弹齿滚筒式玉米秸秆捡拾机关键部件的设计终稿.docx
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弹齿滚筒式玉米秸秆捡拾机关键部件的设计终稿
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山东农业大学
毕业论文
装
订
线
题目：
弹齿滚筒式玉米秸秆捡拾机关键部件的设计
院部机械与电子工程学院
专业班级农业机械化及其自动化专业3班
届次2014
学生姓名贾吉秀
学号20101150
指导教师赵立欣，张晓辉
二〇一四年六月十五日
Contents
弹齿滚筒式玉米秸秆捡拾机关键部件的设计
作者：
贾吉秀指导教师：
赵立欣
，张晓辉
（1.农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所研究员；2.山东农业大学机电学院教授）
【摘要】捡拾打捆机是玉米秸秆捡拾机械的一种，弹齿滚筒式捡拾装置是捡拾打捆机的主要工作部件之一，而对整个捡拾过程起关键作用的即是滚轮在凹槽内的运动轨迹。
捡拾装置进行的深入研究对提高我国捡拾压捆机的工作性能，实现秸秆回收机械化有重要的现实意义。
本论文通过对弹齿滚筒式捡拾装置进行的机构分析和运动分析，确定了弹齿滚筒式捡拾装置的弹齿的运动轨迹，从而利用凸轮推杆反推原理确定与之相对固定的滚轮的轨迹，对生成的轨迹进行拟合优化后导入到Solidworks中生成实体。
在参数确定后，对各零部件进行应力校核，使之满足工作要求。
根据消耗功率选择配套的动力设备，设计传动系统使之正常运行。
关键词：
弹齿滚筒凸轮参数分析应力校核
DesignofthePivotalPartsofSpring-FingerCylinderPickupCollector
Author:
JiaJiXiu,Supervisor:
ZhaoLiXin,ZhangXiaoHui
（1.InstituteofEnergyandEnvironmentalProtection,ChineseAcademyofAgriculturalEngineering.Professor;
2.MechanicalandElectricalEngineeringCollegeofShandongAgriculturalUniversity.Professor）
AbstractPickupbalerisoneofthegrassharvestmachine.Spring-fingercylinderpickupcollectoristhemainworkingpartsofpickupbaler.Profoundstudyinspring-fingercylinderpickupcollectorismostsignificantforimprovingservicebehaviorofpickupbalerandimplementingmechanizedharvestofpasture.Thisthesisintroducedamethodabouthowtodefinitethetrackofspring-fingerbyanalysisthemechanismanditsmotion.Andthenmakesurethetrackofidlerwheel,wecangetthesubstancebyinputthetrackintoSolidworks.Checktheintensionofdifferentpartsofspring-fingercylindercollector.Makesurethenormalworking.Chosetherightpoweronthebasisofconsumedpower,designtheappropriatetransmissiontoensurenormalworkingofspring-fingercylinderpickupcollector.
