耿浩，張姬，崔桐瑞，耿愛(ài)軍，李汝莘

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

氣動(dòng)卡扣打結(jié)器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

耿浩，張姬，崔桐瑞，耿愛(ài)軍，李汝莘*

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安271018

針對(duì)國(guó)產(chǎn)打結(jié)器可靠性差且大多依賴(lài)進(jìn)口的問(wèn)題，在研制機(jī)械式卡扣打結(jié)器的基礎(chǔ)上，通過(guò)簡(jiǎn)化撥繩裝置和改進(jìn)打卡裝置，研制了一款氣動(dòng)打卡的方草捆打結(jié)器。打結(jié)器安裝在底板上，在打結(jié)器主軸的驅(qū)動(dòng)下，由撥繩裝置完成撥繩，卡扣輸送裝置將U型卡扣輸送給打結(jié)器，行程開(kāi)關(guān)控制氣動(dòng)裝置完成打卡動(dòng)作。針對(duì)打結(jié)器安裝空間狹小的特點(diǎn)，在滿(mǎn)足卡扣受力條件下，選擇TN25-30雙桿氣缸，并對(duì)打結(jié)器關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化，制作了氣動(dòng)卡扣打結(jié)器樣機(jī)，進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)。在設(shè)定工況下，臺(tái)架試驗(yàn)的成結(jié)率在99%以上，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。氣動(dòng)卡扣打結(jié)器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，與D型打結(jié)器相比可降低加工難度和成本。

打結(jié)器；氣動(dòng)；卡扣；正交試驗(yàn)；成結(jié)率

打結(jié)器是方草捆打捆機(jī)的核心部件［1］，目前國(guó)內(nèi)普遍使用的D型打結(jié)器，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝及精度要求高，國(guó)產(chǎn)打結(jié)器可靠性差，難以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，而進(jìn)口打結(jié)器價(jià)格昂貴，導(dǎo)致使用成本增加，從而影響了機(jī)械化的快速發(fā)展。為了解決打結(jié)器這一技術(shù)瓶頸，在前期研制的機(jī)械式卡扣打結(jié)器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了氣動(dòng)卡扣打結(jié)器，由氣缸提供打卡動(dòng)力，通過(guò)擠壓鋁制U型卡扣實(shí)現(xiàn)鎖緊捆繩的目的。經(jīng)過(guò)初步臺(tái)架試驗(yàn)，已取得了比較滿(mǎn)意的效果。

1　氣動(dòng)卡扣打結(jié)器組成與工作原理

氣動(dòng)卡扣打結(jié)器如圖1所示，是在D型打結(jié)器的基礎(chǔ)上［2-4］開(kāi)發(fā)而成的。去掉了原有的打結(jié)鉗嘴、小錐齒輪及其在扇形齒凸輪盤(pán)上相應(yīng)的扇形齒，改進(jìn)了撥繩裝置，保留了夾繩及割繩裝置，增加了U型卡扣輸送裝置、氣動(dòng)系統(tǒng)和打卡裝置等。另外還保留了原有的草捆長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置、打捆針及送繩機(jī)構(gòu)等打結(jié)器輔助機(jī)構(gòu)［5，6］。

草捆達(dá)到設(shè)定的長(zhǎng)度后即開(kāi)始打捆，此時(shí)捆繩被輸送到夾繩及割繩裝置的上方，通過(guò)夾繩盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)夾住捆繩，同時(shí)，撥繩機(jī)構(gòu)將兩股捆繩撥進(jìn)打卡裝置的卡槽內(nèi)，并且由撥繩拉桿觸動(dòng)復(fù)合行程開(kāi)關(guān)，控制氣動(dòng)系統(tǒng)的氣缸活塞桿伸出執(zhí)行打卡動(dòng)作，使卡扣輸送裝置提供的U型卡扣將捆繩扣緊。

打卡完成后，割刀割斷捆繩，各裝置回位，即完成一次打結(jié)過(guò)程。

2　氣動(dòng)卡扣打結(jié)器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1夾繩及割繩裝置

