9BQ系列裹包圆草捆切包机的研究

2021-04-19郭英洲陈爱慧

农机使用与维修 2021年4期

徐冬，郭英洲，陈爱慧，田健

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

随着人们生活水平的提高，畜牧业已成为我国农业的主体，草饲料打包得到了广泛应用，靠人力切开裹包圆草捆的效率过于低下，切开捆包的饲料也不易再移动位置，因此，需要设计一种机械，既可以在地面将草捆包切开，也可以举起在高处(如搅拌机上方)切开草捆包。草捆包应该尽量从圆心处切开，并且切开后还应有一套机构能够自动剥离草捆包外覆的包膜和绳网，以免切碎的外包膜和绳网混入饲料，被牲畜误食。

1 切包机的设计

1.1 设计的思路

本机具是一种通过拖拉机挂载的标准挂接机构挂载的切包机。用AutoCAD建立了两种不同模型进行比对分析，受草捆包尺寸所限，想要既完全切开草捆包、不切偏，又使草捆包贴近夹膜装置自动去除外包膜，切包机切刀运行的轨迹选择就是首要条件，定下所选轨迹也就定下了切包臂大致长度，之后就是使切包臂带着切刀沿预定轨迹运动。图1为两种不同液压缸布置方式的切包机。

1.2 设计过程

初步设计了两种不同形式的机具模型进行比较分析，两种设计方案都采取两侧对称的形式，动力输出来源于两侧对称的同步液压缸，而由于液压缸的冲程受液压缸外缸筒长度所限，所以，并不能设计出一种液压缸既能收缩的无限短，还能拉伸的很长，以满足切包臂既能张开很大的角度，适应大直径草捆包，又能闭合至固定齿处，将草捆包完全切开的功能需求。因此，切刀运行的轨迹受草捆包直径、切包臂长度、液压缸尺寸所限。

1.机架；2.液压缸；3.切包臂；4.切刀轨迹；5.草捆包；6.固定齿；7.夹膜刀

1.3 对比设计

图1a采用液压缸收缩带动切包臂和切刀向固定齿运动，以切开草捆包的结构，机架上装有夹膜装置，当草捆包贴上机架时，夹膜装置工作，夹住草捆包外包膜及绳网，在切刀切到位后，液压缸伸长，带动切包臂反向运动，利用连接架调整整机角度，将切开的捆包内的饲料抖落，之后放开夹膜装置，将草捆包外包膜及绳网丢弃。在这种设计方案中可以看出，切刀并不能完全切至固定齿，也就不能充分切开草捆包，要想充分切开，就要尽量缩短液压缸外缸筒的长度，这也使得液压缸内支杆缩短，那么，液压缸整体伸长的长度就缩短了，导致切包臂张口变小，不适用规定直径的草捆包。可将切包臂后部支撑轴降低，把液压缸放在切包臂上面，利用液压缸伸长的推力带动切刀向下运动，这样切包臂带动切刀就可以切至固定齿处，能够充分切开草捆包。如图1b为第二种方案，看起来切刀运行的轨迹离草捆包圆心有些远，不能更好地切开草捆包，因此，就要调整切包臂的长度，以使切刀尽量切过草捆包的圆心，更容易完全抖落切开的草捆包内的饲料。通过以上分析，图1a切包机的切刀运行轨迹较差，切包效果不好，草捆包直径改变就不易将草捆包切透，采取回缩液压缸拉动切包臂的结构，无法充分利用液压缸的动力输出。相对而言，图1b的切包机切刀运行轨迹较好，切包充分，能够适应多种直径的草捆包。

2 受力分析

切刀在切开草捆包的过程中受到了一定的阻力，以上两种不同的利用液压缸的方式，即一种利用液压缸内支杆回缩的拉力，另一种利用液压缸内支杆伸长的推力，来带动切包臂切开草捆包。由液压缸的结构决定了同等情况下液压缸的推力大约是拉力的2倍，为了满足切包机液压缸动力输出转化为切刀切包的力能切开草捆包，以及切包臂受到的作用力对强度的要求，需要对切包臂头部连接切刀处进行受力分析，如图2可知

F1×L1=F2×L2

即：F1/F2=844/272=3.1。

F3×L3=F2×L4

即：F3/F2=838/227=3.7。

也即是为达到切开草捆包相同大小的力，第一种液压缸回缩需要输出的力是切刀阻力的3.1倍，第二种液压缸伸长需要输出的力是切刀阻力的3.7倍，结合液压缸推力与拉力之间的关系，第一种液压缸需要更大的动力输出，由F1≈F3，可得出两种切包臂的强度要求相仿。

图2 切包机切包臂受力图

3 优化设计

图3 夹膜刀结构图

经过以上对切刀轨迹和切包臂受力分析，选择第二种设计方案的切包机，它能充分利用液压缸的动力输出，使切刀更有力，适用于阻力更大的草捆包。考虑到实际应用中草捆包的直径并不是固定的，经过上面的综合分析，设计的切刀轨迹只能针对一种特定直径的草捆包，这违背了设计机具的初衷，因此，还需在不改变切包臂长度的情况下，使设计出的切包机的切开功能更好地适应不同直径的草捆包。要想使切包机能适用于多种尺寸直径的草捆包又不改变机具主要结构的尺寸，那么就要改变草捆包在切包机上的夹取位置，位置的改变就造成草捆包与机架前挡板之间距离的改变，处于机架前挡板处的夹膜刀组就有可能无法夹住草捆包外包膜，因此，要调整夹膜刀的结构，夹膜刀不能太小，勾入深度应大于100 mm。绕转的固定轴转动角度不能太大，应小于60°。如图3中为初步设计的两种夹膜刀组，虽然大小上满足了需求，但是很难保证固定轴不转动太大角度。转动角度太大，就需要相配合的小液压缸沿固定轴旋转过大的角度，有可能掰缸，更不能夹住草捆包外包膜，因此，只能放弃这种形式的结构，改为能灵活调整夹膜刀组位置的结构，即设计一个灵活的可以伸出的机械手，或者缩小的切包臂样的机构，由另一套液压缸带动，绕一个固定轴转动，随着草捆包直径的改变而调整位置，使夹膜刀组始终能贴近草捆包，夹紧草捆包外包膜。最后，在主液压缸动力输出足够的情况下，可考虑改变切刀与运行轨迹所成的角度，这样使切刀在切开草捆包后，还能产生一个向前的推力，推开前半部草捆包，更利于抖落饲料。

通过以上的各种改变，我们设计的工作流程也要做相应的改变，即液压缸收缩使切包臂开角至最大，由拖拉机带动本机具，使切刀处于横放的草捆包垂直中线处压紧；控制液压缸伸长，同时缓慢前行拖拉机，使切刀尽量沿草捆包圆心切过，同时使草捆包尽量贴近固定架前挡板；草捆包贴近前挡板后就可以使夹膜刀组闭合，夹住捆包外膜，直至切刀完全切开捆包后，收缩液压缸，使切包臂开角至最大；调整拖拉机连接架，将包内饲料完全抖落；移走拖拉机，反向操作夹膜刀组，抖落剥下的捆包外膜。