牧草方形打捆机打结器的设计论文

- 1 - 方形打捆机打结器的设计 学生姓名： 指导教师： 所在院系： 工程学院 所学专业： 机械设计 及其自化 研究方向：机械设计 东 北 农 业 大 学 中国哈尔滨 2013 年 6 月 方形打捆机打结器的设计 - 2 - 目录 1 前言 - 5 - 1.1 课题研究的目的与意义 . - 5 - 1.2 牧草打捆机打结器国内外发展状况 . - 6 - 1.2.1打结器的国外发展现状 . - 6 - 1.2.2打结 器的国内发展现状 . - 6 - 1.3 设计的主要内容和任务 . - 6 - 1.4 本章小结 . - 7 - 第二章 D 型打结器及其辅助机构的组成与虚拟样机模型 . - 8 - 2 1 D 型打结器部件 . - 8 - 2 1 1 打结器部件 . - 8 - 2 2 D 型打结器及其辅助机构的机构组成 . - 9 - 2.2.1草捆长度控制机构 . - 10 - 2.2.2拨绳机构 . - 10 - 2.2.3送绳机构 . - 11 - 2.2.4主轴离合器 . - 12 - 2 3 D 型打结器虚拟样机模 型 . - 13 - 2.4 本章小结 . - 15 - 3.打结器的结构设计与参数优化 . - 15 - 3 1D 型打结器的结构分析 . - 15 - 3 1 1 齿盘结构分析 . - 15 - 3 1 2 割绳刀臂结构分析 . - 16 - 3 1 3 夹绳盘 . - 17 - 3 2 仿人双指打结器的结构设计与参数优化 . - 17 - 3 2 1 锥齿轮设计 . - 17 - 3 2 2 打结器支架的优化设计 . - 20 - 4 2 3 复合齿盘的优化设计 . - 23 - 3 2 4 仿人双指打结器装配体模型 . - 25 - 3.3 本章小结 . - 26 - 4.结论 . - 27 - 方形打捆机打结器的设计 - 3 - 摘要 受国家对农业政策的倾斜和国际环境的 影响，牧草正逐渐走向产业化和商业化的道路。为了适应牧草产业化和商业化的趋势，牧草收割机械化就变的尤为重要，我国牧草机械起步晚，与国外产品有较大的差距，尤其是牧草打捆机大部分依赖进口，而牧草打捆机打结器必须依靠进口。进口配件存在周期长，费用高，更换不及时的缺点。 打结器国产化制造是我国牧草打捆机生产中至今没有得到解决的问题，以打结器国产化制造为目标，从方形打捆机打结器捆绳成结原理的分析出发，应用机构创新方法提出新型捆绳打结结构，具有重要的研究意义和巨大的应用价值 在调研过程中发现：不同时期，不同品牌的 打结器复杂程度和可靠性都存在差异。综合各打结器的性能，挑选可靠的 了 D 型打结器 作为本课题国产化的对象。 针对调研过程有些部件容易损坏及其易损部位，结合打结器工作在低速的实际情况，课题对部分参数改进后所建部件的虚拟模型进行了结构静力分析和疲劳分析 , 分析结果能很好的温合实际破坏情况，为以后参数的灵敏度分析和优化设计提供了方向。 本课题可以为打结器国产化提供一些借鉴和参考。 关键词：牧草；打结器；结构分析 方形打捆机打结器的设计 - 4 - ABSTRACT Under the influence of national policy inclining to agricultural and international environment,the hay industry is being industrial and commercial gradually.In order to adapt this tendency,the hay harvest mechanization becomes very important. Pasture machinery in China started late, and there is a big gap between foreign products,especially the forage baler most dependent on imports, while the forage bale knotter must rely on imports. Imported accessories have long period, high cost, not timely replacement. Localization is knotted manufacturing is Chinas Forage baler production has not been solved, with the goal of localization of the knotter manufacturing, starting from the analysis of square baler knotter rope knot theory, innovation methods