劉大為，謝方平 ，鄔 備，王修善，謝錦帆

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長(zhǎng)沙 410128；3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，長(zhǎng)沙 410128）

0 引 言

秸稈作為農(nóng)作物的重要副產(chǎn)品，其實(shí)也是工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要生產(chǎn)資源。用水稻秸稈編織的草簾，能廣泛使用于磚廠防曬、建筑、糧倉(cāng)、木耳生產(chǎn)、車皮包裝、蔬菜大棚冬季保溫，以及預(yù)制件的防干養(yǎng)護(hù)等場(chǎng)合[1-2]。目前水稻秸稈編織運(yùn)用最廣的機(jī)械是平面式草簾編織機(jī)，需要操作人員分別站在機(jī)器兩側(cè)，不斷的把稻草整齊均勻地鋪放在輸送面上，存在用工量大，工作環(huán)境差等問(wèn)題[3]，隨著人工成本的不斷提升，使用者對(duì)自動(dòng)攤鋪送料編織機(jī)械的需求越來(lái)越迫切。

稻秸稈屬于黏彈性生物質(zhì)物料，受稻葉間纏結(jié)的影響，其均勻攤鋪難度較大，同時(shí)攤鋪厚度對(duì)編織機(jī)的功耗、生產(chǎn)效率以及編織草簾質(zhì)量等均有重要的影響[4-5]。從查閱的文獻(xiàn)資料來(lái)看，國(guó)內(nèi)外稻秸稈主要以還田循環(huán)利用為主，原料的商品化利用很少，鮮有草簾編織機(jī)報(bào)道[6-9]。國(guó)內(nèi)研究人員根據(jù)紡織工業(yè)中的針織原理，開(kāi)發(fā)的平面式草簾編織機(jī)在北方應(yīng)用較廣，可兼用于稻麥秸稈編織，較為成熟機(jī)型有河南先鋒草編機(jī)械廠等生產(chǎn)的1 200/1 500型全導(dǎo)桿草簾機(jī)，編織作業(yè)時(shí)依靠人工分?jǐn)偨斩捝狭?，最大作業(yè)速度可達(dá)200 m/h，正常作業(yè)速度約90～120 m/h，攤鋪稻草所需人工4～6人，作業(yè)時(shí)能實(shí)現(xiàn)單線編織、草簾自動(dòng)切邊、織線自動(dòng)鎖頭等功能，編織時(shí)主要存在人工分料不勻、秸稈輸送傾斜、編織打結(jié)空扣等問(wèn)題[3,10-11]。縱觀草簾機(jī)研究主要集中在編織裝置中鎖扣機(jī)構(gòu)、進(jìn)料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化上，對(duì)輸送過(guò)程中秸稈的機(jī)械化鋪放等問(wèn)題研究較少，翟行彪[3]研制了一種通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)分草機(jī)構(gòu)使得稻草成束，再由電機(jī)帶動(dòng)抓草機(jī)械手在機(jī)架間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)抓草與放草動(dòng)作的自動(dòng)鋪草機(jī)，提高了秸稈鋪放效率，但機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。

現(xiàn)有文獻(xiàn)研究表明，把稻秸稈從“堆”變成“束”，提高稻秸稈編織前的攤鋪效率，是實(shí)現(xiàn)平面式草簾編織機(jī)自動(dòng)攤鋪喂料的關(guān)鍵[3,10]。本文通過(guò)模擬人工對(duì)稻秸稈進(jìn)行攤薄、鋪放的作業(yè)過(guò)程，研制了一種與先鋒1 500平面草簾機(jī)配套使用的自動(dòng)攤鋪分束裝置，并利用ADAMS軟件對(duì)裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)，以攤鋪、分束過(guò)程中稻秸稈的鋪放厚度，以及與平面式草簾編織機(jī)配套使用時(shí)，稻秸稈的分束率和編織過(guò)程中的漏編率為試驗(yàn)指標(biāo)，測(cè)試攤鋪分束裝置工作情況及整機(jī)作業(yè)性能，對(duì)比分析不同作業(yè)速度和裝置對(duì)應(yīng)工作頻率下秸稈攤鋪、分束及編織效果，可為后續(xù)自動(dòng)化稻秸稈編織機(jī)的研發(fā)提供參考。

1 攤鋪分束裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 攤鋪分束裝置結(jié)構(gòu)

