秸秆捡拾打捆机设计及捡拾器的动力学仿真

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1、农 业 机 械 学 报 第3 2 卷第5 期 秸秆捡拾打捆机设计及捡拾器的动力学仿真 王 国柯 余 群 云 龙 干德年 王彩梅【摘要1 为解 豳农作物收 获后秸秆的收集处理 问题，设计 了一种秸秆 捡拾压捆机，介 绍丁域 机械的 总体 结构 及工作过程。对滑道 壤筒 式拉拾器的工作原理和设 汁要求进行 详细分析 通过 对捡拾器 设计 方案的计算 机仿 真，对滑道 曲线进行拟台优化，实现了捡拾器的优化设计 叙词：压捆机捡抬器模拟仿真优化 中图分类号：$8 1 7 1 1 5 文献标识码：A De s i g n o f Pi c k up Ba l e r a nd Dy n a mi c S

2、i m u l a t i o n o f Pi c ku p Ro l l e r W a n g Gu o q u a n Yu Qu n B u Yu n l o n g Yu De n i a n (C h i n a Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y)(Be i j i n g Ag r i c u l t u r a l A l o c h i n e r y Re s e a r c h I n s t i t u t e)W a ng Ca i me i (B e i j i n g Ba i r n t e c a t e r

3、 i a t Co Lt d)Ab s t r a c t To c o l l e c t s t r a ws e f f i c i e n t l y p o s t wh e a t a n d r i c e h a r v e s t i n g，a p i c k u p b a l e r wa s d e s i g n e d a n d i t s s t r u c t u r e a n d o p e r a t i n g pr o c e s s we r e d e s c r i b e d Th e pr i n c i p l e a n d de s

4、 i g n r e q ui r e me nt of a s l i d i n g p i c k u p r o l l e r we r e a n a l y z e d Th e s l i d i n g c u r v e o f t h e s l i d i n g p i c k u p r o l l e r，a s t h e o b j e c t i v e p a r a me t e r，wa s o p t i mi z e d a n d f i n a l l y d e s i g n e d b y c o mp u t e r s i mu l

5、a t i o n me t h o d Th e t e s t s o f t h i s ma c h i n e s h o we d t h a t i t s a t i s f i e d wi t h t h e r e s u l t o f s t r a w c o l l e c t i n g Ke y wo r ds Ba l e r，Pi c ku p r o l l e r，Ana l o g s i mul a t i on，Op t i mi z a t i o n 引言 目前，农牧专家认为秸秆过腹还 田是秸 秆利用 的首选方案 即通过草食性动物消化秸秆，增

6、加肉食 品产量，其粪便还田肥地，从而形成对土地的良性可 持续性利用。秸秆产生于三复和三秋大忙季节 农时 要求当天收获当天净地，以不影响下茬种植，这就要 求大量的秸秆必须尽 陕从地里收集 干净。因此，机械 化大规模捡拾秸秆成为迫切需要 国外 自7 o年代中 期开始商业化生产牧草收获用大型圆捆捡拾器。我国 8 0 年代后期开始生产牧草收获机械，但没有适 合于秸秆捡拾打捆的机型。北京市农业机械研究所 收稿 日期：2 0 0 0 l 2 l 3 *北 京市科委台l司项 日(项 目编号：g 7 3 5 0 5 0 0 0)阳枉 中国农业 学 车辆变通工 程学院 高缎 工程师博士 生 余群中到农 q k

7、大学车辆交通1 崔学院救授博 士生导师 j、蔷龙J E 京 市农业机械研究所 程帅，l 0 0 0 9 6 北 京市 r德年北荥 市农业机械研究所高级工程 巾 彩梅=L 京百幕航柯高n谊股f j 公司 士 1 C I(：9 5 北京市 1 9 9 7年承担 了“秸秆捡拾打捆机和立式搅拌机 引进 国产化项 目”，在分析 了芬兰 J UNK KAR Y 公 司的 圆捆打捆机后，对其进行 了国产化设计。1 总体结构及工作过程 1 1 总体结构 该机 由牵 引架、主机架、捡拾器、喂入轮、行走 轮、成型链、布绳机构、传动系统等构成。主机架由 前、后两部分组成。传动箱、牵引架、喂入轮、行走轮、捡拾器及成型

