圓捆打捆機(jī)成型機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10348圓捆打捆機(jī)成型機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析案例 1187041.1圓捆打捆機(jī)成型機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)與工作原理 281781.1.1圓捆機(jī)的成型原理 237901.1.2草芯形成分析 219935（1）秸稈爬升過(guò)程 231535（2）草芯累積過(guò)程分析 3193031.2草芯與鋼輥間接觸力分析 5192521.3圓捆打捆機(jī)成型機(jī)構(gòu)工作過(guò)程耦合仿真及結(jié)果分析 7203871.3.1耦合仿真環(huán)境配置 7305341.3.2成型機(jī)構(gòu)工作過(guò)程耦合仿真 8188591.3.3成型機(jī)構(gòu)耦合仿真結(jié)果分析 1052791.3小結(jié) 111.1圓捆打捆機(jī)成型機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)與工作原理1.1.1圓捆機(jī)的成型原理田間地面上的秸稈經(jīng)過(guò)圓捆機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)撿拾后，被撿拾機(jī)構(gòu)推送到成型室的喂入輥中，經(jīng)成型鋼輥的持續(xù)作用下，秸稈在成型機(jī)構(gòu)中隨成型鋼輥的旋轉(zhuǎn)形成旋轉(zhuǎn)草芯，當(dāng)秸稈草捆成型后，經(jīng)纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)工作完成后，由成型室后倉(cāng)門處卸出。秸稈在成型過(guò)程中經(jīng)過(guò)草芯形成、草捆形成、圓捆成型和卸捆四個(gè)階段。（a）草芯形成（b）草捆形成（c）圓捆成型（d）卸捆圖1.1圓捆打捆機(jī)作業(yè)過(guò)程示意圖Fig1.1Workingprocessschematicofroundbaler1.1.2草芯形成分析（1）秸稈爬升過(guò)程農(nóng)作物秸稈經(jīng)撿拾機(jī)構(gòu)推送后進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)中，此時(shí)秸稈受到成型鋼輥輸送力、秸稈重力、后續(xù)秸稈推力和成型室對(duì)秸稈摩擦力的共同作用。為保證秸稈受力分析效果，按照拋射體理論研究秸稈的爬升過(guò)程，將秸稈自身旋轉(zhuǎn)、空氣阻力和秸稈間相互作用力忽視不計(jì)，秸稈受力分析如圖1.2所示，結(jié)合秸稈受力分析獲得秸稈力學(xué)方程如下：圖1.2秸稈受力分析Fig1.2StressanalysisofstrawFh=Fs+Fs=μGyGy=GcosθGz=Gsinθ式中FhFsFtFmGzGyμ--摩擦因數(shù)；θ--重力與速度夾角的余角（°）秸稈進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)后，在成型鋼輥和后續(xù)秸稈推力的共同作用下，沿成型機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心向上爬升，隨秸稈爬升高度的增加，由于各項(xiàng)阻力的作用，使秸稈爬升變緩，秸稈爬升速度逐漸降低到零，然后在秸稈重力的作用下掉落到成型機(jī)構(gòu)底部。后續(xù)秸稈推力由撿拾機(jī)構(gòu)推送獲得，在秸稈進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)后，假定在一定時(shí)間內(nèi)，后續(xù)秸稈推力Ft保持一定。因此，秸稈進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要受到鋼輥與秸稈間的摩擦因素μ和成型室對(duì)秸稈的摩擦阻力F由式（4-1）~（4-4）可知，秸稈進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)后，受到的鋼輥與秸稈間的摩擦因素μ越大，成型室對(duì)秸稈的摩擦阻力Fm越小時(shí)，對(duì)于秸稈爬升過(guò)程越有利，反之將會(huì)導(dǎo)致秸稈爬升受阻。成型室對(duì)秸稈的摩擦阻力F（2）草芯累積過(guò)程分析隨著進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)中的秸稈數(shù)量逐漸增加，秸稈在成型機(jī)構(gòu)底部沉積并形成圓柱形草芯，當(dāng)秸稈沉積到一定數(shù)量后，草芯在成型鋼輥的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。草芯累積階段，由于秸稈數(shù)量與成型機(jī)構(gòu)體積相比較小，此時(shí)成型鋼輥僅受到草芯重力作用，成型鋼輥與后續(xù)秸稈對(duì)草芯形成力矩作用不大，此時(shí)草芯在成型機(jī)構(gòu)底部進(jìn)行靜止累積。