Design and Experiment of ф-type-knots Knotters on Chinese Small Square Balers

Since the knotters on the Chinese rectangular balers are imported from outside of the country, Chinese knotters with independent intellectual property rights is far away from being closed. In order to harvest a large quantity of straw in a short period on the small-scale lands of China, basic requirements on the knotters are summarized. Mathematical model of the knotter is also determined uniquely. Furthermore, the ^-type-knots knotter equipped on the Chinese square baler to form the ~ type knots is designed. Knotting rate experiments of the qb-type-knots knotter on the test bench and in the wheat/maize straws covered fields are carried out to check the knotting performances of the knotter. The parameters of the formed knots are also tested. The experiments results show that the knotting rate of the qb-type-knots knotter reaches 100.0% on the test bench without straws, while reaches 99.6% in the wheat straws covered field and 100.0% in the maize straws covered field. The average maximum force in the knotting process is 194.7 N in the lab experiment. The length out of the knots formed in lab is 15.9%-20.6% lower than the knots formed in the field experiment. The breaking force of the knots formed in the field is 115.9%-167.2% higher than the knots formed in lab due to the higher preload and interactions with the compacted bales. Highly relevant relationships exist between the breaking force of the formed knots and the maximum force in the forming process of the knots in the lab experiment. The designed knotter breaks out the embarrassing situation of the domestic knotters which don＇t have independent intellectual property rights, and promotes the development of Chinese knotter technology, and the mathematical model is helpful for designing new type of knotters.

国内打捆机技术进展

在分析国内打捆机研究现状的基础上,介绍了国内打捆机代表产品和主要技术特征,探究了国内打捆机的关键技术问题和未来发展趋势,为今后研究技术和性能先进的打捆机提供基础。

机械式打结机纱线捕获状态检测方法

为解决机械式打结机在纱架上完成纱线接头时无法检测头线、尾线捕获状态的问题,提出一种基于图像像素点测量的检测方法。该方法结合机械式打结机工作原理,将集安装盒、相机模组和光源于一体的纱线检测识别系统,固定在风机和吸嘴之间的透明吸管上,然后通过小型嵌入式模块采集图像、处理图像、统计像素点、输出信号等流程实现低成本的纱线捕获状态检测。同时顶部安装相机模组,左右两侧安装光源,底部设计纱线通道,内部底板设计为左右均分的黑白背景,结构小巧、图像采集环境稳定。系统搭建后,对白色等8种纱线进行了捕获状态测试。结果表明:该方法检测效果好、识别率高,实现了模块化纱线捕获状态检测,不仅准确度高、成本低,而且安装方便,可实现生产推广应用。

基于Workbench的螃蟹捆绑机输送结构特性分析与仿真

结合目前国内外螃蟹捆绑技术的发展现状及需求情况,针对螃蟹捆绑机的结构特点及其工作原理做简要概述,研究出螃蟹捆绑机各活动构件的运动情况,重点是得出螃蟹捆绑机输送结构特性仿真数据。利用UG工业画图软件对螃蟹捆绑机进行三维参数化建模与装配,再应用Workbench工业仿真软件对螃蟹捆绑机在工作过程中各活动部件进行运动仿真分析,尤其是对其输送结构进行特性分析。通过软件后处理结果模块得到螃蟹捆绑机在对螃蟹进行捆绑时各活动构件的运动受力情况,并用图表反映出螃蟹捆绑机输送结构中各活动构件运动仿真结果。通过模拟螃蟹捆绑机的整个运动过程,仿真分析检验了螃蟹捆绑机各活动构件的实际工作情况,得到了捆绑机在对螃蟹进行捆绑时极易发生较大结构变形的危险位置并提出了后期优化改进的建议,也为后期类似的活体捆绑类设备的优化设计提供一定的研究思路和参考。

方草压捆机D型打结器驱动齿盘重建与优化

中国目前方草压捆机打结器主要依赖进口,而进口打结器驱动齿盘由于凸轮工作曲面连续性差、未达静平衡,易使驱动齿盘磨损,影响打结器工作稳定性,不能满足秸秆高速打捆要求。该文针对这一问题,基于逆向工程原理,以Imageware和pro/E软件为工具,优化设计了一种曲面质量高、传动平稳的配重式驱动齿盘。驱动齿盘凸轮槽工作面曲面连续性和等值面分析结果表明,优化后的配重式驱动齿盘凸轮曲面位置偏差为0.0013～0.0037mm,切率变化为0.1393°～0.1400°。曲面曲率变化连续,弦偏差为0.100mm,达到A级曲面要求。凸轮曲面配合零件工作平稳,可有效保证打结作业时序。齿盘平衡检测结果表明,设计的配重式驱动齿盘静平衡性能高,可以满足我国收获时节大秸秆量下高速打捆的要求。