8、链主动轮都安装在前机架上，成型链 从动轮安装在后机架上 后机架与前机架通过一个 饺链轴连接。后机架也是成型室的后门，它在左右两 维普资讯 http:/ 农业机械学报 个液压缸的作用下，可绕前机架转动，在草捆打成型 后排卸草捆 主要结构如图 1。2 3 4 5 6 7 (a 1 c b】图 l 总体结构 图(a)内部构造 图(b)外观图 1 传动轴2 牵引架3 成蛩链 主动轮4 仿形轮 5 投抬器6 喂入轮7 行走轮8 成型链从动轮 9 成型室内壁1 O 成型室1 1 成型链1 2 铰链轴 l 3 液 压缸1 后机架l 前机架 1 2 工作过程(1)捡拾喂入 打捆机在拖拉机的牵引下，沿着草条(联

9、台收割 机在 田间作业时，机后排出的秸秆 自然堆撒形成的 草条)前进，捡拾器的弹齿把秸秆从地面上拾起，经 喂入轮 送入 成型 室(2)卷绕成捆 由喂入轮送入成型室的秸秆，沿着转动的成型 链辊上升，当上升到一定的高度后，靠 自重回落，形 成草芯，并依附转动链辊以一定的速度回转。随着秸 秆的增 加，回转草 芯逐 渐增 大，待秸 秆充满成型室 后，成型辊逐渐对草捆 加压，从而形成芯部疏松、外 部紧密的 圆捆。作业过程如图 2所示 图 2 捡拾成捆作业过程示意(3)布绳捆草及草捆排卸 当草捆紧度达到设定值时，布绳指示器的指针 开始跳动 这时，操纵布绳器按钮，使布绳管左右摆 动，待捆绳随着继续喂入的秸秆

10、卷入草捆后，由拖拉 机提升打捆机，使离地 间隙增大，捡拾器停止捡拾秸 秆。等捆绳沿草捆长度方向绕满后，操纵割刀按钮，割断捆绳。由液压缸打开成型室的后门，草捆靠自重 离开成型室。2 捡拾器工作原理及动力学 仿真 2 1 工作原理 捡拾器是本机非常重要的一个组件。对其要求 是能将地里的秸秆捡拾干净，同时捡拾过程 中对物 料的冲击破坏程度要小 苏联对捡拾器作了较多的 研究，规定弹齿滚筒式捡拾器 的弹齿末端最大轨迹 半径为 3 7 0 1 T l n l 时，捡拾器应能捡拾 4 k g m 和幅宽 B 一O 8 B 的草条(|B 为捡拾器幅宽)。通用的捡抬器有 4种型式口 ，本机采用滑道滚 筒弹齿捡拾

11、器。工作原理如图 3 所示，捡拾弹齿 3固 连在 4根管轴 5上，管轴 由管轴销铰链在驱动盘 7 上，4 根管轴可相对于驱动盘转动。管轴通过曲柄 4 与滚轮相连。驱动盘 7旋转时，管轴上弹齿在跟随管 轴销作圆周运动的同时，受滚轮曲柄的作用而摆动。2 2 设计要求 设计中，捡抬器的参数接以下原则选择。图 3 捡抬器工作原理图 1捡拾器外滑道2 滑动滚轮3弹齿4 曲柄 5 管轴6 喂入轮7 驱动盘8 捡拾器l外壳 捡拾器幅宽：应大于草条宽度 本机主要捡拾谷 物秸秆，从联合收割机排出的秸秆其幅宽一般为 8 O O 1 0 0 0 n l I n 故本设计取捡抬器帽宽1 1 4 0 n l i n 弹

