秸秆捡拾打捆机设计及捡拾器的动力学仿真.pdf

农业机械学报第32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：$817115文献标识码：ADesignofPickupBalerandDynamicSimulationofPickupRollerWangGuoquanYuQunBuYunlongYuDenian(ChinaAgriculturalUniversity)(BeijingAgriculturalAlochineryResearchInstitute)WangCaimei(BeijingBairntecateriatCoLtd)AbstractTocollectstrawsefficientlypostwheatandriceharvesting，apickupbalerwasdesignedanditsstructureandoperatingprocessweredescribedTheprincipleanddesignrequirementofaslidingpickuprollerwereanalyzedTheslidingcurveoftheslidingpickuproller，astheobjectiveparameter，wasoptimizedandfinallydesignedbycomputersimulationmethodThetestsofthismachineshowedthatitsatisfiedwiththeresultofstrawcollectingKeywordsBaler，Pickuproller，Analogsimulation，Optimization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7o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80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：2000l2l3*北京市科委台l司项日(项目编号：g73505000)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qk大学车辆交通1崔学院救授博士生导师j、蔷龙JE京市农业机械研究所程帅，l00096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fj公司士1CI(：95北京市1997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JUNKKARY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11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。234567(a1cb】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1O成型室11成型链12铰链轴l3液压缸1后机架l前机架12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21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3701Tlnl时，捡拾器应能捡拾4kgm和幅宽B一O8B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。22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8OO1000nlIn故本设计取捡抬器帽宽1140nlin弹齿间距：弹齿的疏密要保证将秸秆捡拾干净，通常间距为631DO1Tlnl。因此，在长11401Tlnl的管轴上，安装17个弹齿，4根管轴共安装68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+025t+rcos7式中滚筒转速，rrain73机器前进速度，123sr一管轴旋转半径，mI-弹齿长度，m维普资讯第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654的输出轴转速为540rmin。固此，设计中，捡拾器采用相对固定的滚筒转速，取n一106rrain。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；卸草后空行段应有较大的速度，以便至捡抬段弹齿能接近于径向，50403020a】02O】6己l2罩sB4010E0523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(ADAMS)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。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0566s)内的仿真曲线。显见，在032s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900700z5000010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JUNKKA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，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68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43幅含有微粒子的图像进行识别。其中，31幅图像只剩下微粒子，识别完全正确，完全正确率为72O9；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1395；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86o5。识别结果如表1所示。衰1徽粒子图佩识g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。43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，19922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：江苏理工大学，g0003撩建华图像处理与分析北京：科学出版社。19924TaoY，MorrowCT，HeinemannPHFourierbasedseparationtechniqueforshapegradingofpotatoesusingmachinevisionTransactionsoftheASAE，1995，38(3)19499575汤顺青主编色度学北京：北京理工大学出版杜，19906SahooPK，SoLtoniS，WongAKCASurveyofthreshotdingtechniquesComputerVisionGraphicsImageProcessing，1988。41(2)：233260(-k接第6l剪)参考文献ClaudeCalpin