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1、 - 1 - 方形打捆機打結器的設計 學生姓名： 指導教師： 所在院系： 工程學院 所學專業(yè)： 機械設計 及其自化 研究方向：機械設計 東 北 農 業(yè) 大 學 中國哈爾濱 2013 年 6 月 方形打捆機打結器的設計 - 2 - 目錄 1 前言 - 5 - 1.1 課題研究的目的與意義 . - 5 - 1.2 牧草打捆機打結器國內外發(fā)展狀況 . - 6 - 1.2.1打結器的國外發(fā)展現(xiàn)狀 . - 6 - 1.2.2打結 器的國內發(fā)展現(xiàn)狀 . - 6 - 1.3 設計的主要內容和任務 . - 6 - 1.4 本章小結 . - 7 - 第二章 D 型打結器及其輔助機構的組成與虛擬樣機模型 . -
2、8 - 2 1 D 型打結器部件 . - 8 - 2 1 1 打結器部件 . - 8 - 2 2 D 型打結器及其輔助機構的機構組成 . - 9 - 2.2.1草捆長度控制機構 . - 10 - 2.2.2撥繩機構 . - 10 - 2.2.3送繩機構 . - 11 - 2.2.4主軸離合器 . - 12 - 2 3 D 型打結器虛擬樣機模 型 . - 13 - 2.4 本章小結 . - 15 - 3.打結器的結構設計與參數(shù)優(yōu)化 . - 15 - 3 1D 型打結器的結構分析 . - 15 - 3 1 1 齒盤結構分析 . - 15 - 3 1 2 割繩刀臂結構分析 . - 16 - 3 1
3、3 夾繩盤 . - 17 - 3 2 仿人雙指打結器的結構設計與參數(shù)優(yōu)化 . - 17 - 3 2 1 錐齒輪設計 . - 17 - 3 2 2 打結器支架的優(yōu)化設計 . - 20 - 4 2 3 復合齒盤的優(yōu)化設計 . - 23 - 3 2 4 仿人雙指打結器裝配體模型 . - 25 - 3.3 本章小結 . - 26 - 4.結論 . - 27 - 方形打捆機打結器的設計 - 3 - 摘要 受國家對農業(yè)政策的傾斜和國際環(huán)境的 影響，牧草正逐漸走向產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的道路。為了適應牧草產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的趨勢，牧草收割機械化就變的尤為重要，我國牧草機械起步晚，與國外產(chǎn)品有較大的差距，尤其是牧草打捆機
4、大部分依賴進口，而牧草打捆機打結器必須依靠進口。進口配件存在周期長，費用高，更換不及時的缺點。 打結器國產(chǎn)化制造是我國牧草打捆機生產(chǎn)中至今沒有得到解決的問題，以打結器國產(chǎn)化制造為目標，從方形打捆機打結器捆繩成結原理的分析出發(fā)，應用機構創(chuàng)新方法提出新型捆繩打結結構，具有重要的研究意義和巨大的應用價值 在調研過程中發(fā)現(xiàn)：不同時期，不同品牌的 打結器復雜程度和可靠性都存在差異。綜合各打結器的性能，挑選可靠的 了 D 型打結器 作為本課題國產(chǎn)化的對象。 針對調研過程有些部件容易損壞及其易損部位，結合打結器工作在低速的實際情況，課題對部分參數(shù)改進后所建部件的虛擬模型進行了結構靜力分析和疲勞分析 , 分析
5、結果能很好的溫合實際破壞情況，為以后參數(shù)的靈敏度分析和優(yōu)化設計提供了方向。 本課題可以為打結器國產(chǎn)化提供一些借鑒和參考。 關鍵詞：牧草；打結器；結構分析 方形打捆機打結器的設計 - 4 - ABSTRACT Under the influence of national policy inclining to agricultural and international environment,the hay industry is being industrial and commercial gradually.In order to adapt this tendency,the hay
6、 harvest mechanization becomes very important. Pasture machinery in China started late, and there is a big gap between foreign products,especially the forage baler most dependent on imports, while the forage bale knotter must rely on imports. Imported accessories have long period, high cost, not tim
