張海濱，劉希鋒，吳 昊，許驍博，徐 冬

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

隨著青貯行業(yè)的發(fā)展，相配套設(shè)備的發(fā)展也加快了步伐，對(duì)農(nóng)機(jī)具機(jī)械特性也提出了更高的要求，也對(duì)設(shè)備的實(shí)用性、可操作性、便捷性和智能化提出了相應(yīng)的要求。為此，結(jié)合筆者研制的自走式包膜機(jī)，采用同樣的工作機(jī)構(gòu)，改變支撐機(jī)構(gòu)和動(dòng)力輸入方式，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的互換功能，提高了系列產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化程度，可同時(shí)滿足場(chǎng)地作業(yè)和田間作業(yè)。

1 總體設(shè)計(jì)

懸掛式青貯圓捆包膜機(jī)主要由機(jī)器懸掛架、夾抱機(jī)構(gòu)、包膜工作臺(tái)、拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)、夾膜切膜機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，如圖1所示。工作前，首先進(jìn)行拉伸膜調(diào)整，設(shè)定好纏膜的層數(shù)，駕駛拖拉機(jī)移動(dòng)到物料圓草捆位置，按動(dòng)電子控制面板的自動(dòng)1按鈕，完成夾包、裝載和包膜3個(gè)動(dòng)作；包膜結(jié)束后，按動(dòng)電子控制面板的自動(dòng)2按鈕，完成切膜、放包和回位3個(gè)動(dòng)作；完成后，繼續(xù)駕駛拖拉機(jī)移動(dòng)到下一個(gè)圓草捆位置處，完成一個(gè)工作循環(huán)。

1.1 工作原理

懸掛式青貯圓捆包膜機(jī)采用拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛式，工作時(shí)，直接借用拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)，將包膜機(jī)液壓泵的兩根外接液壓管與拖拉機(jī)后側(cè)的液壓快速插頭連接，通過(guò)多路閥分成3路：一路驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)包膜工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)工作臺(tái)上的皮帶旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)草捆公轉(zhuǎn)的同時(shí)自身保持自轉(zhuǎn)，保證膜的均勻分布；一路驅(qū)動(dòng)大液壓油缸帶動(dòng)包膜工作臺(tái)翻轉(zhuǎn)，同時(shí)控制工作臺(tái)的翻轉(zhuǎn)角度；一路驅(qū)動(dòng)小液壓油缸驅(qū)動(dòng)夾抱機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾抱動(dòng)作，通過(guò)控制油缸的伸縮來(lái)控制夾抱機(jī)構(gòu)對(duì)圓捆的夾緊程度，實(shí)現(xiàn)草捆的裝卸過(guò)程。具體作業(yè)方法示意圖如圖2所示。

1.撐包裝置 2.夾抱機(jī)構(gòu) 3.翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 4.工作臺(tái)連接座 5.液壓馬達(dá) 6.機(jī)器懸掛架 7.包膜工作臺(tái) 8.夾膜切膜機(jī)構(gòu) 9.拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到液壓傳動(dòng)能輸出大動(dòng)率，設(shè)計(jì)操作比較方便簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活和傳遞效率高，且可根據(jù)實(shí)際需要，與傳感器和工作機(jī)構(gòu)等各部件一起使用，執(zhí)行元件速度可控、轉(zhuǎn)向可控，效率利用更高。本設(shè)備采用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，直接利用拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)，通過(guò)電動(dòng)換向閥傳遞到圓捆包膜機(jī)的各個(gè)液壓執(zhí)行元件，根據(jù)不同工況要求，控制不同的執(zhí)行元件，分別實(shí)現(xiàn)夾包、裝載、包膜、切膜、放包和回位等6個(gè)動(dòng)作，完成圓草捆整個(gè)包膜動(dòng)作。液壓傳動(dòng)原理圖，如圖3所示。