12、齿间距：弹齿的疏密要保证将秸秆捡拾 干净，通常间距 为 6 3 1 D O 1T l n l。因此，在长1 1 4 0 1T l n l 的管 轴上，安装 1 7个弹齿，4根管轴共安装 6 8个弹齿。捡拾 器转速：从捡抬器弹齿 的运动学可得捡抬 器转速与机器前进速度的关系为=n+0 2 5 t +r c o s 7 式中 滚筒转速，r rai n 7 3 机器前进 速 度，12 3 s r 一管轴旋转半径，m I-弹齿 长度，m 维普资讯 http:/ 第 j期 王国较 等：秸秆捡抬打捆 机设 计及捡抬器的 动力学仿真 y 管轴与旋 转中心连线与弹齿 间夹角 (。)该打捆机 由拖拉机牵引，动力

13、输出轴驱动打捆 机工作，而动力输 出轴的转速 相对固定 如铁 牛 6 5 4的输出轴转速为 5 4 0 r mi n。固此，设计 中，捡拾 器采用相对固定的滚筒转速，取 n 一1 0 6 r rai n。机器 前进 的速度可根据 田间秸秆量加以调整。滑道的形状要保证弹 齿捡拾过程 中有捡拾、升 举、卸草和空行 4个阶段。在滑道设计中应分别满足 以下条件：捡拾阶段要求弹齿接近于径向，其端部开 始向上捡拾秸秆，且要求运动平稳，以免过度打击和 搅乱秸秆；升举阶段齿端速度相对 向上，要求弹齿运 动平稳 卸草阶段要求弹齿相对半径方 向有较大的 后倾，端部速度向下，使秸秆从弹齿上迅速离开；卸 草后空行段应

14、有较大的速度，以便至捡抬段弹齿能 接近于径向，5 0 4 0 3 0 2 0 a 】0 2 O 】6 己l 2 罩s B 4 0 1 0 E 0 5 2 3 动力学仿真设计 根据 以上原则设定初始参数。按图 3所示机构，建立捡拾器工作机构的机械动力学仿真(AD AMS)的初步模型 首先进行运动学仿真 发现弹齿的运动 基本能满足上述要求，但卸草时弹齿端部加速度不 大，滚轮的运转不平稳。在仿真过程 中可以看到滚轮 运动时没有与滑道始终保持接触。再进行动力学仿 真分析，发现滚轮对滑道的冲击力较大，表 明滑道的 设计不合理。利用仿真软件中B样条 曲线对滑道 曲 线进行优化拟合，使滑道曲线的二阶导数连续

15、。滑道 优化后滚轮在滑道 内的运动情况改善。图 4为捡拾 弹齿一个工作循环(约 0 5 6 6 s)内的仿真曲线。显 见，在 0 3 2 s附近，弹齿的速度和加速度达到峰值，这满足了弹齿在卸草时给秸秆以一定的速度和加速 度的要求，有利于使秸秆进入成型室，提高捡拾打捆 的效率。但弹齿对管轴、滚轮对滑道的的作用力依然 9 0 0 7 0 0 z 5 0 0 0 0 1 0 图 4 捡抬器运动学和动力学仿真曲线 较大，这有待于 以后进一步研究解决。率小，整机的工作性能优于进 口样机。但 J UNKKA 试 验 测 定 ；：言 羞 喜 在完成整机的设计并制造出样机后，进行 了性 淋秸秆不能进行捡抬作业

16、，主要由于潮湿 的秸 秆在 能试验测定。与进 口样机相比较，结果 见表 1。喂入时易缠结，堵塞捡拾器和喂入轮。试验表明，所设 汁捡拾器工作效率高，秸秆损失 表 1 攮抬打捆机主要性能测定结果 4 结束语 通过对捡抬 机构的运动学和动力学仿真分析，大大减少了部件试验及制作的时间和费用 本设计 提供的秸秆捡抬机械，捡拾效率高，可以很好解决农 作物秸 秆的收集处理问题(下转第 6 8 页)帅 柏 如 O；一 度 鼗艇 加加线 坞一 n 一 端端中 h 一 斯齿齿 A 维普资讯 http:/ 农业机械学报 确定阈值，根据特征参数的值及其阈值去除大量杂 质；然后计算后 2个特征参数的值，根据特征参数的

