河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司 張秀平 陳林 袁興茂 張亞振

1 引言

聯(lián)合收割機(jī)配套秸稈打捆機(jī)是一種以聯(lián)合收割機(jī)滾動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)力為動(dòng)力源的秸稈收集壓捆機(jī)具。其主要由減速機(jī)、活塞驅(qū)動(dòng)裝置、秸稈通道、喂入裝置、捆繩裝置、密度調(diào)節(jié)裝置、成捆室、捆繩箱等部件組成（圖1）。其中，由活塞及其驅(qū)動(dòng)裝置、成捆室及其調(diào)節(jié)裝置等組成的壓縮系統(tǒng)是影響草捆密度的關(guān)鍵。由于受空間位置及動(dòng)力的限制，草捆密度相對(duì)較低（2015年經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)得在秸稈含水率為16.8%時(shí)所壓制的草捆密度均值為102.4kg/m3）。

圖1 配套秸稈打捆機(jī)結(jié)構(gòu)

2 壓縮系統(tǒng)優(yōu)化方案

2.1 壓縮行程優(yōu)化方案

物料壓縮密度與壓縮活塞的有效行程密切相關(guān)。而壓縮有效行程又主要與曲柄長度、連桿長度關(guān)系密切。因此，改變壓縮行程的有效辦法是改變曲柄與連桿的長度。

研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著壓縮行程的增加，草捆密度也隨之增大，但當(dāng)壓縮活塞的有效行程達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，草捆的密度基本不再變化[1]。而聯(lián)合收割機(jī)配套秸稈打捆機(jī)的物料喂入形式為上喂入，活塞返程回到起點(diǎn)時(shí)需要避開喂入口，活塞連桿加長，需要喂入口后延才能保證活塞起始位置不在喂入口下方區(qū)域。因此，在不改變整體尺寸的前提下，活塞連桿長度縮短更有利于秸稈的喂入。

活塞有效行程的加長可通過增加活塞連桿長度或增加驅(qū)動(dòng)曲柄長度實(shí)現(xiàn)（圖2a，圖2b），但如果加長活塞連桿長度，在活塞返程后，活塞位置會(huì)有一部分處于入料口下方，導(dǎo)致部分秸稈堆積在活塞上方，不能順利喂入到壓縮腔體內(nèi)，影響活塞作業(yè)性能。為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)增加活塞有效形成和縮短活塞連桿長度的目的，加大活塞驅(qū)動(dòng)盤直徑（即加長驅(qū)動(dòng)曲柄長度），同時(shí)縮短活塞連桿長度（圖2c）。

圖2 加長活塞行程的方式

由于活塞驅(qū)動(dòng)曲柄的加長會(huì)使活塞驅(qū)動(dòng)盤直徑增加，其質(zhì)量隨之增加，運(yùn)動(dòng)耗能增加。因此，在滿足作業(yè)需求及曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)條件的前提下，可在一定范圍內(nèi)增加曲柄長度，但不可過分加長。

2.2 壓縮截面優(yōu)化方案

壓縮截面對(duì)壓縮所消耗的有用功有很大影響[2]，表現(xiàn)為在一定范圍內(nèi)壓縮截面積與有用功系數(shù)成反比，即壓縮截面積越小，有用功系數(shù)越大，截面積越大，有用功系數(shù)越小。由于聯(lián)合收割機(jī)配套秸稈打捆機(jī)受到空間位置的影響，打捆機(jī)本身尺寸相對(duì)較小，壓縮腔體尺寸相對(duì)撿拾壓捆機(jī)或固定式壓捆機(jī)都要小。除了受空間限制外，其動(dòng)力來源于聯(lián)合收割機(jī)滾筒軸，動(dòng)力較小，這也決定了其壓縮腔體尺寸及壓縮截面尺寸較小。

但是截面積大小影響草捆數(shù)量和打結(jié)器工作量。截面積越小，相同體積的秸稈壓制成的草捆數(shù)量越多，使用捆繩量增加，經(jīng)濟(jì)性差；草捆越多，打結(jié)器工作量增加，使用壽命縮短。