圖2 作業(yè)方法示意圖

圖3 液壓傳動(dòng)原理圖

1.3 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，電子技術(shù)行業(yè)是主流發(fā)展行業(yè)，越來(lái)越多的技術(shù)引用了電子技術(shù)，液壓技術(shù)也不例外。通過(guò)引入電子技術(shù)，液壓行業(yè)發(fā)展迅速，尤其在農(nóng)機(jī)多個(gè)領(lǐng)域，機(jī)電液一體化顯示出了極大的優(yōu)越性，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作效率、安全性能、操作性能和智能自動(dòng)化水平，同時(shí)比較環(huán)保，節(jié)約了成本和能源。本設(shè)備考慮到了駕駛員的方便操作和安全，采用模塊化控制系統(tǒng)，主要有主控盒、手柄和傳感器組成。系統(tǒng)以高性能控制器為核心，采用線控的方式實(shí)現(xiàn)圓草捆的整個(gè)包膜過(guò)程。主控盒通過(guò)接收控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算輸出執(zhí)行信號(hào)，控制電液比例閥的開(kāi)度，繼而控制各個(gè)液壓執(zhí)行元件的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)其功能。本設(shè)備考慮到不同的工況要求，設(shè)計(jì)了自動(dòng)模式和手動(dòng)模式。自動(dòng)模式狀態(tài)下，只需要按手柄操作按鈕1和按鈕2，設(shè)備就會(huì)依據(jù)設(shè)定好的程序，依次完成整個(gè)包膜過(guò)程；當(dāng)出現(xiàn)自動(dòng)程序意外中斷時(shí)，本設(shè)備還可以轉(zhuǎn)換到手動(dòng)模式繼續(xù)完成后續(xù)動(dòng)作，減少了損失。按鈕1和按鈕2的動(dòng)作順序如圖4所示。

圖4 手柄按鈕動(dòng)作順序

本文設(shè)備主要在如下地方配置了傳感器：首先在裝卸草捆的過(guò)程中，工作臺(tái)需要翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)角度需要合適，配置一個(gè)角度傳感器，該傳感器輸出的電壓值和角度成比例關(guān)系，電壓變化時(shí)，角度即發(fā)生變化；對(duì)于不同物料的草捆和不同寬度的拉伸膜，包膜層數(shù)也有所不同，隨之一個(gè)循環(huán)過(guò)程中包膜工作臺(tái)的圈數(shù)也有所不同，配置了一個(gè)非接觸式磁性傳感器，工作臺(tái)每轉(zhuǎn)1圈，磁性傳感器反應(yīng)1次，直到達(dá)到設(shè)定好的圈數(shù)。

除了手動(dòng)操作外，本設(shè)備還配置了控制盒，具體操作也可以通過(guò)控制盒的自動(dòng)1和自動(dòng)2按鈕操作。此外，還可以通過(guò)控制盒的+和-，來(lái)調(diào)整包膜轉(zhuǎn)數(shù)。

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

2.1 包膜工作臺(tái)的設(shè)計(jì)

包膜工作臺(tái)主要由機(jī)架、托輥機(jī)構(gòu)、皮帶、可調(diào)限位輪、公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助輥和自轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)組成，如圖5所示。

草捆的自轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由托輥機(jī)構(gòu)、皮帶和自轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)組成。其中，托輥機(jī)構(gòu)由兩個(gè)不同直徑的滾筒組成，大滾筒直徑190mm，小滾筒直徑165mm，結(jié)合設(shè)備允許的圓捆直徑為850～1 000mm，兩個(gè)滾筒中心的水平間距設(shè)計(jì)為765mm，垂直距離設(shè)計(jì)為45mm，兩個(gè)滾筒的水平間距可根據(jù)草捆的直徑進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。在起驅(qū)動(dòng)作用的大滾筒圓周面上對(duì)稱布置了4處驅(qū)動(dòng)點(diǎn)，增加了滾筒驅(qū)動(dòng)力。兩條橡膠帶套在滾筒上，橡膠帶的長(zhǎng)度大于兩個(gè)滾筒的距離，寬度為310mm。當(dāng)捆放到工作臺(tái)上后，通過(guò)手柄控制液壓馬達(dá)工作，液壓馬達(dá)將動(dòng)力一分為二，一部分傳遞給工作臺(tái)的公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，一部分傳遞給工作臺(tái)側(cè)面的自轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng)，帶動(dòng)托輥機(jī)構(gòu)工作；這樣草捆在公轉(zhuǎn)的同時(shí)又在自轉(zhuǎn)，把膜分層均勻地包裹到草捆表面，直到設(shè)定的圈數(shù)。

1.機(jī)架 2.托輥機(jī)構(gòu) 3.皮帶 4.可調(diào)限位輪 5.公轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 6.自轉(zhuǎn)傳動(dòng)系統(tǒng) 7.輔助輥圖5 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

