李 帥 王光輝 王德成 白效鵬 白慧娟

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083)

青草制辮成型裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李 帥 王光輝 王德成 白效鵬 白慧娟

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083)

為滿足青藏高原等牧區(qū)青草制辮機(jī)械化需求，參考賽絡(luò)紡的工作原理，設(shè)計(jì)了一種青草制辮成型裝置，實(shí)現(xiàn)草辮的加捻和合股。通過(guò)力學(xué)分析，得知青草制辮成型與草辮軸向移動(dòng)速度、加捻滾筒旋轉(zhuǎn)速度、加捻滾筒半徑以及喂入量有關(guān)，并分析出穩(wěn)定草辮的最終捻度和捻回角，與加捻滾筒轉(zhuǎn)速及牽引輥線速度有關(guān)，與加捻時(shí)間和加捻區(qū)的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。結(jié)合實(shí)際，提出將草辮承受的最大拉力作為評(píng)價(jià)草辮緊實(shí)度考核指標(biāo)的一種方法，并對(duì)草辮進(jìn)行了受力分析，得出草辮所能承受的最大拉力與捻回角成正相關(guān)。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，成型機(jī)生產(chǎn)率為427 kg/h，工作功率為0.428 kW，成型草辮堆積密度為143.3 kg/m3，成型草辮所能承受的最大拉力為300～350 N，試驗(yàn)結(jié)果滿足實(shí)際作業(yè)要求。

青草;制辮;成型裝置;加捻;合股

引言

在收獲期適逢雨季的青藏高原等牧區(qū)，牧草刈割后田間晾曬無(wú)法適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?，牧草不能及時(shí)干燥。機(jī)械干燥可解決大型牧場(chǎng)牧草干燥問(wèn)題，但在小范圍群居為主的牧區(qū)，機(jī)械干燥依然未能得到推廣和應(yīng)用。青草制辮成型技術(shù)是青藏高原牧民處理鮮草，晾曬脫水的一種有效方式［1］，制辮成型后的草辮搭在“晾草架”上進(jìn)行堆貯通風(fēng)干燥，可有效解決牧草霉變問(wèn)題。目前，青草制辮成型基本為人工制辮方式。

紡織學(xué)中加捻的基本原理與青草制辮成型工藝相似。HE［2］研究了2個(gè)加捻三角區(qū)的運(yùn)動(dòng)，LIU等［3］研究了2個(gè)加捻三角區(qū)合并點(diǎn)的控制。青草制辮過(guò)程中，也需要分析成辮過(guò)程中青草的運(yùn)動(dòng)。環(huán)錠紡紗三角區(qū)的幾何形狀影響纖維的拉力分布，纖維的拉力分布進(jìn)一步影響加捻殘余扭矩，捻度越大，纖維所受到的載荷越大［4－5］，但對(duì)青草制辮過(guò)程中拉力的分布缺少研究。目前，加捻三角區(qū)纖維受力分布的研究主要分為兩方面，一部分學(xué)者通過(guò)理論分析研究加捻過(guò)程中纖維的受力變形情況［6－8］，也有學(xué)者利用ANSYS柔性體建模，分析加捻過(guò)程中的纖維受力變形情況［9－12］，針對(duì)富含纖維的青草，可用加捻理論分析其制辮成型工藝。

根據(jù)加捻理論，結(jié)合青草的特性，本文設(shè)計(jì)一種青草制辮成型裝置，并利用賽絡(luò)紡的工作原理［13－14］對(duì)青草制辮成型理論加以分析。以青燕麥秸稈為原料，進(jìn)行青草制辮成型裝置的樣機(jī)制辮試驗(yàn)和草辮拉伸試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

