張 將，刁培松，刁懷龍，楊 壯

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

自走式青貯打捆纏膜一體機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張 將，刁培松，刁懷龍，楊 壯

(山東理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255049)

針對(duì)國內(nèi)、外秸稈打捆纏膜機(jī)械存在的問題，設(shè)計(jì)了一種集青貯、打捆、纏膜多功能與一體的自走式青貯打捆纏膜一體機(jī)。同時(shí)，簡(jiǎn)述了該機(jī)械的結(jié)構(gòu)、工作原理和傳動(dòng)系統(tǒng)，分析了該機(jī)械的技術(shù)特點(diǎn)和主要工作部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了檢驗(yàn)機(jī)器的性能，進(jìn)行了相應(yīng)的田間試驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)器的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

青貯打捆纏膜一體機(jī)；自走式；纏膜青貯；智能控制

0 引言

目前，國內(nèi)的圓捆纏膜一體機(jī)大多以小型機(jī)為主，機(jī)械化、智能化程度低，且需要多人操作，浪費(fèi)勞動(dòng)力。國外的圓捆纏膜一體機(jī)雖然自動(dòng)化程度高，但絕大多數(shù)是間歇性作業(yè)，影響工作效率。本文針對(duì)上述存在的問題，設(shè)計(jì)了一種高效率，高可靠性，工藝簡(jiǎn)單，集收割、打捆、纏膜于一體的自走式青貯打捆纏膜一體。該機(jī)不僅大大減少了作業(yè)環(huán)節(jié)，減少農(nóng)時(shí)，降低了作業(yè)成本，還提高青貯飼料質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了青貯飼料的全自動(dòng)化作業(yè)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)

自走式青貯打捆纏膜一體機(jī)將青貯機(jī)、打捆機(jī)和纏膜機(jī)等集成在一起，一次完成玉米秸稈的收割、輸送、切碎、打捆及纏膜等作業(yè)。自走式青貯打捆纏膜一體機(jī)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、青貯割臺(tái)、駕駛室、行走系統(tǒng)、儲(chǔ)料箱、喂入機(jī)構(gòu)、成捆室、纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)、纏膜機(jī)、液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.青貯割臺(tái) 2.駕駛室 3.行走輪 4.發(fā)動(dòng)機(jī) 5.傳動(dòng)系統(tǒng) 6.打捆裝置 7.可編程控制器 8.纏膜裝置 9.氈子 10.存儲(chǔ)箱圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The principle map of the machine’s structure

主要技術(shù)指標(biāo)：作業(yè)幅寬為2.2m，適應(yīng)行距為30～80cm，作業(yè)速度為3～6 km/h，生產(chǎn)效率為20～40t/h，莖稈切段長(zhǎng)度為7～35mm(可調(diào))，損失率為≤3%，留茬高度≤150mm，草捆密度≥150kg/m3；打捆形式為圓形捆，打捆規(guī)格為900×1 200mm(直徑×長(zhǎng)度)，單捆纏膜數(shù)為2～6層，單捆纏膜效率為40s/2層、55s/3層、70s/4層、100s/6層。

1.2 工作原理

自走式青貯打捆纏膜一體機(jī)的工作原理：該機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，通過傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到各個(gè)工作部件。機(jī)器在田間工作時(shí)，玉米秸稈由前部立式雙喂入盤喂入到圓盤式切碎器中，經(jīng)圓盤式切碎器切碎后經(jīng)拋送筒拋送到儲(chǔ)料箱內(nèi)；在儲(chǔ)料箱中秸稈經(jīng)撥叉和喂入機(jī)構(gòu)送入成捆室中，在轉(zhuǎn)動(dòng)輥筒的作用下逐漸形成圓捆，當(dāng)圓捆達(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí)，撥叉和喂入機(jī)構(gòu)停止工作，纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)開始啟動(dòng)。纏網(wǎng)作業(yè)完成，打捆裝置后門自動(dòng)開啟，放出圓捆，圓捆沿傾斜滑道滾到纏膜裝置送料架上，觸動(dòng)傳感器，傳感器將信號(hào)傳給可編程控制器，送料架液壓油缸動(dòng)作，圓捆被送入到纏膜裝置的滾筒上，打捆裝置后門關(guān)閉，撥叉和喂入機(jī)構(gòu)開始工作；同時(shí)，纏膜裝置開始包膜，當(dāng)纏膜層數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，切膜刀切膜，包完膜的圓捆通過液壓系統(tǒng)卸載到后面的氈子上，順著氈子滾落到地面上。

