥相配合安裝在壓捆室側面；草捆卸載裝置通過支撐座安裝在壓捆室上部，在草捆成形后打開后壓捆室卸載草捆；駕駛室通過螺釘連接安裝在撿拾喂入裝置上方，主要由柴油機、液壓泵、液壓泵站和轉向裝置組成，負責為打捆機整機提供動力，即驅動打捆機行走、鏈傳動運轉、液壓缸伸縮和草捆卸載裝置運動。此機具適用于農作物秸稈和牧草等物料的壓捆作業，壓捆室直徑范圍為0.57～0.62 m、撿拾寬度為1 m，打捆機整體結構如圖1所示。

圖1 可變壓捆室打捆機整體結構圖Fig. 1 Overall structure of baler with variable bale chamber1.壓捆機構 2.草捆卸載裝置 3.駕駛室 4.撿拾機構 5.鏈傳動系統 6.喂入機構 7.行走裝置

1.2 工作原理

可變壓捆室圓捆打捆機的作業主要包括撿拾、喂入、壓捆成形、成形壓實及卸載草捆等過程。打捆機在田間作業時通過撿拾機構將物料(農作物秸稈、牧草)連續不斷的撿拾并輸送至喂入機構，經喂入機構喂入壓捆室。物料在鋼輥的摩擦力和后續物料推動力作用下不斷旋轉形成草芯，隨著撿拾機構和喂入機構不斷將物料送入壓捆室，物料在草芯外圓周上纏繞形成外緊內松的圓草捆。當圓草捆直徑增大至壓捆室設定的最小直徑時，液壓缸控制鋼輥沿壓捆室上腰型孔移動形成不同直徑的圓草捆。圓草捆密度達到預定值時打捆機停止前進，草捆卸載裝置開啟壓捆后室，圓草捆在鋼輥的旋轉作用下落至地面，卸捆完成后關閉壓捆后室，打捆機繼續前進進行下一次壓捆作業。

1.3 動力傳動系統

傳動系統的功能是將源動力逐級傳遞到打捆機的各個工作部件。本設計的傳動方式主要采用鏈傳動，用于保證撿拾機構、喂入機構和壓捆機構各部分以較高的效率協調工作，完成正常作業要求。可變壓捆室打捆機動力傳動系統的示意圖如圖2所示。

圖2 動力傳動系統示意圖Fig. 2 Schematic diagram of power transmission system1.后鋼輥鏈輪 2.過渡鏈輪 3.液壓馬達 4.喂入機構 5.螺旋輸送器 6.撿拾機構 7.撿拾器鏈輪 8.螺旋輸送器鏈輪 9.喂入鏈輪 10.主傳動鏈輪 11.前鋼輥鏈輪 12.鋼輥

動力源由安裝在駕駛室的柴油機提供，柴油機驅動液壓泵將泵站中液壓油輸送至液壓馬達，通過液壓馬達控制液壓油流量大小，調節主動鏈輪轉速，動力經主傳動鏈輪向兩側傳遞:一方面，動力傳遞到喂入鏈輪，驅動喂入機構將物料輸送至壓捆室；動力經喂入鏈輪傳遞到撿拾器鏈輪保證撿拾機構順利將物料從地面撿拾并輸送至喂入機構；最終動力經喂入機構傳遞至螺旋輸送器，保證被撿拾的物料由兩側向中間輸送，充分喂入秸稈，避免發生堵塞。另一方面，動力經主傳動鏈輪傳輸至前鋼輥鏈輪、過渡鏈輪和后鋼輥鏈輪，驅動壓捆機構順利進行壓捆作業。