根據(jù)加捻原理，設(shè)計(jì)青草制辮成型裝置，如圖1所示，主要由2套單股加捻裝置和1套合股牽引輸出裝置組成。其中，2套單股加捻裝置分別由軸套、加捻滾筒等部件組成，合股牽引輸出裝置由合股旋轉(zhuǎn)部件、換向器、1對(duì)牽引輥等部件組成，合股旋轉(zhuǎn)部件包括帶傳動(dòng)裝置、左側(cè)旋轉(zhuǎn)筒、右側(cè)旋轉(zhuǎn)筒、立板和支撐桿，左側(cè)旋轉(zhuǎn)筒和右側(cè)旋轉(zhuǎn)筒焊接在2塊立板上，分別通過(guò)左軸承座和右軸承座兩端支撐，支撐桿位于兩塊立板之間，將2塊立板連接在一起。作為被動(dòng)驅(qū)動(dòng)牽引輥的齒圈固定在軸承座上。加捻滾筒的旋轉(zhuǎn)方向與合股旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)方向一致，牽引輥與換向器固定在合股旋轉(zhuǎn)部件機(jī)架上，隨合股旋轉(zhuǎn)部件一起旋轉(zhuǎn)。

圖1 青草制辮成型裝置結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure diagrams of grass braid device

1.2 工作原理

賽絡(luò)紡是在細(xì)紗機(jī)上喂入2根保持一定間距的粗紗，經(jīng)牽伸后，由前羅拉輸出這2根單紗須條，并由于捻度的傳遞而使單紗須條上帶有少量的捻度，拼合后被進(jìn)一步加捻成類似合股的紗線，卷繞在筒管上［15－16］。根據(jù)紡紗學(xué)紗線成紗原理，參考前羅拉的運(yùn)動(dòng)形式，設(shè)計(jì)加捻滾筒并起到單股成辮的作用［17］;借鑒筒管的卷繞形式，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)牽引輸出裝置，完成草辮合股并能夠在導(dǎo)草板處形成加捻三角區(qū)。青草制辮成型裝置主要工作原理是初步形成的2個(gè)加捻三角區(qū)再加捻，進(jìn)一步合并為1個(gè)加捻三角區(qū)［18］。

在草辮成型過(guò)程中，當(dāng)青草一端被握持，另一端繞自身軸線回轉(zhuǎn)時(shí)，青草各截面間產(chǎn)生相對(duì)回轉(zhuǎn)角位移，使青草形成捻回。本設(shè)計(jì)采用自由端加捻的方式，即青草滯后端始終處于自由狀態(tài)，加捻滾筒旋轉(zhuǎn)，青草滯后端與加捻滾筒同向回轉(zhuǎn)，青草在加捻區(qū)單股加捻。回轉(zhuǎn)過(guò)程中，草辮相對(duì)加捻滾筒滑移率受加捻滾筒轉(zhuǎn)速的影響。根據(jù)實(shí)際工況，自由端青草受到阻力，辮尾回轉(zhuǎn)滯后，草辮滯后端上也會(huì)形成不同程度的捻度。合股旋轉(zhuǎn)部件旋轉(zhuǎn)，2個(gè)單股草辮在牽引輥的夾持下，在合股區(qū)同步旋轉(zhuǎn)并向輸出端輸送，以達(dá)到合股輸送的目的。同時(shí)，在加捻點(diǎn)與牽引輥之間獲得捻度。為防止輸出的草辮回彈，旋轉(zhuǎn)牽引輸出的草辮需要與牽引輥同向等速持續(xù)旋轉(zhuǎn)。工作原理圖如圖2所示。

圖2 成型裝置工作原理圖Fig．2 Principle diagram of forming device

為保證成辮效果穩(wěn)定持續(xù)，喂料時(shí)，每一束青草與其相鄰的前一束青草相互摻插，如圖3所示。

青草進(jìn)入加捻滾筒加捻，捻縮過(guò)程中單根草辮纖維的數(shù)量n為喂入的前一束牧草的根數(shù)nf與喂入的后一束牧草的根數(shù)nl之和。

圖3 喂入形式簡(jiǎn)圖Fig．3 Sketch of feeding form

1.3 技術(shù)要求

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合青藏高原牧民對(duì)成辮直徑盡可能大、生產(chǎn)率盡可能高的要求，青草制辮成型裝置主要適用于長(zhǎng)度在0.5m以上的青草，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 成型裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab．1 Main design parameters of form ing device

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

總體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)會(huì)影響青草制辮成型效果，主要包括加捻滾筒與合股牽引輸出裝置的距離、兩組加捻滾筒的中心距。

圖4 運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig．4 Kinematic sketch of forming device