mechanism proposes new rope knotted structure, has the important research significance and great application value Found in the research process: there are differences in different periods, different brands of knotter complexity and reliability. The comprehensive performance of the knotter, choose reliable as the object of the subject. According to the research of some components easily damaged and fragile, combined with actual situation of knotter in low speed, the structural static analysis and fatigue analysis of the virtual model parameters improved the components. The analysis results can be a good warm the actual damage, provides the direction for the sensitivity analysis and optimization design parameters. This paper can provide some reference for the localization of knotter. Keywords: forage； knotter； structure analysis；CAD 方形打捆机打结器的设计 - 5 - 1 前言 1.1 课 题 研 究 的 目 的 与 意 义 一个国家的畜产品人均消费量在很大程度上反映了该国人民生活水平的高低，从长远 的观点看，畜产品人均消费量的多少将会影响到整个民族的身体素质。在丹麦，耕地 的 20% 直接用于种饲草；在美国，耕地的 28% 直接用于种饲草：在荷兰，耕地用于种饲 草的比例更高达 52% 。在发达国家，约有 73% 的肉类由草转化而来，例如美国和加拿大 两个草业大国，年产草量均达 1 亿吨，产值均超过 100 亿美元。 1 据统计，我国现有各类天然草地面积约 4 亿公顷 1，在这 4 亿公顷的草地种可利用的草地面积约为 3.3 亿公顷，人均草地面积不到世界人均面漆的一半，但是我国草地面积却是占农牧业总面积的 30% 以上。由于自然和人为的原因，我国已有近 1 亿公顷的草地退化，沙化或者碱化，而且草的质量也在下降。 饲草产业作为一种低投入，高产出，且有利于生态良性循环的新型产业，它的经济效益十分显著。有资料显示，如果饲草的产值为 1 ，将饲草用于畜牧业，产值增加 3 ，其后的肉， 奶，皮毛加工产值可达到 10。这是一个庞大的连锁产业，饲草产业则是基础。1我国经过 20多年的改革开放，国民经济已进入一个平稳，持续，快速发展的时期。随着综合国力逐步增强和经济建设的步伐不断加快，农业产业结构正逐步得到优化调整，畜牧业将成为农业产业化建设中的一项重要内容，其在农业经济中的比重越来越大。加之随着西部大开发战略的实施，草原建设，草原改良，退耕还草，生态恢复建设蓬勃兴起。由此形成的牧草产业将成为集生态，经济和社会效益于一体的新型综合性产业。 2因此发展饲草业，不仅可以满足我国畜牧业发展的需要，而 且可以成为国民经济的重要组成部分。 国外的牧草机械有技术含量高、工作效率高、作业质量好、故障少、耗油小和 机动性好等优势 。 而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，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，不适合 国内的消费水平。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。但由于其核心部件打结器结构较复杂，设计制造困难 ( 目前主要从国外进口 ) ， 造成方捆打捆机制造成本高，价格也较高，严重制约着我国牧草收获。打结器成了 解决方捆打捆机制造成本的瓶颈问题 。 鉴于我国目前对打捆机打结器的研究状况，我们方形打捆机打结器的设计 - 6 - 首先要逐渐摆脱单纯仿制模拟阶段，逐步向系统理论阶段发展，达到自行研制的水平。再逐步添加打结器的控制系统，增加人机对话界面，同时把一些新材料新成果运用上去，使之更安全，更 可靠，更有效地工作。进而从基本理论，整机结构和性能方面赶上或者超过世界先进水平，形成自主品牌的打捆机的核心部件一打结器。 