在包膜過(guò)程中，由于拉伸膜出膜需要一定的拉力，且圓草捆在托輥帶動(dòng)下自轉(zhuǎn)，很容易被拉動(dòng)，影響包膜作業(yè)的進(jìn)行。因此，設(shè)計(jì)了能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的限位輪，直徑165mm，保證包膜過(guò)程中不會(huì)發(fā)生偏移。限位輪設(shè)計(jì)成可調(diào)的，兩限位輪的中心距為1 080～1 211mm，可根據(jù)草捆的長(zhǎng)度尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，滿足設(shè)備對(duì)圓捆不同長(zhǎng)度的要求。該工作臺(tái)還設(shè)計(jì)了輔助輥，在撿拾草捆和放包的過(guò)程，起到輔助作用，避免膜的破損。

2.2 夾抱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

包膜機(jī)在工作時(shí)，由于草捆的質(zhì)量基本上在450～500kg左右，這種情況下?lián)彀头虐肆o(wú)法完成，因此需要設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的夾抱機(jī)構(gòu)。

本文設(shè)計(jì)的夾抱機(jī)構(gòu)由翻轉(zhuǎn)臺(tái)、大油缸、夾包大臂、夾持臂、撐包臂和小油缸組成，如圖6所示。

操作者可根據(jù)不同的工況選擇不同的作業(yè)模式，當(dāng)撿拾草捆時(shí)，包膜機(jī)首先調(diào)整到草捆合適位置，按動(dòng)操作按鈕，大油缸開(kāi)始工作，帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)臺(tái)和夾包大臂翻轉(zhuǎn)；同時(shí)，操作小油缸工作，張開(kāi)夾持臂到最大位置，觀察夾包大臂工作狀態(tài)，在合適的位置，操作小油缸收縮夾持臂，直到夾住草捆為止；操作大油缸收縮，帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)臺(tái)回位，此時(shí)撿拾過(guò)程結(jié)束。這個(gè)過(guò)程可以手動(dòng)操作，也可以按自動(dòng)模式1來(lái)操作。

包膜結(jié)束后，首先操作小油缸動(dòng)作，收縮帶動(dòng)夾持臂靠到草捆一側(cè)；大油缸動(dòng)作，帶動(dòng)翻轉(zhuǎn)臺(tái)和夾包大臂翻轉(zhuǎn)，一直到草捆翻轉(zhuǎn)到指定的角度為止；小油缸動(dòng)作，放開(kāi)草捆，草捆落地，完成放包作業(yè)。其中夾持臂的回轉(zhuǎn)半徑為395mm，在夾持臂繞回轉(zhuǎn)中心擺動(dòng)過(guò)程中，夾持臂到工作臺(tái)輔助輥的間距范圍是635～1 425mm，這個(gè)間距范圍能夠很容易將直徑850～1 000mm的圓捆撿拾起來(lái)。大油缸的支點(diǎn)和行程，既要保證在撿拾和卸載圓捆時(shí)省力，又要滿足在兩個(gè)極限位置處，滿足油缸的行程。所以，本設(shè)備設(shè)計(jì)翻轉(zhuǎn)臺(tái)的中心到大油缸的中心距離為224.7mm， 在大油缸最大行程位置，翻轉(zhuǎn)臺(tái)能翻到最低位置，有助于裝卸草捆，翻轉(zhuǎn)臺(tái)復(fù)位后，大油缸還沒(méi)有到其最小行程位置，有助于實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)臺(tái)的穩(wěn)定。

1.翻轉(zhuǎn)臺(tái) 2.大油缸 3.夾包大臂 4.夾持臂 5.小油缸 6.撐包臂圖6 夾包放包裝置結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到夾包機(jī)的后續(xù)作業(yè)連續(xù)性，設(shè)計(jì)了撐包臂，設(shè)置了兩個(gè)位置，在不同的位置，草捆落地的狀態(tài)不同，有平放和立放兩種，可選擇使用。撐包臂位置示意圖如圖7所示。

