楊智凱, 郭宇航, 安 晶, 張克平
(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)
隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的不斷發(fā)展,畜牧業(yè)正在進(jìn)入集約化的智慧農(nóng)業(yè)時(shí)期。對(duì)牧草進(jìn)行打捆裹膜青貯,不但能夠較大程度地保留牧草中的營(yíng)養(yǎng)成分,而且能夠改善冬季牧草缺乏的現(xiàn)象。圓草捆裹膜裝置是牧草青貯發(fā)酵的常用設(shè)備,在我國(guó)需求量大,其常用的卷捆裹膜方式為:固定倉(cāng)人工喂料卷捆后,圓草捆被推送至裹膜機(jī)旋轉(zhuǎn)架上,最后通過(guò)手動(dòng)操作控制完成纏膜、切膜以及卸捆等工藝流程,人工需求量大且產(chǎn)品質(zhì)量難以控制。因而,圓草捆裹膜的工藝和打捆效率有待優(yōu)化和提高[1-2]。
裹膜貯藏是牧草打捆裹膜青貯的終端環(huán)節(jié),裹膜裝置在此環(huán)節(jié)起著至關(guān)重要的作用。為解決圓草捆裹膜作業(yè)過(guò)程中周期長(zhǎng)、人工投入高、裹膜效率低等問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種具有控制功能的裹膜裝置,以完成圓草捆的快速高效裹膜青貯,其可與牧草圓草捆卷捆機(jī)等機(jī)具聯(lián)合工作,循環(huán)執(zhí)行該裝置裝載、裹膜以及卸捆的工藝流程,實(shí)現(xiàn)牧草卷捆裹膜一體化田間作業(yè)。
參照國(guó)產(chǎn)小型圓草捆卷捆機(jī)的技術(shù)參數(shù),確定裹膜裝置與圓草捆直徑400 mm、長(zhǎng)度500 mm、草捆密度450~500 kg/m3的圓草捆卷捆機(jī)配套使用。在該技術(shù)參數(shù)下,要求圓草捆裹膜裝置能夠使塑料薄膜展開(kāi)平整,包內(nèi)殘留空氣少,圓草捆密實(shí)度高,裹膜密封效果好,防止圓草捆青貯牧草與外界物質(zhì)的相互交換,有效減少飼料內(nèi)部殘存的空氣,抑制青貯飼料過(guò)程中微生物霉菌的污染,有效降低青貯飼料中的呼吸強(qiáng)度和干物質(zhì)損失[3-4]。
裹膜時(shí)間周期T(s)為裝載時(shí)間、裹膜時(shí)間與卸捆時(shí)間之和。
T=tW+TR+tX
(1)
式中:tW(s)為圓草捆從卷捆機(jī)內(nèi)被推送至裹膜平臺(tái)平置的裝載時(shí)間;tR(s)為離合裝置開(kāi)始工作至完成裹膜的時(shí)間;tX(s)為裹膜平臺(tái)向后傾斜至圓草捆落入田間的卸捆時(shí)間。裹膜時(shí)間周期越短,圓草捆裹膜效率越高,故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能縮短裹膜時(shí)間周期。
如圖1所示,設(shè)計(jì)的圓草捆裹膜裝置主要由懸掛式支撐機(jī)架、頂箱、橡膠滾筒、裹膜平臺(tái)、離合機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、切膜機(jī)構(gòu)、液壓控制系統(tǒng)、U型懸臂支架、各級(jí)傳動(dòng)裝置和其他附屬部件組成。
圖1 圓草捆裹膜裝置結(jié)構(gòu)示意圖1.切膜刀;2.切刀架;3.U型懸臂支架;4.懸掛式支撐機(jī)架;5.皮帶輪;6.主動(dòng)軸;7.減速機(jī)構(gòu);8.液壓控制系統(tǒng);9.離合機(jī)構(gòu);10.傳動(dòng)機(jī)構(gòu);11.頂箱;12.鏈輪;13.薄膜卷退卷裝置;14.橡膠滾筒;15.裹膜平臺(tái)
裹膜裝置采用動(dòng)力輸入與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可分離方式進(jìn)行工作,其中動(dòng)力輸入經(jīng)皮帶輪連接前端動(dòng)力輸入裝置提供總驅(qū)動(dòng)力,再由減速機(jī)構(gòu)減速,帶動(dòng)離合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)隨之旋轉(zhuǎn)工作,以實(shí)現(xiàn)圓草捆自轉(zhuǎn)與U型懸臂支架公轉(zhuǎn)的同時(shí)運(yùn)動(dòng)。裹膜裝置的主要功能是先后執(zhí)行圓草捆的裝載、裹膜、切膜和卸捆動(dòng)作,作業(yè)過(guò)程主要由3個(gè)階段組成:裝載階段、裹膜階段、卸捆階段。
