大方草捆压捆机喂入机构运动分析与优化

高 雄，汤 岩，陈铁英，刘 瑜，崔红梅，王洪波

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古农牧业机械技术推广站，呼和浩特 010010)



大方草捆压捆机喂入机构运动分析与优化

高 雄1，汤 岩1，陈铁英2，刘 瑜1，崔红梅1，王洪波1

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；2.内蒙古农牧业机械技术推广站，呼和浩特 010010)

以9YFD-2.0型大方草捆压捆机为例，探索其喂入机构的运动规律。通过初步确定的喂入机构基本参数，获得了两个喂入拨叉的机构简图，建立了位置、速度方程，并采用MatLab进行编程求解，分别得到两个喂入拨叉端点的运动轨迹。将利用SolidWorks软件建立的三维实体模型导入ADAMS软件中，分别对两个喂入拨叉进行运动仿真模拟和分析，得到了喂入拨叉端点的运动轨迹及速度曲线，揭示了喂入机构的运动规律。同时，通过分析，考虑在二者不发生干涉且结构不发生改变的前提下，适当提高大喂入拨叉装置的高度。完成优化后，大方草捆压捆机的喂入量在原来的基础上有所增加,从而提高了大方草捆压捆机的压捆密度和质量。

大方草捆压捆机；喂入机构；实体建模；运动仿真

0 引言

近年来，我国牧区以成捆方式收获的饲草迅速增加。用压缩草捆的方法收获牧草，可以减少牧草最富营养的草叶损失，且压缩出的草捆具有固定的形状和相对高的密度，运输、贮藏都节省了一定的空间[1]。中国农业大学成套设备所的实验数据表明:采用压捆机收获牧草后，饲草平均密度达到传统收获工艺的10倍左右，储存运输成本是原来的30%左右[2]。压捆机可一次完成对干草的捡拾、压缩和捆绑作业，捆草快，节省了劳力，改善了环境，极大地调动了农牧民从事农牧业生产的积极性，是目前市场需求的热点[3]。压捆机自国内研发并投入生产以来，以其在操作性能、适用范围及运输成本方面的绝对优势，在国内得到普遍推广应用，不仅提高了我国饲草收获机械化水平，还使农业生产得到了迅猛发展。

随着我国农村、牧区经济体制的改革，农业生产技术的进步和机械化水平的提高，大方草捆压捆机的需求量将会逐年增加；而我国的大方草捆压捆机大多进口，虽然使用性能反应不错，但就现在国内的消费水平来说，国外的压捆机价格昂贵，增大了农户的负担。国内当前现有的小型打捆设备在实际生产应用中出现了一系列的问题，如运输成本高、生产效率低、故障率高等问题。因此，大方草捆压捆机的开发与研制不仅可以填补我国相关领域的空白，而且还将推动国内大方草捆压捆机科学技术水平的发展，使我国正在日新月异的草产业经济和社会效益更上一个台阶[4]。

1 大方草捆压捆机喂入机构工作原理

本文选用9YFD-2.0型大方草捆压捆机喂入机构进行分析，如图1所示。

1.捡拾器 2.螺旋输送器 3.旋转式输送器 4.预压缩室 5.挡草爪 6.喂入拨叉 7.活塞 8.链轮

捡拾器将饲草经进料口由小喂入拨叉装置输送到预压缩室，随着机器的运转，小喂入拨叉装置将物料沿着预压缩室的内壁推送到挡草爪的下方[见图1(a)]；在预压缩室未填满物料之前，大喂入拨叉装置停留在起始位置，物料在挡草爪的阻挡下被压缩[见图1(b)]。当物料在预压缩室内所受的压力达到预先设定的压力时，由设置在机器上的电子监控系统启动大喂入拨叉装置开关，大喂入拨叉装置开关上的连杆带动喂入连动机构，同时启动复位凸轮机构，凸轮机构上的喂入曲轴带动挡草爪驱动机构将挡草爪打开，大喂入拨叉装置将滞留在预压缩室内的草片一次性的喂入到压捆室内[见图1(c)]；当活塞开始压缩物料时，喂入机构和挡草爪返回到起始位置，为下一个工作循环做准备[见图1(d)]。