該裝置與平面式草簾編織機(jī)配套使用時(shí)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。攤鋪分束裝置由攤鋪裝置和分束裝置通過(guò)連桿經(jīng)螺栓固連而成，機(jī)具轉(zhuǎn)移時(shí)能快速拆分，與草簾編織機(jī)配套使用時(shí)能迅速組合，相互匹配，同時(shí)為避免纏草，傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)時(shí)多采用連桿機(jī)構(gòu)。機(jī)器工作時(shí)，由人工將稻秸稈鋪放至喂料平臺(tái)，依次推送喂入攤鋪裝置；經(jīng)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成的上、下對(duì)切機(jī)構(gòu)帶動(dòng)釘齒板步進(jìn)式相向運(yùn)動(dòng)，對(duì)秸稈進(jìn)行攤薄并輸送至分束裝置；在分束裝置耙分機(jī)構(gòu)的作用下，攤薄的秸稈層沿傾斜板耙分成束，鋪放至平面式草簾編織機(jī)送草機(jī)構(gòu)；送草機(jī)構(gòu)采用多連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，作業(yè)時(shí)能“托舉”秸稈沿托草板構(gòu)成的輸送面步進(jìn)輸送，并經(jīng)壓草桿鎮(zhèn)壓（縱向壓實(shí)）、集草裝置周期性的撥送后（橫向壓實(shí)）輸送至平面草簾編織機(jī)編織裝置進(jìn)行草簾編織，形成具有一定編織厚度和緊實(shí)度的稻秸稈草簾，與此同時(shí)，調(diào)節(jié)兩側(cè)檔草板間的距離可編織不同寬度草簾，由動(dòng)定刀片組合而成的切邊裝置可對(duì)草簾兩側(cè)進(jìn)行美化修邊處理。

圖1 攤鋪分束裝置與草簾編織機(jī)配套使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural sketch of spreading and raking fascicles device used with flat straw braiding machine

表1 配套裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of matching device

1.2 作業(yè)流程與工作原理

作業(yè)流程及工作原理如圖2所示：

由人工將收獲曬干后的稻秸稈散捆后，從圖1a編織機(jī)喂料平臺(tái)兩側(cè)以穗頭搭接的形式喂入，在稻秸稈攤鋪裝置中成一定相交角，且作周期性相向運(yùn)動(dòng)的上、下對(duì)切機(jī)構(gòu)作用下，通過(guò)上、下攤鋪釘齒板周期性搓分秸稈，實(shí)現(xiàn)對(duì)稻秸稈的“對(duì)搓”攤薄，其中上對(duì)切機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)將秸稈向后方向耙撥，起攤薄作用，使得秸稈堆變成較薄的秸稈層，下對(duì)切機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)將攤薄后的秸稈向分束裝置步進(jìn)輸送。經(jīng)分束裝置耙分機(jī)構(gòu)周期性的耙撥，使得稻秸稈成束狀排列輸出，“分束”后鋪放在圖 1b所示的平面式草簾編織機(jī)輸送面上，經(jīng)送草機(jī)構(gòu)間歇式輸送，均勻鋪放進(jìn)入平面式草簾編織機(jī)編織裝置，再由針織鎖扣機(jī)構(gòu)利用單線打結(jié)原理進(jìn)行編織，從而完成整個(gè)稻秸稈的編織過(guò)程。

設(shè)計(jì)要求：攤鋪分束裝置與平面式草簾編織機(jī)配套使用時(shí)，在70～120 m/h的日常編織速度下，能實(shí)現(xiàn)稻秸稈自動(dòng)攤薄上料，編織草簾厚度為20～25 mm，且具有一定緊實(shí)度，滿足使用要求。

圖2 作業(yè)流程及工作原理圖Fig.2 Diagram of operation process and working principle

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 攤鋪裝置

2.1.1 工作原理與設(shè)計(jì)要求

稻秸稈攤薄的人工方法通常是將手掌壓住稻稈堆后左右來(lái)回不停的“搓動(dòng)”，使其向兩邊分散。秸稈攤鋪裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 攤鋪裝置Fig.3 Structure of spreading device

模擬人工作業(yè)過(guò)程，設(shè)計(jì)的上、下對(duì)切機(jī)構(gòu)由 2組尺寸完全相同的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)連接釘齒板組成，其中釘齒板上釘齒長(zhǎng)度不等，適應(yīng)秸稈沿軸向（高度）的尺寸變化。攤鋪裝置中上、下對(duì)切機(jī)構(gòu)經(jīng)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)攤鋪釘齒板作步長(zhǎng)相等、周期相同的相向運(yùn)動(dòng)，其中下對(duì)切機(jī)構(gòu)水平布置，主要負(fù)責(zé)將底部或攤薄后的稻秸稈向出口方向推送，上對(duì)切機(jī)構(gòu)與水平方向成一定傾角安裝，主要負(fù)責(zé)將上層部分的稻秸稈向后推撥減薄，通過(guò)相向的對(duì)切運(yùn)動(dòng)攤薄稻秸稈堆，從而使得稻秸稈由厚變薄并步進(jìn)式輸送至后續(xù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分束[11]。根據(jù)草簾的厚度要求，以及稻秸稈自然狀態(tài)和織線鎖緊后二者的體積變化（編織一定長(zhǎng)度的草簾，由于編織寬度相同，體積變化可通過(guò)測(cè)量草簾織線未鎖扣部位與鎖扣部位的厚度進(jìn)行估算，得秸稈壓縮比約為 2:1），可知攤鋪裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)為攤薄后秸稈厚度應(yīng)≤40 mm。

