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摘要 为提高农作物秸秆的打捆质量、农作物打捆机的稳定性和可靠性，采用理论分析和仿真分析相结合的方法，对农作物秸秆打捆机的关键部件进行了运动学、静力学和动力学仿真分析。其中，对弹齿和曲柄滑块压缩机构进行了力学性能分析，对拔叉和弹齿进行了运动学分析。分析结果表明，农作物秸秆打捆机关键部件符合压缩打捆的要求。
关键词 农作物秸秆;打捆机;关键部件;运动学;静力学;动力学
中图分类号 S-233 文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2021）13-0217-03
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.055
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Analysis of Key Components of Crop Straw Baler
ZHUO Dong ling1，FU Chun xiang2，LIU Kai kai1 et al
（1.Binzhou Agricultural Mechanization Science Research Institute，Binzhou，Shandong 256600;2.Binzhou Agricultural and Rural Comprehensive Service Center，Binzhou，Shandong 256600）
Abstract In order to improve the binding quality of crop straw and the stability and reliability of the baler，the kinematics，statics and dynamics simulation analysis of the key components of the baler were carried out by combining theoretical analysis with simulation analysis.Among them，the mechanical properties of spring tooth and crank slider compression mechanism were analyzed，and the kinematics of fork and spring tooth were analyzed.The analysis results showed that the key components of crop straw baler met the requirements of compression bundling.
Key words Crop straw;Baler;Key components;Kinematics;Statics;Dynamics
農作物秸秆作为一种可再生资源，其利用途径不断增多，但是利用率仍然很低[1-3]。主要原因在于农作物秸秆收储运困难，而农作物秸秆压捆作业作为收储运作业的一项重要工序，直接影响农作物秸秆的输送与储存的便利性和成本。打捆机作为农作物秸秆压捆作业的主要机具，直接影响农作物秸秆的打捆质量[4-7]。因此，设计稳定可靠的农作物打捆机，提高农作物打捆质量是有必要的。
笔者对农作物秸秆侧喂入捡拾打捆机的关键部件进行了运动学、动力学和静力学分析，实现农作物压缩打捆机的高质量打捆，并提高农作物打捆机的稳定性和可靠性。
1 结构与工作原理
农作物秸秆打捆机结构如图1所示，其主要包括飞轮、延长室、压缩室、溜板、拨叉、喂料室、捡拾机构、拨杆、曲柄滑块压缩机构。其中，通过飞轮的惯性力将动力传递给曲柄滑块压缩机构，使曲柄滑块压缩机构实现往复周期运动对农作物秸秆进行压缩打捆[8]。
