段寶成，陶桂香，衣淑娟，毛 欣，劉春香

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江工程學(xué)院，哈爾濱 150008)

0 引言

水稻是我國(guó)四大主要商品糧之一，稻谷收獲后農(nóng)副產(chǎn)品水稻秸稈產(chǎn)量達(dá)2.8億t[1-3]。由于水稻秸稈自身結(jié)構(gòu)疏松質(zhì)軟、密度小、占據(jù)空間大，造成回收利用困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大、運(yùn)輸不方便，增加了秸稈回收成本，阻礙水稻秸稈工業(yè)化的利用[4]。將水稻秸稈壓縮成高密度的方草捆再儲(chǔ)存運(yùn)輸，是促進(jìn)秸稈回收利用的有效途徑。在打捆技術(shù)上，國(guó)外已有100年多的經(jīng)驗(yàn)。目前，國(guó)外打捆技術(shù)先進(jìn)、理論成熟、配套設(shè)備齊全，已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)；但由于設(shè)備價(jià)格較昂貴暫時(shí)還不能被農(nóng)戶所接受[5-7]。我國(guó)打捆技術(shù)發(fā)展較晚，缺乏理論基礎(chǔ)，對(duì)壓縮裝置的設(shè)計(jì)選擇缺乏依據(jù)，多參照國(guó)外裝置經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)[8-9]。本文對(duì)水稻收獲打捆一體機(jī)打捆壓縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，通過成型機(jī)理分析、機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及相應(yīng)試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，得到該裝置最優(yōu)打捆工作參數(shù)及草捆密度，為秸稈的工業(yè)化利用提供參考。

1 原理及機(jī)構(gòu)

1.1 壓縮機(jī)構(gòu)及工作原理

水稻收獲打捆一體機(jī)壓縮機(jī)構(gòu)選擇曲柄滑塊機(jī)構(gòu)形式，由飛輪(代替曲柄)、連桿、壓縮板及滑道等組成。飛輪通過鏈傳動(dòng)與一體機(jī)的脫離滾筒主軸連接，帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)；飛輪上有突出軸與連桿的軸套連接帶動(dòng)連桿擺動(dòng)，連桿與壓縮板的固定軸連接推動(dòng)壓縮活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)。壓縮板在運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)形成壓縮力將松散的水稻秸稈物料壓縮成小體積高密度的方捆。壓縮機(jī)構(gòu)爆炸圖如圖1所示。

1.飛輪 2.連桿 3.壓縮活塞圖1 條帶旋耕作業(yè)后土壤橫截面圖Fig.1 The chart of explosion diagram of compression mechanism

由于收獲打捆一體機(jī)收獲的同時(shí)還肩負(fù)著打捆的工作，應(yīng)選擇小的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，草捆形式選擇小方捆，草捆橫截面積設(shè)計(jì)為300mm×450mm。

1.2 設(shè)計(jì)模型

曲柄滑塊壓縮機(jī)構(gòu)有對(duì)心式和偏心式兩種。由于在相同運(yùn)動(dòng)條件下，偏心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)壓縮行程大，且偏心式機(jī)構(gòu)有急回特性[10]，因此壓縮裝置多采用偏心式壓縮機(jī)構(gòu)。一體機(jī)壓縮裝置的動(dòng)力來源于脫粒滾筒，采用飛輪代替曲柄能夠增大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，增加強(qiáng)度穩(wěn)定性可靠[11]。偏心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 偏心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6 The chart of offset type compressionmechanism

通過幾何關(guān)系計(jì)算可得偏心式曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的參數(shù)選擇公式，即

其中，r為曲柄半徑(mm)；L為連桿長(zhǎng)度(mm)；S為壓縮行程(mm)；e為偏心距(mm)；θ為極位夾角(°)。

從公式中可知曲柄與連桿的長(zhǎng)度與壓縮行程(S)、偏心距(e)及極位夾角(θ)有關(guān)。

2 ADAMS仿真試驗(yàn)

2.1 壓縮頻率設(shè)計(jì)

壓縮頻率為壓縮滑塊在單位時(shí)間內(nèi)往復(fù)次數(shù)，頻率與曲柄的轉(zhuǎn)速相同，壓縮頻率越大打捆生產(chǎn)效率越高。但是，壓縮頻率過高需要較大的驅(qū)動(dòng)力且還會(huì)引起機(jī)器的振動(dòng)，由于壓縮過程時(shí)間較短還會(huì)出現(xiàn)草捆松散及容易散包[12]。壓縮頻率過低，會(huì)無法滿足生產(chǎn)需要，加大了生產(chǎn)投入，依據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與打捆壓縮頻率綜合選擇80r/min。

2.2 壓縮模型選擇

孟慶福在方草捆壓捆機(jī)壓縮裝置的研究與分析中獲得壓縮板單位面積的壓力P是隨著物料被壓縮后單位體積的質(zhì)量γ而變化， 其變化規(guī)律隨物料的種類和狀態(tài)而異。 當(dāng)將含水率為 20%～40%的水稻秸稈在草捆緊密度為 100～250kg/m3范圍的壓捆機(jī)上試驗(yàn)時(shí)，可得出如下變化規(guī)律[13]，即

