1、饲草打包机设计及其三维造型设计说明书学生姓名 学 号 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 12-1 XX 大学教务处制目录1 绪论 .11.1 本课题来源及其研究的目的和意义 .11.2 本课题所涉及的问题在国内外研究现状及其分析 .11.2.1 国外研究现状 .11.2.2 国内研究现状 .11.3 圆捆机的特点及在饲草收获中的作用 .21.4 圆捆的分类 .21.5 本课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析 .22 饲草打包机工作原理 .23 捡拾器 .33.1 设计要求 .33.2 工作原理 .33.3 新型捡拾器介绍 .53.4 捡拾器仿真结果及
2、分析 .54 螺旋输送器 .64.1 设计要求 .64.2 工作原理 .75 滚筒式切碎喂入装置 .95.1 设计要求 .95.2 工作原理 .105.3 仿真及分析 .116 打包室 .137 总体效果图 .14致 谢 .17参考文献 .18塔里木大学毕业设计1 绪论1.1 本课题来源及其研究的目的和意义目前，我国牧草种植面积约为 1 600 万公顷，其中苜蓿种植面积近 360 万公顷，苜蓿产量约为 2540 万吨，但商品草仅为 15 万吨；我国的畜牧业，特别是草食畜牧业已发展到相当大的规模，对苜蓿的需求量快速增加，苜蓿进口量迅速提高。2010 年我国进口牧草产品 23.06 万吨，比上年增
3、加了 200.46%1。制约我国牧草业发展的一个主要因素是牧草收割、贮存等手段的落后，因为牧草收获具有很强的季节性，即到了收获季节必须在尽可能短的时间内收割，这样才能保证牧草养分不致太多损失；另一方面，手工收割一般要比机械收获损失更多。目前种植牧草的地区大多为经济落后地区，牧草的产后收储大多采用传统的手工方式，导致牧草收割不及时、霉变、发黄的现象经常发生，失去了其应有的营养价值。研究开发牧草打捆机是实现农业生物质产业化的前提之一。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
4、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 ；7.512/th:(3) 草捆便于饲喂，散食时很容易铺开，架饲时又可围栏而食，损失较少；(4) 长期露天存放放，不怕风吹雨淋，收获季节便于安排生产环节；(5) 对捆绳要求低，用量较少，与方捆捡拾器打捆机比较可节省 以上。45%所以本课题选用圆捆打包机为原型进行设计。1.2 本课题所涉及的问题在国内外研究现状及其分析1.2.1 国外研究现状圆捆打包机于 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
5、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。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
6、。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。19801982 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
7、 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
8、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。塔里木大学毕业设计1.2.2 国内研究现状我国牧草打包机
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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。2 饲草打包机工作原理由于本课题以德国克劳恩公司的 Comprima F 125 圆捆打包机为原型进行建模仿真，其简单构造和工作原理如下该机属于皮带外卷绕式打包机。主要由捡拾器、螺旋输送器、滚筒式切碎喂入装置和打包室组成。打包机的第一个任务是要将草从地上拾起，需要设计捡拾器，一般来说为了提高工作效率，捡拾器的捡拾宽度（2.15m）将大于草捆的宽度（1.2m），这就需要设计螺旋输送器，其工作原理是利用螺旋机构将捡拾器两侧饲草往中间输送。塔里木大学毕业设计经研究表明饲草的长度对草捆的密度影响很大，圆