加捻滾筒與合股牽引輸出裝置的距離根據(jù)青草長(zhǎng)度確定。如圖4所示，為保證前一束牧草與后一束牧草完美銜接(保證摻插量是青草長(zhǎng)度的一半)，應(yīng)滿足

式中 L1——加捻滾筒長(zhǎng)度，m

L2——加捻三角區(qū)長(zhǎng)度，m

L3——合股后草辮長(zhǎng)度，m

Lc——青草長(zhǎng)度，m

隨機(jī)取20根秸稈，測(cè)得秸稈長(zhǎng)度為0.529m，為適應(yīng)不同長(zhǎng)度青草制辮，加捻滾筒與牽引輥的距離為0.6m，略大于青草的長(zhǎng)度。

在兩股草辮平穩(wěn)合股過(guò)程中，兩組加捻滾筒的中心距決定了兩股草辮合股錐角θ，合股草辮受到的軸向拉力滿足

式中 T——合股草辮受到的軸向拉力，N

Td——單股草辮受到的軸向拉力，N

d——加捻滾筒直筒部分直徑，m

δ——兩組加捻滾筒間隙，m

2.2 加捻滾筒

2.2.1 加捻滾筒設(shè)計(jì)

加捻滾筒由喂料筒、內(nèi)部抄板和用于傳動(dòng)的鏈輪圈組成，如圖5所示。抄板布置在喂料筒的直筒部分，喂料筒另一側(cè)為進(jìn)料端大、出料端小的錐筒，以方便喂料。鏈輪圈與喂料筒固連。

圖5 加捻滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig．5 Sketch of twisting roller components

加捻滾筒直筒部分的直徑由成型草辮直徑(喂入量)決定，加捻滾筒直筒部分直徑與成型草辮直徑成正比。近似將喂入青草看作圓柱體，為滿足喂料方便，則加捻滾筒直筒部分直徑應(yīng)滿足

式中 S——合股草辮橫截面積，m2

i——草的壓縮比

hc——抄板高度，m

ds——合股草辮直徑，m

根據(jù)牧民手工制辮經(jīng)驗(yàn)，合股草辮直徑為0.12m，單根草辮的直徑為0.06 m。青草成辮壓縮比為0.6，抄板高度為0.02 m，由式(4)知，d≥0.117 m，為防止草辮合股過(guò)程中斷裂，應(yīng)減少草辮合股的拉力，即減少兩個(gè)加捻滾筒的中心距，所以加捻滾筒直筒部分直徑取0.12 m。加捻滾筒可使貼緊筒壁的青草纏繞筒內(nèi)的其余青草，實(shí)現(xiàn)單股加捻。由式(2)、(3)可知，加捻滾筒的中心距越小，制辮加捻過(guò)程中草辮受到拉力越小，因此，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，加捻滾筒中心距為0.2m。

經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加捻滾筒的轉(zhuǎn)速超過(guò)250 r/min時(shí)，由于抄板的存在，造成人工喂草困難，抄板對(duì)喂入的草具有排斥作用。當(dāng)加捻滾筒的轉(zhuǎn)速低于100 r/min，牽引草輥線速度高于0.21 m/s時(shí)，形成的草辮比較松散，草辮未能扭轉(zhuǎn)屈服。最終設(shè)計(jì)的加捻滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為140 r/min，牽引輸出速度為0.17m/s。因青草內(nèi)纖維含量高，所以與加捻滾筒中心線的夾角為0°的抄板可減少摩擦，降低能耗［19］。為使青草達(dá)到良好成辮效果，避免假捻，抄板的位置應(yīng)盡量靠近進(jìn)料端。

2.2.2 加捻滾筒加捻草辮的動(dòng)力學(xué)分析

進(jìn)入加捻滾筒的青草在加捻滾筒內(nèi)抄板的作用下隨加捻滾筒旋轉(zhuǎn)，當(dāng)青草沿加捻滾筒切線方向的旋轉(zhuǎn)速度與加捻滾筒的旋轉(zhuǎn)速度一致時(shí)，才能更有效地達(dá)到青草制辮的目的，否則草辮在旋轉(zhuǎn)到加捻滾筒的最高點(diǎn)處會(huì)自由掉落，加捻的草辮又會(huì)松勁回彈。