农作物秸秆打捆机的主要工作原理是通过捡拾机构的旋转将铺放在田间的农作物秸秆捡起并输送到喂料室，通过拨叉的往复运动将捡拾的农作物秸秆喂入延长室与压缩室之间，通过曲柄滑块的往复周期运动将农作物秸秆进行压缩打捆，压缩打捆后的农作物秸秆经由溜板滑落到田间。
2 关键部件的分析
2.1 弹齿
捡拾机构是农作物秸秆打捆机的关键部件之一，该研究设计的捡拾机构为弹齿滚筒式结构[9]。弹齿作为捡拾机构的主要零件，其工作性能直接影响农作物秸秆的捡拾率。
2.1.1 弹齿的运动轨迹分析。
由于农作物秸秆打捆机工作时是由拖拉机牵引前进，因此弹齿自身在做圆周运动的同时，还随拖拉机向前行走，其运动轨迹为摆线。为了更加直观清楚地了解弹齿的动作过程和运动规律，该研究采用SolidWorks建立捡拾装置的三维模型，然后使用ADAMS对相邻弹齿进行运动轨迹仿真[10]。运动轨迹仿真时，选取任意2个相邻弹齿端部顶点为目标运动质点，跟踪并记录弹齿的运动轨迹（图2）。
通过分析图2可知，相邻两弹齿的运动轨迹的不重合区符合农作物秸秆捡拾要求，即该研究设计的捡拾机构的漏捡区比较小，使农作物秸秆的漏检率达到最小[11-12]。
2.1.2 弹齿的力学性能分析。
农作物秸秆被弹齿拨动时的受力模型见图3。弹齿能够顺利地将农作物秸秆拨入喂料室，必须满足一定条件才可以。根据图3可知，农作物秸秆保持在弹齿上而不下落的条件为：
μ×N≥Gt
其中：
N=G×sinα+Pb×cosβ
Pb=Gg×ω2×ρ
因此，秸秆保持在拨齿上而不下落必须满足：
μ×sinα+ω2g×ρcosβ≥cosβ+ω2g×ρsinβ 式中，μ为弹齿与农作物秸秆之间的摩擦系数;Gt为农作物秸秆自身重力平行于弹齿的分力（N）;
N为弹齿对农作物秸秆的正压力（N）;G为农作物秸秆自身的重力（N）;Pb为被拨动农作物秸秆由于加速度产生的惯性力（N）;ω为弹齿旋转的角速度（rad）;ρ为被拨动农作物秸秆质心的瞬时半径（m）;
α为弹齿与农作物秸秆分离时的位置角（°）;β为Gn与Pb之间的夹角（°）。
2.2 曲柄滑块压缩机构
曲柄滑块压缩机构是农作物秸秆打捆机的关键部件之一，该研究设计的曲柄滑块压缩机构为偏置式结构，其工作性能直接影响农作物秸秆的压缩质量[13]。
2.2.1 曲柄滑块压缩机构的力学性能分析。
农作物秸秆被弹齿拨动时曲柄滑块压缩机构的受力模型见图4。根据曲柄滑块压缩机构的运动规律和作业特点，建立XOY坐标系，O点为压缩曲柄转动中心，OA为压缩曲柄，AB为压缩连杆，X轴方向为压缩行程方向，曲柄以ω1匀速转动，转动的角度为φ（t）。由图4可知：
Fn=F×sinθ（t）
Ft=-F×cosθ（t）
θ（t）=arcsin-b-rsinφ（t）L
φ（t）=ωt
式中，F为曲柄作用于连杆的力（N）;Fn为曲柄作用在自身法向上的分力（N）;Ft为曲柄自身切向上的分力（N）;b为曲柄滑块压缩机构的偏心距（m）;r为曲柄的长度（m）;L为连杆的长度（m）;φ（t）为曲柄与轴的夹角（rad）;θ（t）为连杆与曲柄的夹角（rad）。
通过分析可知，在压缩过程中，连杆受曲柄作用的压力，而曲柄沿切向方向受连杆反作用压力。当活塞运动到最远处时，即承受的压缩力最大时，连杆作用于活塞的力最大。此时连杆也受到相同的反作用力。机构返回行程中，曲柄带着连杆返回运动，受到曲柄的拉力，同时连杆拉着活塞返回运动，活塞给连杆反作用拉力。所以经过综合分析，连杆在压缩过程中受压力，并且运动到最远处，压力最大;在返回行程中，连杆受拉力，此时拉力远小于最大压缩时的力。连杆在工作过程中，在受压力和拉力交替变换;同时曲柄在工作过程中，也是不间断交替受压力和拉力。所以对压缩连杆以曲柄进行应力疲劳研究很有必要，进而为连杆的抗疲劳设计提供依据。
2.2.2 压缩活塞的静力学仿真分析。
曲柄滑块压缩机构主要部件为压缩活塞，因此为保证该机具的可靠性，需要对压缩活塞的强度和刚度进行校核。首先使用SolidWorks建立压缩活塞的三维模型，然后使用SolidWorks Simulation对压缩活塞进行静应力分析。