1.2 牧 草 打 捆 机 打 结 器 国 内 外 发 展 状 况 1.2.1 打 结 器 的 国 外 发 展 现 状 在饲草商品化生产过程中，首先遇到的问题就是草捆密度小，无论是存储还是运输都占用很大空间，使储，运成本增加。因此根据实际需要，把饲草打成高密度的草捆后再存储或者运输是饲草产业化，商品化的重要一环。 饲草打捆机是将饲草压实并捆成一定形状的设备。打捆机的关键技术是捆绳的打结器及其传 动机构的协调性。现在国外已经有很多的专业 厂家专门生产打结器。例如德国的拉斯佩公司专门生产打结器，其专业化程度高，质量可靠，打结的成捆率在 99% 以上。年销售收入在百 亿美元级的约翰。迪尔公司，凯斯纽荷兰公司；年销售收入在几十亿美元级的阿格科公司，久宝田公司，克拉斯公司；年销售收入在几亿美元级的沙姆道依兹法尔公司，库恩公司，格 兰公司等都拥有自己的专利品牌的可靠的打结器。 3 1.2.2 打 结 器 的 国 内 发 展 现 状 目前国内还没有专门的打结器生产厂家，生产打捆机的厂家所用的打结器基本都从国外进口。国内有些厂家现在也有开始仿制生产打结器的某些，但是仅仅停留在 仿制实物结构的阶段，对各部件的运动分析和理论计算往往被忽略，目前国内打结器上根本还没有涉及有关电子监测设备和人性化的设计 .4 1.3 设 计 的 主 要 内 容 和 任 务 针对国产方捆打捆机研发中打结原理处于定性描述状况、设计分析方法落 后和亟需打结器国产化制造的问题，本文进行了如下的研究工作，现概括如下： 1 D 型打结器及其辅助机构的组成与虚拟样机模型的建立 以苜邦 9KF-8042自动捡拾压捆机为研究对象，深入分析打结器及其辅助机 方形打捆机打结器的设计 - 7 - 构的组成，各机构的工作原理和功能，通过测绘苜邦 9KF-8042型捡拾压捆机上 的相关零 件，可获得大多数平面零件的图纸，但是对于平面不规则零件，比如 凸轮、复合齿盘等复杂零件，传统测绘误差大。对于平面不规则零件，采用基 于图像处理的提取零件轮廓和安装相位，进行零件的反求设计。对反求的打结 器及其附属机构建立其机构的 Solidworks三维模型，并检查机构的装配干涉情 况 2 D 型打结器的结构改进与参数优化 分析现有国外 D 型打结器结构特点，进行结构改进设计，解决现有 D 型打 结器基座 5 个轴孔成复杂异面空间角度而造成制造困难的问题，将基座轴孔的 异面结构设计为平面结构，利用上一步得出的各机构相对位 置，各执行机构的 动作时序，建立打结器机构的角度关系模型，通过所得到的打结器机架上的打 结嘴、夹绳盘、割绳刀臂的动作的角度关系，设计出打结器机架五个轴孔角度 均为平面角的打结器，同时将复合齿盘上的斜齿锥齿轮设计成直齿锥齿轮。 3.仿人双指打结器的 机构设计与参数优化 对锥齿轮设计，打结器支架设计，打结嘴设计及对其的参数优化来进一步研究仿人双指打结器，建立仿人双指打结器装配体的模型。 1.4本 章 小 结 本章在介绍了国外饲草收获机械发展现状的基础上，分析了 D 型打 结器结构复杂难以制造的原因，指出了对国外 D 型打结 器结构进行改进研究的 必要性，并给出了本文的主要研究内容 及任务。 方形打捆机打结器的设计 - 8 - 第二章 D 型打结器及其辅助机构的组成与虚拟样机模型 2 1 D 型 打 结 器 部件 D 型打结器及其辅助机构主要包括有送绳机构、拨绳机构、草捆长度控制 机构、主轴离合器和打结器。现分别介绍各机构的组成和功能作用。 2 1 1 打 结 器 部 件 打结器部件结构如图 1 所示，为一空间复合传动机构。复合齿盘为精密 铸造而成，盘面上设置径向错开的两段不完全锥齿轮，一段为直齿锥齿轮，一 段为斜齿锥齿轮，两锥齿轮齿数为 7 ，模数为 4 。在复合齿 盘的轮毂与不完全锥 齿轮之间设置控制割绳刀架动作的凹槽凸轮。割绳刀架前端固定割刀，与打结 嘴弧形相切的位置具有脱绳的凹槽结构，在割刀和脱绳凹槽之间具有导绳缺口， 其功能是支撑割刀，起导绳、割绳和脱绳作用，在送绳阶段引导捆绳搭在打结 嘴上，在脱绳阶段，割断捆绳，并强制将打结嘴上绳结脱掉。 打结器的动力由与打结器主轴固结的复合驱动齿盘输入，分 3 条传动路线 完成打结动作：一路是夹绳盘锥齿轮带动蜗杆驱动与斜齿轮固连的夹绳盘夹绳， 一路驱动打结嘴锥齿轮带动打结嘴绕绳打结，最后一路是齿盘凸轮形滑道驱动 割绳刀架完成拉紧 、割绳、脱扣动作。 方形打捆机打结器的设计 - 9 - 1 复合驱动齿盘； 2 打结器支架； 3 夹绳盘锥齿轮； 4 斜齿轮； 5 蜗杆； 6 夹绳盘： 7 打结嘴； 8 钩钳； 9 岩 4 绳刀架； 10打结嘴锥齿轮 图 1 打结器 2 2 D 型 打 结 器 及 其 辅 助 机 构 的 机 构 组成 D 型打结器及其辅助机构主要包括有送绳机构、拨绳机构、草捆长度控制 机构、主轴离合器和打结器。