Keyword:
Spring-fingercylinder;Camshaft;Parameteranalysis;Stresscheck
1引言
我国具有丰富的农作物秸秆资源，据农业部调查，我国农作物秸秆可收集资源量为6.87亿吨，其中玉米秸2.65亿吨、稻草约为2.05亿吨、麦秸1.50亿吨，农作物秸秆利用率达到69%。
其中，作为饲料利用2.11亿吨，占30.69%；作为燃料利用（含秸秆新型能源化利用）1.29亿吨，占18.72%；作为肥料利用1.02亿吨，占可收集资源量的14.78%；作为食用菌基料1500万吨，占2.14%；作为造纸等工业原料1600万吨，占2.37%。
因此约有31%的农作物秸秆未被利用，在我国北方，大部分玉米秸秆都被就地焚烧，这种处理秸秆的方法既对环境造成影响，同时也未对玉米秸秆进行充分利用，造成了资源浪费。
玉联合国粮农组织官员先后到我国考察，官员们认为，“我国的秸秆资源非常丰富，但是我国对秸秆的浪费却居世界首位，如果能科学、合理地利用玉米秸秆，对于增加农民收入，加快我国社会的发展和经济结构调整都具有十分重要意义”[1]。
1.1选题的目的和意义
针对玉米秸秆严重浪费这一现状，我国通过引进和改造国外秸秆打捆机，获得了一定的成效。
但由于我国秸秆打捆机的研究还处于初步阶段，国内大部分机型是仿制国外技术，自身的研究理论尚不完善，关键部件没有自主的研究创新，导致引进后存在一些动力配套不科学、捡拾打捆能力差、价格昂贵等问题。
同时国内大量秸秆因为不能及时方便的回收而在田地里燃烧，不仅损害了地质、污染了环境而且导致了新能源的大量浪费。
鉴于此，打捆机的自主研制迫在眉睫，只有打捆机在性能方面有所提高，才能使机械化水平得到提高。
打捆机前端的捡拾器是主要工作部件，其捡拾性能的好坏直接影响到打捆机的工作质量。
然而，国内对于捡拾器的研究理论不足，对滚筒中的滑槽轨迹没有明确的理论指导。
本论文以运动分析和机构分析为基础，对捡拾器的各部件和滑槽轨迹进行分析设计。
倘若实现国内秸秆高效及时的回收利用，将会对我国的农业发展产生重大意义：
一能减轻农民处理秸秆的难题，并增加部分收入；二可以减少秸秆的焚烧带来的严重的环境污染问题；三通过将秸秆回收利用，可以产生沼气，可以发酵生产乙醇，还可以送入发电厂代替煤炭发电，此外玉米秸秆还可以液化作为发生灶的原料……这些都有效促进了生物质新能源的发展。
1.2秸秆打捆机的介绍
目前对于秸秆打捆机，主要为两种机型。
其一是圆捆打捆机，圆捆打捆机的工作原理（如图1-1）。
拖拉机动力通过传动系统传递到各个工作部件，在田间作业过程中，随着机器的运转和前行，带动捡拾器的弹齿滚筒转动，不断旋转的弹齿将地面草条捡拾起来，经过喂入机构送入成捆室，在旋转辊筒的作用下，物料旋转成草芯。
随着原来越多的物料进入成捆室并不断旋转逐渐形成圆捆。
持续不断的捡拾，物料将在圆捆外圆周上缠绕，形成了外紧内送的圆捆（如图1-1，1-2）。
（a）形成草芯（b）形成圆捆（c）圆捆成型（d）卸捆
1.传动系统2.草条3.捡拾器4.喂入机构5.成捆室6.液压系统7.卸草器8.辊筒
图1-1圆捆打捆机作业过程示意图
图1-2圆捆打捆机田间工作图
其二是方捆打捆机。
其工作原理即秸秆经捡拾器捡拾，由捡拾器两侧的喂入搅龙强制引导物料进入填料，然后经输送装置送往成捆室，在成捆室中压缩活塞不断地往复运动，随着下一捆片的推进，前一压缩捆片被不断向前推进。
秸秆捆长度不断增加。