静应力分析时，根据压缩活塞特点，在不影响机构力学性能的前提下，对其进行简化处理;压缩活塞釆用的材料有Q235、65Mn和HT200，其中压缩活塞焊接的各个板件均采用Q235结构钢，压缩活塞动刀釆用65Mn，滑道采用HT200;在压缩过程中，压缩活塞最大压缩压力为22.6 kN;添加相应约束，采用标准网格进行划分，网格質量选择良好，共划分单元55 358个，共得到节点29 683个。压缩活塞的应力和应变分布见图5。
从图5a可以得出，在最大压缩力情况下，压缩活塞最大应力发生在压缩面，主要集中在中间面板处，最大应力值为2.10×108 Pa，远小于材料的许用应力[σ]=7.00×108 Pa（安全系数取1.5），表明压缩活塞的强度完全满足要求。
从图5b可以得出，压缩活塞在最大压缩力的情况下，压缩活塞变形最大的位置发生在压缩面，主要集中在中间面板处，最大变形量为1.54×10-2 mm，压缩活塞其他部件基本不变形，表明压缩活塞的刚度满足设计要求。
2.2.3 曲柄滑块压缩机构的动力学分析。
首先采用SolidWorks建立曲柄滑块压缩机构的三维模型，然后导入动力学分析软件Adams中，对曲柄滑块压缩机构进行动力学分析，得出曲柄滑块压缩机构在压缩过程中随时间变化的曲线，从而得出压缩装置的最大压缩力[14]。仿真时，设置曲柄滑块压缩机构的压缩频率为常用压缩频率110次/min，仿真结果见6。当曲柄滑块压缩机构以110次/min进行压缩时，最大压缩力为22 500 N。
2.3 拨叉
拨叉是农作物秸秆打捆机的关键部件之一，该研究设计的拨叉为双拨叉喂入机构，其工作性能直接影响农作物秸秆是否能够顺利喂入延长室和压缩室内[15]。
为了更加清楚地了解双拨叉喂入机构的动作过程和运动规律，使秸秆能够顺利喂入压缩室，首先使用SolidWorks建立双拨叉喂入机构的三维模型，然后使用Adams对其进行运动轨迹分析。
运动轨迹仿真时，选取喂入机构拨叉端部顶点和拨叉曲柄与拨叉铰接点为目标运动质点，跟踪并记录双拨叉喂入机构的运动轨迹（图7）。
为使双拨叉能够顺利地将农作物秸秆喂入延长室和压缩室内，双拨叉运动关系应是相错的，而且不能相互干扰。通过分析可知，该双拨叉喂入机构满足以上条件。
3 总结
该研究采用理论与仿真分析相结合的方法，分析了农作物秸秆关键部件的运动学、静力学和动力学等特性。经分析可知，捡拾机构的农作物秸秆漏检率符合相关要求，弹齿捡
拾农作物秸秆时需满足的力学条件;曲柄滑块压缩机构的力学性能满足农作物秸秆的压缩条件，双拨叉喂入机构能够顺利地将秸秆喂入压缩室。通过该研究的分析，可以为农作物秸秆的压缩打捆作业提供理论支撑，提高农作物秸秆压捆质量、农作物秸秆打捆机的稳定性和可靠性，从而促进农作物秸秆的综合利用。
参考文献
[1]
王丹丹.农作物秸秆的综合利用与可持续发展[J].农机化研究，2020，42（11）：264-268.
[2] 周春婧.农作物秸秆综合利用分析[J].中国科技信息，2020（23）：36-37.
[3] 王立开，凌纪英.农作物秸秆高效利用新方法及关键技术[J].农业开发与装备，2020（8）：75-76.
[4] 张士胜，霍家佳，洪登华，等.我国农作物秸秆收储运体系现状·问题及对策[J].安徽农业科学，2019，47（19）：260-261，264.
[5] 姜伟，张华，李娜，等.山东省农作物秸秆利用与装备现状[J].中国农机化学报，2019，40（2）：169-174.
[6] 刘绍锋，卢春岭.农作物秸秆收储运机械化技术应用探讨[J].山东农机化，2019（1）：46-48.
[7] 惠金泉.机械化秸秆综合利用的形式及意义[J].农机使用与维修，2019（7）：91.
[8] 廖培旺，刘凯凯，宋德平，等.基于侧喂入打捆机的棉秆压捆试验研究[J].中国农业大学学报，2019，24（8）：133-146.
[9] 贾吉秀.弹齿滚筒式玉米秸秆捡拾机关键部件的设计[D].泰安：山东农业大学，2014.
[10] 郭卫东，李守忠，马璐.ADAMS2013应用实例精解教程[M].北京：机械工业出版社，2015.
[11] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007.
[12] 廖培旺，禚冬玲，王成，等.棉田地膜回收打捆机关键部件的优化设计与试验[J].中国农机化学报，2019，40（8）：27-31.