通过测绘苜邦 9KF 8042型捡拾压捆机上的相关零 件，可获得大多数平面零件的图纸，但是对于平面不规则零件，比如凸轮、复 合齿盘等复杂零件，传 统测绘误差大。在此，对于平面不规则零件，采用基于 图像处理的提取零件轮廓和安装相位，进行零件的反求设计，可获得比较满意 的效果 。 方形打捆机打结器的设计 - 10 - 2.2.1 草 捆 长 度 控 制 机 构 草捆长度控制机构由图 2 中构件拉簧、支座、凸轮挡板、控制凸轮、凸轮 滚子、连杆、限位块、外齿轮、内弧形齿轮、计量轮组成，将草捆视作齿条， 草捆推动计量轮转动，形成齿条齿轮传动，那么该机构为齿条齿轮传动，内弧 形齿轮机构 (8和 9)和摆动盘形凸轮机构 (4、 3 、 5 和 5)串联而成。其作用是 控制草捆长度，其中限位块可以用来调节草捆长度，当压缩机构推动秸秆往草 捆出口移动时，草捆推动计量轮转动，与计量轮固连在一起的外齿轮转动，带 动内弧形齿轮向上运动，外齿轮会嵌入内弧形齿轮的豁口，此时凸轮挡板在拉 簧的拉力作用下绕着支座的回转中心逆时针转动一个角度，主轴离合器脱离控 制摆杆的作用，离合器工作，控制凸轮与驱动主轴固连，打结器转动时，推动 凸轮滚子移动，当移至凸轮远行程时，内弧形齿轮豁口脱离外齿轮，内弧形齿 轮在重力作用下自然下落，限位挡块会与外齿轮接触，内弧形齿轮停止下落， 并与外齿轮啮合进入下一次草捆长度计量，如此往复。 1 拉簧； 2 支座； 3 凸轮手当板； 4 控制凸轮； 5 凸轮滚子； 6 连杆；7 限位块； 8 夕 p 齿轮： 9 内弧形齿轮； 10计量棘轮 图 2 草捆长度控制机构 2.2.2 拨 绳 机 构 拨绳机构为一空间四连杆机构，如图 3 所示，其中曲柄 ，、 拨绳轴、摆杆是 焊合在一起的，转轴套在机架上，可以自由转动，拉杆一端通过连接销轴与曲 柄连接，使之可以相互转动，拨绳板通过螺栓轴与绕机身转动达到拨绳的效果。 方形打捆机打结器的设计 - 11 - 拨绳动力由拨线凸轮推动焊接在拨绳轴上的驱动摆杆提供，拨绳凸轮与凸轮滚 子靠拉簧的拉力保持接触。其中驱动拨杆杆长为 88mm，拉杆长度为 285mm ，曲 柄长度为 88mm，拨绳板两回转中心长度为 53mm。拨线机构的作用是拨绳板拨 动捆绳偏移一定位置，强制使捆绳进入夹绳盘豁口位置，使之能够顺利被夹绳 盘夹持，同时使捆绳可靠地附着在打结嘴的表面，为顺利绕绳做准备。 1 拨绳板； 2 螺栓轴： 3 拉簧； 4 拉杆； 5 连接销轴； 6 曲柄； 7 拨绳轴； 8 驱动拨杆； 9 凸轮滚子 图 3 拨线机构 2.2.3 送 绳 机 构 送绳机构为一曲柄连杆机构，如图 4 所示，引针架、连接片通过焊 接固连 在一起，起摇杆的作用，送绳针通过调节螺栓连接在引针架上，送绳针的姿态 可调，在引针架的轴套上设置了摩擦片，摩擦力的大小可由调节片进行调节， 设置摩擦片的目的是为了防止送绳针机构由于在自身自重的作用下发生运动而 影响整个机器的运行。曲柄通过键连接固结在主轴上，主轴驱动曲柄周转，带 动摇杆左右摆动使得送绳针上升和下降，从而送绳和回位，其中曲柄长度为 134 5mm ，连杆长度为 372 5mm ，摇杆长度为 165mm ，曲柄与摆杆的轴心距离 为 464mm 。 方形打捆机打结器的设计 - 12 - 1 送绳针； 2 引针架； 3 连接片； 4 旋转轴； 5 摩擦片； 6 调节片；7 连杆； 8 曲柄； 9 主轴 图 4 送绳机构 2.2.4 主 轴 离 合 器 是用来离合动力传递给主轴的，它主要由离合摆杆、拉簧、离 合滚子、离合楔块、链轮座、离合控制凸轮、连接座、安全螺栓组成，其中拉 簧用于提供离合摆杆回位力的，楔块与链轮座固连，连接座通过键连接在主轴 上，离合控制凸轮空套在主轴上，通过安全螺栓与安全螺栓固连，当主轴上的 打结器部件发生故障或过载时，安全螺栓被剪断，起到安全保护的作用。离合 器的离合由凸轮挡板控制。工作时，凸轮挡板挡住离合摆杆，使得摆杆被顶起， 离合滚子同时被顶 起越过离合楔块，这样离合器不结合，动力不传递至主轴， 当草捆计量机构达到计量值后，凸轮挡板逆时针转动一个角度，没挡住离合摆 杆，在拉簧的拉力作用啦，离合摆杆回位，离合滚子与离合楔块结合，离合器 开始工作传递动力 方形打捆机打结器的设计 - 13 - 1 凸轮挡板； 2 离合摆杆； 3 拉簧； 4 离合滚子； 5 离合楔块； 6 链轮座； 7 离合控制凸轮： 8 连接座； 9 安全螺栓 图 5 主轴离合器 2 3 D 型 打 结 器 虚 拟 样 机 模 型 D 型打结器及其辅助机构的三维实体建模采用的是 CAD 软 件，采用 Parasolid 图形内核，有着全面的零件实体和装配体建模功能，为用户提供了丰 富的建模手段，本文采用由二维 AUTOCAD 图纸导入 CAD 软件快速恢复 成三维图形的方法，快捷、效率高。同时 CAD 提供了卓有成效的高效、 方便的装配体建模，通过同心、重合、距离、相切等约束工具建立装配体模型。 