因此，在空間、動(dòng)力以及耗能等因素的多重約束下，壓縮截面尺寸不能再縮小或擴(kuò)大。但考慮到壓縮腔體外部只有上下方向上設(shè)置有密度調(diào)節(jié)裝置，而左右方向僅有腔體的兩側(cè)板阻止秸稈向外擴(kuò)張，因此，在壓縮腔內(nèi)增加可提高草捆密度的限草板（圖3），在未加調(diào)整裝置的截面方向上增加對(duì)草捆的阻力。該限草板安裝于壓縮腔體的兩側(cè)邊上，在草捆壓縮方向上與側(cè)邊成銳角，目的是增加草捆壓出阻力，增加草捆緊實(shí)度。

圖3 限草板結(jié)構(gòu)及安裝示意圖

2.3 壓縮頻率優(yōu)化方案

活塞的壓縮速度和頻率對(duì)草捆密度影響顯著。

在一定的活塞壓力下，物料的密度在一段時(shí)間內(nèi)會(huì)繼續(xù)增加，即利用較低的壓縮速度可以得到較高的密度[3]。也就是說，秸稈中空部分及秸稈之間含有的空氣并不能一下子被擠出，需要有一定的力經(jīng)過一定的時(shí)間才能將空氣完全從秸稈內(nèi)壁和秸稈之間擠出去。

活塞的壓縮速度提高，其壓縮頻率加快，在保證喂入量的前提下，可以提高生產(chǎn)效率[4]。聯(lián)合收割機(jī)滾筒的正常工作轉(zhuǎn)速是1200r/min左右，其動(dòng)力通過鏈傳動(dòng)傳遞給打捆機(jī)，提高打捆機(jī)的活塞壓縮頻率可以減小鏈傳動(dòng)的減速比，對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)是有利的。但壓縮頻率提高需要更大的動(dòng)力，而聯(lián)合收割機(jī)滾筒軸的動(dòng)力是有限的，為了保證聯(lián)合收割機(jī)的正常運(yùn)行，不能再將更多的動(dòng)力分配給打捆機(jī)。此外，較高的壓縮速度造成秸稈壓縮不緊實(shí)，秸稈內(nèi)空氣不能完全排出，內(nèi)應(yīng)力得不到有效釋放，在草捆成型后擠出壓縮腔體或者裝載運(yùn)輸過程中，內(nèi)應(yīng)力充分釋放導(dǎo)致草捆膨脹，容易散捆。因此，為了解決上述問題，需要將壓縮頻率在合理范圍內(nèi)進(jìn)行降低。

聯(lián)合收割機(jī)滾筒軸的工作轉(zhuǎn)速經(jīng)過鏈傳動(dòng)（傳動(dòng)比20:31）為打捆機(jī)提供了775r/min的輸入轉(zhuǎn)速。將減速機(jī)減速比由1:8.6降低為1:9，使減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速由90行程/min降低至86行程/min。

3 打捆試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

獲得該數(shù)據(jù)的試驗(yàn)條件為：小麥秸稈含水率為16.8%左右，草捆長度調(diào)節(jié)至82～85cm，草捆截面尺寸約30×40cm，草捆體積0.1m3左右，聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)效率為5～8畝/h。

表1 草捆壓縮密度數(shù)據(jù)

3.2 試驗(yàn)分析

圖4 密度值分布圖

由圖4可知，對(duì)壓縮系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)后，在測(cè)取的這5組40個(gè)數(shù)據(jù)中，草捆密度分布最為密集的區(qū)域?yàn)?14～118kg/m3，在均值116.6kg/m3線上下離散分布。

4 結(jié)論

通過對(duì)聯(lián)合收割機(jī)配套秸稈打捆機(jī)壓縮系統(tǒng)的研究，采用了縮短壓縮行程、添加阻草板和降低壓縮頻率等改進(jìn)措施，在總體尺寸不變的前提下，使草捆密度由改進(jìn)前的102.4kg/m3提高到改進(jìn)后的116.6 kg/m3，密度提高了13.87%，達(dá)到了優(yōu)化目的。

[1]李耀明,成鋮,徐立章.4L-4.0型稻麥聯(lián)合收獲打捆復(fù)式作業(yè)機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016,32(23):29-35.

[2]李旭英.不同壓捆室截面對(duì)苜蓿壓捆時(shí)功耗的影響[A].中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì).2007年中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C].中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì),2007:1.

[3]陳鋒.大方捆打捆機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及壓縮試驗(yàn)研究[D].中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院,2007.

[4]于建國,趙洪剛.新型固定式半自動(dòng)飼草壓捆機(jī)的設(shè)計(jì)[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2007,(02):108-111.