打结器驱动齿盘打结性能对比试验研究

驱动齿盘作为方草捆压捆机打结器的重要组成零件及总动力源,其参数特征对打结器成结率有着必然影响。目前打结器成结率受夹绳、割绳、脱扣不充分等影响严重,而驱动齿盘结构及参数对该失误影响显著,该文针对以上问题设计了分体式驱动齿盘CTRC_I和CTRC_II。其中分体式驱动齿盘CTRC_I由CTRC底盘与反"9"字型凸轮块组成,CTRC_II由CTRC底盘与圆弧切线型凸轮块组成。在相同试验条件下,通过与NewHolland驱动齿盘进行室内试验对比分析可知,CTRC_I齿盘的稳定成结率(90.0%)显著高于(P<0.05)NewHolland(83.5%)和CTRC_II齿盘(65.0%),凸轮结构对成结效果影响显著。NewHolland齿盘与剑麻绳、CTRC_I齿盘与聚丙烯绳、CTRC_I齿盘与剑麻绳等3种配合具有较好的稳定成结率,比其他配合高22.7%～53.5%。不同转速下,CTRC_II齿盘对捆绳的平均最大拉力最大,CTRC_I齿盘最小。CTRC_I齿盘所成绳结质量最高,但捆绳非有效消耗量也相对最大。最终采用层次分析法和功效系数法进行综合效益分析可知,CTRC_I和NewHolland齿盘综合性能优于CTRC_II齿盘,且CTRC_I与聚丙烯绳配合时,综合性能最好。

打结嘴钳咬绳索解析条件分析与直观验证

为了考核D型打结器打结过程中打结嘴钳咬绳索的可靠性和准确性,利用数学解析法求解了打结器与钳咬相关的关键位置点的空间轨迹方程,依据打结嘴钳咬绳索的位置、运动要求,建立了对已有打结器结构、运动匹配关系进行理论预测的通用评判方程,利用Matlab软件得到了已有D型打结器的结构、运动参数匹配关系产生的直观作业效果。

D型打结器Pro/Engineer仿真及动作功能分析

对D型打结器主要部件的构成及其功能进行了描述,利用Pro/E软件对打结器各元件进行装配,并对其打结装置进行机构的运动模拟仿真。把打结器复杂的打结动作总结为4个打结阶段,最后对打结器主要机构所完成的动作及功能进行了分析,为国内设计制造D型打结器及打结器后续改进进行了前期理论基础工作。

打结器夹绳-绕扣-钳咬动作参数分析与打结试验

通过对打结器夹绳-绕扣-钳咬动作的运动学建模,解析描述了捆绳夹持、绕扣成环和准确钳咬的动作时序关系和位置关系,分析了打结嘴和夹绳盘动作时序差φ和打结嘴轴线与主轴轴线夹角α取不同值时对夹绳、绕扣和钳咬动作的影响,并对夹绳运动的放绳作用进行分析,建立了捆绳钳咬前牢固夹持的受力条件和捆绳钳咬后允许捆绳沿夹绳盘轴向滑移而不被拉断的受力条件。结果表明当α与φ分别为90°与24°时,捆绳可以被稳定夹持、成功绕扣和准确钳咬,物理样机的动作试验验证了理论建模的正确性。不捆扎物料的打结器成结率为100%,捆扎小麦秸秆的成结率达到99.25%,表明打结器动作参数匹配合理。

D型打结器的结构及运动分析

D型打结器是将方草捆自动打成死结的装置,是方草捆捡拾压捆机上非常关键的部件。为此,对D型打结器主要零件及结构进行了描述,分析了其实现自动打结的动作过程,同时也计算了打结器3条传动路线平面自由度,为更好的使用打结器提供了理论指导,也为国内设计制造D型打结器及打结器后续试验作了前期工作。