分别建立拨绳机构、送绳机构、打结器、草捆控制机构、离合器的配体模型， CAD 支持子装配体，将上面所建立的子装配体装配成总装图，如图 6a 和 6b所示为 D 型打结器及其辅助机构的装配体模型。 方形打捆机打结器的设计 - 14 - 图 6 D 型打结器及其辅助机构的装配体模型 方形打捆机打结器的设计 - 15 - 2.4本 章 小 结 本章以苜邦 9KF 8042型捡拾压捆机为研究对象，分析了 D 型打结器及 其辅助机构的结构组成以及各机构所执行的功能。利用 CAD 参 数化建模软件，结合实测参数设计了打结器支架、割绳刀臂等空间复杂零件 。 3. 打结器的结构设计与参数优化 通过对国外 D 型打结器的仿真分析，分析打结器各机构动作时序以及各构 件结构的在捆绳打结中所起的作用。本章在此基础上改进了国外 D 型打结器的 结构，进行新型打结器结构设计与分析，解决了国外 D 型打结器机架五个轴孔 成复杂空间异面角度的问题，新打结器结构各轴孔轴线在一系列相互平行的平 面上，期望改变国外 D 型打结器因结构复杂而造成制造困难的状况。 3 1D 型 打 结 器 的 结 构 分 析 由于国外 D 型打结器复杂的空间异面结构，而打结器本身结构精巧，各机 构高度精准配合，各轴孔之间的角度需要严格保证才能使得打结器可靠的完成 打结动作，这就给打结器的加工制造造成了很大的麻烦，制造成本高且精度不 易保证本文拟在吃透国外 D 型打结器动作时序，打结器各部件结构特点和用处 的基础上对国外 D 型打结器进行结构改进，使改进的打结器易于制造，加工精 度易于 保证。 3 1 1 齿 盘 结 构 分 析 国外 D 型打结器的驱动齿盘如图 7 所示，是一个复合零件。该齿盘由两 段锥齿轮组成，其中一段锥齿轮是斜齿锥齿轮，两段锥齿轮之间的相位差为 55 ，该相位差决定了夹绳盘和打结嘴动作之间的时序关系，齿盘内圈为一内凸 轮轮廓，与齿盘连接的外凸轮轮廓组成一凸轮滑道，当打结嘴完成绕绳、咬绳 动作后用于驱动割绳刀完成割绳脱绳动作，凸轮远行程与直齿锥齿轮的相位差 为 116 ，该相位差决定了割绳刀臂在打结嘴动作后进行割绳脱绳动作的时序关系。 方形打捆机打结器的设计 - 16 - 图 7 齿盘结构图 3 1 2 割 绳 刀 臂 结 构 分 析 打结器割绳刀臂的三维立体图如图 8 所示，为一不规则零件。割绳刀臂有 三个方面的作用，割绳刀臂上装一割绳刀用于割断捆绳；割绳刀臂上的导绳槽 用于当送绳针将捆绳送到夹绳盘处后，由于捆绳有一定的负载，所以绳子在负 载力的作用下沿着导绳槽滑行至槽底，从而使捆绳可靠的搭在打结嘴上，为成 功打结做准备；强制脱扣缺口，当打结器完成绕绳后，将绳圈从打结嘴表面强 制脱下，并在脱扣的过程中使绳结拉紧，最终将绳子的一端从绳圈里掏出形成 一个绳结。 图 8 割绳刀臂 方形打捆机打结器的设计 - 17 - 3 1 3 夹绳盘 夹绳盘的结构如图 9 所示，圆盘四周有四个夹绳缺口，当送绳针将捆绳送至其中一个缺口以后，夹绳盘转动将捆绳夹入与夹绳盘配套使用的夹绳片之间 的空隙，使捆绳牢牢的被夹住。 图 9 夹绳盘 3 2 仿 人 双 指 打 结 器 的 结 构 设 计 与 参 数优化 国外 D 型打结器由于结构复杂制造困难，基于此特点，改进型打结器要求 打结器结构简单，制造容易成本较低，设计要求如下： 1 打结器两对锥齿轮轴交角 E=90 。 2 复合齿盘两段锥齿轮均为直齿锥齿轮。 3 打结器支架上 5 个轴孔的角度相互呈平面角度。 3 2 1 锥 齿 轮 设 计 1 打结嘴锥齿轮设计 已知的国外 D 型打结器打结嘴锥齿轮参数如下表 1 所示。 表 1 国外 D 型打结器打结锥齿轮参数 小齿轮理论齿数 (Z1) 大锥齿轮理论齿数（ Z2） m 方形打捆机打结器的设计 - 18 - 8 56 4 20 98.173 由于采用不完全锥齿轮传动，小锥齿轮有效齿数为和大锥齿轮有效齿数均为 7 个。 为了使打结器的各部件运转时间相同所以改进的打结器结构也应当有与国 外 D 型打结器相应的特性，根据结构设计要求打结器打结嘴锥齿轮的参数如 下表 2 所示。 表 2 设计的打结嘴锥齿轮基本参数 小齿轮理论齿 数 （ Z1） 大锥齿轮理论齿 数 （ Z1） m 8 56 4 20 90 设计计 算 (1) 小锥齿轮设计 传动比： 78/56/ 21 ZZ 小锥齿轮分度圆锥角： 13.87c o t1 a rca rc 大锥齿轮分度圆锥角： 87.81-90 12 变位系数： 4 5 0 6.0c o s/c o s-146.0 121 X 大端齿顶高 : 8024.54506.01*4)*( 11 ）（Xhmh aa 大端齿根高： 1 9 6.3*)*( 11 cXhmh af 大端锥距： 15.113s in/5.0 111 mzR 齿根角： 6 1 9.1)/a r c ta n ( 111 Rh ff 齿顶角： 9 3 5 6.2)/a