圖6 草辮受力示意圖Fig．6 Force analysis diagram of grass braid

草辮受力如圖6所示。為簡(jiǎn)化分析青草在加捻滾筒內(nèi)的受力情況，取青草的一小段，并將草辮的變形看作是在彈性變形范圍內(nèi)，且正在加捻的草辮尺寸足夠小，在青草制辮成型裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，草辮軸向拉力F近似看作常量。假設(shè)抄板每次抄起的草為圓柱體且呈規(guī)則排列，抄起的青草受其周?chē)溆嗲嗖莸淖饔昧?。根?jù)實(shí)際加捻工況可知，抄起的青草受力包括:自身重力G，離心力Fe，加捻滾筒支撐力N1和摩擦力f1，抄板的支撐力N2和摩擦力f2，其余青草的推擠力和摩擦力N3x和N3y。已經(jīng)成捻的草辮對(duì)正在加捻草辮的扭矩為Me，青草在加捻滾筒的作用下旋轉(zhuǎn)。將正在加捻的草辮截面所受力沿加捻滾筒的法向和切向進(jìn)行分解，建立力學(xué)平衡方程組

式中 m——加捻青草的質(zhì)量，g

ax——加捻草辮的法向加速度，m/s2

ay——加捻草辮的切向加速度，m/s2

α——加捻滾筒角位移，(°)

β——草辮質(zhì)心與加捻滾筒中心連線和抄板之間的夾角，(°)

R——加捻滾筒的半徑，m

r——抄起的草辮半徑，m

μ1——草辮與加捻滾筒的摩擦因數(shù)

μ2——草辮與抄板的摩擦因數(shù)

ω——加捻滾筒角速度，rad/s

整理式(6)可得

在草辮成型過(guò)程中，青草法向的位移為松散草被加捻成草辮過(guò)程中草質(zhì)心的法向位移h，該位移與法向加速度關(guān)系為

式中 t——松散草被加捻成草辮過(guò)程中草質(zhì)心的法向移動(dòng)位移h所需的時(shí)間，s

聯(lián)立式(7)和式(9)求得

為保證散青草進(jìn)入加捻滾筒內(nèi)充分成捻，松散草被壓緊的時(shí)間應(yīng)盡量短。由式(10)可以得到，在青草制辮過(guò)程中，青草在抄板和離心力作用下質(zhì)心的法向移動(dòng)位移h所需的時(shí)間t，不僅與草辮在加捻滾筒內(nèi)的軸向移動(dòng)速度有關(guān)，也與μ2、m、r、R、ω、h有關(guān)。

綜合分析可知，在離心力作用下青草制辮后的緊實(shí)度與草辮在加捻滾筒內(nèi)的軸向移動(dòng)速度、加捻滾筒的旋轉(zhuǎn)速度、加捻滾筒的半徑以及喂入量有關(guān)。

2.2.3 加捻滾筒加捻草辮的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在制辮過(guò)程中，隨著加捻滾筒的旋轉(zhuǎn)，在抄板的作用下，青草圍繞加捻滾筒軸線扭轉(zhuǎn)搓動(dòng)或軸向纏繞，使青草獲得捻回或包纏。在旋轉(zhuǎn)合股部分和牽引輥的牽引作用下，加捻的2個(gè)單股草辮合股向外輸出。單股草辮運(yùn)動(dòng)形式是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的合成。其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖7 草辮外側(cè)質(zhì)點(diǎn)速度示意圖Fig．7 Velocity analysis diagram of grass braid lateral particle

圖7所示為草辮移動(dòng)速度，其中斜線表示草辮外側(cè)加捻過(guò)程中的螺旋線。在加捻區(qū)，草辮的運(yùn)動(dòng)是旋轉(zhuǎn)和平移的合成。將草辮實(shí)際絕對(duì)速度va1分解為沿圓周方向旋轉(zhuǎn)的速度ve1和沿軸向直線平移的速度vr1?？紤]到草辮在加捻滾筒內(nèi)相對(duì)加捻滾筒有滑移，定義草辮加捻系數(shù)為c1，考慮到牽引輥加捻草辮時(shí)會(huì)產(chǎn)生打滑，定義牽引輥牽引草辮的滑移率為ε，可得到草辮的運(yùn)動(dòng)方程組為

