饲草打包机设计及其三维造型

1974 年，德国的 Welger 公司登记了一项圆捆打捆机的专利，其成形原理与 Vermeer 公司截然 不同，即所谓外缠绕式。成捆室腔体外径固定，卷制的草捆外松內松，成捆后透气性好，利用通风 干燥，耐候性好。其结构形式经过不断的发展和演变，目前有辊筒式、短皮带式和辊杠式的需要。
1977 年，德国 Class 公司率先推出了第一台 Rollant85 型辊筒外卷式圆捆打捆机。1980—1982 年，该公司将其发展完善成 85、62、44 和 34 型系列产品，分别由 20、18、14 和 11 个钢棍组成成 捆室，按圆周排列成直径为 1.8m、1.6m、1.2m 和 0.9m 的定直径成捆室。
1981 年，德国 Welger 公司研制成 RP15 和 RP12 型 2 种新机型。其特点是钢棍直径小，数量多。
20 世纪 80 年代中期，各公司为了使用原有的圆捆打包机具有对物料的适应性更广泛和提高生 产率，先后对机具进行了进一步的改进和完善。这一期间的所用的新技术：
Class 公司的“螺旋线形卷压室”技术，并将该技术应用于 Rollant62、44 和 34 机型上； 为提高圆形机的效率，减少捆绳的效率，减少捆绳缠绕草捆的时间，许多公司采用了“绳网包 卷草捆”技术。New Holland 公司首先将该技术应用于变直径圆形打包机中； 另一项技术提高圆捆机具有生产效率的技术是不停机型圆行打捆机。1986 年，Class、New Holland、John Deere 和 Vermeer 公司等均投入该类机具的研究。并生产出了样机。 继 20 世纪 80 年代中期以后，圆捆打包机仍然继续发展和完善。如包卷草捆技术方面，继绳网 包卷草捆技术以后，为了实现圆捆的青贮作业又出现了塑料模包卷草捆技术。在卷制草捆的物料种 类上，德国 Vermeer 公司最初目的仅仅使用于牧草或农作物秸秆的收获作业，而英国人将其用于青 贮作业中。因此，随着物料种类的增加，圆捆记得结构和性能也在不断的改进和完善[2]。 圆捆打包机历经近 40 年的发展和演变，目前技术已经比较成熟，结构日趋完善。特别是近几 年，自动控制技术在圆捆打捆机上得到了广泛的应用，在驾驶室内安装的电控面板可以全程监测圆 捆打捆机草捆的形成过程；可以采集和记录圆草捆形成过程中的压力、重量和密度等成捆参数；也 可以预先设定圆草捆的重量、密度等参数，使圆捆机的操作和使用更简单方便，更人性化。 1.2.2 国内研究现状 我国牧草打包机起步较晚, 有关打捆机结构、液压系统以及配套动力等方面的研究报道都很少, 很多问题有待在生产实践中发现和解决[3]。打捆机的研制处于仿制阶段，仿制生产打捆机的厂家大 都是一些技术力量相对薄弱的小厂。在生产时基本上是从结构上仿制, 而涉及到理论计算方面的内 容则往往被忽略。随着畜牧业的发展, 饲草打捆机的市场需求量会越来越多, 而对其性能等方面的 要求也会越来越高, 所以我们在打捆机的研究方面要有所提高,使国产打捆机在性能上尽快达到国 际先进水平。 总体看来, 我国在牧草打捆机的研究上还和发达国家存在很大差距, 国内目前的打捆机无论 在数量上还是在质量上都远不能满足畜牧业发展的需要。在解决饲料产业化问题上, 饲草打捆机是 非常重要的工艺设备, 提高国产打捆机的质量, 无疑会对饲料业的发展起到革命性作用, 因此对 打捆机性能方面的研究开发意义重大。