9BJ-1.0裹包圆草捆夹包机的研究

徐 冬，郭英洲，陈爱慧，田 健

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

随着我国经济的发展，人们的生活水平大大地提高了，对于畜产品的需求也水涨船高，畜牧业亦成为我国农业的主体，草饲料的需求也大幅增加，裹包圆草捆得到了广泛的应用。然而，草捆包在搬运过程中很容易破损，而且，人工搬运也很费时费力，因此，为了提高工作效率，降低草捆包外膜的破损率，降低工人劳动强度，研发一种专用的搬运裹包圆草捆的机具势在必行。

1 挂载托架的设计

1.1 设计原理

本机具设计的是一种通过拖拉机挂载的标准挂接机构，再挂载夹包机。挂载机构为两侧对称的型式，分前后两节，后节固定在拖拉机上，可绕固定轴旋转一定角度，前节与后节通过另一组销轴连接，可绕连接轴转动，两节都由液压缸提供动力，形成类似于人的手臂的结构，能比较灵活地带动前端的挂载托架升高降低、推前拉后。这种标准的挂接机构比较常见，我们只需要设计能与挂载机构连接的挂载托架(可通用于我们设计开发的夹包机、切包机)和夹包机。简单的外型分析后，要对挂载托架和夹包机进行详细的结构及用材设计，两个机具本着在能实现预定功能的情况下，遵循尽量轻巧耐用的原则。

1.2 挂载托架的设计思路

如图1，此托架可适用于我们开发设计的夹包机和切包机，图中S形曲臂和下连接点，用于连接标准挂接机构的前节，用于调整托架的倾斜角。上挂轴与夹包机的上挂钩连接，快插销轴组与夹包机下挂钩连接，夹包机的上挂钩是开口钩型结构，可以从上方挂入托架的上挂轴。夹包机的下挂钩是不开口耳型结构，当整机与托架贴紧后，松开快插销轴组，正好销轴能插入下挂钩的圆孔，这样就固定住了挂载的夹包机。要卸下夹包机只需拉动快插销轴组，使销轴错开下挂钩，控制托架倾斜角，使托架下部远离夹包机，再调节标准挂接机构使托架整体向下移动，使上挂轴脱离夹包机上挂钩，这样就卸下了夹包机，可以去挂载有相同挂钩的其它机具，比如同系列的切包机。本挂载托架尽量减少了使用厚重的方管，代之以圆钢，在保证整机结构强度的同时，整机更为轻巧；快插销轴也使得本机具挂载和拆卸其它配套机具更方便快捷。

1.S形曲臂；2.上挂轴；3.主横梁；4.侧板；5.快插销轴组；6.下横轴；7.下连接点

2 夹包机的设计

2.1 设计原理

在草捆包运输过程中，为了保证外包装膜的完好，最好用一块托板托着草捆包的底端来移动，不过由于裹包圆草捆存放是多层堆放在一起，托板很难插入草捆包底端，所以，这个方案行不通。那么只能用相对更复杂的机构，像人手一样，既能抓住草捆包，又能控制力度，不至于力量太大抓破草捆包的外覆膜。大致结构就是一个液压缸带动两个可绕固定轴转动的对称夹包臂，夹包臂随着液压缸的伸缩绕固定轴转动，两臂前端形成闭合、放开状态，这样也就能夹取、放开草捆包。

2.2 设计思路

为先确定关键部件(夹包手)尺寸外形，再确定机架等结构。结合经验夹包手的材料应选用钢管而不是钢板来制作，夹包手设计成一定弯折角度，以增大与草捆包的接触面积，减小压强，降低夹破草捆包外覆膜的几率，而且圆管制作的夹包手在夹住草捆包，使其产生形变，也能增加摩檫力，避免夹不住草捆包，在移动的过程中掉落。经过试验，圆管陷入草捆包50～100 mm之间，就可以夹紧草捆包，再深就容易夹破草捆包外覆膜了，所以，工作中操作人员要控制好夹包手闭合尺寸，夹住了就不要再加力了，以免破坏草捆包。