裝載階段:當(dāng)卷捆機(jī)的卷捆室內(nèi)圓草捆達(dá)到足夠的尺寸和密度時(shí),卷捆機(jī)后門(mén)打開(kāi),此時(shí)離合機(jī)構(gòu)斷開(kāi),傳動(dòng)機(jī)構(gòu)停止工作,工作液壓控制系統(tǒng)促使液壓桿伸長(zhǎng),可翻轉(zhuǎn)裹膜平臺(tái)稍向前傾斜至卷捆機(jī)后門(mén)處,圓草捆被推送至裹膜平臺(tái)。液壓桿收縮,可翻轉(zhuǎn)裹膜平臺(tái)后傾,回歸水平位置,使圓草捆完全落入裹膜平臺(tái),完成裝載動(dòng)作。
裹膜階段:裝載階段完成后,雙向牙嵌式離合器通過(guò)液壓或電磁吸引的方式進(jìn)行對(duì)中嵌合,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)獲得動(dòng)力,開(kāi)始工作。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)橡膠滾筒和U型懸臂支架實(shí)現(xiàn)圓草捆的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn),在圓草捆表面緊密纏繞至4~6層聚氯乙烯薄膜,通過(guò)青貯專(zhuān)用聚氯乙烯薄膜自身的粘性以及各層之間自粘,將圓草捆密封,隔絕空氣以達(dá)到青貯飼料的目的[5-6]。纏膜結(jié)束后,液壓或電磁裝置回歸原位,雙向牙嵌式離合器分離,切斷動(dòng)力輸入,裹膜裝置停止轉(zhuǎn)動(dòng),完成一個(gè)圓草捆的裹膜。
卸捆階段:薄膜達(dá)到4~6層厚度后,切膜裝置開(kāi)始工作,即切膜機(jī)構(gòu)的開(kāi)合油缸收縮,驅(qū)動(dòng)切膜刀緊壓薄膜完成切膜,同時(shí)液壓桿收縮,裹膜平臺(tái)向后傾斜,圓草捆自然跌落,完成卸捆動(dòng)作。
懸掛式支撐機(jī)架安裝于圓草捆卷捆機(jī)的后方,可根據(jù)圓草捆卷捆機(jī)的推送高度自由調(diào)節(jié),以滿(mǎn)足不同環(huán)境下的作業(yè)要求。如圖2所示,該機(jī)架主要由底盤(pán)支架、起落架、裹膜平臺(tái)支撐板、液壓控制系統(tǒng)組成,其中底盤(pán)支架和裹膜平臺(tái)支撐板能有效提高裹膜裝置的強(qiáng)度和承載能力,保證裹膜作業(yè)的穩(wěn)定性,液壓控制系統(tǒng)完成起落架的前傾與后翻,以配合圓草捆的裝載與卸捆任務(wù)。
圖2 懸掛式支撐機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖1.液壓控制系統(tǒng);2.固定軸孔;3.起落架;4.傳動(dòng)軸孔;5.裹膜平臺(tái)支撐板;6.底盤(pán)支架;7.動(dòng)力輸入軸軸孔
2.2.1 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
該減速機(jī)構(gòu)由三個(gè)直齒錐齒輪嚙合構(gòu)成差動(dòng)輪系。如圖 3 所示,驅(qū)動(dòng)力經(jīng)皮帶輪輸送至主動(dòng)軸,主動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)直齒錐齒輪勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng),兩直齒錐齒輪之間的軸交角ε=90°。直齒錐齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程中,由從動(dòng)軸直齒錐齒輪實(shí)現(xiàn)減速增扭,達(dá)到符合要求的轉(zhuǎn)速和扭矩,帶動(dòng)離合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng),也可以通過(guò)改變兩直齒錐齒輪的齒數(shù)比實(shí)現(xiàn)不同的減速傳動(dòng)。
圖3 減速機(jī)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖
為減小直齒錐齒輪傳動(dòng)產(chǎn)生的震蕩,確保傳動(dòng)的平穩(wěn)性,從動(dòng)軸錐齒輪傳動(dòng)采用同軸對(duì)稱(chēng)安裝。另外,該機(jī)構(gòu)中的直齒錐齒輪具備同軸等速對(duì)轉(zhuǎn)、穩(wěn)定雙輸出的傳動(dòng)特性。
根據(jù)直齒錐齒輪傳動(dòng)比計(jì)算的計(jì)算公式:
(2)
式中:Z1為主動(dòng)軸直齒錐齒輪的齒數(shù);Z2為從動(dòng)軸直齒錐齒輪的齒數(shù)。
通過(guò)分析該減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu),在輸入轉(zhuǎn)速不變的條件下,可以根據(jù)不同的輸出要求調(diào)整連接直齒錐齒輪的齒數(shù),從而調(diào)整輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及功率等動(dòng)力參數(shù)。