当达到设定的捆长时，打结系统动作，进行穿针打结，完成第1捆的打结和开始第2捆打结，前捆被推出压缩室，形成了一个成品捆，然后排出机外，完成一次打捆过程（如图1-3）。
图1-3方捆打捆机田间工作图
即，秸秆捡拾器的工作流程图为：
打捆
输送
切割
卸捆
捡拾
因此，两种类型的打捆机的前端都是捡拾器，且捡拾原理相同。
弹齿滚筒式捡拾装置是捡拾压捆机的主要工作部件之一，对捡拾装置进行深入研究对我国提高捡拾压捆机的工作性能，实现秸秆回收机械化有重要的现实意义。
1.3国外对秸秆捡拾打捆技术的研究现状
目前，在捡拾压捆机制造领域处于先进水平的国家主要有美国、澳大利亚、德国和英国等。
其中具有代表性的有美国的约翰.迪尔公司、新荷兰公司、德国的韦利格尔公司、克拉斯公司、法尔公司、澳大利亚的吉尔公司、皮.埃尔公司，英国的霍华德公司等[2]。
每个公司生产的弹齿滚筒式捡拾装置的结构大体相同，它们产品的品种齐全、系列也完整，可以满足不同型号的小方捆压捆机、圆捆卷捆机、大方捆压捆机及捡拾集垛车等。
不仅适合于捡拾各种牧草，同时还可以用于捡拾不同的秸秆。
各个公司的产品其工作原理至今也没有大的变化，但其在提高性能、可靠性及操作舒适性等方面都有改进。
如美国新荷兰公司的产品特点是对不同作物的适应性极好，其捡拾装置的弹齿采用曲线结构，而非直线结构，可以将一般捡拾装置没有办法拾起的较短小作物捡拾干净[3]。
德国的捡拾装置宽度从1.55~2.2m不等，捡拾装置一般由液压装置操纵，装在拖拉机上的计算机可以控制液压机构，其还适用于不同物料的捡拾[4]。
德国克拉斯公司生产的捡拾装置弹齿的前端采用了独特的钩形设计，这样保证了捡拾率，捡拾装置通过拉绳牵引到拖拉机的驾驶室，这使得捡拾装置的升降非常方便[5]。
美国约翰.迪尔公司的捡拾装置主要是采用了小间距的弹齿式设计，可以保证密度较高、幅宽较大的草条充分被捡拾喂入，位于弹齿上方的小间距齿条压草杆可以防止草叶和断杆四处飞溅而造成损失[6]。
德国韦立格尔公司的捡拾装置驱动部分有一个摩擦式安全离合器，这也是它的专利；德国法尔公司在捡拾装置的传动上采用了双作用式安全装置；美国新荷兰公司则采用了宽型的捡拾装置，而且采用了“流动式拨叉”式喂入机构及“转子式”式喂入结构，这可以实现无堵塞的喂入[7]。
国外的秸秆打捆机发展到今天已日趋成熟，每个公司都有它自主知识产权的技术及产品。
为了改善捡拾装置的适应性，降低捡拾遗漏率，提高捡拾能力，其捡拾装置的弹齿间距普遍缩小到了61~71mm，其全部采用了弯型弹齿[2]。
而且，国外对弹齿滚筒式捡拾装置的产品介绍比较多，可是其理论分析的文章尚不多见，苏联的波波夫曾经用图解法对捡拾装置的结构参数及工作性能进行过定性分析，并认为捡拾装置是一个连杆机构[8]。
1.4国内对秸秆捡拾打捆机技术的研究现状
我国的秸秆收获机械工业在农机工业中是起步较晚、发展较慢的行业，但是秸秆收获机械却是我国最早生产和使用的畜牧机械之一。
我国从上个世纪60年代初开始生产秸秆收获机械，到70年代末期，从国外引进了捡拾打捆机，并且开始了对捡拾打捆机的研究。
到上世纪80年代初，我国成功研制的打捆机已经批量生产并且投入使用。
通过引进国外的打捆机产品，学习其先进生产技术，对一些机型进行改进，使之适应我国的发展状况，产品品种显著增加，产品的性能也得到不断改进[1]。
由于我国的弹齿滚筒式捡拾装置大多数是仿制国外机型研制，对机器的设计及参数的选择还没有形成一定的方法，许多学者只是对参数的选择设计做过定性分析，并没有给出明确的方法。
对弹齿滚筒式捡拾装置分析时大多采用解析法和图解法，也有些学者尝试过用计算机进行辅助分析。
学者们对弹齿滚筒式捡拾装置工作要求的认识一致。