夾繩及割繩裝置如圖2所示，主要由割刀、割刀臂、基座、扇形齒凸輪盤(pán)、蝸桿小錐齒輪、蝸桿、蝸輪和夾繩盤(pán)等組成，主要完成夾繩和割斷捆繩的動(dòng)作。

圖1　氣動(dòng)卡扣打結(jié)器Fig.1 The pneumatic buckle knotter

圖2　夾繩及割繩裝置Fig.2 Clamping and cutting device

扇形齒凸輪盤(pán)是在D型打結(jié)器扇形齒凸輪盤(pán)的基礎(chǔ)上［7-9］進(jìn)行了改進(jìn)，去掉了原來(lái)靠外沿的一道扇形齒，使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。夾繩及割繩裝置由打結(jié)器主軸提供動(dòng)力，帶動(dòng)扇形齒凸輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)凸輪盤(pán)上的一道扇形齒與蝸桿小錐齒輪嚙合，帶動(dòng)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)夾繩盤(pán)夾住捆繩。扇形齒凸輪盤(pán)內(nèi)表面與割刀臂上的滾輪接觸，帶動(dòng)割刀臂繞銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在打卡動(dòng)作完成之后割刀割斷捆繩，完成割繩動(dòng)作。

2.2撥繩裝置

撥繩裝置［10-12］如圖3所示，主要由打結(jié)器主軸、凸輪、滾輪、驅(qū)動(dòng)擺桿、撥繩傳動(dòng)軸、撥繩曲柄、撥繩拉桿、傳動(dòng)V形桿、連接桿、撥繩板及撥繩回位彈簧等組成。

圖3　撥繩裝置Fig.3 Toggling device

如圖4所示，撥繩板的初始位置與撥繩拉桿平行（由圖4中實(shí)線(xiàn)表示），捆繩能夠順利進(jìn)入打卡裝置的卡槽內(nèi)。打卡扣結(jié)時(shí)，由打結(jié)器主軸提供動(dòng)力，帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)滾輪和驅(qū)動(dòng)擺桿帶動(dòng)撥繩傳動(dòng)軸和撥繩曲柄一起旋轉(zhuǎn)，使撥繩拉桿拉動(dòng)傳動(dòng)V形桿繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連接桿推動(dòng)撥繩板閉合（由圖4中虛線(xiàn)表示），將捆繩收攏，以備打卡。當(dāng)捆繩打完卡扣結(jié)并由割刀割斷捆繩之后，在撥繩回位彈簧的作用下，撥繩板等相關(guān)桿件再回到初始位置。

經(jīng)仿真試驗(yàn)，撥繩板的旋轉(zhuǎn)角度為107.2°，在空間有限的情況下，優(yōu)先確定撥繩裝置的設(shè)計(jì)尺寸，然后確定AC=AB=20.6 mm，∠BAC=44.64°，由正弦定理定理得出撥繩拉桿運(yùn)動(dòng)距離：

BC=2×AB×sin（44.64°/2）

=2×20.6×0.3798

=15.65 mm

碾壓混凝土施工技術(shù)在水利工程大壩施工中的應(yīng)用能夠有效提升大壩施工的質(zhì)量，同時(shí)還能夠有效節(jié)約大壩施工的成本。在具體的應(yīng)用過(guò)程中，要結(jié)合水利工程大壩施工的設(shè)計(jì)要求，在材料選擇、攪拌、運(yùn)輸、澆筑和保溫等方面采取有效措施，提升水利工程大壩施工的效率，確保大壩施工的質(zhì)量。

根據(jù)撥繩拉桿的位移、驅(qū)動(dòng)擺桿和撥繩曲柄長(zhǎng)度、凸輪轉(zhuǎn)速以及撥繩時(shí)間等參數(shù)，最終確定凸輪的輪廓線(xiàn)和有效轉(zhuǎn)角。

圖4　撥繩裝置簡(jiǎn)圖Fig.4 Diagram of the toggling device

圖5　凸輪傳動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram of the cam transmission