[13] 周桂霞，李玉清，张伟，等.基于MATLAB的牧草压捆机压缩机构仿真分析[J].农业技术与装备，2011（4）：4-5.
[14] 张爱民，廖培旺，赵新学，等.压捆试验平台及其测试系统的设计与试验[J].农机化研究，2020，42（5）：160-170.
[15] 陈月锋，景全荣，汪雄伟，等.秸秆打捆机双拨叉喂入机构虚拟仿真设计[J].农业工程，2012，2（10）：43-46.
关键词 农作物秸秆;打捆机;关键部件;运动学;静力学;动力学
中图分类号 S-233 文献标识码 A
文章编号 0517-6611（2021）13-0217-03
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.13.055
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Analysis of Key Components of Crop Straw Baler
ZHUO Dong ling1，FU Chun xiang2，LIU Kai kai1 et al
（1.Binzhou Agricultural Mechanization Science Research Institute，Binzhou，Shandong 256600;2.Binzhou Agricultural and Rural Comprehensive Service Center，Binzhou，Shandong 256600）
Abstract In order to improve the binding quality of crop straw and the stability and reliability of the baler，the kinematics，statics and dynamics simulation analysis of the key components of the baler were carried out by combining theoretical analysis with simulation analysis.Among them，the mechanical properties of spring tooth and crank slider compression mechanism were analyzed，and the kinematics of fork and spring tooth were analyzed.The analysis results showed that the key components of crop straw baler met the requirements of compression bundling.
Key words Crop straw;Baler;Key components;Kinematics;Statics;Dynamics
農作物秸秆作为一种可再生资源，其利用途径不断增多，但是利用率仍然很低[1-3]。主要原因在于农作物秸秆收储运困难，而农作物秸秆压捆作业作为收储运作业的一项重要工序，直接影响农作物秸秆的输送与储存的便利性和成本。打捆机作为农作物秸秆压捆作业的主要机具，直接影响农作物秸秆的打捆质量[4-7]。因此，设计稳定可靠的农作物打捆机，提高农作物打捆质量是有必要的。
笔者对农作物秸秆侧喂入捡拾打捆机的关键部件进行了运动学、动力学和静力学分析，实现农作物压缩打捆机的高质量打捆，并提高农作物打捆机的稳定性和可靠性。
1 结构与工作原理
农作物秸秆打捆机结构如图1所示，其主要包括飞轮、延长室、压缩室、溜板、拨叉、喂料室、捡拾机构、拨杆、曲柄滑块压缩机构。其中，通过飞轮的惯性力将动力传递给曲柄滑块压缩机构，使曲柄滑块压缩机构实现往复周期运动对农作物秸秆进行压缩打捆[8]。
农作物秸秆打捆机的主要工作原理是通过捡拾机构的旋转将铺放在田间的农作物秸秆捡起并输送到喂料室，通过拨叉的往复运动将捡拾的农作物秸秆喂入延长室与压缩室之间，通过曲柄滑块的往复周期运动将农作物秸秆进行压缩打捆，压缩打捆后的农作物秸秆经由溜板滑落到田间。