对其工作的要求是漏捡损失小，即把留茬上的所有草料或茎秆能捡拾干净；破碎损失小，即在工作过程中，不能撕破豆科草料最有营养价值的细嫩叶片；结构要紧凑，动作均匀性和连续性好，即被捡拾的物料应能无阻碍地被输送至机器的下一个工作部件；且功率消耗小[18]。
吉林工学院的盛凯认为：
弹齿滚筒式捡拾装置工作时，其弹齿相对于滚筒的摆动规律及其变化速度和加速度对捡拾装置的工作性能有较大的影响，其合理的选择是很重要的，而且摆动规律并不是单一的规律，而是由多种规律组合而成的[17]。
因此，我们要加强对秸秆打捆机的科研投入，提升自主研发能力，逐步缩小与国外技术的差距，实现满足我国秸秆高效打捆的需求。
1.5课题的主要研究内容
结合目前自己的知识水平，本论文主要做以下几个方面的研究：
（1）弹齿滚筒式捡拾装置的理论研究。
1）通过动力学理论，分析弹齿随滚筒转动过程中不同位置的摆角，以实现其对秸秆的捡拾和向后推送的功能。
2）利用CAD及Solidworks动画仿真画出弹齿不同位置的轨迹曲线，然后利用凸轮推杆反推原理得到滚轮的运动轨迹，最后拟合得到凹槽的轨迹。
3）利用力学知识对所设计的各零件进行校核分析，使之满足工作要求。
（2）弹齿滚筒的传动系统设计。
根据拖拉机的动力输出，设计减速装置，将其动力转变为滚筒转轴的转速，以达到与动力匹配的捡拾效果。
1.6课题研究的技术路线
搜集资料，了解弹齿滚筒捡拾器的现状及不足
确定弹齿滚筒捡拾器的总方案
完成关键部件的理论分析和参数确定
对各零部件进行应力校核
满足条件？
否
是
完成其他部件及整体的设计
2捡拾装置的类型介绍
2.1捡拾装置的类型
捡拾装置主要分为滚筒式和升运器式两大类。
滚筒式捡拾装置分为弹齿式和偏心伸缩指式两种，而升运器式捡拾装置又可以分为滑道升运器式和带式输送器式。
其结构如图2-1中所示[15]。
弹齿滚筒式捡拾装置结构如图2-1（a）中所示。
当捡拾装置的主轴3逆滚动方向转动时，通过其两侧的圆盘来带动周向几个管轴2转动，由于管轴2的一端装有曲柄4和滚轮5并且沿着导向滑道6滚动，当管轴2转至滚筒下方的时候开始捡拾，当管轴2转过滚筒的前上方而向后下方转动时，管轴2上的弹齿便向着内部回缩以防止带草。
（a）弹齿滚筒式（b）偏心伸缩扒指式（c）滑道升运器式（d）带式输送器式
1.弹齿2.管轴3.捡拾装置主轴4.曲柄5.滚轮6.导向滑道7.固定外壳8.圆筒外壳9.偏心轴10.指杆11.滑座12.输送链13.输送带
图2-1捡拾装置的类型
偏心伸缩指式捡拾装置如图2-1（b）所示。
包括回转的圆筒外壳8和带指杆10的偏心轴9，指杆10可以在滑座11中移动。
外壳转动时带动指杆10绕偏心轴9旋转。
当指杆10处于下部位置时，指杆10渐渐伸出外壳表面，用来捡拾作物或草条。
指杆10处于上部位置时，其逐渐缩进外壳，以清理出被捡拾的秆茎。
滑道升运器式捡拾装置如图2-1（c）所示。
是由两条输送链12与装有弹齿1的管轴2用销连接，管轴2通过曲柄4上的滚轮5在导向滑道6内移动。
由滑道6保证弹齿的运动轨迹，来实现捡拾物料。
带式输送器式捡拾装置如图2-1（d）所示。
捡拾作业时，齿带13是逆滚动方向转动的，由固接在胶带上的弹齿1将物料拾起，然后向上升运，运到上部时，物料回转而产生了离心力，与弹齿脱离随后抛出[16]。
2.2各种捡拾装置的特点
弹齿滚筒式捡拾装置是由带弹齿的滚筒来捡拾的。
由于弹齿有弹性，所以对物料的冲击作用较小，从而落粒损失就较少；而且其使用弹性钢丝做弹齿，捡拾物料时弹齿离地高度可以低于30~40mm，所以漏捡损失小。
可是其在矮小的谷物或条铺稀薄的时候漏捡率比较高，所以其一般多用于牧草捡拾作业。
偏心伸缩指式的捡拾装置采用的是硬指杆，扒指是刚性的，强度也较大，捡拾物料时对物料的冲击作用较大；而且由于采用的是硬指杆，离地面不能太低，以免指杆在遇到石块等障碍物时而损坏，所以一般多用于捡拾谷物作物中的玉米秆。
