基于牧草压缩特性的凸轮式牧草压捆机设计

陈鹏宇，武 佩，马彦华，王昊毅，薛冬梅

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院， 呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区草业与养殖业智能装备工程技术研究中心，呼和浩特 010018)

0 引言

畜牧业的发展水平是一个国家农业发达程度的重要标志之一[1]，发展畜牧业离不开优质充分的牧草供应。我国的牧草资源分布不均匀，牧区饲草年度间和季节性不平衡，雪灾、旱灾等突发性自然灾害严重制约着畜牧业的发展[2]。因此，高效利用牧草是非常必要的。牧草本身存在着松散、体积密度低(干草密度一般为20～40kg/m3)、储存空间大及运输亏吨现象[3]，想要高效利用牧草，必须解决这些问题，最有效的方法就是对牧草进行压缩。

国外的方草捆压捆机压缩机构多采用曲柄滑块机构，结构简单可靠，故障率低；但在压缩开始时活塞速度较慢，不能快速预压缩[4]。生产的打捆机规格大，生产效率高；同时，也需要大马力的拖拉机与之配套，售价较高，适合产草量大的草场[5]。国内一些研究所和高校的学者开始自主研制牧草压缩装置。杨明韶等人采用9KG-350型液压压捆机进行压缩试验，建立了开式压缩的数学模型，揭示了草物料开式压缩与闭式压缩有显著不同[6]。孟庆福等人研究了压缩机构结构组成、工作原理和推箱压缩力、曲柄切线力及曲柄转矩随转角的变化规律[7]。雷昌毅等人设计了一种非圆齿轮曲柄滑块式新型压缩机构[8]，可以实现变速压缩，但齿轮加工复杂困难，致使整机的成本较高。

牧草压缩过程中的松散和压紧阶段是存在一定规律的，其压缩特性随压缩密度的变化而变化。因此，本文提出一基于牧草压缩特性曲线的牧草压缩设备，从压缩机构设计原理角度出发，解决目前曲柄连杆和各种形式压缩设备存在的能耗高、效率低的问题。

1 设计基础及结构

1.1 牧草压缩特性

压缩过程有两个明显的阶段：松散阶段压缩力主要消耗在物料间的相对位移和摩擦上;压紧阶段物料密度较大,物料被压缩的阻力起主要作用。其分界线约在压缩密度为30～60kg/m3之间。本文以李旭英博士论文[9]中草物料直接压缩流变学研究为参考，确定压缩力与密度比的回归方程式为

(1)

式中P—压缩力(MPa)；

γ0—松散物料的初始密度(kg/m3)；

γ—直接压缩时物料的压缩密度(kg/m3)；

C、D—试验系数。

牧草压缩室总长度150mm，其中喂入室长100mm。因此，活塞位移前50mm并没有压缩牧草，只是将牧草向后推移。根据密度公式,压缩力与位移关系曲线如图1所示。

图1 压缩力与位移关系曲线

可见，在活塞位移前100mm内，压缩力随位移变化缓慢，100mm以后压缩力随位移变化急剧增大。为了提高压缩效率及平衡动力输入，需要活塞在前100mm快速压缩提高效率，而在后50mm低速压缩降低能耗。

牧草是黏弹性物料，其压缩后会产生应力松弛的现象，为了降低再次压缩时的应力，压缩行程结束后，需要有一定的保型时间。通过查阅资料可知，不同的压缩截面均表现出在前3s内应力松弛明显[10]。应力松弛时间越长，保型效果越好，但效率降低，因此应力松弛时间可以为压缩频率的确定提供参考。

1.2 压捆机总体设计

凸轮式牧草压捆机整体结构如图2所示。

1．草块接板 2.密度调节丝杠 3.压捆室 4.料斗 5.减速器 6.电动机 7. 凸轮支撑机构 8.凸轮 9.机架 10.活塞从动件

压捆机的动力输入为1.5kW电动机，通过涡轮蜗杆减速机将动力传输给凸轮轴，凸轮轴带动凸轮旋转，进而驱动压缩活塞压缩牧草。料斗与压捆室喂入口连接，方便牧草进入喂入室。丝杠弹簧机构可以增加压缩阻力大小，以产生较大密度的草捆。接料板在压捆机刚工作时向上翻起，作为堵头对草捆建立起初始压力。

主要技术参数如下：

外形尺寸/mm：2 040×540×670

打捆密度/kg·m-3：200(可调)

草捆尺寸/mm：230×180

喂入量/kg：0.104

压缩频率/次·min-1：23(可调)

生产率/kg·h-1：145(可调)

配套动力/kW：1.5

2 压捆机主要结构设计

2.1 凸轮机构设计

凸轮是整个压捆机设计的核心。在机械传动中，凸轮机构因其具有结构简单、紧凑、可靠性高及能够完成各种复杂的运动等诸多优点而受到广泛的应用[11]。合理的凸轮设计不仅可以使整台压缩装置省力高效，还可以减小装置的体积，使其紧凑轻便。