7、ely replacement. Localization is knotted manufacturing is Chinas Forage baler production has not been solved, with the goal of localization of the knotter manufacturing, starting from the analysis of square baler knotter rope knot theory, innovation methods mechanism proposes new rope knotted struct
8、ure, has the important research significance and great application value Found in the research process: there are differences in different periods, different brands of knotter complexity and reliability. The comprehensive performance of the knotter, choose reliable as the object of the subject. Acco
9、rding to the research of some components easily damaged and fragile, combined with actual situation of knotter in low speed, the structural static analysis and fatigue analysis of the virtual model parameters improved the components. The analysis results can be a good warm the actual damage, provide
10、s the direction for the sensitivity analysis and optimization design parameters. This paper can provide some reference for the localization of knotter. Keywords: forage； knotter； structure analysis；CAD 方形打捆機打結器的設計 - 5 - 1 前言 1.1 課 題 研 究 的 目 的 與 意 義 一個國家的畜產(chǎn)品人均消費量在很大程度上反映了該國人民生活水平的高低，從長遠 的觀點看，畜產(chǎn)品人均消費量
11、的多少將會影響到整個民族的身體素質。在丹麥，耕地 的 20% 直接用于種飼草；在美國，耕地的 28% 直接用于種飼草：在荷蘭，耕地用于種飼 草的比例更高達 52% 。在發(fā)達國家，約有 73% 的肉類由草轉化而來，例如美國和加拿大 兩個草業(yè)大國，年產(chǎn)草量均達 1 億噸，產(chǎn)值均超過 100 億美元。 1 據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有各類天然草地面積約 4 億公頃 1，在這 4 億公頃的草地種可利用的草地面積約為 3.3 億公頃，人均草地面積不到世界人均面漆的一半，但是我國草地面積卻是占農牧業(yè)總面積的 30% 以上。由于自然和人為的原因，我國已有近 1 億公頃的草地退化，沙化或者堿化，而且草的質量也在下降。 飼
12、草產(chǎn)業(yè)作為一種低投入，高產(chǎn)出，且有利于生態(tài)良性循環(huán)的新型產(chǎn)業(yè)，它的經(jīng)濟效益十分顯著。有資料顯示，如果飼草的產(chǎn)值為 1 ，將飼草用于畜牧業(yè)，產(chǎn)值增加 3 ，其后的肉， 奶，皮毛加工產(chǎn)值可達到 10。這是一個龐大的連鎖產(chǎn)業(yè)，飼草產(chǎn)業(yè)則是基礎。1我國經(jīng)過 20多年的改革開放，國民經(jīng)濟已進入一個平穩(wěn)，持續(xù)，快速發(fā)展的時期。隨著綜合國力逐步增強和經(jīng)濟建設的步伐不斷加快，農業(yè)產(chǎn)業(yè)結構正逐步得到優(yōu)化調整，畜牧業(yè)將成為農業(yè)產(chǎn)業(yè)化建設中的一項重要內容，其在農業(yè)經(jīng)濟中的比重越來越大。加之隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，草原建設，草原改良，退耕還草，生態(tài)恢復建設蓬勃興起。由此形成的牧草產(chǎn)業(yè)將成為集生態(tài)，經(jīng)濟和社會效益于一