2 小喂入拨叉机构运动分析

2.1 小喂入拨叉机构运动分析及建模

本文运用矩阵法，将测得的各杆件的尺寸参数以1:10的比例尺分别得到两个机构的矢量多边形并建立数学模型[5]，通过MatLab编程得到两个喂入拨叉端点的运动轨迹。为对机构进行运动分析，本文先以曲柄l1固定铰链中心为坐标原点建立直角坐标系，取x轴与l4一致，建立小喂入拨叉机构运动简图，如图2所示。

图2 小喂入拨叉机构运动简图

此曲柄摇杆机构ABCDA组成了一个封闭矢量多边形，则可得出该机构的矢量方程式为

(1)

将机构的封闭矢量方程式(1)分别向两坐标轴投影，即可得到机构的位置方程为

(2)

将式(2)对时间t求一阶导数并进行整理，可得速度方程为

(3)

当曲柄旋转一定角度时，小喂入拨叉装置端点也会随曲柄做一定规律的运动。P点坐标值与曲柄转角φ1、长度l1及喂入拨叉长度le有关。由图2中可得到小喂入拨叉装置端点P点的位置、速度方程为

(4)

(5)

2.2 大喂入拨叉机构运动分析

以曲柄l1固定铰链中心为坐标原点建立直角坐标系，绘制出的大喂入拨叉装置机构运动简图如图3所示。

图3 大喂入拨叉机构运动简图

大喂入拨叉装置为曲柄导杆机构，此机构EFGHE形成了一个封闭矢量多边形，由此得出矢量方程式为

(6)

将机构的封闭矢量方程式(6)分别向两坐标轴投影，即可得到机构的位置方程式为

(7)

由图3建立的直角坐标系中可得到大喂入拨叉装置端点M点的位置方程式为

(8)

然后，将式(8)对时间求一次导数，并写成矩阵形式，即可得到大喂入拨叉装置端点M点的速度方程式为

(9)

根据实际情况确定方程组中基本参数，运用MatLab中的非线性求解器分别对两个喂入拨叉的位置方程进行求解，并拟合成P、M两点的运动轨迹曲线，如图4、图5所示。同时，运用MatLab对式(5)、式(10)求解线性方程组分别得到了P点和M点的速度变化曲线，如图6、图7所示。

图4 小喂入拨叉装置端点轨迹图

图5 大喂入拨叉装置端点轨迹图

图6 小喂入拨叉端点速度变化曲线图

图7 大喂入拨叉端点速度变化曲线图

3 喂入机构的仿真研究

3.1 喂入拨叉端点轨迹分析

运行ADAMS环境，分别选取两个喂入拨叉端部顶点为目标点，跟踪并记录两个喂入拨叉的虚拟运动轨迹。两个喂入拨叉的轨迹如图8、图9所示。

图8 小喂入拨叉装置端点复合轨迹

图9 大喂入拨叉装置端点复合轨迹

通过对比可以看出：在ADAMS中对两个喂入拨叉进行仿真所得到的跟踪轨迹形状与利用MatLab解析法理论计算得到的轨迹形状相似或相同，验证了理论数据的准确性。

3.2 小喂入拨叉装置速度分析

在ADAMS后处理模块得到的小喂入拨叉装置端点各方向的速度曲线如图10所示。图10中，由于在建立模型时网格方向设置为yz平面，所以Vy代表小喂入拨叉装置端点水平方向的速度曲线，Vz代表竖直方向的曲线，且合成曲线Vmag仅表示速度大小，不能代表速度的方向。

由小喂入拨叉装置端点速度变化规律可以看出：合成速度曲线出现了4个极值点，也就是说小喂入拨叉装置的运动过程可以分为4个阶段来进行分析。为方便观察，记录了小喂入拨叉装置4个阶段的瞬时状态动作分解图组，如图11所示。