2.2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由U型懸臂支架、離合機(jī)構(gòu)、鏈輪、直齒錐齒輪和轉(zhuǎn)軸組成,將U型懸臂支架與主傳動(dòng)軸連接在一起,以實(shí)現(xiàn)U型懸臂支架的平面回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)一組直齒錐齒輪的嚙合變向和鏈條帶動(dòng)橡膠滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)使帶傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)裹膜平臺(tái)上圓草捆的自轉(zhuǎn),如圖4所示。
圖4 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1.U型懸臂支架;2.離合機(jī)構(gòu);3.鏈輪;4.塑料薄膜支撐底座
圓草捆裹膜裝置共有三級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu),動(dòng)力經(jīng)皮帶輪連接在由拖拉機(jī)帶動(dòng)的前端動(dòng)力裝置,為主動(dòng)軸提供總驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)直齒錐齒輪嚙合第一級(jí)傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)減速后,帶動(dòng)離合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)2個(gè)半離合器端面上的牙互相對(duì)中嵌合時(shí),由直齒錐齒輪嚙合第二級(jí)同軸傳動(dòng),再配合直齒錐齒輪改變其傳動(dòng)方向,使2個(gè)直齒錐齒輪具有相同的轉(zhuǎn)速。通過(guò)直齒錐齒輪帶動(dòng)軸端齒輪嚙合傳動(dòng),以實(shí)現(xiàn)U型懸臂支架的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),如圖5所示。
圖5 各級(jí)傳動(dòng)示意簡(jiǎn)圖
最后,由傳動(dòng)軸帶動(dòng)第三級(jí)的直齒錐齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng),將動(dòng)力傳動(dòng)到直齒錐齒輪的同時(shí)改變方向,并向鏈輪提供輸入動(dòng)力,帶動(dòng)橡膠滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)圓草捆裹膜裝置的U型懸臂支架自轉(zhuǎn)纏膜和圓草捆在裹膜平臺(tái)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的要求。
2.2.3 各級(jí)傳動(dòng)比的確定
查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè),結(jié)合大中型拖拉機(jī)的主要性能技術(shù)參數(shù),本設(shè)計(jì)最終確定的動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min[7]。
按圓草捆的要求轉(zhuǎn)速,計(jì)算得:
(3)
已知各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比分別為:第1級(jí)直齒錐齒輪傳動(dòng)(減速機(jī)構(gòu))i2=2.5;第2級(jí)直齒錐齒輪傳動(dòng)i3=1,鏈傳動(dòng)i4=2.33。
則可確定帶傳動(dòng)比為:
(4)
2.2.4 運(yùn)動(dòng)參數(shù)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算
各軸中,連接從動(dòng)帶輪的軸為動(dòng)力輸入軸,連接第一級(jí)直齒錐齒傳動(dòng)的軸為傳動(dòng)軸,連接主動(dòng)鏈輪的軸為主動(dòng)鏈輪軸,連接從動(dòng)鏈輪的軸為從動(dòng)鏈輪軸。根據(jù)配套圓草捆卷捆機(jī)的技術(shù)特征,確定其前端輸入裝置的動(dòng)力2.2 kW,依據(jù)通用機(jī)械設(shè)計(jì)要求,確定工況系數(shù)為[8]。
則:PC=KAP=1.2×2.2 kW=2.64 kW