目前, 国内市场上未见性价比较好的国产产品, 而进口产品 价格都比较高□所以, 开发性能良好、自动化程度高且价格适中的国产打捆机将是我国饲草商品生 产的关键设备之一, 对促进饲草产业化进程会起到举足轻重的作用。 1.3 圆捆机的特点及在饲草收获中的作用 圆草捆打捆机是一种农村牧区均适用的收获机具，主要用于切割晾晒后的牧草或田间稻、麦等 农作物秸秆的收获作业。它能将田间铺放的草条自动捡拾起来，通过喂入、旋转压缩成行、缠绕捆 绳包卷的绳网等作业工序，把散状秸秆或牧草捆扎成外形整齐、规则的圆柱形草捆。 圆捆打包机由拖拉机驾驶员 1 人操作，适合于在各类天然草场、种植草场以及农田进行作业。 圆捆打包机与割草机、搂草机、圆捆装卸机及运输车配送套，可以实现牧草或稻、麦等农作物秸秆 收获的全部机械化作业。 1.4 圆捆的分类 圆捆打包机从成形原理上分为外缠绕式和内缠绕式。从结构形式上，外缠绕式又可分为辊筒式、 短皮带式、辊杠式，内缠绕式又可分为长皮带式和链杆式。 内卷缠绕式捡拾打包机，其卷压室由几根长皮带和两侧壁围成。巻捆时卷压室容积由小变大， 对牧草始终保持压力。所以也叫可变容积捡拾打包机。它是以所谓的 Vermeer 系统原理工作。这种 打包机的特点是，牧草以卷毡方式形成草捆，芯部坚硬，外层松软。草捆直径可根据需要任意调整。 外卷绕是捡拾打包机，卷压室由几组短皮带或若干钢制卷辊加上两侧壁所组成。卷压室尺寸固 定不变，开始巻捆时对牧草没有压力，等到牧草充满卷压室后开始加压。所以也叫不变容积捡拾打 包机。它是以 Welger 系统原理工作的。其特点是草捆的压实从外到里逐渐进行，草芯疏松，外部 紧实，草捆直径不能任意改变，较之内卷绕式打包机草捆密度较高，结构比较简单，制出的草捆适 用于制作袋装青贮食料。 1.5 本课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析 牧草业作为朝阳产业正在迅速发展，然而在牧草、秸秆等纤维料商品化的生产过程中，由于其 物料松散，给这一资源的储存和运输造成巨大的成本压力，给它的有效利用带来了障碍。因此，把 牧草压成高密度的草捆是降低牧草成本的重要步骤，中国农业大学成套设备所用的实验表明:饲草 打捆平均密度增大 10 倍左右运输成本则可降低 70%左右，于是出现了各种打捆机。然而国内外现
由图显而易见
m1 ——物料对罩壳表面摩擦系数。
Wx = Wy tan(a - j ) 式中j ——物料沿扒杆移动的摩擦角；
（3.1）
j1 ——物料沿罩壳表面移动的摩擦角。
代入公式（2.1）后可得
Wy tan(a - j ) > Wy tan j1 tan(a -j) > tanj1 a > j + j1
经研究表明饲草的长度对草捆的密度影响很大，圆捆打包机相对于方捆打包机而言普遍密度 低，为了改善其性能，新型的打包机开始采用滚筒式切割喂入机构，该机构不仅可以将牧草切碎， 而且同时还有喂入机构的功能。打包室由滚筒、液压机构和长皮带等构成。 经滚筒喂入机构将饲 草切碎并送入由辊筒和长皮带组成的打包室。在重力的共同作用下，物料旋转形成草芯。随着越来 越多的物料进入打包室，并在辊筒和长皮带的共同作用下不断的旋逐渐形成圆捆，继续捡拾，圆捆 的直径不断增大，密度也越来越大，当直径增大到控制臂的设定值时即形成草捆。开启后门将草捆 弹出落到地面，合上后门继续前进，进行下一个草捆的卷制作业。