2 關鍵部件設計

2.1 撿拾喂入機構

撿拾機構安裝在打捆機的前端，其主要作用是將鋪放在地面上的物料進行撿拾并拋送至喂入口，經喂入機構輸送至壓捆室。撿拾喂入機構主要由彈齒撿拾器、彈齒護板、防飛輪、防飛叉、液壓馬達、螺旋輸送器和喂入機構組成。采用彈齒撿拾器能保證物料撿拾干凈，防飛輪與防飛叉安裝在彈齒撿拾器上部可保證物料順利輸送至喂入機構，螺旋輸送器能提高撿拾效率的同時避免堵草現象。喂入機構是連接撿拾機構和壓捆室的過渡裝置，將撿拾器撿拾的物料喂入壓捆室，撿拾喂入機構如圖3所示。

圖3 撿拾喂入機構結構圖Fig. 3 Structure diagram of pickup and feeding mechanism1.液壓馬達 2.喂入機構 3.螺旋輸送器 4.防飛叉 5.防飛輪 6.彈齒護板 7.彈齒撿拾器

喂入機構撥料板的排列方式為連續螺旋式，每個撥料板有3個喂入撥叉，每兩個撥料板組成一個撥料板組。撥料板組以15°為轉角等角分布在旋轉軸上，間距為38 mm。該排列方式具有工作負荷均勻、喂入效率高及機器震動小等特點，同時能提高機具壽命，降低功率消耗。由于撥料板在長時間高速工作時易發生疲勞損壞，且強度較低，在撥料板上沖壓出凸點可提高撥料板強度，增加物料與撥料板間的摩擦力，進而提高喂入效率。喂入機構如圖4所示。

圖4 喂入機構結構圖Fig. 4 Structure diagram of feeding mechanism1.撥料板 2.凸點 3.旋轉軸

2.2 壓捆室的設計與計算

2.2.1 壓捆室的設計

壓捆室機構是圓捆打捆機的核心部分，主要由前捆室、鋼輥、鏈輪、行走裝置、后捆室、液壓缸及草捆卸載裝置組成，如圖5所示。14個鋼輥排列形成螺旋線型壓捆室，螺旋線型壓捆室形成的圓草捆密度較整圓結構壓捆室可提高20%左右。

圖5 可變直徑壓捆室結構圖Fig. 5 Structure of variable diameter bale chamber1.腰型孔 2.后捆室 3.液壓缸 4.草捆卸載裝置 5.前捆室 6.鋼輥 7.鏈輪 8.行走裝置

創新設計了可變直徑壓捆室，直徑D范圍為0.57～0.62 m，壓捆室的大小可通過變直徑裝置改變，如圖6所示。

圖6 變直徑裝置Fig. 6 Variable diameter device1.鏈輪 2.軸承座 3.液壓缸 4.鋼輥

在前捆室和后捆室兩側均設有對稱的腰型孔；鋼輥兩端的軸承座設有兩個平行的削扁平面，將軸承座置于腰型孔內；液壓缸一端固定在壓捆室上，另一端套裝在鋼輥的外側端；當壓捆室內的圓草捆直徑和壓捆室最小直徑相等時，通過液壓缸的伸長，驅動鋼輥沿腰型孔進行外擴運動，進而增大壓捆室空間，從而形成直徑不同的圓草捆；當圓草捆密度達到預設目標后停止卷捆工作，由草捆卸載裝置打開后捆室卸載草捆，草捆卸載后液壓缸縮短，驅動鋼輥沿腰型孔進行內收運動使鋼輥回到初始位置，完成一次成捆作業。鋼輥外表面為八邊形，最大直徑d=0.162 m，整體采用內外嵌合式，由于輥筒受到的最大彎矩與兩輻板間距離相關，距離越短所受最大彎矩越小，其所受正應力越小[13]。故在內外鋼輥間加入6個等距排列的輻板，此設計在保證鋼輥進行正常卷捆作業的同時實現了輕量化。鋼輥外圈用八邊形代替圓形表面可增大鋼輥與物料間的摩擦力。

壓捆機構傳動方式采用鏈傳動與液壓相結合的方式，鏈傳動為壓捆室卷捆作業提供足夠的動力，鋼輥的移動和后捆室開啟由液壓部分控制，具有結構簡單、動作可靠及操作方便等特點。