2.1.2 對(duì)切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與參數(shù)確定

取攤鋪裝置同側(cè)對(duì)切機(jī)構(gòu)中上、下兩曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖。以下對(duì)切機(jī)構(gòu)偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系xOy。在曲柄為周期性轉(zhuǎn)動(dòng)的連桿機(jī)構(gòu)中，為保證兩對(duì)切機(jī)構(gòu)錯(cuò)列相向運(yùn)動(dòng)，安裝時(shí)2個(gè)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的相位角相差π，如圖4所示。

如果已知 P（P＇）的運(yùn)動(dòng)情況，即可求得攤鋪釘齒運(yùn)動(dòng)軌跡，分析攤鋪過(guò)程。攤鋪裝置中對(duì)切機(jī)構(gòu)上P（P＇）點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析如下[12-15]：

在xOy坐標(biāo)系中，建立封閉的矢量多邊形，有：

求得下對(duì)切機(jī)構(gòu)中連桿上P點(diǎn)的坐標(biāo)為：

式中l(wèi)1、l2、l5分別為下對(duì)切機(jī)構(gòu)中桿OA、AB、DP的長(zhǎng)度，mm；θ1、θ2、φ分別為下對(duì)切機(jī)構(gòu)中桿OA、AB與x軸方向夾角，桿PD 與桿AB間的夾角，（°）。平移坐標(biāo)至x＇O＇y＇，有：同理可求得上對(duì)切機(jī)構(gòu)中連桿上P＇點(diǎn)的坐標(biāo)：

式中e、L0分別為上對(duì)切機(jī)構(gòu)中曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)中心O＇點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)O在x、y軸方向的距離，mm。由此可見(jiàn)，在各構(gòu)件尺寸已知的情況下，聯(lián)立式（2）、（3），即可求得任意時(shí)刻攤鋪裝置上、下對(duì)切機(jī)構(gòu)中齒板間的位移大小，將上述兩式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)即可求得P、P＇點(diǎn)的速度、加速度方程。

根據(jù)草簾編織厚度 20～25 mm要求及現(xiàn)有平面草簾機(jī)結(jié)構(gòu)，在上對(duì)切機(jī)構(gòu)中，確定鉸接點(diǎn)C＇沿輸送面位置布置，取曲柄長(zhǎng)度l1＇=40 mm，桿長(zhǎng)l2＇=220 mm、 l3＇=145 mm， l4＇=262 mm，由此可見(jiàn)選定B A P′′′∠ 值，即可確定P＇點(diǎn)位置，求得各連桿尺寸和運(yùn)動(dòng)范圍[15]。

不考慮稻秸稈間的纏結(jié)影響，為防止上攤鋪釘齒勾草，上對(duì)切機(jī)構(gòu)的安裝傾角 δ與稻秸稈和釘齒間的摩擦角λ應(yīng)滿足下列關(guān)系式：

用制作的釘齒板傾斜一定角度橫向耙分秸稈，測(cè)算得到該條件摩擦角下λ取值范圍約為80°～85°，則δ取值為 10°～15°，本機(jī)設(shè)計(jì)取 δ=10°。

圖4 對(duì)切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型Fig.4 Motion model of bisecting mechanism

在圖5中，當(dāng)θ1＇分別取0和π兩個(gè)極限位置，可知上對(duì)切機(jī)構(gòu)攤薄秸稈時(shí)，在水平方向最大位移lxMAX（輸送步長(zhǎng)）與 θ2＇、 ∠B ′A′P′的關(guān)系，滿足方程：

表2 對(duì)切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸Table 2 Structure and size of bisecting mechanism

2.2 分束裝置

2.2.1 工作原理與設(shè)計(jì)要求

稻秸稈人工分束通常采用一只手“扣壓”秸稈堆，另一只手“扯分”秸稈，使之成“束”后再鋪放到草簾機(jī)輸送機(jī)構(gòu)上進(jìn)行編織。據(jù)此過(guò)程，設(shè)計(jì)的分束裝置一方面沿?cái)備佈b置與編織裝置輸送面間的輸送面輸送時(shí)由攤鋪輸送釘齒“扣”住秸稈，另一方面通過(guò)可伸縮的分束齒往復(fù)運(yùn)動(dòng)向下“耙分”秸稈，實(shí)現(xiàn)秸稈分束，裝置結(jié)構(gòu)如圖 5所示。該裝置主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鏈傳動(dòng)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、分束伸縮齒組件和機(jī)架等組成，分束伸縮齒在復(fù)位拉簧作用下，可在齒架間做伸縮運(yùn)動(dòng)，使得齒尖能緊貼下料面耙分稻秸稈，提高分束效果，同時(shí)可避免劇烈撞擊。當(dāng)分束齒在多桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下周期性耙撥稻草時(shí)，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程是看作先往下“取草”，再水平“分草”，即耙草開(kāi)始階段分束齒與下料面保持一定高度，在耙草運(yùn)動(dòng)末端應(yīng)盡可能的保持垂直，以避免帶草或纏草。