1.撐包臂 2.夾包大臂圖7 撐包臂不同位置示意圖

2.3 拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

包膜機(jī)的工作效果主要看草捆包膜的質(zhì)量如何，需要保證拉伸膜能夠平整地包裹在圓草捆上，緊貼在圓草捆表面，減少包裹內(nèi)的空氣，提高青貯發(fā)酵品質(zhì)。要想達(dá)到這一目標(biāo)，首先要保證拉伸膜從供膜機(jī)構(gòu)出來(lái)，就要保證伸膜平整，且要求拉伸膜有一定的拉力，因此拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于包膜過(guò)程十分重要。

本文設(shè)計(jì)的拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)由機(jī)架、拉伸膜固定塊、拉伸膜固定軸、導(dǎo)膜輥、拉伸膜預(yù)緊機(jī)構(gòu)和齒輪等組成，如圖8所示。拉伸膜穿過(guò)拉伸膜固定軸，固定在上下拉伸膜固定塊之間，膜繞過(guò)兩個(gè)導(dǎo)膜輥，通過(guò)齒輪相互嚙合，拉伸膜纏繞到圓草捆上，完成包膜過(guò)程。

拉伸膜固定塊選用塑料材料，易于成型且對(duì)膜損傷小，固定塊固定位置直徑按目前市面常用的拉伸膜筒芯的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為74mm?？紤]到拉伸膜的大小規(guī)格常用的主要有500mm和750mm，拉伸膜固定軸設(shè)有兩個(gè)檔位，可以選裝兩種不同規(guī)格的拉伸膜。為了保證拉伸膜工作時(shí)平整，設(shè)計(jì)了兩根導(dǎo)膜輥，導(dǎo)膜輥表面均勻包裹帶豎紋的橡膠涂層，增加導(dǎo)膜輥對(duì)拉伸膜的摩擦力，既增加對(duì)拉伸膜的摩擦力，避免打滑，同時(shí)也對(duì)膜起到了保護(hù)作用，防止金屬對(duì)膜的損傷。導(dǎo)膜輥的間距設(shè)計(jì)為80mm，既可以保證膜順利穿過(guò)兩輥之間，又避免了拉伸膜行程過(guò)長(zhǎng)，減少褶皺。

為了提高拉伸膜的伸長(zhǎng)率，設(shè)計(jì)兩導(dǎo)膜輥不同的轉(zhuǎn)速。其中，主動(dòng)輥是小齒輪，被動(dòng)輥是大齒輪，兩齒輪齒數(shù)分別為15齒和25齒，傳動(dòng)比為1∶1.67，即主動(dòng)輥的拉膜速度是被動(dòng)輥的1.67倍，拉伸膜伸長(zhǎng)量能達(dá)到原來(lái)的167%左右。為了適合不同品質(zhì)的拉伸膜的使用，大齒輪也可以選用24齒的，則傳動(dòng)比為1∶1.6，主動(dòng)輥的拉膜速度是被動(dòng)輥的1.6倍，拉伸膜伸長(zhǎng)量能達(dá)到原來(lái)的160%左右。這種設(shè)計(jì)能夠增加拉伸膜的使用率，降低成本。

1.機(jī)架 2.拉伸膜固定塊 3.拉伸膜固定軸 4.導(dǎo)膜輥 5.拉伸膜預(yù)緊機(jī)構(gòu) 6.齒輪圖8 拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)示意圖

為了提高包膜質(zhì)量，還設(shè)計(jì)了拉伸膜預(yù)緊機(jī)構(gòu)，拉伸彈簧作用于安裝橡膠張緊輪的預(yù)緊機(jī)構(gòu)，橡膠輪在彈簧的作用下始終緊貼著拉伸膜，給拉伸膜一個(gè)摩擦力。這樣就能保證導(dǎo)膜輥在導(dǎo)膜的過(guò)程中，拉伸膜一直保持張力，使拉伸膜能夠緊貼圓草捆，提高包膜質(zhì)量。

3 試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 試驗(yàn)基本條件和方法

本文的試驗(yàn)材料選用黑龍江省蓬勃草業(yè)有限公司的MR1000型打捆機(jī)打成的直徑和長(zhǎng)度為φ1 000mm×850mm的高密度圓草捆，質(zhì)量為450～500kg，試驗(yàn)裝置采用自行設(shè)計(jì)的懸掛式青貯圓捆包膜機(jī)，動(dòng)力采用迪爾的804拖拉機(jī)；拉伸膜采用包膜機(jī)專用的塑料拉伸膜，厚度為0.025mm，寬為500mm；試驗(yàn)場(chǎng)地在哈爾濱市南崗區(qū)黑龍江省農(nóng)機(jī)研究院試驗(yàn)田進(jìn)行。本試驗(yàn)采用場(chǎng)地固定作業(yè)的方法，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備50捆相同規(guī)格的圓草捆，分別對(duì)其進(jìn)行包膜作業(yè)，測(cè)試工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)速度、工作臺(tái)托輥的自轉(zhuǎn)速度、單捆包膜的時(shí)間(重復(fù)試驗(yàn)取平均值)、包膜合格率、包膜層數(shù)及裝載能力等。