2 关键部件的分析
2.1 弹齿
捡拾机构是农作物秸秆打捆机的关键部件之一，该研究设计的捡拾机构为弹齿滚筒式结构[9]。弹齿作为捡拾机构的主要零件，其工作性能直接影响农作物秸秆的捡拾率。
2.1.1 弹齿的运动轨迹分析。
由于农作物秸秆打捆机工作时是由拖拉机牵引前进，因此弹齿自身在做圆周运动的同时，还随拖拉机向前行走，其运动轨迹为摆线。为了更加直观清楚地了解弹齿的动作过程和运动规律，该研究采用SolidWorks建立捡拾装置的三维模型，然后使用ADAMS对相邻弹齿进行运动轨迹仿真[10]。运动轨迹仿真时，选取任意2个相邻弹齿端部顶点为目标运动质点，跟踪并记录弹齿的运动轨迹（图2）。
通过分析图2可知，相邻两弹齿的运动轨迹的不重合区符合农作物秸秆捡拾要求，即该研究设计的捡拾机构的漏捡区比较小，使农作物秸秆的漏检率达到最小[11-12]。
2.1.2 弹齿的力学性能分析。
农作物秸秆被弹齿拨动时的受力模型见图3。弹齿能够顺利地将农作物秸秆拨入喂料室，必须满足一定条件才可以。根据图3可知，农作物秸秆保持在弹齿上而不下落的条件为：
μ×N≥Gt
其中：
N=G×sinα+Pb×cosβ
Pb=Gg×ω2×ρ
因此，秸秆保持在拨齿上而不下落必须满足：
μ×sinα+ω2g×ρcosβ≥cosβ+ω2g×ρsinβ 式中，μ为弹齿与农作物秸秆之间的摩擦系数;Gt为农作物秸秆自身重力平行于弹齿的分力（N）;
N为弹齿对农作物秸秆的正压力（N）;G为农作物秸秆自身的重力（N）;Pb为被拨动农作物秸秆由于加速度产生的惯性力（N）;ω为弹齿旋转的角速度（rad）;ρ为被拨动农作物秸秆质心的瞬时半径（m）;
α为弹齿与农作物秸秆分离时的位置角（°）;β为Gn与Pb之间的夹角（°）。
2.2 曲柄滑块压缩机构
曲柄滑块压缩机构是农作物秸秆打捆机的关键部件之一，该研究设计的曲柄滑块压缩机构为偏置式结构，其工作性能直接影响农作物秸秆的压缩质量[13]。
2.2.1 曲柄滑块压缩机构的力学性能分析。
农作物秸秆被弹齿拨动时曲柄滑块压缩机构的受力模型见图4。根据曲柄滑块压缩机构的运动规律和作业特点，建立XOY坐标系，O点为压缩曲柄转动中心，OA为压缩曲柄，AB为压缩连杆，X轴方向为压缩行程方向，曲柄以ω1匀速转动，转动的角度为φ（t）。由图4可知：
Fn=F×sinθ（t）
Ft=-F×cosθ（t）
θ（t）=arcsin-b-rsinφ（t）L
φ（t）=ωt
式中，F为曲柄作用于连杆的力（N）;Fn为曲柄作用在自身法向上的分力（N）;Ft为曲柄自身切向上的分力（N）;b为曲柄滑块压缩机构的偏心距（m）;r为曲柄的长度（m）;L为连杆的长度（m）;φ（t）为曲柄与轴的夹角（rad）;θ（t）为连杆与曲柄的夹角（rad）。
通过分析可知，在压缩过程中，连杆受曲柄作用的压力，而曲柄沿切向方向受连杆反作用压力。当活塞运动到最远处时，即承受的压缩力最大时，连杆作用于活塞的力最大。此时连杆也受到相同的反作用力。机构返回行程中，曲柄带着连杆返回运动，受到曲柄的拉力，同时连杆拉着活塞返回运动，活塞给连杆反作用拉力。所以经过综合分析，连杆在压缩过程中受压力，并且运动到最远处，压力最大;在返回行程中，连杆受拉力，此时拉力远小于最大压缩时的力。连杆在工作过程中，在受压力和拉力交替变换;同时曲柄在工作过程中，也是不间断交替受压力和拉力。所以对压缩连杆以曲柄进行应力疲劳研究很有必要，进而为连杆的抗疲劳设计提供依据。
2.2.2 压缩活塞的静力学仿真分析。
曲柄滑块压缩机构主要部件为压缩活塞，因此为保证该机具的可靠性，需要对压缩活塞的强度和刚度进行校核。首先使用SolidWorks建立压缩活塞的三维模型，然后使用SolidWorks Simulation对压缩活塞进行静应力分析。
静应力分析时，根据压缩活塞特点，在不影响机构力学性能的前提下，对其进行简化处理;压缩活塞釆用的材料有Q235、65Mn和HT200，其中压缩活塞焊接的各个板件均采用Q235结构钢，压缩活塞动刀釆用65Mn，滑道采用HT200;在压缩过程中，压缩活塞最大压缩压力为22.6 kN;添加相应约束，采用标准网格进行划分，网格質量选择良好，共划分单元55 358个，共得到节点29 683个。压缩活塞的应力和应变分布见图5。