而升运器式的捡拾装置，尤其是齿带输送器式的捡拾装置，因为前辊轴的直径较小，弹齿横向间隙也较小，所以捡拾矮小的谷物或条铺稀薄时捡拾得较为干净利索，落粒损失也较少。
因而一般用于捡拾谷物。
国内外用于捡拾牧草的捡拾装置多用弹齿滚筒式，本课题主要对其进行研究。
3捡拾器的工作原理分析
3.1捡拾器的整体结构
整个捡拾器的关键部件主要由滚筒轴1、弹齿支撑架2、弹齿架3、弹齿4、曲柄5、滚轮6、支撑圆盘7、护栅8、护栅固定架9（图3-2）。
图3-1捡拾器的三维示意图图3-2弹齿滚筒示意图
其中，弹齿支撑架2固定在滚筒轴1上，随滚筒轴的转动而转动。
4根弹齿架3与弹齿支撑架2铰接，即弹齿架可以绕支撑架转动。
弹齿架3上固定有17个间距相同的弹齿4，同时弹齿架3与曲柄5的一端固接，而曲柄5的另一端与滚轮6铰接。
滚轮在支撑圆盘7的滑槽内沿滑槽的轨迹滑动，16个护栅8固定在护栅固定架9上，用于保护弹齿。
3.2捡拾器的工作过程
其工作过程为机器在田间前行时牵引打捆机前行，同时通过动力输出轴将动力输送至打捆机，再利用链条传动将动力输送至滚筒轴，滚筒轴的转动带动支撑架转动，支撑架的转动使固定在其上的弹齿架绕滚筒轴作圆周运动。
同时，带动滚轮沿滑槽滑动，从而控制弹齿在不同位置的转角。
通过这一系列的过程实现捡拾过程中弹齿的捡拾、升举、向后推送、缩回护栅、放齿五个阶段，完成对田地中秸秆捡拾的整个工作过程。
在捡拾过程中，应使弹齿缓慢插入秸秆中，防止对其强烈撞击而前抛；在升举过程中要求弹齿绕滚筒轴心做平动，即保证秸秆水平向上输送；再向后推送过程中，应也应保证弹齿绕滚筒轴心作平动，保证秸秆水平向后推送；缩回护栏时没有特别要求，能够尽量减小滚轮与滑槽的摩擦即可；在放齿阶段，应迅速将弹齿放下，缩短时间行程。
3.3捡拾器的工作原理
此结构应用的原理可以简化为凸轮推杆机构（图3-3），只不过此处是凸轮和推杆的同时运动如图。
滑槽和弹齿支架一起绕O1转动，曲柄与弹齿保持固定夹角，随着滚轮在滑槽内的滑动控制弹齿绕O2的摆动，使弹齿做圆周运动过程中在不同的位置有着与水平面特定的夹角，整个循环过程实现对秸秆的捡拾、升举、推送、缩齿、放齿等阶段。
综合来说，弹齿的运动是三个运动的合成，一是机器前进的运动，二是绕滚筒轴的圆周运动，三是绕弹齿架的摆动。
其自由度约束为：
n=2，Pl=2，Ph=1。
由
可知该机构具有确定的运动。
图3-3凸轮推杆原理图
注：
图中箭头表示转动方向。
4捡拾质量的影响因素分析
4.1捡拾质量的评价
首先要求捡拾装置工作中的漏捡损失小。
即应该把留茬上的所有茎秆捡拾干净，在留茬上没有遗留的物料。
从弹齿运动的位移轨迹看，即要求漏捡区尽可能小。
如图4-1所示，弹齿的外露部分的轨迹是工作区，两个相邻弹齿轨迹的不重合区为漏捡区，漏捡区的面积和形状是造成漏捡的主要内在因素。
弹齿运动轨迹是一个摆线，漏捡区是由相邻两个摆线交叉而成。
由分析可知，摆线形状与决定λ值的机组前进速度Vt、滚筒回转角速度ω（即转速n）有关，另外位移还与控制弹齿运动的凸轮机构参数有关，沿滚筒周向的弹齿杆数量z、弹齿端部与地面的最小间隙d也与漏捡区的大小有关。
其中凸轮机构参数包括：
凸轮滑道廓线的基圆半径R0、滚轮半径r、滚筒半径R、曲柄长度l、弹齿相对于曲柄的夹角γ、弹齿长度l和凸轮盘滑道廓线形状[9]。
图4-1弹齿滚筒式捡拾装置漏捡区
注：
图中箭头表示运动方向
根据相邻两排弹齿端部连线的运动轨迹曲面交线高度h的要求可以决定各参数的关系。
如图4-1所示，为了不致漏捡，必须是：
（1）
（2）
式中：
V——弹齿端部线速度，m/s；
Vt——机组前进速度，m/s；
H——护板离地高度，m；