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)的主要作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到機(jī)器的各個(gè)工作部件，傳動(dòng)路線如圖2所示。本設(shè)計(jì)根據(jù)機(jī)器的特點(diǎn)采用鏈傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)等多種傳動(dòng)方式組合傳動(dòng)。由于帶傳動(dòng)具有緩和載荷沖擊和過載保護(hù)的特點(diǎn)，所以青貯割臺(tái)采用帶傳動(dòng)，來保證青貯割臺(tái)工作過程的安全性和穩(wěn)定性；考慮到鏈傳動(dòng)具有載荷小、傳動(dòng)效率高的優(yōu)點(diǎn)，所以打捆機(jī)構(gòu)采用鏈傳動(dòng)，以保證機(jī)器的傳導(dǎo)效率和工作效率；根據(jù)整機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到纏膜機(jī)離發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)距離較遠(yuǎn)，所以采用液壓馬達(dá)來提供動(dòng)力。

1．青貯割臺(tái) 2.萬向節(jié) 3.換向箱 4.發(fā)動(dòng)機(jī) 5.過載保護(hù)鏈輪 6.帶輪傳動(dòng) 7.液壓泵 8.鏈輪傳動(dòng) 9.電磁離合器 10.喂入機(jī)構(gòu) 11.打捆滾筒 12.多路閥 13.液壓傳動(dòng) 14.液壓馬達(dá) 15.纏膜裝置圖2 整機(jī)動(dòng)力傳動(dòng)路線圖Fig.2 The Power transmission roadmap of the machine

1.4 技術(shù)特點(diǎn)

本文所述的自走式青貯打捆纏膜一體機(jī)集青貯、打捆、纏膜多功能與一體，可一次行完成青貯、打捆及纏膜等作業(yè)，提高了工作效率，減輕了車輛對(duì)土地的碾壓；喂入機(jī)構(gòu)采用整體轉(zhuǎn)子技術(shù)和斷續(xù)螺旋式刀片分布，喂入效果好，減少了喂入時(shí)的堵塞；采用螺旋線型成捆室，使輥筒受力更均勻，并提高了圓捆的密度和緊實(shí)度；設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)，減少人為操作，減輕勞動(dòng)力；采用存儲(chǔ)箱作為緩沖區(qū)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)性作業(yè)。

2 主要工作部件

2.1 喂入機(jī)構(gòu)

喂入機(jī)構(gòu)位于成捆室和儲(chǔ)料箱之間，是打捆裝置的關(guān)鍵部件，主要作用是將粉碎后的秸稈喂入到打捆室中，進(jìn)而完成后續(xù)工作。考慮到螺旋刀片式喂入裝置揉切性好，喂入量大，有良好的對(duì)中輸送作用，故采用斷續(xù)螺旋刀片式喂入裝置。斷續(xù)螺旋式喂入裝置由左右兩側(cè)殼體、螺旋中軸、喂入主板、螺旋絞龍、旋轉(zhuǎn)撥板、定刀槽組和喂入鏈輪等部分組成，如圖3所示。它與預(yù)緊定刀相結(jié)合使用，不僅能夠?qū)⒔斩掃\(yùn)送到打捆室，在運(yùn)送過程中還能進(jìn)一步將秸稈切碎。當(dāng)秸稈較為脆弱時(shí)，直接經(jīng)定刀切割，將秸稈進(jìn)一步切碎；而當(dāng)秸稈質(zhì)地較為堅(jiān)韌時(shí)，秸稈對(duì)定刀的壓力大于秸稈的預(yù)緊力，定刀會(huì)退回到定刀槽中，使秸稈順利進(jìn)入打捆室完成后續(xù)工作過程，如圖4所示。

圖3 喂入裝置總結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 The Overall Structure Diagram of Feeding Apparatus

1.前連接桿 2.復(fù)位彈簧 3.喂入定刀 4.導(dǎo)輪 5.連接板 6.后連接桿圖4 喂入定刀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖Fig.4 The Fed Trance State Diagram Knife Movement

喂入定刀正常工作時(shí)，由于復(fù)位彈簧的拉力作用，使導(dǎo)輪在喂入定刀的輪槽中，正常工作；當(dāng)遇到障礙物時(shí)，由于障礙物對(duì)喂入定刀的壓力大于復(fù)位彈簧的拉力，喂入定刀繞著前連接桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)輪帶著連接板繞著后連接桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)輪位于喂入定刀的另一個(gè)定刀槽時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)障礙物通過后，導(dǎo)輪在復(fù)位彈簧拉力的作用下恢復(fù)到原來的工作位置。

2.2 自動(dòng)纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)

纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)是圓形打捆機(jī)的核心部件之一，主要包括網(wǎng)室、纏網(wǎng)裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)3部分。網(wǎng)室是用來放置網(wǎng)包的，纏網(wǎng)裝置是用來完成引網(wǎng)、送網(wǎng)，繼而完成纏網(wǎng)工作。自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集的信號(hào)發(fā)出送網(wǎng)、切網(wǎng)等信號(hào)完成纏網(wǎng)的自動(dòng)化作業(yè)。自動(dòng)纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)流程圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)流程圖Fig 5 The Flow chart of Automatic Network

自動(dòng)纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，PLC控制系統(tǒng)開始工作。隨著物料不斷地被運(yùn)入打捆室，草捆體積增大，壓力也隨之變大。當(dāng)草捆壓力達(dá)到一定數(shù)值后，信號(hào)傳遞給主控制器，控制器發(fā)出指令，電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)，推動(dòng)張緊輪旋轉(zhuǎn)壓緊皮帶，皮帶將打捆輥動(dòng)力傳遞給送網(wǎng)輥，送網(wǎng)輥隨著打捆輥轉(zhuǎn)動(dòng)開始送網(wǎng)。在送網(wǎng)進(jìn)行4s后，主控制器發(fā)出指令停止喂料，此時(shí)捆草網(wǎng)被草料帶入成捆室，并在草捆轉(zhuǎn)動(dòng)作用下均勻地包裹草捆。送網(wǎng)輥外部連接纏網(wǎng)圈數(shù)計(jì)數(shù)器，當(dāng)送網(wǎng)輥旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間達(dá)到設(shè)定圈數(shù)時(shí)草捆纏網(wǎng)纏網(wǎng)完成，主控制器發(fā)出割網(wǎng)指令，割刀旋轉(zhuǎn)割網(wǎng)。在割刀達(dá)到運(yùn)動(dòng)中點(diǎn)后，將信息反饋給主控制器，主控制器發(fā)出動(dòng)作指令給打捆室上的液壓缸，液壓缸伸長(zhǎng)打開打捆室后箱體開始卸捆；當(dāng)打捆室后箱體開啟到最大時(shí)，連接后箱體與自動(dòng)纏網(wǎng)裝置的連桿到達(dá)最長(zhǎng)觸碰行程開關(guān)，割刀在彈簧的拉伸作用下回到原位準(zhǔn)備下一個(gè)工作過程，在6s的延時(shí)后打捆室關(guān)閉，各控制器數(shù)值恢復(fù)原值等待下一個(gè)指令。

2.3 成捆室的設(shè)計(jì)計(jì)算

成捆室是圓形打捆機(jī)最關(guān)鍵的部件之一。該成捆室由16個(gè)鋼輥按螺旋式排列成螺線型所圍成，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是增大輥筒與圓捆之間的摩擦力，提高了圓捆的密度和緊實(shí)度。相關(guān)文獻(xiàn)研究得出，螺旋線型成捆室可以提高圓捆的密度20%。

在打捆過程中可以發(fā)現(xiàn)：粉碎后的秸稈成為圓捆后主要是在鋼輥的靜摩擦力的作用下滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的壓實(shí)，來提高圓捆的緊實(shí)度。因此，鋼輥的線速度就近似等于圓捆最外側(cè)的線速度。經(jīng)過實(shí)際測(cè)量、計(jì)算及查找相關(guān)文獻(xiàn)，得到了秸稈喂入成捆室的最大速度，即粉碎后的秸稈在成捆室的最小線速度應(yīng)該與喂入到成捆室的最大線速度相等。由此可以得到

nkmin≡(60vc)/πD)

(1)

nGmin≡nkminD/d

(2)

其中，vc為秸稈進(jìn)入成捆室的速度；D為成捆室的直徑；d為鋼輥的直徑；nkmin為草捆的最小轉(zhuǎn)速；nGmin為鋼輥的最小轉(zhuǎn)速。

由檢測(cè)得秸稈喂入到成捆室的線速度vc=2.0m/s；經(jīng)測(cè)量成捆室的直徑D=1000mm, 鋼輥的直徑d=195mm。將已知條件帶入式(1)中計(jì)算得圓捆的最小轉(zhuǎn)速nkmin=38r/min；再將已知條件帶入公式(2)中，計(jì)算得出鋼輥的最小轉(zhuǎn)速nGmin=196r/min。通過查找參考文獻(xiàn)，考慮其他影響因素，保障成捆室成捆率和草捆的質(zhì)量，因此取鋼輥的轉(zhuǎn)速nG=200r/min，故鋼輥的線速度為

vG=(πdnG)/60

(3)

