牵引式草捆拆包粉碎机的设计与实验研究

杨志超，张 云，刘忠舍

牵引式草捆拆包粉碎机的设计与实验研究

杨志超1，张 云1，刘忠舍2

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；2.呼伦贝尔市蒙拓农牧科技股份有限公司，内蒙古 呼伦贝尔 021000)

为实现草捆拆包与粉碎的机械化和自动化，设计了一种草捆拆包粉碎机。该机采用液压系统控制草捆捡拾机构和草捆旋转机构的动作，碎草机构动力由拖拉机动力输出轴提供，调整托草环机构可粉碎出不同长度的牧草。整机由三维软件SolidWorks进行建模与仿真，并对重要部件碎草刀进行了有限元分析。样机出厂后，对其进行大量粉碎草捆试验，结果表明：经三维建模仿真并不断优化，整机结构设计简单，操作方便，可有效拆包并粉碎草捆；该拆包粉碎机完全符合使用要求，整机捡拾、拆包、碎草动作灵活，操作简单，拆包率为100%，牧草粉碎长度可调，最小长度3cm，牧草抛撒距离可调，距离范围1～10m。

草捆；粉碎拆包机；牵引式

0 引言

现阶段，我国畜牧业发展迅速，出现了一些牧草收运设备，但这些设备已经不能满足牧民们的需要，尤其在草捆拆包及牧草粉碎方面需要更稳定、更高效的设备来满足牧民的需要。虽然国内捆草机发展速度较快，但没有相应的大型拆包、碎草设备，通常靠人工来割断草捆外的捆绳或捆网来播分大型草捆，再运送到粉碎机的入料口进行粉碎。

当用户使用打捆机穿梭在牧场作业的时候，大多是方捆机、圆捆机，却很少看到拆包机。有结结实实的打捆，当然需要彻彻底底的拆捆。这两种相逆的作业流程，完成了饲料从牧场到棚间的整个机械过程。因此，有了“打捆专家”，自然不能缺少“拆包专家”[1]。

国外有很多先进的牧草碎草设备，其不足之处在于国外机型以大型为主，价格昂贵，与我国国产动力机械不配套，也与国内的牧草种植模式、地块条件等匹配性差。受农牧民经济条件的限制，国外的农牧业机械设备在国内推广应用存在一定的局限性。因此，需要一款适合本国饲养规模和饲养特点的拆包、粉碎机，根据国内的配套动力、草捆大小和牧民经济条件等各种因素，设计出一款符合国内发展需要的设备，来填补这一项目的空白。本文根据国内的配套动力、草捆大小和牧民经济条件等各种因素，设计出一款符合国内畜牧业发展需要的设备，该设备是实现草料生产机械化产业链的重要环节。

1 草捆拆包粉碎机整体结构与工作过程

1.1 整机结构

牵引式草捆拆包粉碎机主要包括牵引架、车架主体、碎草仓、碎草转子、托草转子、托草环、行走总成、托草环调整把手、托草环调整机构、托草转子液压马达、捡拾油缸、草捆捡拾机构及挡草帘机构等，如图1所示。整机采用矩形管与Q235折弯板焊合而成，在满足使用要求的前提下尽量减少材料成本。

草捆拆包粉碎机使用56kW以上轮式拖拉机牵引作业，碎草时需拖拉机动力输出轴给碎草转子提供动力，动力输出轴转速需为1 000r/min；液压系统可控制托草转子和草捆捡拾机构的运动，来完成草捆捡拾和草捆旋转动作。该机碎草前可控制液压系统将一捆草放入碎草仓内，草捆捡拾机构还可叉起另一捆草并控制液压缸将草叉倾斜一定角度，防止草捆掉落。手动调整托草环机构可控制碎草刀到草捆的距离，可以粉碎出不同长度的牧草，最短碎草长度3cm。碎草前液压调整挡草帘位置可控制牧草抛撒距离，最远抛洒距离10m，一切工作仅需拖拉机手一人完成，节约了人力，降低了劳动成本。

1.托草环调整把手 2.车架主体 3.托草环调整机构 4.托草转子液压马达 5.捡拾油缸 6.碎草仓 7.行走总成 8.草捆捡拾机构 9. 挡草帘机构 10.托草转子 11.托草环 12.碎草转子 13.牵引架图1 牵引式草捆拆包粉碎机结构Fig.1 Structure of Traction type bale unpacking crusher