式中 n1——加捻滾筒的旋轉(zhuǎn)速度，r/min

n3——牽引輥的旋轉(zhuǎn)速度，r/min

ve2——草辮合股的旋轉(zhuǎn)周向速度，m/s

vr2——草辮合股的軸向直線速度，m/s

v2——單根草辮的速度，m/s

dp——合股草辮直徑，m

d2——牽引輥直徑，m

如圖7所示，螺旋線和草辮母線之銳夾角β，稱為捻回角或螺旋升角，利用速度三角形求解可以得到，單股草辮的螺旋升角β1關(guān)系式和合股草辮的螺旋升角β2關(guān)系式為

由式(11)和式(13)可知，隨著牽引輥線速度的增加，草辮捻回角減小;另外，隨著加捻滾筒旋轉(zhuǎn)速度和直徑的增加，單股草辮的捻回角增大，但其也與牽引輥牽引草辮的滑移率ε、草辮加捻系數(shù)c1有關(guān)。因此，在樣機(jī)穩(wěn)定工作狀態(tài)下，草辮獲得的最終捻度和捻回角，只與加捻滾筒轉(zhuǎn)速和牽引輥轉(zhuǎn)速有關(guān)，與加捻時(shí)間和加捻區(qū)的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。捻度直接影響草辮的緊實(shí)度，影響草辮所能承受的最大拉力。

2.3 合股牽引輸出裝置

2.3.1 合股牽引輸出裝置設(shè)計(jì)

合股牽引輸出裝置是青草制辮成型裝置的最核心部件，可同時(shí)提供旋轉(zhuǎn)和輸送兩種運(yùn)動(dòng)形式，通過(guò)一對(duì)牽引輥，夾持并牽引進(jìn)入的單股草辮，隨合股旋轉(zhuǎn)部件一起公轉(zhuǎn)，起到兩股草辮合股加捻的目的。作為合股牽引輸出裝置主要部件，牽引輥由螺紋鋼和牽引輥輥體組成(圖8)，合股牽引輸出裝置牽引輥輥體外表面上均布了一系列螺紋鋼，以增大牽引輥與草辮之間的摩擦力。一對(duì)牽引輥在行星齒輪的驅(qū)動(dòng)下繞軸承座軸線旋轉(zhuǎn)。

圖8 合股牽引輸出裝置結(jié)構(gòu)圖Fig．8 Structure diagram of plying，pulling and output device

2.3.2 合股牽引輸出裝置受力分析

為簡(jiǎn)化牽引輥結(jié)構(gòu)，這里忽略牽引輥輥體上的螺紋鋼，假設(shè)牽引輥是規(guī)整的圓柱面。在垂直于牽引輥軸線的草辮與牽引輥發(fā)生接觸瞬間，合股草辮受力如圖9所示(從動(dòng)牽引輥對(duì)合股草辮的作用力與主動(dòng)牽引輥相同，圖中未畫(huà)出)，其中N4為牽引輥?zhàn)饔迷诓蒉p上的法向力，F(xiàn)f為牽引輥?zhàn)饔糜诓蒉p上的摩擦力。將N4和Ff沿著草辮軸向和徑向分解，可以得到沿徑向壓縮草辮的力N4y+Ffy和沿草辮軸向牽引草辮進(jìn)入牽引輥間隙的力Ffx與阻止草辮進(jìn)入牽引輥間隙的力N4x，草辮受到軸向拉力為T(mén)。

圖9 牽引輥受力分析圖Fig．9 Force analysis diagram of pulling rollers

隨著牽引輥牽引草辮不斷進(jìn)入牽引輥間隙，草辮與牽引輥之間的接觸面不斷增加，直至草辮達(dá)到牽引輥?zhàn)钚￠g隙。在此過(guò)程中，草辮受到的法向力N4和切向摩擦力Ff不斷增大，并朝著有利于牽引草辮的方向變化。顯然，在草辮初始喂入瞬間，牽引輥?zhàn)ト〔蒉p的條件為

在初始牽引階段，草辮受到軸向拉力T較小，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，可忽略不計(jì)。于是草辮喂入的光滑牽引輥的抓取條件為

式中 μ0——牽引輥與草辮之間的摩擦因數(shù)