13、體的新型綜合性產(chǎn)業(yè)。 2因此發(fā)展飼草業(yè)，不僅可以滿足我國畜牧業(yè)發(fā)展的需要，而 且可以成為國民經(jīng)濟的重要組成部分。 國外的牧草機械有技術含量高、工作效率高、作業(yè)質量好、故障少、耗油小和 機動性好等優(yōu)勢 。 而我國在牧草打捆機的研究上還和發(fā)達國家存在很大差距，國 內目前的打捆機無論在數(shù)量上還是在質量上都遠不能滿足畜牧業(yè)發(fā)展的需要。在解 決飼料產(chǎn)業(yè)化問題上，打捆機是非常重要的工藝設備，提高國產(chǎn)打捆機的質量，無疑會對飼料業(yè)的發(fā)展起到革命性作用，因此對打捆機性能方面的研究開發(fā)意義重大。 目前，國內市場上未見性價比較好的國產(chǎn)產(chǎn)品，而進口產(chǎn)品價格都比較高，不適合 國內的消費水平。所以，開發(fā)性能 良好、自動化
14、程度高且價格適中的國產(chǎn)打捆機將 是我國飼草商品生產(chǎn)的關鍵設備之一，對促進飼草產(chǎn)業(yè)化進程會起到舉足輕重的作 用。但由于其核心部件打結器結構較復雜，設計制造困難 ( 目前主要從國外進口 ) ， 造成方捆打捆機制造成本高，價格也較高，嚴重制約著我國牧草收獲。打結器成了 解決方捆打捆機制造成本的瓶頸問題 。 鑒于我國目前對打捆機打結器的研究狀況，我們方形打捆機打結器的設計 - 6 - 首先要逐漸擺脫單純仿制模擬階段，逐步向系統(tǒng)理論階段發(fā)展，達到自行研制的水平。再逐步添加打結器的控制系統(tǒng)，增加人機對話界面，同時把一些新材料新成果運用上去，使之更安全，更 可靠，更有效地工作。進而從基本理論，整機結構和性能
15、方面趕上或者超過世界先進水平，形成自主品牌的打捆機的核心部件一打結器。 1.2 牧 草 打 捆 機 打 結 器 國 內 外 發(fā) 展 狀 況 1.2.1 打 結 器 的 國 外 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 在飼草商品化生產(chǎn)過程中，首先遇到的問題就是草捆密度小，無論是存儲還是運輸都占用很大空間，使儲，運成本增加。因此根據(jù)實際需要，把飼草打成高密度的草捆后再存儲或者運輸是飼草產(chǎn)業(yè)化，商品化的重要一環(huán)。 飼草打捆機是將飼草壓實并捆成一定形狀的設備。打捆機的關鍵技術是捆繩的打結器及其傳 動機構的協(xié)調性。現(xiàn)在國外已經(jīng)有很多的專業(yè) 廠家專門生產(chǎn)打結器。例如德國的拉斯佩公司專門生產(chǎn)打結器，其專業(yè)化程度高，質量可靠，打結的
16、成捆率在 99% 以上。年銷售收入在百 億美元級的約翰。迪爾公司，凱斯紐荷蘭公司；年銷售收入在幾十億美元級的阿格科公司，久寶田公司，克拉斯公司；年銷售收入在幾億美元級的沙姆道依茲法爾公司，庫恩公司，格 蘭公司等都擁有自己的專利品牌的可靠的打結器。 3 1.2.2 打 結 器 的 國 內 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 目前國內還沒有專門的打結器生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)打捆機的廠家所用的打結器基本都從國外進口。國內有些廠家現(xiàn)在也有開始仿制生產(chǎn)打結器的某些，但是僅僅停留在 仿制實物結構的階段，對各部件的運動分析和理論計算往往被忽略，目前國內打結器上根本還沒有涉及有關電子監(jiān)測設備和人性化的設計 .4 1.3 設 計 的 主
17、要 內 容 和 任 務 針對國產(chǎn)方捆打捆機研發(fā)中打結原理處于定性描述狀況、設計分析方法落 后和亟需打結器國產(chǎn)化制造的問題，本文進行了如下的研究工作，現(xiàn)概括如下： 1 D 型打結器及其輔助機構的組成與虛擬樣機模型的建立 以苜邦 9KF-8042自動撿拾壓捆機為研究對象，深入分析打結器及其輔助機 方形打捆機打結器的設計 - 7 - 構的組成，各機構的工作原理和功能，通過測繪苜邦 9KF-8042型撿拾壓捆機上 的相關零 件，可獲得大多數(shù)平面零件的圖紙，但是對于平面不規(guī)則零件，比如 凸輪、復合齒盤等復雜零件，傳統(tǒng)測繪誤差大。對于平面不規(guī)則零件，采用基 于圖像處理的提取零件輪廓和安裝相位，進行零件的反
18、求設計。對反求的打結 器及其附屬機構建立其機構的 Solidworks三維模型，并檢查機構的裝配干涉情 況 2 D 型打結器的結構改進與參數(shù)優(yōu)化 分析現(xiàn)有國外 D 型打結器結構特點，進行結構改進設計，解決現(xiàn)有 D 型打 結器基座 5 個軸孔成復雜異面空間角度而造成制造困難的問題，將基座軸孔的 異面結構設計為平面結構，利用上一步得出的各機構相對位 置，各執(zhí)行機構的 動作時序，建立打結器機構的角度關系模型，通過所得到的打結器機架上的打 結嘴、夾繩盤、割繩刀臂的動作的角度關系，設計出打結器機架五個軸孔角度 均為平面角的打結器，同時將復合齒盤上的斜齒錐齒輪設計成直齒錐齒輪。 3.仿人雙指打結器的 機構