图10 小喂入拨叉装置端点各方向速度变化曲线

图11 小喂入拨叉装置动作分解图

1)喂入拨叉从初始位置到约0.084s时间段。此阶段小喂入拨叉装置端点合成速度逐渐增大，水平方向线速度逐渐减小;垂直方向以逐渐减小的速度向上运动，减小到0后，改变方向；到0.084s时合成速度达到峰值，水平方向速度达到极小值。

2)0.080 4～0.161s 时间段。在0.161s时，小喂入拨叉装置已经到达轨迹顶点位置。此时，合成速度达到最小值，垂直方向速度减小到0，延长了物料进入预压缩室的时间，更加充分地将草料送入预压缩室。

3)0.161～0.203s时喂入拨叉进入回程阶段。在0.203s时，速度达到此阶段的极大值。喂入拨叉在将饲草送入预压缩室后，以最快速度返回到起始位置，避免了过多的无用功产生。

4)0.203s～0.329s时间段。此阶段小喂入拨叉装置进入了回程空行末端，小喂入拨叉装置以较平缓的速度运行可使拨叉端部插入物料时对物料的打击有所减轻，以减少牧草花叶的损失[6]。

3.3 大喂入拨叉装置速度分析

由于两个喂入拨叉的形状几乎基本一致，所以也将大喂入拨叉装置的运动过程分为4个阶段来进行分析。大喂入拨叉装置的端点速度变化规律如图12所示，4个阶段相对运动的位置关系动作分解图组如图13所示。

图12 大喂入拨叉装置端点速度变化规律

图13 大喂入拨叉装置动作分解图

1)大喂入拨叉装置从初始位置经过约0.306s后合成速度达到了峰值，垂直方向速度由正变为负。也就是说，大喂入拨叉装置在该行程阶段速度达到了最大值。

2)0.306s～0.602s时间段。在0.602s时，大喂入拨叉装置已经进入压缩室到达工作行程顶点，水平方向速度和垂直方向速度都为0，合成速度达到了极小值，这样可使大喂入拨叉装置进入压缩室的时间较长，从而能够更充分地喂入物料。

3)0.602～0.758s时间段为大喂入拨叉装置开始进入回程阶段。在0.758s时，合成速度与垂直方向速度均达到了回程阶段的极大值，可以有效缩短大喂入拨叉装置停留在压缩室内的时间，使大喂入拨叉装置迅速离开压缩室，避免两个机构出现干涉现象。

4)0.758s～1.203s时间段，所示拨叉离开压缩室回程阶段。在1.203s时，3条曲线在0点附近趋于平缓，这样使大喂入拨叉装置插入物料时避免拨叉过度打击牧草花叶，有利于对物料的保护。

由以上对两个喂入拨叉的仿真结果分析可知：两个喂入拨叉的运动轨迹和运动规律基本上满足大方草捆压捆机喂入填料过程的几点要求。。

4 大喂入拨叉装置模型优化

通过对两者的仿真结果进行分析比较，可以看到压缩活塞从让开到返回喂入口的时间远远超过了大喂入拨叉装置进入压缩室的时间。在满足两者不发生干涉的条件下，特提出改进方案：将大喂入拨叉装置的位置在原来的基础上提高一定距离，以便牧草的喂入更加充分，从而使大方草捆压捆机的压捆效率有所提高。

选择大喂入拨叉装置竖直方向的位移曲线图作为参照标准来进行分析求解。从100mm开始，以20mm作为一个分度，分别测出所对应的大喂入拨叉装置进入压缩室的时间，并将数据列成表格，如表1所示。

表1 提高大喂入拨叉装置的位置时的时间变化

由表1可知:当大喂入拨叉装置提高180mm时，大喂入拨叉装置进入压缩室的时间达到了0.360 5s，而活塞让开到返回喂入口左侧边沿的时间为0.362s，时间相差0.001 5s，相差时间太短；当大喂入拨叉装置提高160mm时，大喂入拨叉装置进入压缩室的时间达到了0.355 8s，时间相差0.006 2s。考虑到实际因素，将大喂入拨叉装置提高160mm。