r c ta n ( 111 th aa 顶锥角： 07.11111 aa 根锥角： 51.6- 111 ff 大端分度圆齿厚： 592.7)ta n22/( 11 XmS 齿槽宽： 592.7- 11 Sme (2) 大锥齿轮设计 方形打捆机打结器的设计 - 19 - 变位系数： 4506.0- 12 XX 大端齿顶高： 1 9 7 6.2)4 5 0 6.01(*4)*( 22 Xhmh aa 大端齿跟高： 8024.6*)*( 12 cxXhmh af 齿根高： 44.3)/a r c ta n ( 122 Rh ff 齿顶高： 11.1)/a r c ta n ( 122 Rh aa 顶锥角： 94.82222 aa 根锥角： 39.78- 222 ff 2夹绳锥齿轮设计 (1) 已知的国外 D 型打结器夹绳蜗杆锥齿轮参数如下表 3 所示 表 3 国外 D 型打结器夹绳齿轮参数 小锥齿轮理论齿数 (Z1) 大锥齿轮理论齿数（ Z2） m 8 38 4 20 98.931 为了使打结器的各部件运转时间相同所以改进的打结器结构也应当有与国 外 D 型打结器相应的特性，根据结构设计要求打结器夹绳锥齿轮的参数如下表 4 表 4 设计的打结器夹绳齿轮参数 小锥齿轮理论齿数 (Z1) 大锥齿轮理论齿数（ Z2） m 8 38 4 20 90 设计计算： 传动比： 75.48/38/ 21 ZZ 小锥齿轮分度圆锥角： 8 8 9.1175.4c o t1 a rca rc 大锥齿轮分度圆锥角： 11 1.7890 12 变位系数： 4 3 9 6.0c o s/c o s-146.0 121 X 大端齿顶高 : 7584.5)4396.01(*4)*( 11 Xhmh aa 大端齿根高： 2416.3*)*( 11 cXhmh af 方形打捆机打结器的设计 - 20 - 大端锥距： 6 6 9 9.77s in/5.0 111 mZR 齿根角： 39.2)/a r c ta n ( 111 Rhff 齿顶角： 24.4)/a r c ta n ( 111 Rh aa 顶锥角： 129.16111 aa 根锥角： 499.9- 111 ff 大端分度圆齿厚： 56.7)ta n22/( 11 XmS 齿槽宽： 511 Sme (2) 大锥齿轮设计 变位系数： 4396.012 XX 大端齿顶高： 2416.2)4396.01(*4)*( 22 Xhmh aa 大端齿跟高： 7 5 8 4.6*)*( 12 cXhmh af 齿根高： 9 7 3.4)/a r c ta n ( 122 Rh ff 齿顶高： 6 5 3.1)/a r c ta n ( 122 Rh aa 顶锥角： 76 4.79222 aa 根锥角： 138.73- 222 ff 3 2 2 打 结 器 支 架 的 优 化 设 计 国外 D 型打结器具有结构紧凑、巧妙等众多优点，但是其轴孔复杂的空间 异面结构给设计制造带来不便。为优化打结器结构，从国外 D 型打结器的结构特 点出发，设计结构更为简单的打结器。国外 D 型打结器各轴角度关系如下表 5 ： 表 5 国外 D 型打结器各轴孔夹角 投影面 轴交角 l 方形打捆机打结器的设计 - 21 - 轴 1 和轴 2 轴 1 和轴 3 轴 1 和轴 4 轴 1 和轴 5 XOZ 90.00 80.36 90.00 81.12 YOZ 90.00 69.60 90.00 0 XIOY 23.39 66.18 12.00 90.00 打结嘴轴孔和央绳盘蜗杆轴孔之间的夹角为 24 ，打结器轴孔轴线与 打结 器动力轴孔相交，而夹绳盘蜗杆轴孔与 Y 轴平行，与动力轴孔偏距为 22mm，之 所以夹绳盘蜗杆轴轴孔轴不通过轴线是为了打结嘴和夹绳盘之间有足够的间隙 用于割绳刀割绳，且使绳头有足够的长度使形成的绳结可靠，不至于脱落，另 个方面的原因就是夹绳片的安装，如果蜗杆孔轴线通过动力轴孔轴线，且与打 结嘴轴孔线的夹角为 24 的话会造成夹绳盘片安装产生干涉打结嘴轴孔和夹盘轴孔轴分别于动力轴孔轴在 XOZ 平面上的夹角分别为 80 36 和 81 12 ， 之所以这样是为了解决夹绳盘豁口与捆绳之间位置的问题，使得捆绳已送上来 就处 于夹绳盘豁口里，确保夹绳成功，同时也解决了送绳针与打结器支架之间 的干涉问题。 通过前面 3 2 1 打结器各锥齿轮的设计得知打结嘴轴孔轴和夹绳盘蜗杆轴 与打结器动力轴孔轴之间的夹角均为为 90 ，且三轴孔轴线相交于一点，国外 D 型打结器打结嘴轴与夹绳盘蜗杆驱动轴之间的夹角为 23 82 ，夹绳盘轴与夹 绳盘蜗杆轴之间的夹角为 78 18 ，所以夹绳盘面与打结嘴轴之间的夹角为 12 ，如图 6 a 所示。