19、設計與參數(shù)優(yōu)化 對錐齒輪設計，打結器支架設計，打結嘴設計及對其的參數(shù)優(yōu)化來進一步研究仿人雙指打結器，建立仿人雙指打結器裝配體的模型。 1.4本 章 小 結 本章在介紹了國外飼草收獲機械發(fā)展現(xiàn)狀的基礎上，分析了 D 型打 結器結構復雜難以制造的原因，指出了對國外 D 型打結 器結構進行改進研究的 必要性，并給出了本文的主要研究內容 及任務。 方形打捆機打結器的設計 - 8 - 第二章 D 型打結器及其輔助機構的組成與虛擬樣機模型 2 1 D 型 打 結 器 部件 D 型打結器及其輔助機構主要包括有送繩機構、撥繩機構、草捆長度控制 機構、主軸離合器和打結器?，F(xiàn)分別介紹各機構的組成和功能作用。 2
20、1 1 打 結 器 部 件 打結器部件結構如圖 1 所示，為一空間復合傳動機構。復合齒盤為精密 鑄造而成，盤面上設置徑向錯開的兩段不完全錐齒輪，一段為直齒錐齒輪，一 段為斜齒錐齒輪，兩錐齒輪齒數(shù)為 7 ，模數(shù)為 4 。在復合齒 盤的輪轂與不完全錐 齒輪之間設置控制割繩刀架動作的凹槽凸輪。割繩刀架前端固定割刀，與打結 嘴弧形相切的位置具有脫繩的凹槽結構，在割刀和脫繩凹槽之間具有導繩缺口， 其功能是支撐割刀，起導繩、割繩和脫繩作用，在送繩階段引導捆繩搭在打結 嘴上，在脫繩階段，割斷捆繩，并強制將打結嘴上繩結脫掉。 打結器的動力由與打結器主軸固結的復合驅動齒盤輸入，分 3 條傳動路線 完成打結動作：
21、一路是夾繩盤錐齒輪帶動蝸桿驅動與斜齒輪固連的夾繩盤夾繩， 一路驅動打結嘴錐齒輪帶動打結嘴繞繩打結，最后一路是齒盤凸輪形滑道驅動 割繩刀架完成拉緊 、割繩、脫扣動作。 方形打捆機打結器的設計 - 9 - 1 復合驅動齒盤； 2 打結器支架； 3 夾繩盤錐齒輪； 4 斜齒輪； 5 蝸桿； 6 夾繩盤： 7 打結嘴； 8 鉤鉗； 9 巖 4 繩刀架； 10打結嘴錐齒輪 圖 1 打結器 2 2 D 型 打 結 器 及 其 輔 助 機 構 的 機 構 組成 D 型打結器及其輔助機構主要包括有送繩機構、撥繩機構、草捆長度控制 機構、主軸離合器和打結器。通過測繪苜邦 9KF 8042型撿拾壓捆機上的相關零
22、件，可獲得大多數(shù)平面零件的圖紙，但是對于平面不規(guī)則零件，比如凸輪、復 合齒盤等復雜零件，傳 統(tǒng)測繪誤差大。在此，對于平面不規(guī)則零件，采用基于 圖像處理的提取零件輪廓和安裝相位，進行零件的反求設計，可獲得比較滿意 的效果 。 方形打捆機打結器的設計 - 10 - 2.2.1 草 捆 長 度 控 制 機 構 草捆長度控制機構由圖 2 中構件拉簧、支座、凸輪擋板、控制凸輪、凸輪 滾子、連桿、限位塊、外齒輪、內弧形齒輪、計量輪組成，將草捆視作齒條， 草捆推動計量輪轉動，形成齒條齒輪傳動，那么該機構為齒條齒輪傳動，內弧 形齒輪機構 (8和 9)和擺動盤形凸輪機構 (4、 3 、 5 和 5)串聯(lián)而成。其
23、作用是 控制草捆長度，其中限位塊可以用來調節(jié)草捆長度，當壓縮機構推動秸稈往草 捆出口移動時，草捆推動計量輪轉動，與計量輪固連在一起的外齒輪轉動，帶 動內弧形齒輪向上運動，外齒輪會嵌入內弧形齒輪的豁口，此時凸輪擋板在拉 簧的拉力作用下繞著支座的回轉中心逆時針轉動一個角度，主軸離合器脫離控 制擺桿的作用，離合器工作，控制凸輪與驅動主軸固連，打結器轉動時，推動 凸輪滾子移動，當移至凸輪遠行程時，內弧形齒輪豁口脫離外齒輪，內弧形齒 輪在重力作用下自然下落，限位擋塊會與外齒輪接觸，內弧形齒輪停止下落， 并與外齒輪嚙合進入下一次草捆長度計量，如此往復。 1 拉簧； 2 支座； 3 凸輪手當板； 4 控制凸
24、輪； 5 凸輪滾子； 6 連桿；7 限位塊； 8 夕 p 齒輪： 9 內弧形齒輪； 10計量棘輪 圖 2 草捆長度控制機構 2.2.2 撥 繩 機 構 撥繩機構為一空間四連桿機構，如圖 3 所示，其中曲柄 ，、 撥繩軸、擺桿是 焊合在一起的，轉軸套在機架上，可以自由轉動，拉桿一端通過連接銷軸與曲 柄連接，使之可以相互轉動，撥繩板通過螺栓軸與繞機身轉動達到撥繩的效果。 方形打捆機打結器的設計 - 11 - 撥繩動力由撥線凸輪推動焊接在撥繩軸上的驅動擺桿提供，撥繩凸輪與凸輪滾 子靠拉簧的拉力保持接觸。其中驅動撥桿桿長為 88mm，拉桿長度為 285mm ，曲 柄長度為 88mm，撥繩板兩回轉中心長