γ——牽引輥對(duì)草辮的起始抓取角，(°)

牽引輥的直徑為d2，牽引輥間隙為h，從圖中可以推導(dǎo)出，牽引輥的起始抓取角γ與其結(jié)構(gòu)參數(shù)關(guān)系為

根據(jù)三角函數(shù)萬(wàn)能公式可得

由式(17)、(18)可知，在草辮直徑固定的前提下，增加牽引輥直徑d2和工作間隙h，可減小牽引輥的起始抓取角γ，有利于草辮的抓取，將μ0≥tanγ代入式(17)、(18)中，可得到牽引輥?zhàn)ト〔蒉p時(shí)其結(jié)構(gòu)參數(shù)與特性參數(shù)之間的關(guān)系為

根據(jù)草辮成型工藝要求，草辮成型直徑為0.09m左右，一般莖稈的壓縮比為0.6～0.9，牽引輥對(duì)莖稈的摩擦因數(shù)μ0為0.7～1.1［20］。當(dāng)牽引輥間隙h取0.4d，μ0取1時(shí)，由式(19)得d2≥0.184m?？紤]到牽引輥牽引草辮的同時(shí)圍繞草辮的軸向公轉(zhuǎn)，為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)盡量減小牽引輥的尺寸，因此牽引輥的直徑d2為0.19m。為增大牽引輥的牽引能力，每個(gè)牽引輥圓柱面上均布12根直徑為0.01m的螺紋鋼。為防止單股草辮破勁，合股牽引輸出裝置的旋轉(zhuǎn)速度取140 r/min，與加捻滾筒轉(zhuǎn)速相等。合股牽引輸出裝置上牽引輥牽引速度為0.17m/s。

3 成型草辮受力分析

相對(duì)回轉(zhuǎn)角為360°時(shí)稱為一個(gè)捻回。如圖10所示，取草辮一小段l進(jìn)行力學(xué)分析，φ為l段草辮對(duì)草辮軸心的包圍角，草辮受到軸向拉伸時(shí)，l段的兩端存在張力Tz，q為l段草辮兩端張力Tz在l段草辮中央法線方向的投影之和，即

因此，草辮外部青草相對(duì)草辮軸線方向存在包圍角時(shí)，外部青草對(duì)內(nèi)部青草產(chǎn)生向心壓力，并與包圍角呈正相關(guān)。由于向心壓力的存在，使得外部青草會(huì)向內(nèi)部擠壓［21］，增加了草辮的緊實(shí)度和纖維間的摩擦力，從而使得草辮能夠承受更大的拉力，草辮不易松散。圖10中，ρ為螺旋線曲率半徑，向心壓力q與捻回角的關(guān)系為

式中 C——常量

圖10 外層草對(duì)草辮軸心的壓力分析Fig．10 Analysis of press to axis from outer grass

草與草之間的摩擦因數(shù)為μcc，則草辮所能承受的最大拉力Fmax為

因此，草辮所能承受的最大拉力與捻回角呈正相關(guān)。制辮過(guò)程中單股捻度和合股捻度對(duì)草辮緊實(shí)度也有重要影響。當(dāng)前，沒(méi)有評(píng)價(jià)草辮緊實(shí)度的相關(guān)指標(biāo)，考慮到牧民普遍將制好的草辮搭在晾草架上的情況，在晾曬過(guò)程中，草辮始終受到重力產(chǎn)生的下拉，可用草辮所能承受的最大拉力作為草辮緊實(shí)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 試驗(yàn)

如圖11所示，為了測(cè)試青草制辮成型裝置的各項(xiàng)性能，進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)。圖11a是青草制辮成型裝置加工草辮的照片，青草從左端喂入，在兩個(gè)加捻滾筒的作用下單股成辮，在合股牽引輸出裝置作用下自動(dòng)合股輸出，從右端輸出成型的草辮。圖11b是形成的草辮，草辮最終由兩股合成一股，呈現(xiàn)麻花狀。