1.2 工作过程

牵引式草捆拆包粉碎机由拖拉机牵引作业，工作时由拖拉机液压系统和动力输出轴共同提供动力，完成捡拾、拆包、粉碎及抛撒的一系列粉碎过程。

工作前，将机器牵引与拖拉机后悬挂连接，动力输出轴与机器传动轴连接，4根液压管分别连接拖拉机液压输出口，调整托草环高度，液压调整挡草帘位置。机器工作时，先控制液压系统将机器捡拾机构草叉放下，拖拉机手开动拖拉机倒车叉草，然后反向控制拖拉机液压操纵杆使捡拾液压油缸提升，带动草捆捡拾机构将草捆翻落到碎草仓内，如需要，可继续捡拾另一捆草并控制液压缸将草叉倾斜一定角度，防止草捆掉落。到碎草地点时，操纵另一个液压手柄使托草转子液压马达旋转带动托草转子旋转，进而使草捆旋转，同时接合拖拉机动力输出轴并开动拖拉机，控制油门使动力输出轴转速为1 000r/min左右；拖拉机缓慢行驶开始拆包碎草，完全打散草捆后，可正反向来回控制托草转子液压手柄，使牧草更顺畅地进入碎草转子粉碎并抛出。拆包碎草机作业情况如图2所示。

2 关键部件设计

2.1 草捆捡拾机构的设计

草捆捡拾机构的作用是将草捆捡拾并翻运到碎草仓内，该机构直接关系到草捆捡拾是否成功。图3为捡拾臂结构图。

1.草叉 2.草捆 3.捡拾油缸 4.捡拾提升臂 5.捡拾固定架 6.旋转轴管图3 捡拾臂结构图Fig.3 The structure diagram of lifting arm

根据草捆的几何尺寸与野外所处环境，设计一种结构简单、操作方便、能满足捡拾功能和高效率的草捆捡拾装置，提出了精简杆件焊合构架与最佳杆件弯曲、倾斜相结合的提升臂结构设计的理念[2]。

机器捡拾草捆时需要倒车捡拾，机器倒车方向与草捆轴线方向总会有一定的夹角，所以设计草叉前端折弯一定角度，带弧的草叉前端接触到草捆，机器继续倒车，草叉将自动摆正并捡拾草捆。

本次试验捡拾草捆为捆绳圆草捆，草捆直径1.3m，长1.5m。经实地试验，该捡拾机构可以在平地上捡拾机器倒车方向与草捆轴线方向呈30°角范围内的圆草捆。

2.2 托草环调整机构的设计

为满足农牧民对粉碎牧草不同长度的要求，设计一种简单、有效的碎草长度调整机构，使用者可随意调整碎草长度，来增加牧草对牲畜的适口性。该机构中的各个零部件相互配合动作，来调节碎草刀到草捆间的距离，调整范围0～5cm，被粉碎牧草长度范围3～20cm。图4为托草环调整机构局部放大图。

1.连接螺栓 2.调整板焊合 3.U型环 4.托草环焊合 5.调整圆管焊合 6.连接板 7.限位挡板4 8.调整把手圆管焊合图4 托草环调整机构局部放大图Fig.4 Grass ring adjustment mechanism of partial enlargement

手动旋转托草环调整把手带动调整把手圆管焊合转动，通过连接板带动调整圆管焊合动作，因为有限位挡板，调整圆管只能沿两面相切的的方向上下移动，进而带动托草环上下动作；托草环的另一端由一组U型环将其固定在调整板焊合上，调整板焊合两侧由螺栓连接并可绕其转动。

2.3 草捆转向与碎草部件转向的相互关系

因为圆草捆的成型是由内向外一层一层的，所以碎草时，牧草也是一层一层从圆草捆上拨下来，托草转子与碎草转子的旋转方向相反，草捆与碎草转子的转向相同；托草转子由液压马达提供旋转动力，转速比碎草转子慢很多。图5为草捆与机器转向图。

2.4 液压系统的设计

液压与机械传动、电气传动相比具有安装方便灵活、质量轻、体积小、反应速度快及可实现自动过载保护等特点。液压技术应用到农业机械当中，能够提高农机机械的产品质量和技术含量，是农业机械的发展趋势之一[3]。

该机全部使用螺纹插装阀，泄露小，质量轻，集成度高，加工改型相对容易，制造成本低[4]。该机整个液压系统主要控制草捆捡拾油缸升降，完成捡拾草捆动作；控制挡草帘升降，来调整碎草抛洒距离；控制托草转子液压马达转动。考虑大部分国产拖拉机的液压动力输出系统有两套，设计1组液压阀控制整个机器4个油缸动作，另一组液压控制2个液压马达转动。图6为捡拾油缸、挡草帘油缸原理图。

1.圆草捆 2.托草转子 3.托草环机构 4.碎草转子 5.托草环调整机构图5 草捆与碎草部件转向图Fig.5 Bale and crushed grass components

1.挡草帘液压油缸 2.蓄能器 3.双向溢流阀 4.节流阀 5.二位二通电磁换向阀(锥阀) 6.草捆捡拾油缸 7.液压锁 8.二位二通电磁换向阀(滑阀)图6 液压原理图Fig.6 Hydraulic principle diagram