25、度為 53mm。撥線機構的作用是撥繩板撥 動捆繩偏移一定位置，強制使捆繩進入夾繩盤豁口位置，使之能夠順利被夾繩 盤夾持，同時使捆繩可靠地附著在打結嘴的表面，為順利繞繩做準備。 1 撥繩板； 2 螺栓軸： 3 拉簧； 4 拉桿； 5 連接銷軸； 6 曲柄； 7 撥繩軸； 8 驅動撥桿； 9 凸輪滾子 圖 3 撥線機構 2.2.3 送 繩 機 構 送繩機構為一曲柄連桿機構，如圖 4 所示，引針架、連接片通過焊 接固連 在一起，起搖桿的作用，送繩針通過調節(jié)螺栓連接在引針架上，送繩針的姿態(tài) 可調，在引針架的軸套上設置了摩擦片，摩擦力的大小可由調節(jié)片進行調節(jié)， 設置摩擦片的目的是為了防止送繩針機構由于在
26、自身自重的作用下發(fā)生運動而 影響整個機器的運行。曲柄通過鍵連接固結在主軸上，主軸驅動曲柄周轉，帶 動搖桿左右擺動使得送繩針上升和下降，從而送繩和回位，其中曲柄長度為 134 5mm ，連桿長度為 372 5mm ，搖桿長度為 165mm ，曲柄與擺桿的軸心距離 為 464mm 。 方形打捆機打結器的設計 - 12 - 1 送繩針； 2 引針架； 3 連接片； 4 旋轉軸； 5 摩擦片； 6 調節(jié)片；7 連桿； 8 曲柄； 9 主軸 圖 4 送繩機構 2.2.4 主 軸 離 合 器 是用來離合動力傳遞給主軸的，它主要由離合擺桿、拉簧、離 合滾子、離合楔塊、鏈輪座、離合控制凸輪、連接座、安全螺栓組
27、成，其中拉 簧用于提供離合擺桿回位力的，楔塊與鏈輪座固連，連接座通過鍵連接在主軸 上，離合控制凸輪空套在主軸上，通過安全螺栓與安全螺栓固連，當主軸上的 打結器部件發(fā)生故障或過載時，安全螺栓被剪斷，起到安全保護的作用。離合 器的離合由凸輪擋板控制。工作時，凸輪擋板擋住離合擺桿，使得擺桿被頂起， 離合滾子同時被頂 起越過離合楔塊，這樣離合器不結合，動力不傳遞至主軸， 當草捆計量機構達到計量值后，凸輪擋板逆時針轉動一個角度，沒擋住離合擺 桿，在拉簧的拉力作用啦，離合擺桿回位，離合滾子與離合楔塊結合，離合器 開始工作傳遞動力 方形打捆機打結器的設計 - 13 - 1 凸輪擋板； 2 離合擺桿； 3 拉
28、簧； 4 離合滾子； 5 離合楔塊； 6 鏈輪座； 7 離合控制凸輪： 8 連接座； 9 安全螺栓 圖 5 主軸離合器 2 3 D 型 打 結 器 虛 擬 樣 機 模 型 D 型打結器及其輔助機構的三維實體建模采用的是 CAD 軟 件，采用 Parasolid 圖形內核，有著全面的零件實體和裝配體建模功能，為用戶提供了豐 富的建模手段，本文采用由二維 AUTOCAD 圖紙導入 CAD 軟件快速恢復 成三維圖形的方法，快捷、效率高。同時 CAD 提供了卓有成效的高效、 方便的裝配體建模，通過同心、重合、距離、相切等約束工具建立裝配體模型。 分別建立撥繩機構、送繩機構、打結器、草捆控制機構、離合器
29、的配體模型， CAD 支持子裝配體，將上面所建立的子裝配體裝配成總裝圖，如圖 6a 和 6b所示為 D 型打結器及其輔助機構的裝配體模型。 方形打捆機打結器的設計 - 14 - 圖 6 D 型打結器及其輔助機構的裝配體模型 方形打捆機打結器的設計 - 15 - 2.4本 章 小 結 本章以苜邦 9KF 8042型撿拾壓捆機為研究對象，分析了 D 型打結器及 其輔助機構的結構組成以及各機構所執(zhí)行的功能。利用 CAD 參 數(shù)化建模軟件，結合實測參數(shù)設計了打結器支架、割繩刀臂等空間復雜零件 。 3. 打結器的結構設計與參數(shù)優(yōu)化 通過對國外 D 型打結器的仿真分析，分析打結器各機構動作時序以及各構 件
30、結構的在捆繩打結中所起的作用。本章在此基礎上改進了國外 D 型打結器的 結構，進行新型打結器結構設計與分析，解決了國外 D 型打結器機架五個軸孔 成復雜空間異面角度的問題，新打結器結構各軸孔軸線在一系列相互平行的平 面上，期望改變國外 D 型打結器因結構復雜而造成制造困難的狀況。 3 1D 型 打 結 器 的 結 構 分 析 由于國外 D 型打結器復雜的空間異面結構，而打結器本身結構精巧，各機 構高度精準配合，各軸孔之間的角度需要嚴格保證才能使得打結器可靠的完成 打結動作，這就給打結器的加工制造造成了很大的麻煩，制造成本高且精度不 易保證本文擬在吃透國外 D 型打結器動作時序，打結器各部件結構
31、特點和用處 的基礎上對國外 D 型打結器進行結構改進，使改進的打結器易于制造，加工精 度易于 保證。 3 1 1 齒 盤 結 構 分 析 國外 D 型打結器的驅動齒盤如圖 7 所示，是一個復合零件。該齒盤由兩 段錐齒輪組成，其中一段錐齒輪是斜齒錐齒輪，兩段錐齒輪之間的相位差為 55 ，該相位差決定了夾繩盤和打結嘴動作之間的時序關系，齒盤內圈為一內凸 輪輪廓，與齒盤連接的外凸輪輪廓組成一凸輪滑道，當打結嘴完成繞繩、咬繩 動作后用于驅動割繩刀完成割繩脫繩動作，凸輪遠行程與直齒錐齒輪的相位差 為 116 ，該相位差決定了割繩刀臂在打結嘴動作后進行割繩脫繩動作的時序關系。 方形打捆機打結器的設計 -