將已知條件和鋼輥的轉(zhuǎn)速nG帶入公式(3)，得鋼輥的線速度VC=2.1m/s。

打捆工作原理：當(dāng)喂入機(jī)構(gòu)將粉碎后的秸稈送入成捆室中，粉碎后的秸稈將在自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的輥筒的摩擦力下沿螺旋線上升；上升到一定程度由于其重力的作用，粉碎后的秸稈翻滾下來，初步形成草芯；隨著秸稈的不斷喂入，草芯越滾越大，當(dāng)大到與螺旋線最里面的輥筒接觸時(shí)，圓捆開始受到預(yù)先擠壓，隨著圓捆的尺寸的不斷變大，圓捆受到的擠壓力也越來越大，圓捆的密度就越來越高。

2.4 纏膜裝置

纏膜裝置主要由機(jī)架、抬捆架、纏膜平臺(tái)、薄膜支撐輥、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和可編程控制系統(tǒng)組成。纏膜裝置的液壓控制系統(tǒng)如圖6所示。

1.公轉(zhuǎn)馬達(dá) 2.切膜液壓缸 3.卸捆液壓缸 4.抬捆液壓缸 5.多路電磁閥換向閥 6.自轉(zhuǎn)馬達(dá)圖6 纏膜裝置液壓控制系統(tǒng)Fig.6 The hydraulic control system of Wrap Film Device

纏膜裝置的工作過程：圓捆由打捆機(jī)后門放出后，經(jīng)滑道到達(dá)抬捆機(jī)構(gòu)，壓縮彈簧板，觸動(dòng)光電傳感器，傳感器將信號(hào)傳給可編程控制器，然后控制抬捆液壓缸伸長(zhǎng)，將圓捆翻轉(zhuǎn)到纏膜平臺(tái)上；隨后，公轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)薄膜支撐臂旋轉(zhuǎn)，薄膜纏繞在圓捆上；與此同時(shí)，自轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)纏膜平臺(tái)的滾筒旋轉(zhuǎn)，圓捆在公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的情況下被薄膜纏繞包裹。在公轉(zhuǎn)軸上端安有傳感器，當(dāng)纏膜層數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，切膜液壓缸收縮，切膜刀抬起；當(dāng)膜轉(zhuǎn)到切膜刀處，切膜液壓缸伸長(zhǎng)，切膜刀閉合，薄膜被切斷，2s后卸捆液壓缸伸長(zhǎng)將圓捆卸下。

3 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)樣機(jī)由山東潤(rùn)源實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，并在公司的試驗(yàn)田里進(jìn)行了試驗(yàn)，樣機(jī)如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.7 The Experimental Prototype

試驗(yàn)參照《GB/T 14290 -1993 圓草捆打捆機(jī)試驗(yàn)方法》和《GB/T14290-2008 圓草捆打捆機(jī)》的相關(guān)部分要求進(jìn)行了性能試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

由表1數(shù)據(jù)可以得出：該機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

4 結(jié)論

自走式多功能青貯打捆纏膜一體機(jī)是在研究青貯機(jī)、鋼輥式圓捆機(jī)和纏膜機(jī)的基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)的，能夠集青貯、打捆及纏膜等功能于一體，大大地減少了作業(yè)環(huán)節(jié)，提高了青貯飼料質(zhì)量，節(jié)約了工時(shí)，降低了作業(yè)成本。此外，儲(chǔ)料箱設(shè)計(jì)和自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)使其實(shí)現(xiàn)了青貯打捆纏膜的連續(xù)性和全自動(dòng)化作業(yè)，提高了工作效率。田間試驗(yàn)表明：自走式多功能青貯打捆纏膜一體機(jī)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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Design and Experiment on Self-propelled Silage Baling Tangle Film Machine

Zhang Jiang, Diao Peisong, Diao Huailong, Yang Zhuang

(School of Agricultural Engineering and Food Science, Shan Dong University of Technology， Zibo 255049, China)

In allusion to the deficiency of the Straw bale wrapping film machine at home and abroad, This article designs a kind of self-propelled silage baling tangle film machine with the functions of silage, baling and wrap film, then describes the mechanical structure, working principle and driveline, and analyzes the technical characteristics and the main components’ structure of the machine. In order to test the performance of the machine,we do the relevant test in the field, and the experimental result shows that the various indexes meet the design requirements of the machine.

silage baling tangle film machine; self-propelled; plastic film wrapped silage; intelligent control

2016-09-20

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0701300)；山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(2015YJ102)

張 將(1990-),男，山東棗莊人，碩士研究生，(E-mail)zhjiang1990@163.com。

刁培松(1962-)，男，山東煙臺(tái)人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)dps2003@163.com。

S225.8

A

1003-188X(2017)12-0073-05