3.2 工作原理
捡拾器的工作部件是旋转的、排成几排的弹性扒杆。下面分析对辐射状的捡拾器的工作原理（如
下图 3-1）。
被直扒杆捡拾和向上提升的物料，到达合理配置并待有许多平行窄缝的罩壳上，扒杆从这些窄
缝缩进罩壳内，于是使它们自身与捡拾的物料脱离。物料在监视器罩壳表面上移动的必要条件为
此处
Wx > T1 T1 = m1Wy ——物料在罩壳表面上移动的摩擦阻力；
有各种农业纤维物料压缩设备的设计很少涉及压缩过程中被压缩物料自身的生物特性和压缩规律, 从而导致压缩设备在结构参数、工作性能、功耗以及压缩后产品的质量等方面存在某些缺陷。
由于农业机械的工作对象和环境的随机性、复杂性，传统设计方法已不能满足现代农机具的设 计需求，因此采用现代设计方法，在现有牧草压缩理论基础上，先采用 solidworks 三维软件国际 上先进的同类机械进行建模，然后进行运动仿真分析，可为重要结构参数的确定提供理论依据，从 而缩短设计周期，降低物理样机的成本，提高企业竞争力[4]。
使用弹性扒杆，当遇到障碍物（如卵石）时，它们可以向后偏转。而径向安装的直扒杆和条铺
接触，其端部以较高的圆周速度n 0 打击物料。此速度的水平分量为n x 为物料沿机器运动方向移
动的速度，而此速度的垂直分量n y 把物料挤压向下。这两个分速度引起条铺在于它们工作方向一
下面就圆捆打包机的各个部分分别进行设计，建立三维模型，并进行运动学仿真分析。
图 2-1 饲草打包机工作原理简图
3 捡拾器
3.1 设计要求 捡拾器用于捡拾田间或牧草地面割倒的、或用搂草机集成条铺的植株茎叶（牧草、青饲料或联
合收获机排出的茎杆）。简而言之，捡拾器收集铺成条的物料，并把它们送入机器或拖车内[5]。 对捡拾器工作的要求如下： （1）应该把留茬上的所有草料和茎秆捡拾干净。在留茬上没有遗留的草料和茎秆。 （2）在捡拾过程中，不要撕破豆科草料最有营养价值的细嫩叶片。 （3）捡拾的物料应该无阻碍的输送到机器的下一个部件。
圆捆打包机于 20 世纪 60 年代问世，由德国 Vermeer 公司率先在北美市场推出了第一台圆捆机， 属于长皮带内缠绕式圆捆机打包机。该机问世后，与小方草捆机相比较，具有生产率高、劳动强度 低、使用操作方便等优点。因此，欧美许多制造商购买了 Vermeer 公司的技术，大批的产品投放市 场，并由此原理派生出链杆是圆捆打包机和固定作业圆捆打包机。内缠绕式圆捆打包机卷制的草捆 直径在一定的范围内可调，可以满足用户对不同草捆外径尺寸的需要。
图 3-1 直扒杆捡拾器的外形
1—直扒杆 2—罩壳 3—窄缝
rr r
N—正压力 W—由摩擦角j 引起方向偏斜后的压力W = Wx + Wy
若j » j1 ，则
a > 2j
由于a 角随直扒杆的进一步旋转而减小，这样，为了便于扒杆从物料中脱出，此角度必须加大。
选择捡拾器罩壳上的窄缝的宽度时，应该注意不让物料扒杆带进去。
本课题旨在以国内外优秀的打包机为模型，运用三维建模技术建立打包机的虚拟样机并对关键 部件进行运动学仿真分析，为设计研究提供依据。饲草打包机根据其打包的形状可以分为方捆打包 机和圆捆打包机，经过两者比较发现圆捆打包机相对于方捆打包机有以下特点：
(1) 结构简单，调整方便，使用中不易出故障；
(2) 生产率高，生产率可达 7.5 : 12.5t / h ；