2.2.2 草芯累積過程分析

物料進入壓捆室后需要先形成草芯才能逐漸形成圓草捆，而物料在壓捆室內累積時間過長是造成壓捆室堵塞的主要原因[7]。因此，對物料在壓捆室內卷繞累積形成草芯的過程進行分析，受力分析如圖7所示。

圖7 物料累積過程示意圖Fig. 7 Schematic diagram of material accumulation process

由圖7可看出，物料在壓捆室內的運動主要分為三個階段。第一階段為物料在1～3號鋼輥上運動，經喂入機構輸送至壓捆室后在鋼輥對物料的摩擦力和后續物料推動力的作用下進入壓捆室，此階段物料所受水平合力

F1=f1+f2+f3+FT1

(1)

式中：fi——鋼輥對物料的摩擦力，N，i=1,2,3；

FT1——第一階段后續物料推動力，N。

第二階段為物料在4～7號鋼輥上運動，方向由水平變為斜右上方，由圖7受力分析可得此階段物料在鋼輥上沿運動方向所受合力F2如式(3)所示。

f4=μ(FN4-G1cosθ-FT2sinθ)

(2)

F2=f4+FT2cosθ-G1sinθ

(3)

式中：f4——鋼輥對物料的摩擦力，N；

μ——物料與鋼輥間的摩擦因數；

FN4——鋼輥對物料的支撐力，N；

G1——第二階段物料所受的重力，N；

FT2——第二階段后續物料推動力，N；

θ——物料前進方向與水平方向的夾角，(°)。

式(3)中，夾角θ隨著物料由4號鋼輥運動至7號鋼輥在0°～90°內不斷增大，物料所受合力的大小和方向也隨之變化，當物料運動至7號鋼輥時方向變為豎直向上，在合力作用下克服自身重力沿7號鋼輥豎直上升。

第三階段為物料在8～14號鋼輥上運動，方向由豎直向上變為斜左上方，由圖7受力分析可得物料在鋼輥上沿運動方向所受合力

F3=μ(FT3-G2)cosβ+(FT3-G2)sinβ

(4)

式中：β——后續物料在8號鋼輥處的推動角；

FT3——第三階段后續物料推動力，N；

G2——第三階段物料所受的重力，N。

由式(4)可知，當F3>0，物料克服自身重力沿8～11 號鋼輥運動最后降落在壓捆室內，當F3<0時，物料離開8號鋼輥后在重力作用下回落至壓捆室，完成一次累積過程，12～14號鋼輥的作用是防止物料飛出壓捆室。此后，從喂入機構進入壓捆室的物料受力和運動基本如上所述，隨著壓捆室內物料累積量的增大逐漸形成草芯。

綜合上述分析可知，物料在壓捆室內主要動力為鋼輥對物料的摩擦力和后續物料推動力，阻力主要是自身重力。

2.2.3 鋼輥線速度計算

根據文獻[14]可知，物料進入壓捆室的最大速度VL與喂入到壓捆室的最大線速度VV相等,即VL=VV，本設計物料喂入到卷捆室的最大線速度VL=2.06 m/s。物料在壓捆室內的最小轉速

NYmin=(VL60)/(πD)

(5)

物料形成草捆后在鋼輥靜摩擦力的作用下在壓捆室內轉動，因此，草捆的邊緣線速度VC近似等于鋼輥的邊緣線速度VG，即VC=VG。由于

VC=(NYπD)/60

(6)

VG=(NGπD)/60

(7)

故可得鋼輥最小轉速

NGmin=(NYminD)/d

(8)

將VV=2.06 m/s，D=0.57 m代入式(5)得物料在壓捆室內的最小轉速NYmin=69 r/min，再把NYmin和d=0.162 m 代入式(8)中得鋼輥最小轉速NGmin為243 r/min。由于草捆成型時可能存在其他因素影響成捆效率及草捆密度，故設計時取鋼輥轉速為270 r/min。因此，鋼輥線速度

VX=(NGπd)/60

(9)

