張致源， 劉新柱， 劉文博， 王媛媛， 張琪昊， 楊 柳， 郭永強

(佳木斯大學機械工程學院，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

隨著化石能源的枯竭，可再生的生物質(zhì)能開發(fā)及應用得到了前所未有的重視，專家學者從不同的角度對其進行了廣泛深入的研究及探討[1]．我國每年農(nóng)作物秸稈的產(chǎn)量都在7億t以上，其中稻麥秸稈的產(chǎn)量在3億t左右，在生物質(zhì)能中占有很大的比重[2]．但是目前稻麥秸稈的利用率依然很低，還是以荒燒為主，既浪費了能源，又對環(huán)境產(chǎn)生了很大的污染．例如，2013年10月21至23日影響東北大部分地區(qū)的霧霾天氣的成因就與農(nóng)作物秸稈荒燒有很大的關(guān)系．通過調(diào)查了解到，稻麥秸稈之所以選擇荒燒，主要因為其收獲困難，雖然總部設在美國的紐荷蘭等公司打捆機技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的較為成熟，但是其價格卻很高，農(nóng)戶難以承擔;國產(chǎn)打捆機價格較為低廉，但技術(shù)不成熟，工作效率較低，且散捆率較高，得不到廣泛應用及推廣[3]．因此迫切需要設計一種低功耗、高效率、價格低廉的打捆機．項目組對秸稈打捆機壓縮機構(gòu)進行了深入的研究，設計了一種增力系數(shù)大、適應性廣的稻麥秸稈打捆機壓縮機構(gòu)．

1 工作原理

傳統(tǒng)的稻麥秸稈打捆機大都采用曲柄滑塊壓縮機構(gòu)，該機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低等優(yōu)點;其缺點是壓縮機構(gòu)的壓縮力受到了機器功率的限制．在不增加機器功率的前提下，為了獲得較大的壓縮力，本文創(chuàng)新設計了一種利用鉸桿的角度效應進行增力的壓縮機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 打捆機壓縮機構(gòu)示意圖

下面結(jié)合圖1說明其工作原理．機構(gòu)的主動力由曲柄輸出，假定作用在連桿上的力為P，在壓縮行程時，力P的方向如圖1所示，推動滾輪向右運動，鉸桿1的壓力角α逐漸減小，利用角度放大原理將力第一次放大;同時鉸桿1推動節(jié)點A向下運動，從而帶動鉸桿2和鉸桿3運動，并使鉸桿2和鉸桿3的壓力角β逐漸減小，將力第二次放大;隨著壓力角β的減小，鉸桿3推動滑塊向右運動，完成對秸稈的一次壓縮．

隨著曲柄的轉(zhuǎn)動，當作用在連桿上的力為反方向時，機構(gòu)進行與前述相反的運動，滑塊向左運動，為下一次壓縮過程做準備．

2 力學分析

2．1 理論壓縮力和理論增力系數(shù)

在忽略摩擦及能量損耗的前提下，機構(gòu)輸出的壓力稱為理論壓縮力，用Ft表示，理論壓縮力與輸入力的比值稱為理論增力系數(shù)，用nt表示．建立圖1所示的打捆機壓縮機構(gòu)的力學模型，對其進行力學分析后可得:

理論壓縮力:

理論增力系數(shù):

式中:α為壓縮行程終止時鉸桿1與鉛垂方向的夾角;β為壓縮行程終止時鉸桿2、3與水平方向的夾角;p這機構(gòu)的輸入力．

從公式(2)可以看出，理論增力系數(shù)nl的大小與鉸桿的壓力角α，β有直接關(guān)系，隨著α，β的減小，理論增力系數(shù)迅速增大;當α，β趨近于零時，理論增力系數(shù)趨近于無窮大．在工程實際中，考慮到制造精度、機構(gòu)運行的穩(wěn)定性等因素，α，β根據(jù)工作環(huán)境可取 3°～5°．[4]

2．2 實際壓縮力和實際增力系數(shù)

考慮摩擦等能量損耗后，計算所得的壓縮力和增力系數(shù)分別叫做實際壓縮力和實際增力系數(shù)，分別用Fp和np表示．根據(jù)文獻[5]、[6]計算可知實際壓縮力為:

ρ為鉸鏈軸的半徑;μ為鉸鏈副的摩擦系數(shù)，根據(jù)文獻[7]可知，通?？扇ˇ?0．1～0．15;l1為鉸桿1的長度;l2為鉸桿2，3的長度;γ1為活塞與壓縮室之間的摩擦角;γ2滑道與滾輪之間的摩擦角．

實際增力系數(shù):

3 應用舉例

對于上述壓縮機構(gòu)，如果取 α=5°，β=5°，ρ=8mm，μ=0．15，l1=l2=220mm，γ1=5°，γ2=1°，根據(jù)公式(4)計算可得，實際增力系數(shù)np≈25，可見，此壓縮機構(gòu)的增力系數(shù)相對而言是比較大的．因此，在稻麥秸稈打捆機中采用此壓縮機構(gòu)對于提高打捆機的工作效率、降低散捆率、增大秸稈捆的尺寸具有很大的實際意義．

4 結(jié)論

(1)設計了一種將鉸桿串聯(lián)到曲柄滑塊壓縮機構(gòu)中的稻麥秸稈打捆機壓縮機構(gòu)，其壓縮力利用鉸桿的角度效應實現(xiàn)了二級放大，增力系數(shù)較大，在打捆機輸出壓縮力一定的情況下可以有效降低機器的輸出功率或增大壓縮室的容積．

(2)建立了該機構(gòu)的力學模型，分析了影響增力系數(shù)的主要因素，得出了隨著壓力角，的減小，機構(gòu)的壓縮力將顯著增大的特點，受制造精度等因素的影響，通常，的取值區(qū)間為3～5．

(3)該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，在不增加成本的前提下，可以串聯(lián)到現(xiàn)有的打捆機中，實現(xiàn)降低成本、提高壓縮效率的目標．

[1] 朱聰玲，王述洋，李濱，等．生物質(zhì)裂解旋轉(zhuǎn)錐式熱解液化反應器的設計研究[J]，佳木斯大學學報(自然科學版)，2006，24(1):46－48．

[2] 高利偉，馬林，張衛(wèi)峰，等．中國作物秸稈養(yǎng)分資源數(shù)量估算及其利用狀況[J]，農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25(7):173 －179．

[3] 陳鋒．大方捆打捆機壓縮機構(gòu)設計及壓縮試驗研究[D]，北京:中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，2007，7．

[4] 劉新柱，周海波，姜慶昌．鉸桿——斜楔式氣動夾具增力機構(gòu)設計及力學分析[J]，液壓與氣動，2011，4:86 －87．

[5] 司廣琚，鐘康民．綠色夾具—基于斜楔增力自鎖機構(gòu)的沖擊式氣動夾具[J]．液壓與氣動，2006，1:73－74．

[6] 陸雯，王兵，鐘康民．氣動肌腱與鉸桿增力機構(gòu)的三種組合系統(tǒng)及其比較[J]．機械設計，2005，2:53－54．

[7] 劉文劍，曹天河，趙維緩．夾具工程師手冊[M]．哈爾濱:黑龍江科學技術(shù)出版社，1992．