宋育國(guó)

摘要 針對(duì)我國(guó)現(xiàn)有圓草捆包膜機(jī)無(wú)法針對(duì)不同規(guī)格圓捆機(jī)所打圓草捆進(jìn)行調(diào)節(jié)作業(yè)且調(diào)節(jié)范圍小等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臂式圓草捆包膜機(jī)。依據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，以影響其工作性能的主要因素轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)臂與托輥速比和拉伸膜預(yù)緊力為試驗(yàn)因素，以包膜時(shí)間、拉伸膜消耗量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速為32.4 r/min、轉(zhuǎn)臂與托輥速比為2.6、拉伸膜預(yù)緊力為23 N時(shí)，包膜時(shí)間為34 s/捆、拉伸膜消耗量為3.1 kg/t。該研究結(jié)果可為圓草捆包膜機(jī)的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞 圓草捆；包膜機(jī)；轉(zhuǎn)臂

中圖分類號(hào) S225.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）04-0144-02

Abstract Because the existing round bale coated machine can′t be suitable to different specifications of the baler，the jib type coated machine for round bale is designed.Based on the theory of quadratic regression orthogonal rotation combination test design，the main factors of the turning arm speed，speed ratio of the turning arm to the roller and stretch film pre-tightening force were selected as test factors，with coated time and stretch film as evaluation indexes，then the experiment was carried out. Experimental results showed that when turning arm speed was 32.4 r/min，derrick and roll speed ratio was 2.6，stretch film pre-tightening force was 23 N，the coated time could reach 34 s/bale，and stretch film consumption was 3.1 kg/t.The research results can provide references for round bale coated machine research.

Key words round bale；coated machine；jib arm

我國(guó)現(xiàn)有圓捆機(jī)所收獲的草捆尺寸主要為直徑0.5～1.0 m、長(zhǎng)度0.75～1.00 m，但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有圓捆包膜設(shè)備不能完全滿足其包膜作業(yè)。因此，研究適于我國(guó)需要的包膜設(shè)備非常必要。

畜牧業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家于20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始發(fā)展圓草捆包膜機(jī)，現(xiàn)已形成系列化產(chǎn)品，并已趨向大型化、自動(dòng)化、打捆包膜一體化。我國(guó)對(duì)圓捆包膜機(jī)的研究起步相對(duì)較晚，目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)圓捆包膜機(jī)做了大量應(yīng)用研究，如李傳峰等[1]對(duì)圓草捆包膜機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)，杜 韌等[2]對(duì)圓草捆包膜機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，但主要是針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)式圓捆包膜機(jī)進(jìn)行的研究。

為此，本文設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)臂式圓草捆包膜機(jī)，并對(duì)此種包膜機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為圓草捆包膜機(jī)的研發(fā)提供參考。

1 轉(zhuǎn)臂式圓草捆包膜機(jī)總體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)臂式圓草捆包膜機(jī)主要由主機(jī)架、托輥機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)臂包膜機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，整機(jī)尺寸為1 900 mm×1 100 mm×2 000 mm，適于直徑0.5 m～1.0 m、長(zhǎng)度0.5 m～1.0 m的圓草捆包膜，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

包膜時(shí)，托輥機(jī)構(gòu)利用托輥與圓草捆之間的摩擦力帶動(dòng)圓草捆轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)臂包膜機(jī)構(gòu)帶動(dòng)供膜裝置繞圓草捆進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，上述2個(gè)機(jī)構(gòu)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)使拉伸膜均勻纏繞在圓草捆上，當(dāng)達(dá)到預(yù)定包膜層數(shù)后，切斷拉伸膜。

2 轉(zhuǎn)臂式圓草捆包膜機(jī)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

本文選Φ500 mm×750 mm的圓草捆作為試驗(yàn)材料[21]，在含水量為14%時(shí)的質(zhì)量為24 kg。拉伸膜采用專用塑料拉伸膜，厚為0.025 mm、寬為250 mm，經(jīng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)測(cè)得其承受最大拉伸力為32 N。

2.2 試驗(yàn)因素及評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

2.2.1 試驗(yàn)因素及其取值范圍。根據(jù)上述分析和預(yù)試驗(yàn)，本文選取轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速（A）、轉(zhuǎn)臂與托輥速比（B）、拉伸膜預(yù)緊力（C）作為試驗(yàn)因素。

由前期試驗(yàn)和分析可知，當(dāng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速高于35 r/min時(shí)，會(huì)出現(xiàn)包膜過(guò)程不穩(wěn)定現(xiàn)象；拉伸膜易損壞，當(dāng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速低于8 r/min時(shí)，生產(chǎn)率極低。因此，將轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速的取值范圍設(shè)為8～35 r/min。當(dāng)轉(zhuǎn)臂與托輥速比低于1.3時(shí)，包裹在圓草捆上的2圈拉伸膜之間不能重疊，包膜完成后易出現(xiàn)包膜厚度不均勻、密封性差的現(xiàn)象；當(dāng)轉(zhuǎn)臂與托輥速比大于4.7時(shí)，拉伸膜的重疊率會(huì)達(dá)到60%，此時(shí)包膜密封性好，但會(huì)造成拉伸膜的浪費(fèi)。因此，將轉(zhuǎn)臂與托輥速比的取值范圍設(shè)為1.3～4.7。當(dāng)拉伸膜預(yù)緊力超過(guò)23 N時(shí)，在包膜過(guò)程中容易出現(xiàn)斷膜現(xiàn)象，并考慮包膜緊實(shí)度和圓草捆穩(wěn)定性[3]。因此，將拉伸膜預(yù)緊力的取值范圍設(shè)為6～23 N。