32、16 - 圖 7 齒盤結構圖 3 1 2 割 繩 刀 臂 結 構 分 析 打結器割繩刀臂的三維立體圖如圖 8 所示，為一不規(guī)則零件。割繩刀臂有 三個方面的作用，割繩刀臂上裝一割繩刀用于割斷捆繩；割繩刀臂上的導繩槽 用于當送繩針將捆繩送到夾繩盤處后，由于捆繩有一定的負載，所以繩子在負 載力的作用下沿著導繩槽滑行至槽底，從而使捆繩可靠的搭在打結嘴上，為成 功打結做準備；強制脫扣缺口，當打結器完成繞繩后，將繩圈從打結嘴表面強 制脫下，并在脫扣的過程中使繩結拉緊，最終將繩子的一端從繩圈里掏出形成 一個繩結。 圖 8 割繩刀臂 方形打捆機打結器的設計 - 17 - 3 1 3 夾繩盤 夾繩盤的結構如圖
33、9 所示，圓盤四周有四個夾繩缺口，當送繩針將捆繩送至其中一個缺口以后，夾繩盤轉動將捆繩夾入與夾繩盤配套使用的夾繩片之間 的空隙，使捆繩牢牢的被夾住。 圖 9 夾繩盤 3 2 仿 人 雙 指 打 結 器 的 結 構 設 計 與 參 數(shù)優(yōu)化 國外 D 型打結器由于結構復雜制造困難，基于此特點，改進型打結器要求 打結器結構簡單，制造容易成本較低，設計要求如下： 1 打結器兩對錐齒輪軸交角 E=90 。 2 復合齒盤兩段錐齒輪均為直齒錐齒輪。 3 打結器支架上 5 個軸孔的角度相互呈平面角度。 3 2 1 錐 齒 輪 設 計 1 打結嘴錐齒輪設計 已知的國外 D 型打結器打結嘴錐齒輪參數(shù)如下表 1 所
34、示。 表 1 國外 D 型打結器打結錐齒輪參數(shù) 小齒輪理論齒數(shù) (Z1) 大錐齒輪理論齒數(shù)（ Z2） m 方形打捆機打結器的設計 - 18 - 8 56 4 20 98.173 由于采用不完全錐齒輪傳動，小錐齒輪有效齒數(shù)為和大錐齒輪有效齒數(shù)均為 7 個。 為了使打結器的各部件運轉時間相同所以改進的打結器結構也應當有與國 外 D 型打結器相應的特性，根據(jù)結構設計要求打結器打結嘴錐齒輪的參數(shù)如 下表 2 所示。 表 2 設計的打結嘴錐齒輪基本參數(shù) 小齒輪理論齒 數(shù) （ Z1） 大錐齒輪理論齒 數(shù) （ Z1） m 8 56 4 20 90 設計計 算 (1) 小錐齒輪設計 傳動比： 78/56/ 2
35、1 ZZ 小錐齒輪分度圓錐角： 13.87c o t1 a rca rc 大錐齒輪分度圓錐角： 87.81-90 12 變位系數(shù)： 4 5 0 6.0c o s/c o s-146.0 121 X 大端齒頂高 : 8024.54506.01*4)*( 11 ）（Xhmh aa 大端齒根高： 1 9 6.3*)*( 11 cXhmh af 大端錐距： 15.113s in/5.0 111 mzR 齒根角： 6 1 9.1)/a r c ta n ( 111 Rh ff 齒頂角： 9 3 5 6.2)/a r c ta n ( 111 th aa 頂錐角： 07.11111 aa 根錐角： 51.
36、6- 111 ff 大端分度圓齒厚： 592.7)ta n22/( 11 XmS 齒槽寬： 592.7- 11 Sme (2) 大錐齒輪設計 方形打捆機打結器的設計 - 19 - 變位系數(shù)： 4506.0- 12 XX 大端齒頂高： 1 9 7 6.2)4 5 0 6.01(*4)*( 22 Xhmh aa 大端齒跟高： 8024.6*)*( 12 cxXhmh af 齒根高： 44.3)/a r c ta n ( 122 Rh ff 齒頂高： 11.1)/a r c ta n ( 122 Rh aa 頂錐角： 94.82222 aa 根錐角： 39.78- 222 ff 2夾繩錐齒輪設計 (
37、1) 已知的國外 D 型打結器夾繩蝸桿錐齒輪參數(shù)如下表 3 所示 表 3 國外 D 型打結器夾繩齒輪參數(shù) 小錐齒輪理論齒數(shù) (Z1) 大錐齒輪理論齒數(shù)（ Z2） m 8 38 4 20 98.931 為了使打結器的各部件運轉時間相同所以改進的打結器結構也應當有與國 外 D 型打結器相應的特性，根據(jù)結構設計要求打結器夾繩錐齒輪的參數(shù)如下表 4 表 4 設計的打結器夾繩齒輪參數(shù) 小錐齒輪理論齒數(shù) (Z1) 大錐齒輪理論齒數(shù)（ Z2） m 8 38 4 20 90 設計計算： 傳動比： 75.48/38/ 21 ZZ 小錐齒輪分度圓錐角： 8 8 9.1175.4c o t1 a rca rc 大錐
38、齒輪分度圓錐角： 11 1.7890 12 變位系數(shù)： 4 3 9 6.0c o s/c o s-146.0 121 X 大端齒頂高 : 7584.5)4396.01(*4)*( 11 Xhmh aa 大端齒根高： 2416.3*)*( 11 cXhmh af 方形打捆機打結器的設計 - 20 - 大端錐距： 6 6 9 9.77s in/5.0 111 mZR 齒根角： 39.2)/a r c ta n ( 111 Rhff 齒頂角： 24.4)/a r c ta n ( 111 Rh aa 頂錐角： 129.16111 aa 根錐角： 499.9- 111 ff 大端分度圓齒厚： 56.7