机器倒车捡拾草捆时，控制手持终端打开8位置的一组二位二通电磁换向阀，同时操作拖拉机液压手柄将草叉放到可以捡拾草捆的位置，倒车叉草；然后，反向操作该液压手柄，使草捆捡拾机构翻转，将草捆抛送到碎草仓内，如需要，可以捡拾另一个草捆备用。考虑拖拉机液压阀有内泄露，当捡拾机构叉起另一捆草并翻转一定角度后，因重力作用该液压系统的自泄露会导致草叉反向翻转，草捆掉落，所以草捆捡拾液压油路中增加一组7位置的液压锁，液压锁可使执行元件在任意位置停留，并能防止在外力作用下的漂移或窜动，这种回路能使执行元件长期锁紧[5],即使断开动力液压油，因液压锁的存在，草捆也不会掉落。因有液压锁的存在，选择该换向阀的阀芯为滑阀结构，节省成本。碎草时，可随时控制挡草帘的升降来控制碎草的抛撒距离，操控手持终端打开5位置的一组二位二通电磁换向阀，同时操作同一组拖拉机液压手柄来完成挡草帘的升降。考虑挡草帘持续受到外力作用，增加蓄能器来为该油路持续保压，当停止向执行元件供油时，由蓄能器释放储存的压力油，补偿系统泄露，维持系统压力，以减少能耗和降低温度。为减小系统内泄露，选用锥阀阀芯的电磁换向阀。为防止操作员升起挡草帘油缸时发生误操作或其它原因导致挡草帘受力力太大损坏油缸和蓄能器，在油路中装有3双向溢流阀，当油路压力过大接近蓄能器可承受的最大压力时，溢流阀开启泄压，保护蓄能器和油缸。考虑挡草帘油缸缓慢动作可以更精准地控制牧草抛撒距离，油路中增加一个直径为1mm阻尼孔的二通接头，控制液压流量，起调速作用。两套液压油路通过手持终端控制共用一组拖拉机液压输出接头。

3 碎草转子的设计与碎草刀的有限元分析

3.1 碎草转子的设计

另外，今年还新增了“最佳格鲁吉亚葡萄酒”奖杯项目，由Château Mukhrani Réserve Royale Red 获得。东欧的另一焦点地区是捷克共和国，今年无论是参赛或得奖数目均有一倍的上升。

碎草转子是整个机器的核心部件，主要完成拆包、碎草及抛撒牧草的工作。在一定程度上，碎草转子转速越快，粉碎的牧草长度就越短。考虑制造加工精度和拖拉机动力输出轴的最高转速，确定碎草转子的转速为1 000r/min。图7为碎草转子。

图7 碎草转子Fig.7 Crushed grass rotor

根据JB/T 5155-2013，当碎草转子(带碎草刀)，宽度与转子直径之比大于0.2时，转子应按GB/T9239.1-2006的规定做动平衡实验，其精度不低于G16级。根据NY 644-2002，粉碎机的转子应按SB/T 10117锤片式粉碎机标准中的要求做动平衡效验，所以该拆包机碎草转子需做动平衡测试。碎草刀的设计应符合国家标准，主要采用耐磨材料和优化碎草刀结构两个方面来提高锤片的工作性能。碎草刀材料选择65Mn，具有硬度高、耐磨性好、淬透性好、脱碳倾向少、价格低廉及切削性好等优点。碎草刀整体调质，刀刃部分高频淬火，碎草刀顶部刀刃角为45°，既可锋利碎草又不易崩刃；碎草刀中部设计有凹槽，可以更远地将碎草抛撒出去。

3.2 碎草刀的有限元分析

进行有限元分析，可以增加设计功能，减少设计成本，增强产品和工程的可靠性，降低材料的消耗，在产品制造或工程施工前发现潜在的问题。将有限元分析方法应用于实践中，有助于提高产品设计的质量与效率[6]。

选用SolidWorks中simulation插件对碎草刀进行有限元分析，操作步骤为：创建三位模型，打开simulation插件，添加夹具，添加载荷，定义材料；运行与结果。图8为对碎草刀的受力分析图。

图8 碎草刀受力分析图Fig.8 Crushed grass blade force analysis

碎草刀可以深入草捆的最大距离为8cm，假设碎草刀与草捆轴线方向垂直，所受力记为N。碎草转子转速1 000r/min，所受惯性力记为Fg。刀下端用螺栓固定在碎草转子上，此处添加固定约束，则