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試方法。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，確定本文試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)如下。

（1）包膜時(shí)間（T）。試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)得并記錄圓草捆完成包膜所需時(shí)間（按4層計(jì)算）。

（2）拉伸膜消耗量（G）。拉伸膜消耗量是完成一次包膜（按4層計(jì)算）所需拉伸膜的質(zhì)量與圓草捆的實(shí)際質(zhì)量之間的比值。拉伸膜消耗量計(jì)算公式為：

G=■（1）

式中：G為拉伸膜消耗量，kg/t；G1為拉伸膜質(zhì)量，kg；G2為被測(cè)圓草捆質(zhì)量，t。

2.3 試驗(yàn)方案

依據(jù)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)理論，以轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速（A）、轉(zhuǎn)臂與托輥速比（B）、拉伸膜預(yù)緊力（C）為試驗(yàn)因素，以包膜時(shí)間（T）、拉伸膜消耗量（G）為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)因素水平編碼見(jiàn)表1。

2.4 結(jié)果與分析

2.4.1 試驗(yàn)結(jié)果。將試驗(yàn)方案中23組試驗(yàn)各重復(fù)5次，結(jié)果取其平均值，運(yùn)用Design-Expert軟件進(jìn)行分析，得出轉(zhuǎn)臂速度（A）、轉(zhuǎn)臂與托輥速比（B）、拉伸膜預(yù)緊力（C）的回歸模型?；诟髦笜?biāo)回歸模型顯著性分析結(jié)果，剔除不顯著項(xiàng)，獲取各因素編碼值與包膜時(shí)間（T）、拉伸膜消耗量（G）的回歸模型，分別如式（2）、（3）所示。

T=51.03-19.9A+14.82B-6.41AB+6.96A2（2）

G=4.41-0.2A+1.26B-0.37C-0.21BC-0.16B2（3）

2.4.2 響應(yīng)曲面分析。由具體試驗(yàn)結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速（A）和轉(zhuǎn)臂與托輥速比（B）對(duì)包膜時(shí)間的影響顯著，轉(zhuǎn)臂與托輥速比（B）與拉伸膜預(yù)緊力（C）對(duì)拉伸膜消耗量的影響顯著，運(yùn)用Design-Expert軟件得出響應(yīng)曲面圖，具體如圖2所示。

圖2（a）為轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)臂與托輥速比交互作用對(duì)包膜時(shí)間的響應(yīng)曲面圖?？芍黾愚D(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速和減小轉(zhuǎn)臂與托輥速比有助于降低包膜時(shí)間。主要原因?yàn)檗D(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速增大，包膜效率提高，包膜時(shí)間減小；轉(zhuǎn)臂與托輥速比減小，包膜重疊率變小，圓草捆單層包膜所需時(shí)間減小，造成包膜時(shí)間降低。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速取最大值、轉(zhuǎn)臂與托輥速比取最小值時(shí)，包膜時(shí)間達(dá)到最小值[4-5]。

圖2（b）為拉伸膜預(yù)緊力和轉(zhuǎn)臂與托輥速比交互作用對(duì)拉伸膜消耗量的響應(yīng)曲面圖?？芍瑴p小轉(zhuǎn)臂與托輥速比和增加拉伸膜預(yù)緊力有助于降低拉伸膜消耗量；主要原因?yàn)椋恨D(zhuǎn)臂與托輥速比減小，包膜重疊率變小，圓草捆包單層所需的拉伸膜降低，包膜層數(shù)不變時(shí)，拉伸膜消耗量降低；拉伸膜預(yù)緊力增加，包膜時(shí)拉伸膜形變?cè)酱?，緊實(shí)度也越高，重疊率和包膜層數(shù)不變時(shí)，拉伸膜消耗量降低。在試驗(yàn)范圍內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)臂與托輥速比取最小值、拉伸膜預(yù)緊力取最大值時(shí)，拉伸膜消耗量達(dá)到最小值[6]。

2.5 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)可知，當(dāng)圓草捆包膜重疊率為30%～50%時(shí)，包裹密封性能達(dá)到很好的效果，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)臂與托輥速比為2.6～3.6。借助優(yōu)化回歸模型，以轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速（A）、轉(zhuǎn)臂與托輥速比（B）、拉伸膜預(yù)緊力（C）的取值范圍為約束條件，以包膜時(shí)間（T）最少、拉伸膜消耗量（G）最少為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行包膜機(jī)參數(shù)優(yōu)化，其目標(biāo)函數(shù)如式（4）所示。

F=[min（T），min（G）]（4）

優(yōu)化條件：8

3 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)臂式包膜機(jī)能有效完成圓草捆包膜作業(yè)。

（2）利用轉(zhuǎn)臂式圓草捆包膜機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，以轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)臂與托輥速比、拉伸膜預(yù)緊力為試驗(yàn)因素，以包膜時(shí)間、拉伸膜消耗量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定了轉(zhuǎn)臂式圓草捆包膜機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合：轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速為32.4 r/min，轉(zhuǎn)臂與托輥速比為2.6，拉伸膜預(yù)緊力為23 N。按此參數(shù)組合測(cè)得的包膜時(shí)間為34 s/捆，拉伸膜消耗量3.1 kg/t。

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