(5)
前端動(dòng)力輸入的轉(zhuǎn)矩:
(6)
設(shè)各軸的傳動(dòng)效率為:η1=0.96,η2=0.95,η3=0.95,η4=0.96;
根據(jù)功率和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式:
Pn=Pn-1ηn
(7)
Tn=Tn-1inηn
(8)
可計(jì)算出各轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 各轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)
2.3.1 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
液壓控制系統(tǒng)實(shí)際原理類(lèi)似于擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu),起落架(曲柄)AB為原動(dòng)件,以等角速度ω1轉(zhuǎn)動(dòng),其長(zhǎng)度為L(zhǎng),角位移為φ1,液壓桿(導(dǎo)桿)回轉(zhuǎn)中心與起落架回轉(zhuǎn)中心的中心距為S(S>L)[9]。
由于要實(shí)現(xiàn)液壓控制系統(tǒng)的裝載階段、裹膜階段、卸捆階段的功能特性,需要滿(mǎn)足經(jīng)過(guò)位置Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ處的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。將該機(jī)構(gòu)置于直角坐標(biāo)系OXY中,液壓桿的底端固定鉸鏈C點(diǎn),假設(shè)活塞桿(滑塊)在導(dǎo)桿上的位置距C點(diǎn)距離為S,如圖6所示。
圖6 擺動(dòng)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖
計(jì)算該機(jī)構(gòu)的自由度:
F=3n-2PL-PH
(9)
式中:F為機(jī)構(gòu)的自由度;n為活動(dòng)構(gòu)件數(shù);PL為低副數(shù);PH為高副數(shù)。
F=3×3-2×4-0=1
(10)
根據(jù)機(jī)構(gòu)確定運(yùn)動(dòng)的條件:原動(dòng)件數(shù)大于自由度數(shù),可知該機(jī)構(gòu)是一個(gè)具有確定運(yùn)動(dòng)的低副機(jī)構(gòu)。
由封閉矢量多邊形ABC可得矢量方程式:
lAB+lAC=lBC
(11)
即 :
(12)
根據(jù)歐拉公式展開(kāi)得:
lAB+lAC(cosφ1+isinφ1)=S(cosφ2+isinφ2)
(13)
該方程的實(shí)部與虛部分別相等,即:
lAB+lAC·sinφ1=S·sinφ2
(14)
lAC·cosφ1=S·cosφ2
(15)
可求得液壓桿與水平面的夾角:
(16)
根據(jù)余弦定理可求得液壓桿的最大伸長(zhǎng)量為:
(17)
由此可推得液壓桿在位置Ⅰ的角速度ω1和相對(duì)速度v1為:
(18)
v1=-lACω2sin(φ1-φ2)
(19)
在滿(mǎn)足工作需要的條件下,液壓桿的實(shí)際轉(zhuǎn)速和角速度可根據(jù)實(shí)際角度適當(dāng)調(diào)整。
2.3.2 離合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
雙向牙嵌式離合機(jī)構(gòu)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳遞扭矩大等優(yōu)點(diǎn),本設(shè)計(jì)選用該機(jī)構(gòu)完成傳動(dòng)軸與主動(dòng)軸的嵌合連接。雙向牙嵌式離合機(jī)構(gòu)由兩個(gè)端面上有牙的半離合器組成,半離合器固定于主動(dòng)軸上且用導(dǎo)向花鍵與從動(dòng)軸聯(lián)接,通過(guò)操縱機(jī)構(gòu)軸向移動(dòng)滑塊使其做軸向移動(dòng),從而起到離合作用。為確保該離合機(jī)構(gòu)對(duì)中嵌合時(shí)的平穩(wěn)性,在主動(dòng)軸的半離合器上固定安裝對(duì)中環(huán),從動(dòng)軸可在對(duì)中環(huán)中自由轉(zhuǎn)動(dòng)。離合器的操縱通過(guò)液壓或電磁吸引的方式進(jìn)行。利用兩半離合器端面上的牙互相嵌合或脫開(kāi)以達(dá)到主、從動(dòng)軸的通斷。離合器牙數(shù)的種類(lèi)較多:有矩形、梯形、三角形、鋸齒形和螺旋形等幾種形式,由于同時(shí)參與嵌合的牙數(shù)多,故承載能力較高,適合于傳遞扭矩大的機(jī)構(gòu)中使用[10-12]。