將NG=270 r/min，d=0.162 m代入式(9)中的鋼輥線速度VX為2.29 m/s。

3 打捆機仿真分析

3.1 運動學仿真驗證

為驗證設計的打捆機能夠按照設計要求正常運行，在Solidworks中建立打捆機三維模型并導入ADAMS軟件中進行仿真驗證。按照打捆機工作情況添加約束，將機架與大地固定，撿拾喂入機構、螺旋輸送器和鋼輥分別添加轉動副，根據實際運動情況確定轉動方向，并添加驅動控制其轉動速度。根據物料喂入到卷捆室的最大線速度可得喂入機構的轉速為105 r/min，由于動力經喂入鏈輪傳遞到撿拾器鏈輪，故由鏈傳動傳動比(i=2)計算得撿拾機構的轉速為52.5 r/min，鋼輥轉速在2.2.3節中計算確定為270 r/min。最后在彈齒撿拾器端點處、喂入機構撥料板端點處和鋼輥邊緣建立Marker點測量其速度，仿真時間設置為3 s，步長為0.01，進行仿真分析。

在ADAMS后處理中得到撿拾機構和喂入機構端點的速度如圖8所示，由圖8可看出，打捆機喂入速度為2.06 m/s大于撿拾速度1.59 m/s，能保證物料不會在喂入口發生堵塞，順利進入卷捆室。

圖8 撿拾喂入機構端點速度Fig. 8 End speed of pickup feeding mechanism

由圖9可看出鋼輥邊緣線速度為2.3 m/s，明顯大于喂入速度2.06 m/s，故物料不會因喂入速度大于卷捆速度在壓捆室內發生堆積現象。并且鋼輥線速度與2.2.3中計算的線速度基本一致，驗證了計算的正確性。

圖9 鋼輥邊緣線速度Fig. 9 Linear speed of steel roller edge

3.2 ANSYS仿真分析

由于打捆機工作時撿拾器和喂入機構以及壓捆室內鋼輥的高速轉動會導致機架振動較大，故對打捆機機架做模態分析驗證其穩定性。在Solidworks中建立機架三維模型導入ANSYS Workbench軟件中，材料類型選擇為結構鋼(Q235)，其密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×1011Pa。進行網格劃分并施加固定約束，最終求解得到機架的固有頻率。對機架的前4階模態進行分析，機架的前4階模態振型如圖10所示。

(a) 一階模態

(b) 二階模態

(c) 三階模態

(d) 四階模態 圖10 機架模態振型Fig. 10 Modal shape of frame

由圖10可觀察出機架1階模態和2階模態固有頻率分別為6.828 Hz、7.923 8 Hz，變形分別發生在撿拾喂入機構左側板前部和右側板前部；3階模態和4階模態固有頻率分別為19.539 Hz、21.168 Hz，變形主要發生在撿拾喂入機構兩側板左上角部分。機架1階模態固有頻率為6.828 Hz，將固有頻率轉換為轉速后為409.68 r/min，遠大于鋼輥轉速(270 r/min)和撿拾喂入機構工作時的轉速，故設計的機架在正常工作狀態下不會發生共振。

4 結論

1) 設計一種可變壓捆室打捆機，對其整體結構和關鍵部件進行分析、計算；簡述了其工作原理和動力傳遞過程；創新設計了可變直徑壓捆室，壓捆室直徑范圍為0.57～0.62 m，鋼輥最大直徑為0.162 m,可實現利用一臺打捆機形成不同直徑圓草捆。

2) 建立草芯累積過程模型，分析其在壓捆室內的形成過程，得出物料在壓捆室內的運動規律，經分析計算得到鋼輥的線速度為2.29 m/s，運用ADAMS軟件進行運動學仿真，驗證了整機設計的可行性；得到的鋼輥線速度為2.3 m/s，與計算結果一致。導入機架三維模型至ANSYS Workbench軟件進行模態分析，結果表明機架在正常工作狀態下不會發生共振。為后續研究鋼輥式可變壓捆室圓捆打捆機提供參考。