設(shè)計(jì)要求：1）依據(jù)人工分束經(jīng)驗(yàn)，分束齒尖水平方向的位移≥200 mm，位移太小，秸稈受纏結(jié)影響分離不徹底，太大則易造成后續(xù)編織空洞影響編織質(zhì)量；2）為保證耙草量，按鋪放厚度20 mm估算，應(yīng)使得耙齒在垂直方向的位移≥20 mm；3）分離速度適中，耙分速度太慢易扯出草，速度太快，會(huì)帶來(lái)較大的沖擊和振動(dòng)，當(dāng)水平位移按200 mm/次，編織速度為70～120 m/h計(jì)算時(shí)，要求分束齒尖水平方向的耙分速度在0.1～0.3 m/s左右為宜；4）為便于分束，減少纏結(jié)，要求耙齒在耙草運(yùn)動(dòng)段軌跡趨近水平。

圖5 分束裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 diagram of raking fascicles device

2.2.2 耙分機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與參數(shù)確定

耙分機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型如圖 6所示，在該平面運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中活動(dòng)構(gòu)件數(shù) n=9，低副數(shù) PL=13，高副數(shù) PH=0，由平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式，求得自由度F=3n-2PL- PH=1，機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，該機(jī)構(gòu)具有確定的運(yùn)動(dòng)。

圖6 耙分機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型Fig.6 Motion model of raking mechanism

因上述機(jī)構(gòu)中牽連運(yùn)動(dòng)較多，直接運(yùn)用解析法分析末端從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較繁瑣，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)及攤鋪機(jī)構(gòu)輸送步長(zhǎng)和頻率，結(jié)合平面草簾機(jī)結(jié)構(gòu)條件，可將驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拆解成各子機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，同時(shí)為減少連桿機(jī)構(gòu)周期性運(yùn)動(dòng)中存在的沖擊和振動(dòng)，應(yīng)使得 C點(diǎn)在回程段位移盡可能水平[16-22]。因此，在四桿機(jī)構(gòu)OABA1和OAFO2中，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所需滿足的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)條件，參考文獻(xiàn)[23]中“劃槳”機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，確定轉(zhuǎn)動(dòng)中心O、O1、O2、O3的相對(duì)位置以及各連桿長(zhǎng)度，如表3所示。

表3 耙分機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸Table 3 Structure and size of raking mechanism

2.3 參數(shù)測(cè)算與分析

2.3.1 性能參數(shù)測(cè)算

根據(jù)編織速度70～120 m/h的設(shè)計(jì)要求，令平面草簾機(jī)的針織頻率為fz，送草機(jī)構(gòu)的工作頻率為fs、步長(zhǎng)為L(zhǎng)b1，草簾編織速度為 vb，秸稈編織后在輸送方向的壓縮比按2:1計(jì)算，則有：

已知 Lb1=70 mm，當(dāng) vb=70～120 m/h時(shí)，算得fz=0.56～ 1.05 Hz。由于平面草簾機(jī)采用同一動(dòng)力源來(lái)驅(qū)動(dòng)編織鎖扣機(jī)構(gòu)和送草機(jī)構(gòu)，因此，機(jī)針編織頻率與步進(jìn)式送草機(jī)構(gòu)的工作頻率相同，即fs=fz。

根據(jù)圖 3所示的編織過(guò)程和工作原理，當(dāng)編織機(jī)連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)為 t時(shí)，則編織長(zhǎng)度為vb×t，令編織鎖扣后草簾中每股秸稈的直徑為L(zhǎng)，按耙分后每束秸稈可編織2股計(jì)算，此時(shí)要求分束機(jī)構(gòu)提供的秸稈束（股）數(shù)量為vb×t /L，則分束機(jī)構(gòu)的耙分頻率fp=vb/L，代入式（6），求得：

當(dāng)Lb1=70 mm，L=25 mm（編織厚度要求）時(shí)，求得fp≈1.4fz，即耙分頻率理論范圍為0.78～1.47 Hz。當(dāng)攤鋪機(jī)構(gòu)攤薄秸稈厚度一定時(shí)，根據(jù)秸稈編織壓縮比和每束秸稈可編織股數(shù)計(jì)算，攤鋪裝置下對(duì)切機(jī)構(gòu)輸送步長(zhǎng)應(yīng)與編織機(jī)步進(jìn)輸送機(jī)構(gòu)步長(zhǎng)一致，則有攤鋪裝置的對(duì)切頻率fq=fz，即三者滿足以下關(guān)系式：