15、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。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。
16、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。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
17、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 1xWT此处 物料在罩壳表面上移动的摩擦阻力；1yTW物料对罩壳表面摩擦系数。1由图显而易见（3.1）tan()xy式中 物料沿扒杆移动的摩擦角；塔里木大学毕业设计物料沿罩壳表面移动的摩擦角。1代入公式（2.1）后可得 1tan()tanyyW图 3-1 直扒杆捡拾器的外形1直扒杆 2罩壳 3窄缝N正压力 W由摩擦角 引起方向偏斜后的压力xyW若 ，则 1由于 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
18、意不让物料扒杆带进去。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时，其端部以较高的圆周速度 打击物料。此速度的水平分量为 为物料沿机器运动方向0x移动的速度，而此速度的垂直分量 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y一致方向上的初步挤压。由上述可知，设计旋转式捡拾器的每一个努力，都是为了使扒杆在于物料接触时，对物料的打击应该尽量小。并且当扒杆从捡拾器罩壳上面的物料中脱离时，所产生的压力应尽可能的低。换言之，当扒杆从捡拾器罩时，其水平分速度为零。考虑到捡拾器相邻两排扒杆的位置，可以应用像拔禾轮中那样的运动因数，即 pomRV上式中的 为
19、扒杆端运动圆弧的最大半径， 为角速度， 为打包机前进速度。 值总是pRm大于 1 的。否者，扒杆将使物料向前移动；在这种情况下，只有一部分物料被捡拾，而其余的物料被遗留下来积聚在田间。用紧接的下一排扒杆捡拾这些积聚的物料是很困难的。因此实际上采用的 ， 公里/小时。扒杆一般为 排。.25:48m:45:塔里木大学毕业设计能否连续地捡拾物料，取决于相邻扒杆端所化轨迹间的距离 。如果相邻两扒杆间的夹角为S，那么，捡拾器扒杆转过此角度的时间为2tz（3.2）式中 扒杆末端的角速度；扒杆排的数目。z 30pn式中 扒杆的转速。pn将上式代入（2.2）式后2306ptznz（3.3a）式中 捡拾器转筒转
20、速。nmSt（3.3b） 将式（2.3a）的 值代入上式t602bzn（3.3c）此式指出， 值随 的增大、随 和 的减小而增大。Sm最佳的 值由被捡拾的物料种类和它的含水量而定。例如，在收获短茎秆和干牧草时，其值要比捡拾长茎秆和较湿的作物要小些。S在进行了一系列试验的基础上，一般推荐米0.35S有公式（2.3a） 、 （2.3b）和（2.3c）可得取 0.35m， m=0.35/s126m/ht0.35/90/min4pnnszS3.3 新型捡拾器介绍下面介绍克劳恩公司研发生产的新型捡拾器。如图 3-2 为克劳恩公司配置在 Comprima 型圆形打包机上的捡拾器示意图， 。他主要由捡拾器轴
21、，固定盘，弹齿梁，弹齿，捡拾器护板等组成。从图中可以看出，新型捡拾器取消了传统捡拾器用来控制弹齿运动轨迹的定向滚轮机构。在捡拾器运转过程中，弹齿的齿端始终与捡拾器轴轴线为圆心作圆周运动。捡拾器的主要功能是将地面铺放的草条捡拾提升，并推送至压捆机的输送喂入机构。为此传统的捡拾器在工作流程中应完成捡拾，提升和卸草 3 个工序。在捡拾器的提升阶段，对弹齿的齿端的运动轨迹基本上没有特殊要求，只要沿着规定的半径作圆周匀速运动，即可将物料捡拾提升到护板上方。在斜草阶段，弹齿在沿着护板上方推送物料过程中，其齿端与护板的相对速度明显降低，运行方向应几乎垂直向下，以便将物料卸放在护板末端。在新型捡拾器中，为了完
22、成斜草功能，将捡拾器上方护板设计成微微向上翘起的曲面形状，并在护板的上方，设置了除草板，而且，弹齿沿滚轮周向相对于滚筒径向向后倾斜一定的角度。因此，在卸草阶段，当弹齿运行到护板上方时，弹齿与护板的夹角将接近 180，并从护板间隙指那个缩到护板内侧，物料不会被弹齿拖带而堵塞在护板缝隙。新型捡拾器取消了传统捡拾器中结构复杂的定向滚轮机构，从而减少了捡拾器运动件的数量和部件的故障率，降低了维修和服务的费用，显著提高了捡拾器的性能。塔里木大学毕业设计3.4 捡拾器仿真结果及分析打包机前进的速度 为 350mm/s，捡拾器的转速为 900r/min，方向为顺时针方向，取弹齿顶mv点为参考点，运用 Sol