从图5a可以得出，在最大压缩力情况下，压缩活塞最大应力发生在压缩面，主要集中在中间面板处，最大应力值为2.10×108 Pa，远小于材料的许用应力[σ]=7.00×108 Pa（安全系数取1.5），表明压缩活塞的强度完全满足要求。
从图5b可以得出，压缩活塞在最大压缩力的情况下，压缩活塞变形最大的位置发生在压缩面，主要集中在中间面板处，最大变形量为1.54×10-2 mm，压缩活塞其他部件基本不变形，表明压缩活塞的刚度满足设计要求。
2.2.3 曲柄滑块压缩机构的动力学分析。
首先采用SolidWorks建立曲柄滑块压缩机构的三维模型，然后导入动力学分析软件Adams中，对曲柄滑块压缩机构进行动力学分析，得出曲柄滑块压缩机构在压缩过程中随时间变化的曲线，从而得出压缩装置的最大压缩力[14]。仿真时，设置曲柄滑块压缩机构的压缩频率为常用压缩频率110次/min，仿真结果见6。当曲柄滑块压缩机构以110次/min进行压缩时，最大压缩力为22 500 N。
2.3 拨叉
拨叉是农作物秸秆打捆机的关键部件之一，该研究设计的拨叉为双拨叉喂入机构，其工作性能直接影响农作物秸秆是否能够顺利喂入延长室和压缩室内[15]。
为了更加清楚地了解双拨叉喂入机构的动作过程和运动规律，使秸秆能够顺利喂入压缩室，首先使用SolidWorks建立双拨叉喂入机构的三维模型，然后使用Adams对其进行运动轨迹分析。
运动轨迹仿真时，选取喂入机构拨叉端部顶点和拨叉曲柄与拨叉铰接点为目标运动质点，跟踪并记录双拨叉喂入机构的运动轨迹（图7）。
为使双拨叉能够顺利地将农作物秸秆喂入延长室和压缩室内，双拨叉运动关系应是相错的，而且不能相互干扰。通过分析可知，该双拨叉喂入机构满足以上条件。
3 总结
该研究采用理论与仿真分析相结合的方法，分析了农作物秸秆关键部件的运动学、静力学和动力学等特性。经分析可知，捡拾机构的农作物秸秆漏检率符合相关要求，弹齿捡
拾农作物秸秆时需满足的力学条件;曲柄滑块压缩机构的力学性能满足农作物秸秆的压缩条件，双拨叉喂入机构能够顺利地将秸秆喂入压缩室。通过该研究的分析，可以为农作物秸秆的压缩打捆作业提供理论支撑，提高农作物秸秆压捆质量、农作物秸秆打捆机的稳定性和可靠性，从而促进农作物秸秆的综合利用。
参考文献
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王丹丹.农作物秸秆的综合利用与可持续发展[J].农机化研究，2020，42（11）：264-268.
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[3] 王立开，凌纪英.农作物秸秆高效利用新方法及关键技术[J].农业开发与装备，2020（8）：75-76.
[4] 张士胜，霍家佳，洪登华，等.我国农作物秸秆收储运体系现状·问题及对策[J].安徽农业科学，2019，47（19）：260-261，264.
[5] 姜伟，张华，李娜，等.山东省农作物秸秆利用与装备现状[J].中国农机化学报，2019，40（2）：169-174.
[6] 刘绍锋，卢春岭.农作物秸秆收储运机械化技术应用探讨[J].山东农机化，2019（1）：46-48.
[7] 惠金泉.机械化秸秆综合利用的形式及意义[J].农机使用与维修，2019（7）：91.
[8] 廖培旺，刘凯凯，宋德平，等.基于侧喂入打捆机的棉秆压捆试验研究[J].中国农业大学学报，2019，24（8）：133-146.
[9] 贾吉秀.弹齿滚筒式玉米秸秆捡拾机关键部件的设计[D].泰安：山东农业大学，2014.
[10] 郭卫东，李守忠，马璐.ADAMS2013应用实例精解教程[M].北京：机械工业出版社，2015.
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[14] 张爱民，廖培旺，赵新学，等.压捆试验平台及其测试系统的设计与试验[J].农机化研究，2020，42（5）：160-170.
[15] 陈月锋，景全荣，汪雄伟，等.秸秆打捆机双拨叉喂入机构虚拟仿真设计[J].农业工程，2012，2（10）：43-46.