秸秆捆扎过程中打结钳嘴载荷试验分析

打结钳嘴是打结器承载的关键部件,为研究其在秸秆捆扎打结过程中的载荷情况,利用华德9YFQ-1.5系列压捆机开展了秸秆捆扎试验,由张力传感器、高速摄影机以及同步控制装置组成的试验方案,成功获取了秸秆捆扎过程中捆绳张力数据和捆绳对打结钳嘴的作用部位;研究构建了捆绳张力与打结钳嘴载荷的转换模型,结果显示捆绳对上颚的载荷较大,达到了314.89 N;通过上述所获得的捆绳对打结钳嘴载荷大小和作用位置,利用ANSYS对上颚进行相关有限元分析,得到上颚在捆绳张力最大时刻的应力载荷图,发现上颚安装滚子轴处和上颚拐角处均有较大的承载特性,其应力载荷分别为755.52 MPa和410.29 MPa。打结钳嘴实际工作过程中断裂位置验证了载荷分析的准确性,为优化打结钳嘴提供了基础数据支撑。

基于逆向工程的D型打结器重构与运动仿真

打结器是方草压捆机的关键核心部件之一,直接影响打捆机的成结效率和捆形质量。以D型打结器为研究对象,基于逆向工程技术对其进行三维重构,进而对重构零件的关键工作曲面进行了偏差分析,发现所有关键工作面90%以上的区域达到了精确等级以上。基于Solidworks软件实现了重构部件装配,并进行了运动仿真研究,获取了卡线轮、打结嘴、脱绳杆角速度和驱动齿盘角位移数据,分析了卡线轮、打结嘴、脱绳杆与捆绳打结运动关系,为优化D型打结器提供了基础数据。

D型打结器及其辅助机构运动仿真与时序分析

以苜邦9KF-8042型方草捆压捆机为研究对象,采用SolidW orks建立D型打结器及其辅助机构的3D装配模型,导入ADAMS软件后对送绳、拨绳、搭绳、夹绳、绕绳、咬绳、割绳、脱扣等捆扎打结过程进行运动学仿真和时序分析,揭示了D型打结器的成结原理。样机试验表明,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,根据运动仿真结果确定了各构件耦合动作时序关系。

打结器运动图像与捆绳张力信息同步获取系统研究

在已有方捆机上搭建了一套可实时同步获取打结器运动图像和捆绳张力信息的试验系统。开发了用于同步触发高速摄影与张力传感器的同步模块,通过在1 000 Hz频率参数环境下进行试验,分析高速摄影捕捉到的目标图片数与张力传感器捕捉到的目标数据点数,发现二者数目相同,且不同组打结过程打结器运动特征点与捆绳张力部分峰值点对应齿盘度数的变异系数均小于3%。基于所得运动图像信息与张力信息得出了打结器各机构的运动时序范围,确定了揽绳器、钩钳、脱绳杆等机构的详细运动时序。

打结器割绳脱扣机构磨损分析与改进设计

针对打结器割绳脱扣机构盘形凸轮内轮廓磨损严重的问题,提出以凸轮理论廓面的等距圆弧面代替现有柱面轮廓的解决方案,即将凸面-凸面和凸面-平面的点接触改进为凸面-凹面的弧点接触;计算得到改进后凸轮轮廓的曲面方程,以及改进前后滚子与凸轮的压力角、初始接触面积和初始最大接触应力;最后,用硬铝合金材料试制改进前和改进后的凸轮,进行磨损对比试验,并定量分析其磨损量。结果表明:改进后滚子与凸轮的压力角在推程开始和接近结束阶段比改进前减小25%左右;改进后滚子与凸轮的初始接触面积比改进前增大约50%,初始最大接触应力减小约38%;各运转10 h后,改进后盘形凸轮内轮廓的磨损痕迹宽度比改进前增加31.7%,磨损量减小约50%。

双α结打结器关键传动机构设计

提出了一种利用两组打结嘴同时绞扭出两个α结的方法,并采用一套具有对称的不完整齿面和凸轮槽的驱动齿盘,实现两打结嘴的等速、相向、间歇转动与拢推切装置规律摆动。依据压捆作业要求,确定了用凸轮-摆臂运动转换形式顺序实现拢绳、切断、推扣和回位的传动方案;利用反转法建立驱动凸轮的轮廓曲线方程,用Matlab编程得到凸轮轮廓曲线并分析动力传递特性。在打结试验台上对压捆过程进行了模拟,结果表明利用驱动齿盘严格同步和对应的动力传递,可满足同时成双α结过程对结构、位置和运动匹配的要求。