根據(jù)上述理論分析，可知在編織速度為70～120 m/h時(shí)，主要裝置工作參數(shù)匹配關(guān)系如表4所示：

表4 裝置工作參數(shù)選擇Table 4 Working parameters of each device

2.3.2 對(duì)切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真與分析

在圖 4所示的對(duì)切機(jī)構(gòu)中，根據(jù)編織厚度要求選定攤薄齒長(zhǎng)度為25 mm，已知對(duì)切頻率值為0.56～1.05 Hz時(shí)，求得相應(yīng)的對(duì)切機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)速n1=33.6～63 r/min。由于對(duì)切機(jī)構(gòu)由上下 2個(gè)尺寸完全相同的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成，考慮到攤薄效果，在這里主要分析上對(duì)切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況。在ADAMS 2013軟件中建立上對(duì)切機(jī)構(gòu)的桿長(zhǎng)模型，添加驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以 O＇點(diǎn)為圓心，分別取水平和垂直方向?yàn)閤＇、y＇軸，建立坐標(biāo)系，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真[24-28]。如圖 7所示。分析上攤鋪齒齒尖 Q＇的運(yùn)動(dòng)軌跡和曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度與齒尖運(yùn)動(dòng)速度、加速度間的影響關(guān)系。Q＇點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡和n1=33.6、48.3、63 r/min時(shí)，單周期內(nèi)Q＇點(diǎn)在x軸方向的速度、加速度變化關(guān)系分別如圖8a、8b、8c所示。

圖7 上對(duì)切機(jī)構(gòu)建模Fig.7 Model of upper bisecting component

對(duì)切機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于稻秸稈質(zhì)量小，且相互間存在纏結(jié)，作業(yè)時(shí)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的反作用力較小，設(shè)計(jì)時(shí)攤鋪齒尖的位移是秸稈攤薄的關(guān)鍵。在圖8a中，當(dāng)攤鋪齒尖逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，把運(yùn)動(dòng)軌跡的最低點(diǎn)看作分?jǐn)偯?，則上層秸稈向后運(yùn)動(dòng)攤薄，下層秸稈向前推送輸出，此時(shí)攤鋪釘齒在攤薄段水平方向的位移約為75 mm，為避免稻秸稈間依靠相互擠壓輸送，適當(dāng)提高攤鋪次數(shù)，應(yīng)保證釘齒間隙 b應(yīng)小于等于水平輸送步長(zhǎng)，故選取釘齒間間隙b=70 mm符合增加攤鋪次數(shù)要求，與前述部分工作參數(shù)測(cè)算結(jié)果相符。同時(shí)，從圖8b、8c中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，攤鋪齒尖的速度、加速度隨之增加，機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)存在一定的沖擊和振動(dòng)。

2.3.3 耙分機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真與分析

在圖6所示的耙分機(jī)構(gòu)中，當(dāng)耙分頻率值為0.78～1.47 Hz時(shí)，求得相應(yīng)的分束機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)速 n2=46.8～88.2 r/min。在ADAMS 2013軟件中建立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和分束伸縮齒的桿長(zhǎng)模型，添加驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以O(shè)點(diǎn)為圓心，分別取水平和垂直方向?yàn)閤、y軸，建立坐標(biāo)系，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真。分析分束齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡和曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度與分束齒運(yùn)動(dòng)速度、加速度間的影響關(guān)系。當(dāng)n2=46.8、67.5、88.2 r/min時(shí)，升縮齒尖的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及單周期內(nèi)齒尖在x軸方向的速度、加速度變化曲線分別如圖9a、9b、9c所示。

從圖9a中可以看出，當(dāng)分束齒尖沿軌跡順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)，軌跡曲線的下部即為耙草工作段。當(dāng)傾斜面間的高差小于100 mm時(shí)，則齒尖垂直方向的位移≥20 mm，此時(shí)水平方向位移約為240 mm，齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡在x軸方向的最左端有120 mm的近似水平運(yùn)動(dòng)段，有利于伸縮齒耙草分束，滿足設(shè)計(jì)要求；從圖9b速度曲線中可以看出，伸縮齒在耙草階段能保持較大的速度運(yùn)動(dòng)，因曲柄搖桿機(jī)構(gòu)存在急回特性，因此，在耙草運(yùn)動(dòng)末端速度變化較快，有利于耙分秸稈并提高耙分速率；從圖9c加速度曲線中可以看出，伸縮齒在耙草階段加速度存在有限值突變，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)會(huì)帶來(lái)柔性沖擊。

圖8 攤鋪齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度曲線Fig. 8 Trajectories, velocity and acceleration curves of stretch tooth tip point of spreading device

圖9 分束齒尖運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度曲線Fig. 9 Trajectories, velocity and acceleration curves of stretch tooth tip point of raking device

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2016年10－12月、2017年10－12月在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程實(shí)訓(xùn)中心進(jìn)行了預(yù)備性試驗(yàn)和攤鋪分束及整機(jī)編織性能對(duì)比試驗(yàn)，所用平面式草簾編織機(jī)為先鋒 1 500型草簾機(jī)，稻秸稈為晚稻整稈，水稻品種為黃華占。測(cè)得試驗(yàn)用稻草含水率約為12.17%[29]。