利用左右两个夹包手和机架前部的固定架一同夹紧草捆包圆柱面，考虑到本机具要适用于多种直径的草捆包，因此夹包手与固定架包裹形成的近似于圆的直径应该在0.75～1.15 m之间，这样在夹紧草捆包使其产生一定形变后，可以稳定夹取直径在0.8～1.2 m的草捆包，而这也决定了夹包手中部的弯折角度，如图2所示。

图2 夹包臂定形图

2.3 整机结构

通过夹包臂的弯折角度、长度以及两臂之间距离就能确定液压缸的尺寸和冲程，继而也可将整体机架的尺寸确定下来。如图3，机架以四段方管做为主体框架，背部焊接上、下挂钩，前部焊接人字形支架，用以固定U型横梁，横梁两端通过定轴与夹包臂连接，这样夹包臂就能绕定轴转动，夹包臂前端焊接夹包手，后端以销轴同液压缸连接。前面已经确定了液压缸的冲程及外形尺寸，还要通过整机的结构来确定液压缸的动力输出，在保证能夹住最重的草捆包的前提下，夹紧的力量不能太大，避免损坏草捆包外覆膜。

1.机架；2.下挂钩；3.上挂钩；4.液压缸；5.夹包臂；6.夹包手；7.固定架；8.定轴

2.4 液压缸设计

经测试，在500 kgf压力作用下，可将φ60圆管压入玉米秸秆青贮圆草捆包80 mm，能够夹住草捆包并在颠簸路面移动而不掉落，为了适应不同的草捆包，如果将压力放大到700 kgf，根据图3结构尺寸，就可计算出液压缸需输出动力最大值

Fmax=550×700÷220≈1750 kgf

再代入缸筒内壁直径D=60 mm，则算出液压缸额定压强

P=(1750×9.8)÷(3.14×0.032)≈6.07 MPa

因此选择额定压强P≥6.07 MPa的液压缸即可满足本机具的需求。

3 应力集中部位的受力分析

由于整个夹包臂只有一个定轴与机架连接，夹包臂与夹起来的草捆包的重量，都靠夹包臂与定轴连接处上下两块钢板承担，为了保证结构的强度，利用simulation软件对夹包臂进行了以下简化的受力分析过程：(1)只做单面夹包臂的受力分析，夹臂部分为普通碳钢；(2)去掉了夹包手部分，把整个夹包臂及草捆包重量都算在单臂上，因为在机具夹包移动过程中，路面不平可能会造成单臂受力增大；(3)假定与定轴连接处的两块钢板开的圆孔内壁为固定面，因为穿上销轴后，此处为固定旋转轴；(4)假定所有重力都作用于夹包臂的前半部分，而且，设定夹起的是本机具能夹取的最大直径的草捆包。通过以上设定，得出的作用力F

F=(M臂+M包)×g
F=(74+850)×9.8
F=9055.2 N

取F=10 000 N做受力分析，如图4。

图4 夹包臂受力分析图

在远大于理论重力的作用下，夹包臂定轴连接部分变形不大，前部变形也没有超出材料极限，如果前部再连上夹包手的四根圆管，那么强度还会明显提升。

在本次受力分析中，重点关注圆孔部分，由于增加了两个加强备板和一个横向加强筋，使得整体强度大幅度提高，应力在承受范围内，形变也很小，考虑可以减小各处采用的材料厚度，以降低整机重量，为了保证圆孔内壁强度，还可以用强度更好的材料做轴套，焊接在圆孔内，加入润滑油，以增加耐磨性。考虑到与其相连的U形横梁头部也是主要受力部位，因此，通过加厚U形横梁头部所用钢板，采用整体包围结构，其中部焊接着一个长轴套，轴套与销轴配合不能过松，以免因夹包臂上下摆动太大而变形，损毁机具。本机具液压缸除了两端分别与夹包臂通过销轴连接外，并无任何部位与机架相连，只靠夹取草捆包时，利用草捆包与夹包臂两端受力平衡来调整液压缸所处位置，因此，在没有夹草捆包而两个夹包臂没有对称的情况下，应尽量避免闭合两夹包臂导致液压缸与机架的磕碰。

4 结论

以上设计的是一种通用的挂载托架和与其挂接的一种夹包机，可以降低青贮裹包圆草捆人工运输中破损率高、费时费力的缺陷，通过对机具关键部位的受力分析，优化了设计。