39、)ta n22/( 11 XmS 齒槽寬： 511 Sme (2) 大錐齒輪設計 變位系數(shù)： 4396.012 XX 大端齒頂高： 2416.2)4396.01(*4)*( 22 Xhmh aa 大端齒跟高： 7 5 8 4.6*)*( 12 cXhmh af 齒根高： 9 7 3.4)/a r c ta n ( 122 Rh ff 齒頂高： 6 5 3.1)/a r c ta n ( 122 Rh aa 頂錐角： 76 4.79222 aa 根錐角： 138.73- 222 ff 3 2 2 打 結 器 支 架 的 優(yōu) 化 設 計 國外 D 型打結器具有結構緊湊、巧妙等眾多優(yōu)點，但是其軸孔復
40、雜的空間 異面結構給設計制造帶來不便。為優(yōu)化打結器結構，從國外 D 型打結器的結構特 點出發(fā)，設計結構更為簡單的打結器。國外 D 型打結器各軸角度關系如下表 5 ： 表 5 國外 D 型打結器各軸孔夾角 投影面 軸交角 l 方形打捆機打結器的設計 - 21 - 軸 1 和軸 2 軸 1 和軸 3 軸 1 和軸 4 軸 1 和軸 5 XOZ 90.00 80.36 90.00 81.12 YOZ 90.00 69.60 90.00 0 XIOY 23.39 66.18 12.00 90.00 打結嘴軸孔和央繩盤蝸桿軸孔之間的夾角為 24 ，打結器軸孔軸線與 打結 器動力軸孔相交，而夾繩盤蝸桿軸孔
41、與 Y 軸平行，與動力軸孔偏距為 22mm，之 所以夾繩盤蝸桿軸軸孔軸不通過軸線是為了打結嘴和夾繩盤之間有足夠的間隙 用于割繩刀割繩，且使繩頭有足夠的長度使形成的繩結可靠，不至于脫落，另 個方面的原因就是夾繩片的安裝，如果蝸桿孔軸線通過動力軸孔軸線，且與打 結嘴軸孔線的夾角為 24 的話會造成夾繩盤片安裝產(chǎn)生干涉打結嘴軸孔和夾盤軸孔軸分別于動力軸孔軸在 XOZ 平面上的夾角分別為 80 36 和 81 12 ， 之所以這樣是為了解決夾繩盤豁口與捆繩之間位置的問題，使得捆繩已送上來 就處 于夾繩盤豁口里，確保夾繩成功，同時也解決了送繩針與打結器支架之間 的干涉問題。 通過前面 3 2 1 打結器
42、各錐齒輪的設計得知打結嘴軸孔軸和夾繩盤蝸桿軸 與打結器動力軸孔軸之間的夾角均為為 90 ，且三軸孔軸線相交于一點，國外 D 型打結器打結嘴軸與夾繩盤蝸桿驅動軸之間的夾角為 23 82 ，夾繩盤軸與夾 繩盤蝸桿軸之間的夾角為 78 18 ，所以夾繩盤面與打結嘴軸之間的夾角為 12 ，如圖 6 a 所示。對國外 D 型打結器結構的改進，由于驅動齒盤錐齒輪均為 直齒錐齒輪，所以央繩蝸桿軸要通過動力軸孔軸，為了使夾繩盤面與打結嘴 軸 孔之間有足夠的空間所以改進型打結器機架上的打結嘴軸與夾繩蝸桿軸之間的 夾角應當適當增大，初步定打結器軸與夾繩蝸桿軸的夾角為 30 ，如圖 6b 所示，夾繩盤面與打結嘴之間
43、的夾角不宜過大，過大的夾角會致使夾繩盤在夾 繩時，靠近打結嘴的夾繩盤面的豁口不能央到捆繩，參考國外 D 型打結器的夾 繩盤面與打結嘴軸之間的夾角，那么改進后的打結器支架夾繩盤軸與蝸桿軸之 間的央角為： =90 -(30 一 ) 式中： =12 所以 =72 ，按照此參數(shù)建立打結器三維模型進行裝配發(fā)現(xiàn)，夾繩盤附 件 與機架、夾繩盤、存在嚴重干涉且不可消除，所以以上按照國外 D 型打結器的 設計參數(shù)不能設計出結構合理的打結器機架，參數(shù)調整，夾繩盤面與打結嘴軸 之間的夾角不宜過大，首先調整參數(shù) =14 ，那么 =74 ，所設計的蝸桿導程 角為 15 64 ，所以修正秒 =74 36 ，以此參數(shù)建模，
44、裝配后裝配體存在干涉，通 過改進夾繩盤片結構可以順利消除打結器裝配體的干涉，改進前后夾繩片的結 構如下圖 10和 11所示， 方形打捆機打結器的設計 - 22 - a 國外 D 型打結器在 XOY 平面的角度關系 b改進的打結器在 XOY 平面的角度關系 1 夾繩蝸桿軸 線； 2 打結嘴軸線； 3 夾繩盤軸線； 4 夾繩盤： 5 動力軸孔 圖 12打結器支架軸孔角度圖 圖 13國外 D 型打結器夾繩片 圖 14改進后的夾繩片 夾繩蝸桿軸孔軸線、打結嘴軸線、夾繩盤軸線、割繩刀臂軸孔軸線與動力 軸孔軸線在 YOZ 平面投影的夾角均為 90 ，據(jù)此建立的打結器支架的三維模型 如圖 4 9 所示，以動
45、力軸孔軸為 Z 軸，夾繩盤蝸桿軸孔軸為 Y 軸， z 軸 Y 軸交 點為 0 點， X 軸為通過 O 點且垂直于 YOZ 平面，支架各個軸孔參 數(shù)見表 4-6 所 示，表 5 和表 6 的參數(shù)對比發(fā)現(xiàn)改進的打結器結構參數(shù)相對國外 D 型打結器支 架參數(shù)，結構更為合理，易于制造。 方形打捆機打結器的設計 - 23 - 圖 15改進的打結器支架三維圖 表 6 改進后的打結器支架軸孔夾角 投影面 軸交角 l 軸 1 和軸 2 軸 1 和軸 3 軸 1 和軸 4 軸 1 和軸 5 XOZ 90.00 90.00 90.00 90.00 YOZ 90.00 90.00 90.00 90.00 XIOY