3.1 預(yù)試驗(yàn)

根據(jù)秸稈尺寸及工作參數(shù)測(cè)算結(jié)果，試驗(yàn)以人工攤鋪秸稈的方式，調(diào)節(jié)擋板距離，編織1.2 m寬草簾，選取24股漁網(wǎng)線為織線，選用功率為0.75 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)調(diào)速器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，取針織頻率分別為0.56、0.81、1.05 Hz，每個(gè)頻率的試驗(yàn)3次重復(fù)，人工連續(xù)鋪放稻秸稈并編織3組各約1 m長(zhǎng)的草簾，要求鋪放過(guò)程中秸稈不傾斜，厚薄盡可能一致。測(cè)量編織時(shí)間，測(cè)算不同針織頻率下的平面草簾機(jī)編織速度。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

預(yù)備性試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析表明：同一編織頻率和送草速度下，造成編織速度不同主要是由于編織時(shí)壓緊秸稈所造成的輸送距離不等所造成的。在 3組針織頻率下，草簾編織速度的均值分別為67.3、87.2、108.5 m/h，與理論計(jì)算范圍基本相符。為后續(xù)試驗(yàn)方便，將平面草簾編織機(jī)的頻率、速度取整后標(biāo)定，即針織頻率0.6、0.8、1.0 Hz分別對(duì)應(yīng)編織速度為70、90、110 m/h。

表5 編織速度測(cè)算試驗(yàn)Table 5 Weaving speed test

3.2 攤鋪分束試驗(yàn)

稻秸稈是生物質(zhì)材料，個(gè)體間的外形尺寸和物理性質(zhì)都不同，評(píng)價(jià)攤鋪、分束環(huán)節(jié)裝置的作業(yè)性能時(shí)結(jié)果的隨機(jī)性較大，而秸稈鋪放厚度對(duì)草簾編織質(zhì)量影響較大，因此，攤鋪分束試驗(yàn)主要評(píng)價(jià)不同編織速度下，攤鋪分束裝置把秸稈從“堆”變成“束”鋪放后的整體效果。

3.2.1 攤鋪分類試驗(yàn)指標(biāo)與方法

以攤鋪、分束后秸稈的鋪放厚度（S）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。設(shè)置3組試驗(yàn)，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，共分3組頻率、速度組合，各組合分別重復(fù) 3次。啟動(dòng)電機(jī)，調(diào)節(jié)變頻器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用DT2236C轉(zhuǎn)速表測(cè)量對(duì)切機(jī)構(gòu)和耙分機(jī)構(gòu)中曲柄的轉(zhuǎn)速n1、n2，再換算成對(duì)應(yīng)的對(duì)切頻率fq和耙分頻率 fp，分別與編織速度（70、90、110 m/s）相匹配。選取6捆直徑約為150 mm（普通成年人雙手抓取秸稈時(shí)的捆徑值，符合作業(yè)實(shí)際）的稻秸稈，然后以穗頭搭接的形式，分 3組將秸稈從編織機(jī)入口成對(duì)鋪放喂入，記錄攤鋪分束過(guò)程，并用秒表同步測(cè)量稻秸稈在攤鋪裝置和分束裝置中攤薄、分束過(guò)程中所需的時(shí)間t1、t2，用直尺測(cè)量秸稈攤鋪分束后兩側(cè)秸稈根部和中間穗頭搭接部的最大厚度，再計(jì)算平均鋪放厚度S，并進(jìn)行圓整。

3.2.2 攤鋪分類試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示：

表6 秸稈攤鋪分束性能試驗(yàn)Table 6 Spreading and fascicles performance test

試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析表明：1）攤鋪分束效果與稻秸稈自身的質(zhì)量有關(guān)，“硬、直、粗”的秸稈較“軟、彎、細(xì)”的秸稈攤鋪分束效果要好；2）在 70、90、110 m/h三種不同的編織速度和對(duì)應(yīng)的對(duì)切、耙分、針織頻率下，攤鋪分束裝置能夠較好的將秸稈進(jìn)行攤鋪減薄、分束鋪勻，攤鋪厚度均值為33.56 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 整機(jī)編織試驗(yàn)

由于草簾編織機(jī)性能試驗(yàn)沒(méi)有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)可參照[30]，從滿足使用要求來(lái)看，通常要求編織的草簾“厚薄一致、不散草、無(wú)空洞”[3]。已知平面式草簾編織機(jī)機(jī)針針距為130 mm，稻秸稈平均長(zhǎng)度約為80 mm，編織時(shí)理論上每束秸稈上至少需“打結(jié)”5次，意味著一束秸稈上同時(shí)出現(xiàn)4次以上漏編才可能造成草簾“散草”。由于機(jī)針織扣技術(shù)較為成熟，同側(cè)5顆機(jī)針同時(shí)出現(xiàn)4顆機(jī)針漏編的幾率近乎為零，因此，出現(xiàn)“散草”的概率是非常低的。而前述試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)秸稈鋪放的厚度、秸稈橫向移動(dòng)時(shí)斜置等情況都會(huì)引起編織過(guò)程中出現(xiàn)漏編、空洞、厚度不均等。因此，草簾的編織質(zhì)量可根據(jù)攤鋪厚度是否均勻、輸送過(guò)程中秸稈是否排列整齊以及編織過(guò)程中出現(xiàn)的空扣、斷線次數(shù)等指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。