d——弹齿端部与地面最小间隙，m；
h——漏捡区高度，m。
4.2捡拾效果的影响因素
因为弹齿的运动状态决定于特征参数λ值和弹齿的运动规律，所以确定合理的特征参数λ值和设计合理的凸轮滑道形状是保证捡拾效果的关键。
通过以上对弹齿端部位移、速度和加速度的分析可知，影响捡拾效果的主要参数是特征参数λ和凸轮形状。
由上述可知，λ值的大小取决于机器前进速度Vt、滚筒回转角速度ω（即转速n）和凸轮机构参数。
除此之外，还有其它一些结构参数也对捡拾效果有一定影响，即沿周向弹齿杆数量z和弹齿端部与地面的最小间隙d。
一般弹齿端部与地面的最小间隙d取20mm，以越过小石块等防止弹齿碰伤。
综上所述，影响捡拾效果的主要因素是特征参数λ的取值及凸轮机构参数。
5工作参数的确定
5.1弹齿滚筒转速的确定
滚筒转速越大，弹齿端部的速度值和加速度值越大，弹齿对玉米秸秆的打击作用越大，滚轮对滑道的冲击力越大，在满足漏捡区面积和生产率的情况下，应选择较小的滚筒转速[10]。
根据秸秆的长度，确定捡拾器的工作幅宽为L1=1900mm，选择弹齿长度为L2=180mm，滚筒半径R=225mm[11]。
现设定喂入量Q=200kg/min,捡拾弹齿的旋转一周近似认为是圆柱形喂入。
其转动一周喂入体积为：
（1）
则捡拾器旋转一周的喂入量为：
（2）
式中:
ρ——秸秆密度，取ρ=50kg/m3
k——捡拾器的充满系数,取k=0.08[12]
带入数值可得V=0.68m3，q=2.7kg
再由公式
（3）
可得n=74r/min
即为获得此喂入量，弹齿滚筒的转速应为74r/min。
5.2机组前进速度的确定
捡拾器在工作过程中，需要满足不漏料的条件，现设计的弹齿滚筒上装有4根弹齿架，每根弹齿架上装有17根间距相同弹齿，由于弹齿的横向间距为100mm，远小于秸秆长度，所以不用考虑横向的漏料情况。
但是，弹齿在圆周运动过程中，由于不同弹齿杆上的弹齿（图3-2）衔接问题可能导致漏料或者堵塞的情况，这便是由弹齿的圆周速度和机组的前进速度决定的。
若保证不漏料，则在前一组弹齿离开地面时，下一组弹齿已经伸出，设T为滚筒的周期。
则两弹齿的间隔为：
（4）
此时机组前进的位移为：
（5）
而此时滚筒转转过的路程：
（6）
其中ω为滚筒转动的角速度：
（7）
因避免漏料而导致堵塞的情况，需满足：
S2>S1（8）
即可得：
（9）
带入数值可得V<3.1m/s
即，捡拾器的工作速度应控制在3.1m/s以内。
5.3拖拉机的选型
打捆机由拖拉机提供动力，实现移动式自动捡拾打捆。
参考国外捡拾打捆机机型的动力配套，以及与我国国产拖拉机动力匹配，该捡拾打捆机动力选择为80kW拖拉机，实际动力输出为66kW，而传递给滚筒捡拾器的功率约为10kW，拖拉机输出转速为n1=900r/min，而弹齿滚筒的转速为n=74r/min，故传动比为：
故可设计二级减速器实现此传动。
6捡拾器零部件的设计分析
6.1弹齿的设计参数
弹齿在工作过程中用于插入秸秆中，并完成对秸秆的升举和后推的主要部件，所以要求其具有良好的弹性，并且满足强度需要。
设计参照机械设计标准[13]，选用GB4860型号，材料为油淬火-回火碳素弹簧钢丝（如图6-1）。
设计的主要参数如表1。
表6-1弹齿主要参数参照国标设计
项目名称
计量单位
要求数值
实际设计
弹簧外径
mm
40~42
40
弹齿长度
mm
197~203
200
弹簧钢丝直径
mm
4.95~5.05
5
弹齿末端弯曲
mm
30~50
35
单侧最少有效圈数
圈
4
4.5
图6-1弹齿的零件图
6.2滚轮滑槽的轨迹设计
弹齿
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