方草捆压捆机打结器空间参数研究

以D型打结器为对象,在打结器时序研究的基础上对打结器空间结构布局进行了研究。通过打结器工作原理分析,确定了保证D型打结器成结八大动作顺利实现的各关键空间结构参数关系,建立了打结器参数化模型。以mathematica 8.0为工具对空间关键轴参数进行设计,最终确定了具有不同空间参数的机架Ⅰ和机架Ⅱ。两机架配合New Holland其他零件后进行了打结试验。结果表明,在室内,机架Ⅰ的成结率比机架Ⅱ低1.0%,但相同预紧力下,其所成绳结平均可承受拉力比机架Ⅱ所成绳结提高了13.9%;在田间,机架Ⅰ成结率比机架Ⅱ低4.0%,但其所成绳结可承受拉力比机架Ⅱ高2.5%。田间所成绳结的平均可承受拉力比室内成结高94.2%～115.9%,表明预紧力及成结过程外界对捆绳的附加拉力会影响最终绳结可承受拉力。

双齿盘驱动打结器设计与成结试验分析

通过对D型打结器空间传动方案改进提出了双齿盘驱动打结器,将驱动夹绳器的空间传动布置在打结器支架的另一侧,将进口打结器支架一组空间交错轴角度关系简化为平面相交轴角度关系,降低了打结器支架的加工难度,克服了进口打结器空间交错轴锥齿轮齿廓设计与制造难的问题,便于批量化生产。通过将蜗杆与斜齿轮的传动比调整为1∶3使原四槽口夹绳盘改进为三槽口夹绳盘,并匹配设计了夹绳盘、打结嘴和刀臂的运动时序,建立了双齿盘驱动打结器的结构模型。与进口打结器的成结动作对比试验表明双齿盘驱动打结器的空间传动方案改进合理,驱动夹绳器、打结嘴和刀臂的运动时序匹配设计正确,夹绳和割绳动作比进口打结器更优,夹绳时捆绳直接入夹绳盘槽口,割绳时捆绳靠近刀片中间位置。室内台架的打结试验表明双齿盘驱动打结器的成结率为100%。

打结器咬绳机构线接触凸轮设计与载荷分析

针对打结器咬绳机构钩钳受载大、滚子磨损严重的问题,通过对咬绳机构的运动学分析建立了圆柱凸轮轮廓曲面的计算模型,使滚子与凸轮保持线接触的同时钩钳以正弦加速度规律张合。对咬绳机构进行力学分析并结合压簧压缩量和捆绳拉力测试,解析求解钩钳在咬合位置的静力学模型,得出钩钳咬合力的最佳变化范围为300.64～329.89 N。解析求解钳咬机构的动力学模型得出,当钩钳咬合力处于最佳变化范围时,圆柱凸轮的接触力介于240～330 N之间,其峰值可以用于检验滚子的接触疲劳强度,指导钩钳和滚子的材料选择。打结器样机捆扎5 000捆稻麦秸秆的田间试验发现,按预设的压簧压缩量7.5 mm和捆绳初始拉力35 N,钩钳尾部的滚子没有明显磨损,表明钩钳的咬合力控制合适,线接触凸轮改善了滚子的接触受载情况,达到了抗冲击和耐磨的设计要求。

D型打结器割绳脱扣机构空间结构参数分析

针对D型打结器割绳脱扣机构空间结构参数复杂且设计要求不清等问题,通过对打结器割绳脱扣机构与其它机构进行运动学分析,建立了割绳脱扣机构的参数设计理论模型,描述了割绳脱扣机构与其它机构之间的参数匹配关系。分析了割绳脱扣机构结构参数对割绳脱扣动作的影响,并得出脱扣凹槽及割刀的设计尺寸要求。结果表明割绳脱扣机构回转中心与脱扣凹槽面的距离变化范围为27~35 mm,割绳脱扣机构回转中心与割刀安装面距离的变化范围为47~53 mm,割刀刀刃尺寸由脱扣凹槽位置尺寸决定。设计并试制了一种组合式割绳脱扣机构,该机构可实现多参数调节,便于对所求结构参数的考核验证。将设计的组合式割绳脱扣机构安装在已有打结器上进行打结试验,分别对每个参数进行单因素试验,共设计11个试验组。试验结果表明割绳脱扣机构空间运动模型准确可靠,计算的结构参数匹配合理。