圖11 樣機(jī)試驗(yàn)與結(jié)果Fig．11 Prototype test

4.1 試驗(yàn)原料與儀器

試驗(yàn)原料為普通燕麥秸稈，基本數(shù)據(jù)是測(cè)量20次取平均值。燕麥秸稈頂端直徑3.468mm，底端直徑5.41mm，秸稈長(zhǎng)度529.25mm，穗長(zhǎng)225.55mm，單根質(zhì)量12.38 g。收獲時(shí)間為2016年10月25日，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［22］，測(cè)得剛收獲的燕麥秸稈試驗(yàn)前含水率為61.05%。

試驗(yàn)設(shè)備與儀器:青草制辮成型裝置、Nscing Es200型游標(biāo)卡尺、MP200K型電子臺(tái)秤、YP30KN型電子秤、tidbit型秒表、VC3267型自動(dòng)量程鉗型表、1m×0.5 m×0.5 m堆積盒、鋁箔盒、UTM5504型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

4.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)生產(chǎn)率要求設(shè)計(jì)的青草制辮成型裝置，在加捻滾筒轉(zhuǎn)速和合股牽引輸出裝置旋轉(zhuǎn)速度均為140 r/min，牽引輸出速度為0.17 m/s的情況下，進(jìn)行燕麥青草成辮試驗(yàn)和草辮拉伸試驗(yàn)分析。

4.3 試驗(yàn)指標(biāo)

4.3.1 工作功率

配備2.2 kW三相電動(dòng)機(jī)作為設(shè)備驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源，其正常工作時(shí)電動(dòng)機(jī)功率小于電動(dòng)機(jī)額定功率，三相對(duì)稱負(fù)載的有功功率，可以通過(guò)計(jì)算1相負(fù)載的有功功率再乘以3得到。

式中 W——電動(dòng)機(jī)功率，kW

Ul——試驗(yàn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的線電壓，V

Il——試驗(yàn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的線電流，A

φp——三相電相位角，通常為120°

Up——試驗(yàn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的相電壓，V

Ip——試驗(yàn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)的相電流，A

4.3.2 生產(chǎn)率

生產(chǎn)率是指在樣機(jī)正常工作狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)加工出的草辮的質(zhì)量。

式中 P——生產(chǎn)率，kg/h

m1——指定試驗(yàn)過(guò)程中的草辮質(zhì)量，kg

t1——穩(wěn)定工作開(kāi)始的時(shí)間，s

t2——穩(wěn)定工作結(jié)束的時(shí)間，s

4.3.3 堆積密度

堆積密度是把草辮自由填充于堆積盒中，在正好填充滿堆積盒后所測(cè)得的單位體積質(zhì)量。

式中 ρb——草辮堆積密度，kg/m3

M——堆積盒滿載質(zhì)量，kg

m——堆積盒質(zhì)量，kg

V——堆積盒體積，m3

4.4 草辮拉伸試驗(yàn)分析

圖12 草辮拉伸試驗(yàn)與結(jié)果Fig．12 Tension test and results of grass braid

取不同階段的成型草辮，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸的試驗(yàn)結(jié)果顯示，草辮的斷裂方式是前后兩束草之間位置的滑移，而并非青草的斷裂。任取兩組草辮拉伸試驗(yàn)結(jié)果，如圖12b所示，草辮所能承受的最大拉力為300～350 N。草辮拉力在位移為0.25～0.30 m之間達(dá)到最大值，此時(shí)位移近似等于青草長(zhǎng)度的1/2。拉伸過(guò)程前段，草辮拉力與位移成正比。在拉力上升過(guò)程中出現(xiàn)拉力突然下降再上升的現(xiàn)象，是由于拉伸草辮過(guò)程中部分草突然發(fā)生滑移所致;后段，草辮拉力隨著位移增大而減小，減小的速度越來(lái)越小，草辮最終斷裂。

4.5 性能測(cè)試結(jié)果

性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 性能測(cè)試結(jié)果Tab．2 Performance test results

以上試驗(yàn)結(jié)果顯示，青草制辮成型機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到牧民的需求，該機(jī)器能夠滿足生產(chǎn)的需要，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在加捻滾筒性能參數(shù)保持不變情況下，喂入量越大，青草制辮生產(chǎn)率越高，加捻滾筒能夠有效實(shí)現(xiàn)單股青草制辮，但隨著喂入量的改變，牽引輥的間隙也應(yīng)作出相應(yīng)調(diào)整。在兩股草辮合股過(guò)程中，兩股草辮必須同時(shí)具有前進(jìn)和公轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)形式，合股牽引輸出裝置可實(shí)現(xiàn)草辮的合股和牽引輸出，有效改善草辮的制辮質(zhì)量，牽引輥如果不圍繞草辮的軸線旋轉(zhuǎn)，兩股草辮將不能實(shí)現(xiàn)合股。