17、值及其阈值去除剩下的少量杂质，撮后只剩下微粒 子，达到识别的 目的。图 7为用 6 个特征参数去杂质 后的图像。3 识别结果及分析 研究中对 4 3幅含有微粒子的图像进行识别。其 中，3 1幅图像 只剩下微粒子，识别完全正确，完全正 确率为 7 2 O 9 ；5幅图像中的杂质及微粒子全被去 掉，出现漏判，一幅图像 中的微粒子被去掉，且剩有 一个杂质，由于识别效果是从微粒子角度来讲的，因 而该幅图像算作漏 判，漏判率为 1 3 9 5 ；6幅 图像 中含有微粒子和一个杂质，虽然有杂质，但微粒子没 有漏掉 识别是有效的 识别有效率为 8 6 o 5 。识 别结果如表 1所示。衰 1 徽粒子图佩识g

18、 结果 去掉的原因是：由于样本 中微粒子处于不停的滚动 状态，所拍摄 的原始图像 中微粒子个体形状差别很 大；滚动时微粒子的各个 部分在水层中的深度可能 会不同，在水层深 处的部分，灰度值小，图像分割时，灰度值小的部分被分 割成了背景，此时微粒子 出现 了棱角，也进一步加大了微粒子间的形状差别，导致 微粒子特征参数的数值差别很大。在用特征参数进 行识别时，为了确保整体识别效果，尽可能多的去除 杂质，那些特征值远远偏离总体分布 的微粒子 只有 当作非杂质去掉。4 3幅微粒子 图像 中有一幅中的微 粒子就是因为出现了严重的棱 角现象，其内角极小 值远小于总体分布，所以当作杂质去掉。而出现误判 即有

19、少量杂质未被去掉的主要原因还是微粒子个体 形状差别很大，为了尽可能少的漏掉微粒子，阈值范 围取得较宽，致使少量杂质无法去除。4 结束语 本研 究对微粒子 的图像 识别技术作 了初步探 索。人工镜检中，要求快速、准确，因而用图像识别技 术进行 自动识别时，也必须遵循这一原则。进一步研 究的问题是如何获取高质量的图像，即对输入设备 进行研究，以减小图像中微粒子的形态差异，提高识 别正确率。分析识 别结果，出现漏判即微粒子被当作杂质 参考文献 1 杨大帧 夏如山 实用蚕病学 成都：四川科学技术出版 社，1 9 9 2 2 张香琴 家蚕微粒子病 的图像识别技术 的研 究：硕士学位论文 镇江：江苏理工大

20、学，g 0 0 0 3 撩建华 图像处理 与分析 北京：科学 出版社。1 9 9 2 4 Ta o Y，Mor r ow C T，He i n e man n P H Fou r i e r b a s e d s e pa r a t i o n t e c hni qu e f or s ha pe gr a di n g o f po t a t o e s us i n g ma c h i n e v i s i o n Tr a n s a c t i o n s o f t h e AS AE，1 9 9 5，3 8(3)1 9 4 9 9 5 7 5 汤顺青 主编 色度学 北京

21、：北京理工 大学 出版杜，1 9 9 0 6 S a h o o P K，S o L t o n i S，Wo n g A K C AS u r v e y o f t h r e s h o t d i n g t e c h n i q u e s Co mp u t e r Vi s i o n Gr a p h i c s I ma g e P r o c e s s i n g，1 9 8 8。4 1(2)：2 3 3 2 6 0 (-k 接第 6 l 剪)参考文献 Cl a u d e Ca l p i n Fa r m m a c h i n e r y l l t h e d

22、i t i o n，BS P P r o f e s s i o n a l Bo o k s，1 9 9 6 Ph i p p s L J Me c h a n i c s i n a g r i c u t u r e Th i r d e d i t i o n Th e I n t e r s t a t e P r i n t e r s a n d Pu b l i s h i n g 1 9 8 3 刘延柱。汪嘉 振，扬 海兴 多刚体系统动力学 北 京：高等教育出版社，1 9 8 9 中国农业机械化科 学研究院 编 农业机械设计手册(下册)北京：机械工业出版杜 1 9 8 8 刘惟信 孟嗣宗 著 机械最 优化 设计 北京：清华 大学出 版社，1 9 8 6 维普资讯 http:/