由于此時(shí)草芯密度較小，后續(xù)秸稈在撿拾機(jī)構(gòu)的推送下繼續(xù)由喂入口送入成型機(jī)構(gòu)中，當(dāng)草芯密度達(dá)到一定程度后，草芯在成型鋼輥和后續(xù)秸稈推送雙重作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成旋轉(zhuǎn)草芯。旋轉(zhuǎn)草芯形成后，后續(xù)秸稈推送力對(duì)草芯作用效果減弱，此時(shí)忽略后續(xù)秸稈推送力的作用，草芯僅受到成型鋼輥、草芯重力和成型室對(duì)秸稈的摩擦阻力的共同作用。隨著旋轉(zhuǎn)草芯密度的增大，成型室對(duì)秸稈的摩擦阻力逐漸增大，后續(xù)秸稈在旋轉(zhuǎn)草芯的牽引下不斷進(jìn)入草捆中，形成具有較高密度的圓草捆。草芯在成型鋼輥中的受力分析如圖1.3所示，其力學(xué)方程如下所示。Msd=i=1i=10Mz1Mz2FrMZ式中Fir1Msd--草芯受到的總動(dòng)力矩，N?FrMz1--卷捆室對(duì)秸稈摩擦阻力的等效力矩，N?Mz2--重力在速度方向上的等效力矩，N?α--任意小角度，（°）；NrMZ--總的摩擦阻力矩，N?μ1圖1.3草芯在成型鋼輥中的受力分析Fig1.3Stressanalysisofstrawcoreinformingsteelroll1.2草芯與鋼輥間接觸力分析旋轉(zhuǎn)草芯在成型機(jī)構(gòu)中與鋼輥產(chǎn)生力的作用，草芯與鋼輥接觸力分布如圖1.4所示。通過(guò)對(duì)接觸力圖分析知，草芯與鋼輥在圖中A點(diǎn)接觸時(shí)（草芯中心與鋼輥中線連線稱為連心線），作用力最大，草芯對(duì)鋼輥施加的作用力隨θ角的改變而變化。當(dāng)θ角大于秸稈與鋼輥間的摩擦角θ1NANθN=20P1式中NAGαθ1--成型輥筒與秸稈間摩擦角，（°-2θ1r--成型輥筒半徑，m。1.鋼輥2.草芯與鋼輥間接觸面圖1.4草芯與鋼輥間接觸力Fig1.4Indirectcontactforcebetweenstrawcoreandsteelroll草芯形成初期，由于進(jìn)入的秸稈數(shù)量較少，此時(shí)草芯在鋼輥的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩作用下運(yùn)動(dòng)，各鋼輥主要受到草芯重力的作用。圖1.5所示為草芯累積過(guò)程中各鋼輥受力分析，OA為草芯重力放心，將草芯重力對(duì)各鋼輥投影后，可得鋼輥受力方程。GiNi式中GiG--草捆重量，N；Niαii--成型輥筒編號(hào)。圖1.5草芯累積過(guò)程中各鋼輥受力分析Fig1.5Stressanalysisofsteelrollersintheprocessofgrasscoreaccumulation圖1.6草芯累積過(guò)程中各鋼輥受力分析Fig1.6Stressanalysisofsteelrollersintheprocessofgrasscoreaccumulation由式（4-14）、（4-15）可見，草芯重力經(jīng)投影后主要作用在成型機(jī)構(gòu)底部的1-3號(hào)鋼輥上，對(duì)其余鋼輥雖有作用，但因角度原因受力較小，因此本文認(rèn)為在草芯形成初始階段，對(duì)草芯起推送作用的鋼輥為底部的1-3號(hào)鋼輥。隨著進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)中的秸稈數(shù)量增加，草芯在成型機(jī)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，此時(shí)如圖1.6所示，各鋼輥對(duì)草芯產(chǎn)生的摩擦力逐漸增大，在4-6號(hào)鋼輥的作用下，促使草芯產(chǎn)生向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，使草芯具有向上提升作用，提升力計(jì)算公式如下所示。FtsFi式中FtsFiμ--摩擦系數(shù)。成型機(jī)構(gòu)中剩余成型輥筒在成型室中均布，通過(guò)草芯與各鋼輥間受力分析可知，剩余鋼輥在旋轉(zhuǎn)草芯工作過(guò)程中僅起到導(dǎo)引和向內(nèi)卷引作用，即保證旋轉(zhuǎn)草芯在成型室內(nèi)按圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將秸稈在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中向草芯內(nèi)部卷引，提高草捆密度。因此，按照鋼輥在成型過(guò)程中的不同作用，將鋼輥劃分為推送鋼輥、提升鋼輥、導(dǎo)引鋼輥和卷引鋼輥。導(dǎo)入EDEM軟件后的打捆機(jī)模型如圖1.7所示。1.3圓捆打捆機(jī)成型機(jī)構(gòu)工作過(guò)程耦合仿真及結(jié)果分析1.3.1耦合仿真環(huán)境配置使用CATIA軟件建立圓捆打捆機(jī)成型機(jī)構(gòu)三維仿真模型，成型輥筒在成型室中均衡布置，前打捆室布置4個(gè)成型輥筒，后打捆室布置8個(gè)成型輥筒。將繪制好的成型機(jī)構(gòu)三維模型存儲(chǔ)為.STP文件格式，配置.acf文件和.cosim文件，實(shí)現(xiàn)ADAMS自帶的Co-simulation模塊與EDEM軟件進(jìn)行耦合仿真分析，最后將建立的成型機(jī)構(gòu)三維仿真模型導(dǎo)入EDEM軟件后進(jìn)行工作過(guò)程耦合仿真分析。導(dǎo)入EDEM軟件后的圓捆打捆機(jī)模型如圖1.7所示。