5 结论

1)本文利用MatLab编程软件、SolidWorks三维实体建模软件及ADAMS虚拟仿真软件。通过理论分析与研究，揭示了喂入机构的运动特性。通过数据分析，提出了优化方案，大大缩短了设计时间，为以后此类大型方捆机的研发提供了理论支持。但是，由于实际添加的限制，在虚拟的情况下进行的仿真与机器实际工作时还会存在一些偏差。希望在以后的研究中，能够通过实验对模型加以验证，从而得到更真实、可靠的优化方案。

2)通过理论分析与研究可知，为提升大方草捆压捆机的打捆质量，可在原有基础上进行优化分析。运用ADAMS优化模块，逐步缩短喂入口与大喂入拨叉装置端点竖直方向的距离，对位移曲线进行数据分析后，获得了大喂入拨叉装置可提高160mm的结论，从而提高大喂入拨叉装置的喂入量，能够将饲草更充分地送入到压缩室内部，提高了大方捆打捆机压捆密度和质量。

[1] 李传忠，刘炳华.捆草机的发展趋势[J].新农村,2011(3):156.

[2] 纽荷兰BB9080型大方草捆压捆机[J].农家致富，2015(11):27.

[3] 李大鹏，刘向阳.饲草产业化与饲草压捆机的开发[J].饲料广角，2002(15)：10.

[4] 王锋德，陈志，王俊友，等.4YF-1300型4大方捆打捆机设计与试验[J].农业机械学报，2009(11):36-41.

[5] 周展,张钢,林富生. 基于Matlab和ADMAS的四杆机构运动仿真[J]. 软件导刊,2011(9):102-103.

[6] 杜建强,潘东风.9YFQ-1.9型跨行式饲草压捆机简介[J].内蒙古农业科技，2006(3):57-72.

[7] 李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京：国防工业出版社，2014:2.

[8] 王春光，谭立东．基于虚拟样机技术的牧草高密度压捆过程分析[J]．农业机械学报，2005，36(3)：99-101．Abstract ID:1003-188X(2017)08-0012-EA

Kinetic Analysis and Optimization of Forage Transfer Mechanism of Large Rectangular Baler

Gao Xiong1， Tang Yan1， Chen Tieying2， Liu Yu1，Cui Hongmei1， Wang Hongbo1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering ,Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018 ，China;2.Inner Mongolia Agricultural and Animal Husbandry Machinery Technology Extension Station , Hohhot 010010,China)

Based on 9YFD-01 type large rectangular baler, for exploring the motion law of forage transfer mechanism, basic parameter of forage transfer mechanism were determined, the initial diagram of two feeding fork were obtained. The position equation of two feeding fork was established and the endpoint trajectory were given respectively by the MATLAB programming. Three-dimensional solid model of two feeding fork was built by Solidworks software. Then the motion simulation and analysis was cared out by importing ADAMS virtual simulation software. The endpoint trajectory and velocity curve was resulted. It reveals the movement of the feed mechanism, and provides a reference for the design and research after. By analyzing, increasing the height of the feed fork appropriately under the premise of both does not interfere and change the structure. After that the amount of feed has increased on the basis of the original. Thereby improving the baling density and quality of the large rectangular baler.

large rectangular baler; forage transfer mechanism; solid modeling; motion simulation

2016-07-08

“十二五”农村领域国家科技计划项目(2014BAD08B10);内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZC13086)

高 雄(1957-)，男，呼和浩特人，教授，硕士生导师， (E-mail)gao0927cn@aliyun.com。

王洪波(1978-)，男，呼和浩特人，副教授，(E-mail)wanghb@imau.edu.cn。

S817.11+5

A

1003-188X(2017)08-0012-05