如圖5所示，bc=BC=15.648 mm，即為撥繩裝置撥繩拉桿運(yùn)動(dòng)的距離，撥繩曲柄dc=db=90 mm，撥繩拉桿在豎直方向的位移可忽略，由正弦定理得：

Sinα=ch/cd

α=arcsin（ch/cd）

其中ch=bc/2=7.824 mmdc=90 mm

所以∠α=4.987°≈5°

∠cdb=5°×2=10°

圖5中的e、f點(diǎn)是凸輪與驅(qū)動(dòng)擺桿上的滾輪相切的點(diǎn)，由位置及角度關(guān)系可以得出：

即驅(qū)動(dòng)擺桿和曲柄之間的固定角度為70°。

2.3氣動(dòng)系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)［13］如圖6所示，主要由空氣壓縮機(jī)、膠管、三通接頭、二位五通電磁閥、直流電源、雙桿氣缸、復(fù)合行程開(kāi)關(guān)等組成，兩個(gè)氣缸A、B分別為兩個(gè)打卡裝置提供動(dòng)力。

氣動(dòng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)作為氣源，通過(guò)二位五通電磁閥和三通接頭分別為A和B兩個(gè)氣缸提供壓縮空氣。當(dāng)撥繩拉桿觸動(dòng)復(fù)合行程開(kāi)關(guān)時(shí)，二位五通電磁閥的正動(dòng)作線(xiàn)圈通電并接通正動(dòng)作氣流通道，氣缸活塞伸出，完成打卡動(dòng)作；當(dāng)撥繩拉桿回位后，二位五通電磁閥的反動(dòng)作線(xiàn)圈通電并接通反動(dòng)作氣流通道，實(shí)現(xiàn)氣流換向，控制氣缸活塞回位。

選用的卡扣為S740U型鋁制標(biāo)準(zhǔn)卡扣［14］，卡扣所用鋁絲直徑d=2r1=2 mm，長(zhǎng)度L=11.7 mm，許用應(yīng)力420 MPa。通過(guò)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將卡扣扣緊需要350 N左右的力，打卡裝置安裝在夾繩盤(pán)的斜下方，安裝空間有限，設(shè)計(jì)了30 mm的打卡行程，選用TN25-30雙桿氣缸［15-17］。氣缸輸出力：

F=2 πr2p?

=2×3.14×0.01252×0.5×85%×106

=417 N

式中p-空壓機(jī)輸出氣壓，MPa

η-氣缸的效率，%

2.4卡扣輸送裝置

卡扣輸送裝置如圖7所示，主要由導(dǎo)軌固定座、卡扣、上導(dǎo)軌、下導(dǎo)軌、導(dǎo)軌緊固件、卡扣推進(jìn)彈簧、彈簧固定座、彈簧頂塊等組成。

圖6　氣動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.6 Diagram of the pneumatic system

圖7　卡扣輸送裝置Fig.7 Delivering device

卡扣輸送裝置通過(guò)導(dǎo)軌固定座安裝在打卡裝置上，卡扣上導(dǎo)軌和下導(dǎo)軌通過(guò)導(dǎo)軌緊固件固定在一起，導(dǎo)軌間的距離為2.2 mm，這樣既可以使卡扣在兩導(dǎo)軌之間自由移動(dòng)又不使卡扣滑出。工作時(shí)，在卡扣推進(jìn)彈簧的作用下，卡扣沿著導(dǎo)軌移動(dòng)，被連續(xù)輸送至打卡裝置。

2.5打卡裝置

打卡裝置如圖8所示，主要由下面板、上面板、軌道下固定板、砧塊擋板、砧塊、卡扣下導(dǎo)軌、卡扣上導(dǎo)軌、打卡推桿、軌道上固定板、撥繩板及軌道、打卡推桿連接板等組成。