5 結(jié)論

(1)建立了青草在加捻滾筒內(nèi)的制辮成型時(shí)間與軸向移動(dòng)速度、加捻滾筒的旋轉(zhuǎn)速度、加捻滾筒的半徑以及喂入量的數(shù)學(xué)模型，得出在穩(wěn)定狀態(tài)下草辮獲得的最終捻度和捻回角，只與加捻滾筒轉(zhuǎn)速和牽引輥轉(zhuǎn)速有關(guān)，與加捻時(shí)間和加捻區(qū)的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。

(2)根據(jù)賽絡(luò)紡的工作原理，設(shè)計(jì)了一種青草制辮成型裝置，帶有抄板的加捻滾筒旋轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)單股草辮的加捻，牽引輥隨合股旋轉(zhuǎn)部件一起公轉(zhuǎn)，起到兩股草辮合股加捻的目的，合股牽引輸出裝置可同時(shí)提供旋轉(zhuǎn)和向前輸送2個(gè)運(yùn)動(dòng)形式，能夠使輸出的草辮呈現(xiàn)麻花狀。

(3)以含水率為61.05%的燕麥秸稈為原料，在加捻滾筒轉(zhuǎn)速和合股牽引輸出裝置的旋轉(zhuǎn)速度均為140 r/min，合股牽引輸出裝置上牽引輥的旋轉(zhuǎn)速度為40 r/min，即牽引輸出速度為0.17 m/s的情況下進(jìn)行了青草制辮成型性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該成型機(jī)生產(chǎn)率為427 kg/h，工作功率為0.428 kW，成型草辮堆積密度為143.3 kg/m3。

(4)提出了將草辮所能承受的最大拉力作為評(píng)價(jià)草辮緊實(shí)度考核指標(biāo)的一種方法。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，草辮所能承受的最大拉力為300～350 N。草辮拉力在位移為0.25～0.30 m之間達(dá)到最大值。草辮的斷裂方式是前后兩束草之間位置的滑移，而并非牧草自身的斷裂。

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Design and Experiment of Green Grass Braid Form ing Device

LIShuai WANG Guanghui WANG Decheng BAIXiaopeng BAIHuijuan
(College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)

In order tomeet the requirement of the grass braid mechanization technology in the pasturing area such as the Qingzang Plateau，a grass braid forming devicewas designed with the function of twisting and plying referring to the principle of Siro-spinning．The mechanical analysis showed that grass braid forming processwas affected by axialmovement speed，rotating speed of twisting roller，radius of twisting roller and feed quantity．The final twist and twist angle of grass braid were only relevant to the rotational speed of twisting roller and the linear velocity of pulling rollers，but had nothing to do with the spinning time and length of twisting zone．As a new method，the maximum tension force that grass braid could bear was taken as assessment index of grass braid strength．The prototype experimentwas carried outwith oat straw with themoisture content of61.05%．It showed that the productivity of the forming device was 427 kg/h，the working power was 0.428 kW，and the bulk density of formed grass braid was 143.3 kg/m3，respectively，which met the design requirements of grass braid forming device．The results of tension tests showed that themaximum tension force of the grass braid was positively correlated with the twist angle，and themaximum force reached 300～350 N when the displacement was equal to half of the length of grass．The fracture of grass braid was due to the slip between two bunches of grass，which had nothing to do with grass fracture．Thismethod and experiment provided theoretical support for grass braid forming technology．

green grass;braid;forming device;twisting;plying

S226.7

A

1000-1298(2017)07-0112-09

2017-04-10

2017-05-08

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201203007)

李帥(1990—)，男，博士生，主要從事草業(yè)機(jī)械設(shè)備研究，E-mail:lishuai_marshal@cau．edu．cn

王光輝(1974—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事牧草與生物質(zhì)生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)研究，E-mail:guanghui．wang@cau．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．014