对国外 D 型打结器结构的改进，由于驱动齿盘锥齿轮均为 直齿锥齿轮，所以央绳蜗杆轴要通过动力轴孔轴，为了使夹绳盘面与打结嘴 轴 孔之间有足够的空间所以改进型打结器机架上的打结嘴轴与夹绳蜗杆轴之间的 夹角应当适当增大，初步定打结器轴与夹绳蜗杆轴的夹角为 30 ，如图 6b 所示，夹绳盘面与打结嘴之间的夹角不宜过大，过大的夹角会致使夹绳盘在夹 绳时，靠近打结嘴的夹绳盘面的豁口不能央到捆绳，参考国外 D 型打结器的夹 绳盘面与打结嘴轴之间的夹角，那么改进后的打结器支架夹绳盘轴与蜗杆轴之 间的央角为： =90 -(30 一 ) 式中： =12 所以 =72 ，按照此参数建立打结器三维模型进行装配发现，夹绳盘附 件 与机架、夹绳盘、存在严重干涉且不可消除，所以以上按照国外 D 型打结器的 设计参数不能设计出结构合理的打结器机架，参数调整，夹绳盘面与打结嘴轴 之间的夹角不宜过大，首先调整参数 =14 ，那么 =74 ，所设计的蜗杆导程 角为 15 64 ，所以修正秒 =74 36 ，以此参数建模，装配后装配体存在干涉，通 过改进夹绳盘片结构可以顺利消除打结器装配体的干涉，改进前后夹绳片的结 构如下图 10和 11所示， 方形打捆机打结器的设计 - 22 - a 国外 D 型打结器在 XOY 平面的角度关系 b改进的打结器在 XOY 平面的角度关系 1 夹绳蜗杆轴 线； 2 打结嘴轴线； 3 夹绳盘轴线； 4 夹绳盘： 5 动力轴孔 图 12打结器支架轴孔角度图 图 13国外 D 型打结器夹绳片 图 14改进后的夹绳片 夹绳蜗杆轴孔轴线、打结嘴轴线、夹绳盘轴线、割绳刀臂轴孔轴线与动力 轴孔轴线在 YOZ 平面投影的夹角均为 90 ，据此建立的打结器支架的三维模型 如图 4 9 所示，以动力轴孔轴为 Z 轴，夹绳盘蜗杆轴孔轴为 Y 轴， z 轴 Y 轴交 点为 0 点， X 轴为通过 O 点且垂直于 YOZ 平面，支架各个轴孔参 数见表 4-6 所 示，表 5 和表 6 的参数对比发现改进的打结器结构参数相对国外 D 型打结器支 架参数，结构更为合理，易于制造。 方形打捆机打结器的设计 - 23 - 图 15改进的打结器支架三维图 表 6 改进后的打结器支架轴孔夹角 投影面 轴交角 l 轴 1 和轴 2 轴 1 和轴 3 轴 1 和轴 4 轴 1 和轴 5 XOZ 90.00 90.00 90.00 90.00 YOZ 90.00 90.00 90.00 90.00 XIOY 30.00 60.00 15.64 90.00 4 2 3 复 合 齿 盘 的 优 化 设 计 由于支架结构改进了，所以复合驱动齿盘的两段锥齿轮之间的相位也有 所变化，如图 16a 所示复合齿盘外侧锥齿轮第一个齿和内测锥齿轮第一个 齿之间的相位差为 55 . 在此认为当齿盘上锥齿轮第一个轮齿与打结嘴或 蜗杆轴重合则认为传动开始，如图 16b 所示，夹绳盘驱动锥齿轮首先啮合， 开始夹绳动作，此时打结嘴驱动大锥齿轮第一个齿与打结嘴转轴之间的夹角 为 38 24 =14 ，所以在复合驱动齿盘设计时，两段锥齿轮之间的夹角要遵 循国外复合齿盘的相位关系，如图 17 所示，齿盘上两段锥 齿轮夹角： =30 +14 =44 根据上面的齿盘相位关系，建立改进的复合齿盘三维模型，如图18所示。 方形打捆机打结器的设计 - 24 - a 重合前位置 b重合后位置 1 打结嘴人锥齿轮第一个齿， 2 夹绳盘人锥齿轮第一个齿， 3 打结嘴轴， 4 蜗杆轴 图 16齿盘打结器轴位置角度关系 a 重合前位置 b 重合后位置 1 打结嘴人锥齿轮第一个齿， 2 夹绳盘大锥齿轮第一个齿， 3 打结嘴轴， 4 蜗杆轴 图 17 齿盘打结器轴位置角度关系 方形打捆机打结器的设计 - 25 - 图 18复合齿盘三维图 3 2 3 打结嘴的设计 国外 D 型打结器由于两对锥齿轮之间的轴交角大于 90 ，所以打结嘴有个翘 的姿态如图 16所示，这样打结嘴在搭绳方面比较可靠且送绳针可以避免与机架 产生干涉。结构改进的打结器为了满足搭绳的需要将打结嘴结构作了一些改变， 使得打结嘴更长些，这 样捆绳可以比较可靠的搭在打结嘴上，如图 17所示。 图 19国外 D 型打结器装配图 图 20 改进的打结嘴结构 3 2 4 仿 人 双 指 打 结 器 装 配 体 模 型 通过上面计算设计，改进了打结器相关部件，使其更加有利于实现制造降 低生产成本，通过 Sol i dWorks软件的虚拟配技术建立打结器装配体模型如图 方形打捆机打结器的设计 - 26 - 图 21 改进的打结器的装配体模型 3.3本 章 小 结 在充分分析国外 D 型打结器结构特点的基础上，提出打结器结构改进方案， 优化 其结构参数。通过设计计算将打结器的锥齿轮设计为直齿锥齿轮，将打结 器支架的空间异面结构改进成可用一系列平行平面包括进去的平面结构，简化 了打结器支架的结构，降低了打结器支架的制造难度。 方形打捆机打结器的设计 - 27 - 4. 结论 牧草 捡拾压捆机的设计、生产和使用必须保证其作业安全可靠，各机构动 作时序不可紊乱并且有着可靠的工作性能，打结成功率高的指标。 