圖1.7導(dǎo)入EDEM的打捆機(jī)模型Fig1.7ThebundlingmachineinEDEM在EDEM中進(jìn)行耦合仿真時(shí)，對(duì)顆粒接觸模型和幾何體的材料參數(shù)方面，采用本文第二章所述內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置，為了保證耦合仿真的順利進(jìn)行，在顆粒工廠設(shè)置中對(duì)秸稈生成位置參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置，設(shè)置秸稈生成速度為fixed，初始速度設(shè)置為（X=-10m/s，Y=-3m/s），秸稈喂入量設(shè)置為0.41kg/s，0.48kg/s,和0.51kg/s。為保證成型輥筒在耦合仿真過(guò)程中能夠始終保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)成型機(jī)構(gòu)中的12個(gè)成型輥筒設(shè)置為線性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，設(shè)置成型輥筒試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為250r/min，300r/min,350r/min。1.3.2成型機(jī)構(gòu)工作過(guò)程耦合仿真將圓捆打捆機(jī)成型機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入EDEM中后，對(duì)模型顏色、仿真參數(shù)、顆粒等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，就可以對(duì)成型機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作過(guò)程進(jìn)行仿真，成型機(jī)構(gòu)單次完整工作過(guò)程如圖1.8所示。圖1.8完整的打捆過(guò)程Fig1.8completepackingprocess1.3.3成型機(jī)構(gòu)耦合仿真結(jié)果分析通過(guò)在EDEM軟件中設(shè)置不同的仿真參數(shù)，結(jié)合秸稈成捆質(zhì)量和壓力兩方面因素的綜合考慮，確定成型機(jī)構(gòu)最佳工作參數(shù)為輥筒轉(zhuǎn)速247r/min、喂入量3.25kgs。在最優(yōu)工作參數(shù)下，對(duì)成型機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，利用EDEM數(shù)據(jù)分析功能獲得秸稈總動(dòng)能變化曲線，如圖1.9所示。由圖1.9可知，秸稈剛進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)時(shí)具有較大動(dòng)能，最大動(dòng)能值在1.62s時(shí)出現(xiàn)，結(jié)合草捆成型機(jī)理發(fā)現(xiàn)，此時(shí)草捆處于草芯形成階段，秸稈具有較大動(dòng)能便于草芯旋轉(zhuǎn)。隨著時(shí)間的推移，進(jìn)入成型室中的秸稈質(zhì)量不斷增加，草芯旋轉(zhuǎn)時(shí)受到的阻力變大，草芯旋轉(zhuǎn)速度變慢，在1.71s時(shí)較大的動(dòng)能進(jìn)一步提升草芯旋轉(zhuǎn)，提升草捆的成型密度。圖1.9秸稈總動(dòng)能變化曲線Fig1.9Changecurveoftotalkineticenergyofstraw利用EDEM軟件數(shù)據(jù)分析功能，進(jìn)一步對(duì)進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)中的秸稈相互間、秸稈與輥筒間壓力隨時(shí)間變化規(guī)律進(jìn)行研究，獲得秸稈與秸稈的作用力變化曲線如圖1.10和秸稈與輥筒的作用變化曲線如圖1.11所示。由圖1.10和圖1.11可以看出，隨著秸稈不斷進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)中，秸稈與秸稈之間、秸稈與輥筒之間的相互作用力不斷增大，當(dāng)進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)中的秸稈達(dá)到一定質(zhì)量后，作用力逐漸趨于平穩(wěn)，秸稈在成型機(jī)構(gòu)作用下完成草捆形成，符合成捆運(yùn)動(dòng)規(guī)律。圖1.10秸稈與秸稈的作用力變化曲線Fig1.10Forcechangecurveofstrawandstraw圖1.11秸稈與輥筒的作用力變化曲線Fig1.11Forcechangecurveofstrawandroller1.3本章小結(jié)（1）本章通過(guò)對(duì)圓捆機(jī)成型機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行總結(jié)分析，通過(guò)數(shù)學(xué)建模，分析了秸稈進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)后的運(yùn)動(dòng)軌跡，按照拋射體理論對(duì)秸稈爬升和草芯累積兩個(gè)過(guò)程的進(jìn)