包膜合格率主要看其四周有無(wú)破損。包膜層數(shù)測(cè)試，隨機(jī)抽取5 個(gè)包膜后青貯飼料包，在包的圓柱面上，隨機(jī)選擇一柱面高度，用刀片沿圓周方向劃開(kāi)1圈，均勻選5 點(diǎn)，查看包膜層數(shù)；在隨機(jī)3 個(gè)包膜后草捆沿兩個(gè)底面中心平行于圓柱軸線方向用刀片劃開(kāi)一圈，均勻選10 點(diǎn)，查看包膜層數(shù)(膜邊緣重疊處除外)，最少層數(shù)為包膜層數(shù)。裝載能力測(cè)試，就是看最大撿拾能力。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

本包膜機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

表1 懸掛式青貯包膜機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明:①本文設(shè)計(jì)的包膜機(jī)單捆包膜的工作時(shí)間、工作臺(tái)回轉(zhuǎn)速度和托輥?zhàn)赞D(zhuǎn)速度均超過(guò)了理論設(shè)計(jì)值，通過(guò)計(jì)算可得出單位時(shí)間上的生產(chǎn)率要遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)的要求；②本文設(shè)計(jì)的包膜機(jī)的包膜合格率達(dá)到了理論設(shè)計(jì)值的98%，破損原因主要是在卸捆過(guò)程中，草捆接觸地面尖銳凸起，導(dǎo)致拉伸膜破損；③本文設(shè)計(jì)的包膜機(jī)在包膜層數(shù)完全符合理論設(shè)計(jì)值，表明拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)和工作臺(tái)相對(duì)位置符合包膜的實(shí)際要求，能實(shí)現(xiàn)青貯飼料均勻的包膜；④本文設(shè)計(jì)的包膜機(jī)在裝載能力上比理論設(shè)計(jì)值低，主要原因是由于配套的動(dòng)力比較低，通過(guò)計(jì)算，最好選用73.5kW以上的拖拉機(jī)，能夠滿足設(shè)備的理論設(shè)計(jì)值。

4 結(jié)論

1)本文設(shè)計(jì)的懸掛式包膜機(jī)采用拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛模式，包膜直徑范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高，主要通過(guò)液壓和電控系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，作業(yè)效率高，工作穩(wěn)定性較好，性能參數(shù)能夠滿足實(shí)際作業(yè)需要，適合大規(guī)模作業(yè)。

2)本文設(shè)計(jì)的夾抱機(jī)構(gòu)，可根據(jù)不同的工況選擇不同的作業(yè)模式，通過(guò)液壓分別控制大油缸和小油缸，從而帶動(dòng)夾抱大臂和夾持臂在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，完成夾包作業(yè)。在卸捆環(huán)節(jié)，通過(guò)撐包臂不同的位置狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)草捆不同狀態(tài)的卸捆作業(yè)為后續(xù)的機(jī)械化作業(yè)，提供了多種選擇。

3)本文設(shè)計(jì)拉伸膜供膜機(jī)構(gòu)，采用了全新的拉伸系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)單輥和雙輥兩種模式的不同切換、長(zhǎng)膜和短膜的不同切換。本文設(shè)備設(shè)計(jì)兩個(gè)導(dǎo)膜輥不同的轉(zhuǎn)速，提高了拉伸膜的伸長(zhǎng)率，拉伸膜伸長(zhǎng)量提高到原來(lái)的160%～170%，增加了拉伸膜的使用率，降低了成本。

4)本文設(shè)計(jì)的電控系統(tǒng)，采用了手動(dòng)操作和自動(dòng)操作兩種模式，根據(jù)不同的工作狀況，選擇合適的操作模式，簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，操作者短時(shí)間內(nèi)就能熟練，并能輕松設(shè)定包膜層數(shù)和其他各種操作。