當(dāng)圓草捆裝載動(dòng)作完成后,液壓桿收縮,起落架向后傾倒,裹膜平臺(tái)回歸水平位置。雙向牙嵌式離合機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓或電磁吸引的方式進(jìn)行對(duì)中嵌合,裹膜平臺(tái)開(kāi)始工作。裹膜完成后,雙向牙嵌式離合機(jī)構(gòu)斷開(kāi),動(dòng)力輸入斷開(kāi),裹膜平臺(tái)停止工作。
2.3.3 切膜機(jī)構(gòu)開(kāi)合油缸設(shè)計(jì)
切膜機(jī)構(gòu)主要由切膜刀、切刀槽、開(kāi)合油缸、壓縮彈簧、加壓桿、支架及鋁塑管等元件組成。切膜機(jī)構(gòu)通過(guò)螺栓固定于裹膜平臺(tái)兩側(cè),該機(jī)構(gòu)主要用于圓草捆裹膜完畢后,執(zhí)行薄膜切斷的操作。切膜機(jī)構(gòu)開(kāi)合油缸與底座和切膜刀連接,切膜刀與加壓桿連接,鋁塑管包著加壓桿[13]。通過(guò)切膜機(jī)構(gòu)開(kāi)合油缸的伸縮作用實(shí)現(xiàn)切膜機(jī)構(gòu)的閉合與打開(kāi),當(dāng)油缸伸長(zhǎng)時(shí),切膜機(jī)構(gòu)閉合,切膜刀抬升;當(dāng)油缸縮短時(shí),切膜機(jī)構(gòu)打開(kāi),切膜刀下落。
當(dāng)裹膜達(dá)到第1.5圈時(shí),開(kāi)合油缸伸長(zhǎng),切膜刀緩緩抬升將緊壓的塑料薄膜松開(kāi),當(dāng)裹膜達(dá)到第5.5圈時(shí),開(kāi)合油缸縮短,切膜刀落下緊壓塑料薄膜。裹膜完成后,離合機(jī)構(gòu)分離的同時(shí)開(kāi)合油缸關(guān)閉,同時(shí)液壓控制系統(tǒng)收縮,裹膜平臺(tái)向后傾斜,草捆自然跌落。
裝置工作過(guò)程中,通過(guò)設(shè)置切膜刀抬升時(shí)間、切膜刀停留時(shí)間、切膜刀下落時(shí)間、U型懸臂支架復(fù)位時(shí)間,可有效地防止塑料薄膜被切膜刀刮傷。
2.3.4 圓草捆裹膜平臺(tái)設(shè)計(jì)
圓草捆裹膜平臺(tái)的主要功能為承受圓草捆的質(zhì)量以及實(shí)現(xiàn)橡膠滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng),在U型懸臂支架旋轉(zhuǎn)的同時(shí)帶動(dòng)圓草捆在裹膜平臺(tái)上轉(zhuǎn)動(dòng),即圓草捆自轉(zhuǎn)。根據(jù)橡膠滾筒的長(zhǎng)度以及圓草捆的受力分析,如圖7所示,采用4根200 mm×1 500 mm的帆布帶,考慮到圓草捆在裹膜平臺(tái)上工作的穩(wěn)定性,在2個(gè)橡膠滾筒之間設(shè)置10~15 mm的彎曲撓度,確保裹膜裝置正常工作且不發(fā)生圓草捆滾落的情況。
圖7 圓草捆裹膜臺(tái)示意圖1.橡膠滾筒;2.轉(zhuǎn)軸;3.帆布帶
本文設(shè)計(jì)了一種具有控制功能的圓草捆裹膜裝置,主要結(jié)論如下:
(1)設(shè)計(jì)的圓草捆裹膜裝置可通過(guò)其懸掛式支撐機(jī)架安裝于圓草捆卷捆機(jī)的后方,根據(jù)圓草捆卷捆機(jī)的推送高度進(jìn)行自由調(diào)節(jié),以搭配不同的圓草捆卷捆機(jī)的作業(yè)條件和工作環(huán)境;底盤(pán)支架和裹膜平臺(tái)支撐板能有效提高裹膜裝置的強(qiáng)度和承載能力,確保裹膜作業(yè)的穩(wěn)定傳輸。
(2)采用三級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),動(dòng)力由前端動(dòng)力輸入裝置經(jīng)皮帶輪連接提供總驅(qū)動(dòng)力,再由減速機(jī)構(gòu)減速,帶動(dòng)離合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)隨之旋轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)圓草捆自轉(zhuǎn)與U型懸臂支架公轉(zhuǎn)的同時(shí)運(yùn)動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,兩直齒錐齒輪采用對(duì)稱(chēng)安裝,減少傳動(dòng)產(chǎn)生的震蕩。
(3)根據(jù)圓草捆裹膜裝置裝載階段、裹膜階段、卸捆階段不同的運(yùn)動(dòng)特性,確定了液壓控制系統(tǒng)的最大伸長(zhǎng)量與旋轉(zhuǎn)角,滿(mǎn)足裹膜平臺(tái)前傾、平置以及后翻的動(dòng)作要求。