根据牧草的压缩特性曲线，确定活塞的运动参数，即凸轮机构从动件的运动参数。表1列举出了各种基本运动规律和典型组合规律运动的特征值[12]。

表1 运动规律特征值

通常，评价从动件的运动规律时，希望各特征值VM、AM、TM和JM均尽可能地小。但是，由于各特征值之间存在相互制约的关系，需要根据凸轮机构的工作状况来区分对各特征值要求的主次关系。工作在高速轻载条件下的凸轮机构，特征值的主次顺序应为AM、VM、JM、TM。由于较小的AM值，梯形修正加速度运动规律被认为是一种较理想的运动规律。因此，在预压缩这种需要快速压缩而压缩力小的工况下，选用梯形修正加速度运动规律。在低速重载荷的工况下，要求特征值按VM、AM、TM、JM考虑。各修正型的运动规律由于较小的VM值，适用于重载条件，故在压缩速度慢压缩力大的压紧阶段采用简谐修正等速运动规律。最后，在活塞回程阶段选用综合性能良好的组合摆线运动规律。

为了提高凸轮效率同时防止压力角过大，需要为每个阶段分配合适的凸轮转角。避免凸轮机构过于庞大，确定凸轮基圆直径120mm。预压缩阶段凸轮转角104°，压紧阶段凸轮转角80°，回程阶段凸轮转角100°。此外，在压紧阶段和回程阶段之间还需要有保型阶段，此阶段凸轮转角为60°，其余为喂料阶段凸轮转角。

预压缩阶段的运动规律参数计算如下：

1)摆线运动加速区段。

(2)

其中，φ∈[0，φ/8]。

2)等加速运动区段。

(3)

其中，φ∈[φ/8，3φ/8]。

3)摆线运动区段。

(4)

其中，φ∈[3φ/8，5φ/8]。

4)等减速运动区段。

(5)

其中，φ∈[5φ/8，7φ/8]。

5)摆线运动减速区段。

(6)

通过EXCEL表格计算出各项运动参数值和压力角，结果如表2所示。

表2 各项运动参数及压力角

续表2

同样，计算出其余阶段运动参数，将其依次排列，即为整个压缩过程中活塞的运动参数。活塞位移、速度与凸轮转角的关系如图3所示。

图3 从动件位移、速度与凸轮转角关系曲线

根据求出的从动件运动参数和凸轮基本尺寸，由公式(7)可以计算出凸轮的理论廓线，即

(7)

本文采用滚子直动沟槽凸轮，滚子选用6302-2Z滚动轴承。因此，还需就算出凸轮实际轮廓曲线。其极坐标值计算公式确定为

(8)

为了将数据导入三维建模软件，在求得实际廓线的极坐标值后，需由下式转变为直角坐标值，即

(9)

(10)

将计算得数据编写入Pro/E软件的ibl文件中，通过导入文件生成凸轮主体，如图4所示。

图4 凸轮主体

2.2 压缩室设计

压缩室主要由压缩室壁、喂料口及切刀等组成，如图5所示。

1.压捆室底板 2.丝杠弹簧调节机构 3.压捆室上压板

压缩室截面为180mm×230mm，总长600mm。其中，压缩室上壁可以活动，通过弹簧创建压缩所需的阻力以达到较高的草捆密度；喂料口长100mm，喂料口上装有定切刀，与活塞上的动切刀配合切断牧草。

2.3 支撑机构的设计

支撑机构用于安装凸轮轴、导轨，如图6所示。导轨由安装在上下支板上的矩形导轨和左支撑上的圆柱导轨组成，控制从动件的往复运动方向。

1.左支撑 2.圆柱导轨 3.矩形导轨 4.下支板

2.4 活塞从动件的设计

活塞从动件主要由活塞、推杆和凸轮从动件等组成，如图7所示。

1.压缩活塞 2.动切刀 3.草料挡板 4.推杆

活塞上方装有动切刀，用以切断牧草；活塞后方还加装了草料挡板，防止压缩过程中草料进入喂入室；从动件上装有滚子轴和滚子，通过推杆与活塞连接在一起。

2.5 整机的模拟仿真

通过Pro/E三维建模软件生成零件进行装配，将各个部件装配到机架上，再将减速机、料斗和接料板安装好，完成整台凸轮式压缩机的装配。利用Pro/E的机构功能对凸轮进行定义连接，再对凸轮轴进行伺服电机定义，确定凸轮转速，即根据电机转速及减速比确定压缩频率为23次/min。然后，进行机构干涉检测及运动学分析，并对分析结果进行测量，得到活塞压缩过程中的速度和位移曲线，如图8所示。

图8 从动件位移和速度曲线

由图8可以看出：压缩机刚开始压缩牧草时(预压缩阶段)，活塞移动迅速，压缩速度快；在压缩后期(致密阶段)活塞移动缓慢，压缩速度慢，活塞回程快速。根据之前对压缩过程的分析可知，此规律符合牧草压缩特性要求的。

3 压缩试验与结果

3.1 试验材料与条件

选用2017年收苜蓿草作为压缩试验对象，密度为26kg/m，压缩试验前使用牧草水分测定仪测量苜蓿含水率。选用台达VFD-M系列变频器为电机调节转速，以实现软启动，减小冲击。

3.2 试验结果

苜蓿草压缩试验结果如表3所示。

表3 凸轮式牧草压捆机试验性能结果

由表3可知：经过压捆机压捆后，牧草的密度增大较为明显。这说明，经过压缩后，牧草能够满足一般情况下的储存与运输。

4 结论

利用凸轮结构能够实现复杂运动的特性，提出基于牧草压缩特性的凸轮式牧草压捆机。 根据压缩特性曲线确定了凸轮机构基本尺寸和主要参数，同时使用Pro/E三维建模软件对凸轮式牧草压捆机进行建模，对装配模型进行碰撞检测及运动学分析。试验结果表明：压捆机能够正常运行，实现在预压缩阶段快速压缩以提高效率、在压紧阶段慢速压缩以达到降低能耗的要求。