圖8　打卡裝置Fig.8 Extruding device

當(dāng)捆繩被撥入打卡裝置的卡槽內(nèi)后，氣動(dòng)系統(tǒng)控制氣缸活塞伸出，推動(dòng)打卡推桿在卡扣上導(dǎo)軌、卡扣下導(dǎo)軌和撥繩板上的導(dǎo)軌共同組成的導(dǎo)軌內(nèi)運(yùn)動(dòng)，并在砧塊的配合下使卡扣產(chǎn)生彎曲，直至扣緊捆繩，完成打卡動(dòng)作。然后，撥繩板和打卡推桿分別在回位彈簧和氣動(dòng)系統(tǒng)的雙桿氣缸作用下回到原位。

3　試驗(yàn)結(jié)果及分析

為驗(yàn)證氣動(dòng)卡扣打結(jié)器的適用性，在自制的打結(jié)器試驗(yàn)臺(tái)上［18］，利用類(lèi)草捆模型進(jìn)行了3因素3水平的正交試驗(yàn)，找出最優(yōu)方案，并求出成結(jié)率，以評(píng)判是否達(dá)到要求。

參照方草捆打捆機(jī)工作參數(shù)，確定主軸轉(zhuǎn)速為90 r/min，以空壓機(jī)輸出氣體氣壓、捆繩種類(lèi)和卡扣尺寸作為試驗(yàn)材料參數(shù)（如表1所示），每組重復(fù)試驗(yàn)1000次，打結(jié)2000個(gè)，并記錄成結(jié)數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果及分析如表2所示。通過(guò)極差分析，選出最優(yōu)方案為A2B1C2，即空壓機(jī)輸出氣體氣壓為0.5 MPa、塑料繩和2.0x11.7 mm的鋁質(zhì)卡扣的組合，求出此方案下的成結(jié)率為99.15%，滿(mǎn)足實(shí)用要求。

表1　試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters in test

表2　試驗(yàn)結(jié)果及分析Table 2 Test results and analysis

4　結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)的氣動(dòng)卡扣打結(jié)器，由夾繩割繩裝置、氣動(dòng)裝置、撥繩裝置、打卡裝置、卡扣輸送裝置等組成，便于拆卸和檢修，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，降低了加工難度和成本。

（2）按照國(guó)家頒布的方草捆壓捆機(jī)打結(jié)器可靠性考核方法進(jìn)行相應(yīng)的臺(tái)架試驗(yàn)，成結(jié)率為99.15%，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

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Design and Experiment of the Pneumatic Buckle Knotter

GENG Hao，ZHANG Ji，CUI Tong-rui，GENGAi-jun，LI Ru-xin*
Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment，College of Mechanical and Electronic Engineering/Shandong Agricultural University，Taian 271018，China

In view of the problems that the domestic knotters have a poor reliability and most of the knotters rely on imports. On the basis of the developed mechanical buckle knotter，by simplifying the toggling device and improving the extruding device，we developed a square bale knotter of using pneumatic device to extrude buckles.The knotter is installed on the floor，by the drive of the knotter bearing，the delivering device sending the U-buckle to the knotter，the overtravel-limit switch controlling the pneumatic device and the pneumatic device completing the action of extruding buckles.According to the characteristic of narrow knotter installation space，under the condition of meeting the buckle stress.We choose the TN 25-30 double pole cylinder，and developed a pneumatic buckle knotter through designing and optimizing to the structure of the knotter's key parts，and 3 factors and 3 levels orthogonal test was carried out.Under the setting conditions，the knotting rate of the knotter bench test is over 99%，meeting the design requirement.The pneumatic buckle knotter has many advantages，such as simple structure，high reliability，convenient in use and maintenance，etc.Compared with D-type knotter，it can reduce processing difficulty and cost.

Knotter，pneumatic；buckle；orthogonal test；knotting rate

S226.7；S220.2

A

1000-2324（2016）05-0726-05

2015-03-10

2015-04-14

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題（2011BAD20B04-03）

耿浩（1988-），男，山東省淄博市人，機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)碩士生.E-mail：303516354@qq.com

Author for correspondence.E-mail：rxli@sdau.edu.cn