23、idworks 进行仿真分析，得到的轨迹为余摆线，如图 3-3。弹齿顶端在捡拾器轴径向的速度曲线如图 3-4。以打包机前进的方向为正方向当弹齿顶端运动方向与打包机前进速度相同时，速度大小为 21521mm/s 即图表的下边线，当弹齿顶端运动方向与打包机前进速度相反时，速度大小为 20821mm/s 即图表的上边线，当弹齿顶端运动方向与打包机前进速度垂直时，速度大小为 350mm/s 即打包机前进的速度。图 3-2 新型捡拾器结构示意图1.捡拾器轴 2.轴承 3.输送器链轮 4.固定盘 5.弹齿6.弹齿梁 7.导向器 8.弹齿护板 9.支撑架图 3-3 弹齿顶端运动轨迹图4 螺旋输送器4.1 设
24、计要求由于捡拾器的捡拾宽度为 2.15m，而草捆宽度只有 1.2m，需要设计输送器装置将两边的草料往中间运送。农作物输送器有斜面，带式输送器，链板式输送器，回转式输送器，割台螺旋输送5423689 71 2Vm塔里木大学毕业设计器，斗士升运器和击轮式抛送器等。在各机器上，作为常用工作部件的螺旋输送器，具有以下优点：（1）尺寸比较小；（2）它不仅可以用于物料的水平输送，而且也能够在垂直方向以任意给定的角度输送物料；（3）当制造精确，装配仔细时，它的工作是可靠的；（4）制造成本低；（5）操作简便；（6）便于驱动。0.0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16
25、 0.18 0.20动动 (se-21521-10936-3501023620821动动动动- X (mm/图 3-4 弹齿顶端运动轨迹图螺旋输送器有整体叶片盘旋式、条带叶片盘旋式、以及装有按螺旋线排列的叶片等三种。在饲草收获机上，一般使用整体盘旋式螺旋输送器。图 4-1 制造螺旋叶片开有切口的金属板螺旋面（或螺旋叶片）是由一个具有适当内径和外径的金属圆环制成，如图 4-1。每个圆环的外部边缘沿螺旋线弯曲后的长度，应该等于螺旋叶片边缘螺距的长度；此外，圆环内缘弯曲后的长度，应该等于螺旋叶片内缘螺距的长度。叶片的内缘焊接在一个圆筒上（或螺旋输送器的管轴上） ，管轴的两端装有轴承。圆环的侧缘和相邻
26、叶片圆环的相应侧缘焊接在一起，这样就形成了一个任意长度得连续的螺旋面。4.2 工作原理用螺旋输送茎杆的过程中与前述的输送松散物料的过程不同，这种螺旋输送器的设计也是根本不同的。它的底槽取代了螺旋输送器的管状外壳，茎杆类物料通过螺旋叶片外边缘与底槽间形成 的入口间隙，沿着整个螺旋的长度方向输送。其螺旋叶片的直径 毫米，盘旋在4065D:直径为 毫米的管轴上。拾起下的物料由于螺旋输送器的推移被送进螺旋与底槽形成的15032:间隙中，并受到螺旋叶片边缘的推压，按其旋转方向向侧面输送。在有些机器里，茎杆通过捡拾器和连接板输送器在送入螺旋输送器里。虽然使用螺旋输送器输送茎秆已有许多年了，但是对于他们的工
27、作过程，至今还没有完善的塔里木大学毕业设计阐明，这是由于在单位时间内物料喂入的不均匀，以及植株的茎秆或者叶片被螺旋抓取时的起始位置有着显著的差异，因而，其输送过程非常复杂。如图 4-2 所示，我们假定输送厚度 ，并假设螺旋叶片边缘在 A 点处抓取物料并对物料生产0h挤压，使之转向侧面。当这些转向侧面的物料被拉进螺旋与底槽之间的间隙时被挤压的越紧，最大挤压发生在物料厚度为 的 B 点。此后由于间隙显著变大，假设 C 点处门螺旋对物料压力低到不能移动在垂直投影面上，物料移动的路程可以表示为 ACR理论上说，物料层的最大挤压发生在 B 点，压力 N 由于摩擦角的偏移，产生的摩擦分为。底槽的反作用 也
28、由于底槽与输送物料间的摩擦角 被偏转，产生分力sinTNR 1。并且在被挤压的茎秆之间也产生摩擦阻力 。这些阻力与 力的方向相同。11R T1T图 4-2 螺旋输送器的工作情况1螺旋输送器轴 2螺旋叶片 3底槽若 ，同时 ，那么物料移动时，会同时出现物料层的错动。若 ，1wTwT 10T或者当物料与螺旋叶片边缘之间没有打滑发生时，物料沿直线 AC 移过底槽，再次情况下，物料没有平行于螺旋轴方向的移动，螺旋输送器的生产率为零。因此，虽然实际上 1T在轨迹 AC 上，螺旋叶片边缘相对于物料层或多或少地存在着滑动。当发生滑移时，物料将沿螺旋面向侧面移动。用简化的推理方法，可由连续的区段 Aa,ab,bc,cd,de 和 来表示物料瞬时的移动路程。与ecAC 方向一致的那些区段，表示没有滑移时的移动轨迹，而与螺旋叶片倾斜方向一致的那些区段，