牧草 捡拾压 捆机在国外经过多年的发展形成了各种类型的产品，有小方捆、大方困以及圆 捆，各大农机公司的产品也各成体系，各类机型自动化程度也越来越高，可靠 性、打结成功率也 不断提高其中打结成功率达到 99。国外关于捡拾打捆机的 研究已趋于成熟，尤其是打结器部件经过几十年的发展，相关设计制造技术已 相当成熟。国内由于设计制造基础相对薄弱，打结器的国产化制造一直是我国 捡拾压捆机生产中没有解决的问题。 对 D 型打结器及其辅 助机构的不规则平面零件进行图像反求设计和空间零件的三维建模，在 CAD 下建立 D 型打结器及其辅助机构的 3D装配模 型 确定了各构件的耦合动作时序，揭示了 D 型打结器的成结原理。样机动作试验 表明反求的 D 型打结器及其辅助机构模型准确，运动仿真正确再现了捆扎打结 要求的预定 动作过程，为 D 型打结器及其辅助机构的优化设计和国产化制造提 供依据和参考。 (2) 通过分析国外 D 型打结器打结原理和结构特点，优化打结器及其辅 助机构的动作时序，提出了仿人双指打结器。按照打结器的角度模型，利用 CAD 软件建立了仿人双指打结器的三维装配体模型，对打结器支架和复 合驱动齿盘等主要零件进行了结构参数优化，使进口打结器支架的复杂空间异 面结构为平面结构，解决了国外打结器支架上 5 个轴孔成异面空间角而造成加 工制造困难的问题，改进的打结器制造精度易于保证，有利于打结器的国产化 生产。 方形打捆机打结器的设计 - 28 - 参考文献 1 李大鹏，刘向阳，饲草产业化与饲草打捆机的开发。饲料广角， 2002,15 ： 10-12 2 徐秀英，张维强，对我国牧草生产机械化现状及发展机遇的思考。中国农机化，2004,3:14-16 3 杨诗军，姚文席，凯斯 8545与 Welger AP-530 牧草方捆机打结器结构及效能比较。2006,01 4 唐辉宇，饲草加工机械现状简析，农机市场， 2004,6， 13-14 5 苏刚，史建新，葛炬基于逆向工程的方捆机打结器空间角度测量农业 机械学报， 2008， 39(6) ： 81 83 6 王国权，余群，卜云龙，等秸秆捡拾打捆机设计及捡拾器的动力学仿真 农业机械学报， 2001， 32(5) ： 59 61， 68 7 王德福，张全国青贮稻杆圆捆打捆机的改进研究农业工程学报， 2007， 23(11)： 168 171 8Nagchaudhuri ， A “ Mechatronic redesign of slider crank mechanism proceedings of IMECE2002 ASME Intemational mechanical engineeringcongress&Exposition ， November 17 22 2002， New Orleans,Louisiana 9 王钦牧草的干燥和贮备技术中国草地， 1995， 1 ： 55 58 10季之华入世后中国饲料工业发展趋势中国饲料 2002， 15： 3-6 11陈功牧草捆裹青贮技术及其在我国的应用前景中国草地 2001， 1 ： 72 74 12Thaysen J High density big bales experiments with a new silage making processKTBL-Arbeitspapier， 1987， 125 ： 45 51 13Lalit R 。 Vetma ， Billy D 。 Helsou Changes in Round Bales During StorageJ美国农业工程师协会会刊 1983， 3 ： 28 14Claude Culpin Farm machineryM 1 lth edition ， BSP Professional Books ， 1996 15杨明韶压捆机设计与发展中的几个 Ih-J题 J 畜牧机械， 1984， 4 ： 3 8 16杨明韶，王春光牧草压缩工程中几个主要问题分析，农业工程学报 1997， 13(9)增刊 ： 134-138 17王国权，余群， 卜云龙等秸秆捡拾打捆机设计及捡拾器的动力学仿真农 业机械学报， 2001， 32(5) ： 59 61 18M O Faborode， J R O Callaghan A Rheological Model for the Compassion of Fibrous Agricultural MarerialsJ Agric Engng Res 1989， 42(1) ：165-178 19Miner M A Cumulative damage in fatigue Joumal of Applied MechanicsM， 1945， 12： 159 164 方形打捆机打结器的设计 - 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