N=q×Δs

F=mw2r

式中q—比压(即单位刃口长的切割阻力)，参考玉米秸秆的比压值，取q=12.7N/cm[7]；

m—碎草刀质量，取m=1.28kg；

w—碎草转子角速度，取w=16.7r/s；

r—碎草刀到转子中心半径，取r=0.315m。

带入数据求得F合=114.5N。

有限元分析结果如图9所示。从分析结果中可以看出：碎草刀的vonMises(N/m2)[8]最大为1.715e+007，而材料最大屈服力为7.002e+008,最大应力处在碎草刀与碎草刀圆管焊接处；碎草刀的URES(mm)最大为1.654e-001，最大位移在碎草刀顶端位置。

图9 有限元分析结果Fig.9 The finite element analysis

4 试验与分析

本次试验地点位于内蒙古呼伦贝尔海拉尔哈克牧场院内，试验粉碎的草捆为捆绳圆草捆，内松外紧，草捆直径1.3m，高1.5m，重300kg左右，牧草长度20～40mm。

正交设计是利用正交表科学地安排与分析多因素试验的方法[9]，是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些点具有“均匀分散，整齐可比”的特点，是一种高效、快速、经济的试验设计方法。本次选择正交试验设计对试验数据进行分析。正交试验设计如表1所示，试验方案及结果如表2所示。

表1 正交试验表设计

表2 试验方案及试验结果分析

由表2分析数据可知：平均碎草长度最短的方案为A3B3C3；影响碎草长度的最主要因素是碎草转子转速，其次是托草环顶距碎草刀顶距离，最后是托草转子转速。

5 结语

该草捆拆包碎草机可将任意大小及各种摆放形态的草捆搬运到碎草仓内，拆包并碎草，根据使用者的要求将牧草粉碎到一定长度，来增加牧草的适口性，牧草粉碎长度最短为3cm，抛洒距离最远10m。这款机器不仅解决了人工拆包劳动强度大的问题，而且碎草效率高，对实现牧草作业机械化、智能化具有深远的意义。

[1] 王娇.拆包专家—VermeerBPX9000型拆包机[J].农业机械，2013(2)：50-51.

[2] 王超，张云，刘忠舍. 基于CAXA与MATLAB的捡拾臂优化设计与分析求解[J].农机化研究，2016，38(9)：180-184.

[3] 张圣光.液压系统在农业机械化中的应用及优势分析[J].安徽农业科学，2014(20)：6872-6873.

[4] 许仰曾.液压螺纹插装阀的发展及优缺点[J].流体传动与控制，2010(6):1.

[5] 张立春，吴晓强.液压与气压传动[M].北京：中国林业出版社，2012：148.

[6] 陈永当，鲍志强，任慧娟，等.基于SolidWorksSimulation的产品设计有限元分析[J].计算机技术与发展，2012(9)：177.

[7] 杨喜，王金丽.基于SolidWorks的甘蔗叶粉碎机刀片分析[J].农机化研究，2014，36(4)：29-30.

[8]ReeseGM,FieldRV,SegalmanDJ.AtutorialondesignanalysisusingvonMisesstressinrandomvibrationenvironments[J].TheShockandVibrationDigest,2000,32(6):446-474.

[9] 李云雁，胡传荣.试验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社，2008:124-138.

A Towed Bale Unpacking Machine Design and Experimental Research

Yang Zhichao1, Zhang Yun1, Liu Zhongshe2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China; 2.Hulunbuir Mengtuo Agricultural and Pastoral Development of Science and Technology Co. LTD，Hulunbuir 021000, China)

Design a unpacking machine for the realization of the bale unpacking mechanization and automation. This machine adopts hydraulic system to control the bale collector and bale rotation mechanism. Crushed grass agency power provided by the tractor pto, adjust the bale mechanism can crush the different lengths of forage grass. The machine by 3 d software Solidworks modeling and simulation, and finite element analysis of important components crushed grass cutter. Then the machine came to a large number of crushing straw bale experiment. The results show that by 3 d modeling simulation and optimization, the whole machine structure design is simple, convenient operation .This machine can unpack and crush forage grass effectively, This machine completely conform to the requirements of use. Machine unpacking rate 100%, grass crushing length is adjustable, the minimum length is 3cm, forage scatters distance is adjustable, range from 1m to 10m.

bale; crushing machine; tow

2016-10-10

呼伦贝尔市蒙拓农牧科技发展有限责任公司牧业机械设备生产线改扩建一期工程(海经信备案字[2013]03号)；装备制造业发展专项资金农牧业机械技术改造项目( 海经信备案字[2013]03号);内蒙古自治区创新引导项目(2015 -07)

杨志超(1991-),男，内蒙古包头人，硕士研究生，(E-mail)411407281@qq.com。

张 云(1958-),男，呼和浩特人，教授，硕士生导师，(E-mail)zhangyund1958@163.com。

S817.12+2

A

1003-188X(2017)12-0078-06