3.3.1 整機(jī)試驗(yàn)指標(biāo)與方法

由于連續(xù)作業(yè)過(guò)程中，秸稈攤鋪分束時(shí)斜置的情況不好定性分析，整機(jī)編織試驗(yàn)選取攤鋪分束過(guò)程中秸稈的分束率（當(dāng)耙分次數(shù)大于理論上可分束數(shù)時(shí)，攤薄效果越好，因此，可用分束率來(lái)評(píng)價(jià)秸稈攤鋪分束效果）Fs（%）和編織過(guò)程中的漏編率Lb（%）作為試驗(yàn)指標(biāo)，其中：

式中 nP為秸稈攤薄、分束過(guò)程中分束裝置耙草次數(shù)；nL為稻秸稈（堆稈）理論上可分束數(shù)；nl為草簾編織機(jī)編織裝置打結(jié)過(guò)程中存在漏編（含空扣）等情況的針數(shù)；nz為參與編織的機(jī)針編織草簾總針數(shù)，可以用針織頻率乘以編織作業(yè)時(shí)間求得。

整機(jī)編織試驗(yàn)選取24股漁網(wǎng)線為織線，參與編織機(jī)針數(shù)為10根，選擇150 mm捆徑的稻秸稈各3組，每組6捆，先按理想攤鋪后成直徑20 mm的圓柱狀秸稈束計(jì)算理論可分束數(shù) nL。啟動(dòng)電機(jī)，調(diào)節(jié)變頻器，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用DT2236C轉(zhuǎn)速表測(cè)量相關(guān)機(jī)構(gòu)中曲柄的轉(zhuǎn)速n1、n2、n3，根據(jù)3種不同作業(yè)速度下（70、90、110 m/h）對(duì)應(yīng)的攤鋪裝置對(duì)切頻率值fq（0.6、0.8、1.0 Hz）、分束裝置耙分頻率值fp（0.85、1.13、1.41 Hz）和編織裝置針織頻率值fz（0.6、0.8、1.0 Hz），把轉(zhuǎn)速換算成工作頻率值與之對(duì)應(yīng)。試驗(yàn)時(shí)2人同時(shí)從喂入口喂料，分3組將秸稈從編織機(jī)入口成對(duì)鋪放喂入，用秒表測(cè)量稻秸稈分束耙分和編織過(guò)程中所需的時(shí)間t2、t3，待放入攤鋪機(jī)構(gòu)的稻秸稈全部編織完畢，測(cè)算草簾編織打結(jié)過(guò)程中存在的漏編針數(shù)（含空扣數(shù)），再分別計(jì)算分束率Fs和漏編率Lb。樣機(jī)編織試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 樣機(jī)編織試驗(yàn)Fig.10 Prototype weaving test

3.3.2 整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與分析

整機(jī)編織性能試驗(yàn)結(jié)果如表7所示：

試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析表明：1）在 70、90、110 m/h三種不同的編織速度及對(duì)應(yīng)的工作頻率下，秸稈攤鋪分束過(guò)程中分束率最低為80.61%，編織時(shí)漏編率最高僅為11.36%。漏編主要源于“空扣”，而“空扣”則是由秸稈輸送過(guò)程中傾斜所造成的空洞所形成的，整機(jī)試驗(yàn)過(guò)程未出現(xiàn)“散草”等情況，編織的草簾均勻性較好，滿足使用要求；2）適當(dāng)提高編織速度和攤鋪、分束頻率可提高分束效果，但編織速度越快，秸稈耙撥過(guò)程中由于穗頭和根部幾何尺寸不一，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易出現(xiàn)斜置，斜置的秸稈編織時(shí)在穗頭搭接部分易出現(xiàn)漏編、空扣、編織空洞等情況；3）稻秸稈橫向步進(jìn)式移動(dòng)通過(guò)攤鋪、分束裝置和平面草簾機(jī)時(shí)，由于各步進(jìn)機(jī)構(gòu)的輸送步長(zhǎng)相對(duì)秸稈直徑大得多，輸送過(guò)程中存在較多的斜置或亂序情況，對(duì)草簾編織質(zhì)量有一定影響。

表7 編織性能試驗(yàn)Table 7 Complete machine performance test

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 制造成本

該裝置的制造成本主要包括動(dòng)力成本、原材料成本、加工設(shè)備及工裝折舊成本，人工管理成本及加工成本等[31]。樣機(jī)產(chǎn)品前期為單件制造，成本總消耗約為 2 000元/臺(tái)，其中購(gòu)買動(dòng)力及原材料消耗約為1 000元，其余成本消耗約1 000元，批量生產(chǎn)后能降低至500～600元/臺(tái)。