46、30.00 60.00 15.64 90.00 4 2 3 復 合 齒 盤 的 優(yōu) 化 設 計 由于支架結構改進了，所以復合驅動齒盤的兩段錐齒輪之間的相位也有 所變化，如圖 16a 所示復合齒盤外側錐齒輪第一個齒和內測錐齒輪第一個 齒之間的相位差為 55 . 在此認為當齒盤上錐齒輪第一個輪齒與打結嘴或 蝸桿軸重合則認為傳動開始，如圖 16b 所示，夾繩盤驅動錐齒輪首先嚙合， 開始夾繩動作，此時打結嘴驅動大錐齒輪第一個齒與打結嘴轉軸之間的夾角 為 38 24 =14 ，所以在復合驅動齒盤設計時，兩段錐齒輪之間的夾角要遵 循國外復合齒盤的相位關系，如圖 17 所示，齒盤上兩段錐 齒輪夾角： =30
47、 +14 =44 根據(jù)上面的齒盤相位關系，建立改進的復合齒盤三維模型，如圖18所示。 方形打捆機打結器的設計 - 24 - a 重合前位置 b重合后位置 1 打結嘴人錐齒輪第一個齒， 2 夾繩盤人錐齒輪第一個齒， 3 打結嘴軸， 4 蝸桿軸 圖 16齒盤打結器軸位置角度關系 a 重合前位置 b 重合后位置 1 打結嘴人錐齒輪第一個齒， 2 夾繩盤大錐齒輪第一個齒， 3 打結嘴軸， 4 蝸桿軸 圖 17 齒盤打結器軸位置角度關系 方形打捆機打結器的設計 - 25 - 圖 18復合齒盤三維圖 3 2 3 打結嘴的設計 國外 D 型打結器由于兩對錐齒輪之間的軸交角大于 90 ，所以打結嘴有個翹 的姿
48、態(tài)如圖 16所示，這樣打結嘴在搭繩方面比較可靠且送繩針可以避免與機架 產(chǎn)生干涉。結構改進的打結器為了滿足搭繩的需要將打結嘴結構作了一些改變， 使得打結嘴更長些，這 樣捆繩可以比較可靠的搭在打結嘴上，如圖 17所示。 圖 19國外 D 型打結器裝配圖 圖 20 改進的打結嘴結構 3 2 4 仿 人 雙 指 打 結 器 裝 配 體 模 型 通過上面計算設計，改進了打結器相關部件，使其更加有利于實現(xiàn)制造降 低生產(chǎn)成本，通過 Sol i dWorks軟件的虛擬配技術建立打結器裝配體模型如圖 方形打捆機打結器的設計 - 26 - 圖 21 改進的打結器的裝配體模型 3.3本 章 小 結 在充分分析國外
49、D 型打結器結構特點的基礎上，提出打結器結構改進方案， 優(yōu)化 其結構參數(shù)。通過設計計算將打結器的錐齒輪設計為直齒錐齒輪，將打結 器支架的空間異面結構改進成可用一系列平行平面包括進去的平面結構，簡化 了打結器支架的結構，降低了打結器支架的制造難度。 方形打捆機打結器的設計 - 27 - 4. 結論 牧草 撿拾壓捆機的設計、生產(chǎn)和使用必須保證其作業(yè)安全可靠，各機構動 作時序不可紊亂并且有著可靠的工作性能，打結成功率高的指標。 牧草 撿拾壓 捆機在國外經(jīng)過多年的發(fā)展形成了各種類型的產(chǎn)品，有小方捆、大方困以及圓 捆，各大農機公司的產(chǎn)品也各成體系，各類機型自動化程度也越來越高，可靠 性、打結成功率也 不
50、斷提高其中打結成功率達到 99。國外關于撿拾打捆機的 研究已趨于成熟，尤其是打結器部件經(jīng)過幾十年的發(fā)展，相關設計制造技術已 相當成熟。國內由于設計制造基礎相對薄弱，打結器的國產(chǎn)化制造一直是我國 撿拾壓捆機生產(chǎn)中沒有解決的問題。 對 D 型打結器及其輔 助機構的不規(guī)則平面零件進行圖像反求設計和空間零件的三維建模，在 CAD 下建立 D 型打結器及其輔助機構的 3D裝配模 型 確定了各構件的耦合動作時序，揭示了 D 型打結器的成結原理。樣機動作試驗 表明反求的 D 型打結器及其輔助機構模型準確，運動仿真正確再現(xiàn)了捆扎打結 要求的預定 動作過程，為 D 型打結器及其輔助機構的優(yōu)化設計和國產(chǎn)化制造提
51、供依據(jù)和參考。 (2) 通過分析國外 D 型打結器打結原理和結構特點，優(yōu)化打結器及其輔 助機構的動作時序，提出了仿人雙指打結器。按照打結器的角度模型，利用 CAD 軟件建立了仿人雙指打結器的三維裝配體模型，對打結器支架和復 合驅動齒盤等主要零件進行了結構參數(shù)優(yōu)化，使進口打結器支架的復雜空間異 面結構為平面結構，解決了國外打結器支架上 5 個軸孔成異面空間角而造成加 工制造困難的問題，改進的打結器制造精度易于保證，有利于打結器的國產(chǎn)化 生產(chǎn)。 方形打捆機打結器的設計 - 28 - 參考文獻 1 李大鵬，劉向陽，飼草產(chǎn)業(yè)化與飼草打捆機的開發(fā)。飼料廣角， 2002,15 ： 10-12 2 徐秀英，
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牧草方形打捆機打結器的設計論文