4.2 使用成本

4.2.1 生產(chǎn)率

該裝置與平面草簾機(jī)配套使用時(shí)，按90 m/h編織速度（生產(chǎn)率）、編織草簾寬度1.5 m、草簾質(zhì)量約5 kg/m測(cè)算，則每小時(shí)可以消耗稻秸稈 550 kg，每臺(tái)機(jī)器每天工作8 h，則每天可編織草簾720 m，需要消耗稻秸稈3 600 kg。

4.2.2 動(dòng)力消耗

產(chǎn)品定型后，攤鋪分束裝置采用同一動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，初步選定電動(dòng)機(jī)功率為1.1 kW，加上平面草簾編織機(jī)配套動(dòng)力1.1 kW，每天工作8 h，則每臺(tái)設(shè)備需消耗電力17.6（kW·h）/d。

4.2.3 使用成本計(jì)算

1）動(dòng)力費(fèi)：每天工作 8 h，則每臺(tái)編織機(jī)需消耗電力17.6 kW·h，按1元/ (kW·h)計(jì)算，則所需動(dòng)力費(fèi)為17.6元/d，編織機(jī)編織草簾720 m/d，得編織草簾需支出電費(fèi)為0.02元/m；

2）人工費(fèi)用，按每臺(tái)機(jī)器配備3名工人（1人散捆，2人鋪草），工資150元/d，每天生產(chǎn)720 m草簾，則算的草簾所需人工成本約為0.63元/m；

3）折舊費(fèi)：現(xiàn)1 500型全導(dǎo)桿平面式草簾編織機(jī)市場(chǎng)價(jià)約為4 000元，按使用年限10 a、年作業(yè)天數(shù)30 d、每天作業(yè)8 h。根據(jù)公式：折舊費(fèi)=機(jī)器價(jià)格/（使用年限×年作業(yè)天數(shù)×作業(yè)小時(shí)數(shù)×生產(chǎn)率）=（4 000+500）/（10×30×8×90）≈0.02元/m；

4）維修費(fèi)：按折舊費(fèi)的50%提成，則編織草簾所需維修費(fèi)用約為0.01元/m；

以上4項(xiàng)相加可得使用成本為0.68元/m。

4.3 單機(jī)作業(yè)年均收入

現(xiàn)稻草收購(gòu)價(jià)約為0.4元/kg，20 mm厚草簾市場(chǎng)批發(fā)價(jià)格約為3.5元/m，則單機(jī)作業(yè)年均收入=單機(jī)年編織量×[銷售價(jià)-（動(dòng)力費(fèi)+人工費(fèi)+折舊費(fèi)+維修費(fèi)+稻秸稈原材料成本）]。平面式草簾編織機(jī)與加裝自動(dòng)攤鋪分束裝置的編織二者作業(yè)年均收入對(duì)比分析如表8所示：

表8 經(jīng)濟(jì)性分析比較Table 8 Economic analysis and comparison

4 結(jié) 論

1）本文設(shè)計(jì)了與現(xiàn)有平面式草簾編織機(jī)配套使用的自動(dòng)攤鋪分束裝置，通過(guò)利用多桿機(jī)構(gòu)的對(duì)切、耙分運(yùn)動(dòng)模擬人工作業(yè)，可代替人工攤薄鋪放稻秸稈，提高了編織機(jī)的工作效率，同時(shí)采用連桿傳動(dòng)，有效避免了機(jī)構(gòu)纏草，且裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低。

2）攤鋪分束及整機(jī)編織試驗(yàn)結(jié)果表明：攤鋪分束裝置鋪放秸稈厚度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)及實(shí)際編織要求；配套攤鋪分束裝置的平面草簾編織機(jī)，當(dāng)機(jī)針針織頻率為0.8 Hz，編織速度為90 m/h時(shí)，設(shè)定攤鋪裝置對(duì)切機(jī)構(gòu)的工作頻率為0.8 Hz，分束裝置耙分機(jī)構(gòu)的工作頻率為1.13 Hz，測(cè)得攤鋪分束過(guò)程中秸稈的分束率為92.12%，漏編率為5.44‰。編織的草簾滿足使用要求；當(dāng)編織速度為90 m/h時(shí)，該裝置的使用較傳統(tǒng)的人工上料方式可減少用工 2人，降低了使用成本，提高了生產(chǎn)效益。

由于采用連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，編織作業(yè)時(shí)會(huì)存在沖擊和振動(dòng)，本文試驗(yàn)過(guò)程中未考慮各構(gòu)件速度、加速度變化對(duì)秸稈攤薄過(guò)程和整機(jī)編織性能的影響，有待進(jìn)一步分析驗(yàn)證。