P=0.98γ2.32

式中P—推箱單位面積的壓力(Pa)；

γ—干草單位體積的質(zhì)量(kg/m3)。

草捆壓縮后的密度既要滿足農(nóng)藝要求不散捆，又要使用小的壓縮力，在壓縮密度曲線中可知當(dāng)草捆密度選擇150kg/m3時(shí)可滿足經(jīng)濟(jì)性與適應(yīng)性要求[14]。

2.3 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.3.1 壓縮行程單因素仿真試驗(yàn)

當(dāng)驅(qū)動(dòng)飛輪以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)[15-16]，設(shè)置活塞壓力為0.15MPa、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為2.67rad/s、極位夾角為3°、偏心距為70mm時(shí)，壓縮行程S變化范圍500～900mm。進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓縮行程仿真試驗(yàn)圖Fig.3 The chart of compression stroke simulation test

根據(jù)壓縮行程單因素試驗(yàn)曲線圖可知：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨壓縮行程的增加逐漸增大，因此在壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足使用要求下壓縮行程選擇較小值。

2.3.2 極位夾角單因素仿真試驗(yàn)

當(dāng)驅(qū)動(dòng)飛輪以勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置活塞壓力為0.15MPa、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為2.67rad/s、壓縮行程為700mm、偏心距為70mm時(shí)，極位夾角θ變化范圍1°～5°。進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 極位夾角仿真試驗(yàn)圖Fig.4 The chart of simulation experiment of angle between extreme positions

根據(jù)極位夾角仿真試驗(yàn)曲線圖可知：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著極位夾角增加先減小再增加，在極位夾角為2°時(shí)取得最小值。綜合尺寸因素考慮，在壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)極位夾角選擇2°～3°較為合適。

2.3.3 偏心距單因素仿真試驗(yàn)

當(dāng)飛輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置活塞壓力為0.15MPa、飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為2.67rad/s、壓縮行程為700mm、極位夾角為3°時(shí)，偏心距e變化范圍50～90mm。進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 偏心距仿真試驗(yàn)圖Fig.5 The chart of eccentricity simulation test

根據(jù)偏心距仿真試驗(yàn)曲線圖可知：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨偏心距增加先減小再增加，最小值出現(xiàn)在60～80mm間，根據(jù)曲線可知在壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)偏心距選擇在0.1S±10mm間較為合適。

由于壓縮行程選擇需滿足壓縮行程等于1.25～1.35倍的喂入口尺寸，根據(jù)上述仿真結(jié)果，一體機(jī)壓縮行程選擇600mm，極位夾角選擇2°，偏心距選擇70mm。

2.4 最小傳動(dòng)角驗(yàn)證

曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，傳動(dòng)角越大,工作性能越好[17]。在一般情況下傳動(dòng)角不小于[φ]1，高速機(jī)構(gòu)則不小于[φ]2。其中，[φ]1=40°，[φ]2=50°。因?yàn)棣誱in=71°>φ2=50°，因此設(shè)計(jì)最小傳動(dòng)角符合要求，此機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3 田間試驗(yàn)

為了驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的壓縮裝的工作性能，通過對(duì)水稻收獲打捆一體機(jī)的田間工作試驗(yàn)，并依據(jù)方草捆打捆機(jī) 《GB/T 25423-2010》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)地點(diǎn)選在齊齊哈爾富?？h，試驗(yàn)環(huán)境為秋收間的田間水稻，秸稈含水率為30%～40%。試驗(yàn)儀器：GPS、米尺及電子秤。

3.1 正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過對(duì)水稻收獲打捆一體機(jī)的分析及對(duì)實(shí)際工作情況考慮，一體機(jī)田間試驗(yàn)選取的影響因素為草捆長(zhǎng)度、喂入量、出口高度，試驗(yàn)指標(biāo)為草捆密度，試驗(yàn)次數(shù)為23次。表1為因素水平編碼表，表2為試驗(yàn)方案及結(jié)果[18]。

表1 因素水平編碼表Table 1 Experimental factors and levels

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Test scheme and results

續(xù)表2

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)分析獲得表3方差分析與表4二次正交旋轉(zhuǎn)結(jié)果分析。

根據(jù)正交旋轉(zhuǎn)結(jié)果可知規(guī)范變量與試驗(yàn)指標(biāo)Y之間的回歸關(guān)系式為：Y=152.130+5.988Z1-5.221Z2-14.863Z12-6.755Z22-5.359Z32。由表3可知：殘差為1 318.403，根據(jù)方差分析表格計(jì)算失擬性檢驗(yàn)FLf

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

表4 正交旋轉(zhuǎn)結(jié)果分析Table 4 Orthogonal rotation analysis

各因子顯著性順序由大到小為X1(草捆長(zhǎng)度)、X2(喂入量)、X3(出口高度)。

應(yīng)用MatLab軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，通過響應(yīng)曲面法分析。分別固定3個(gè)因素中1個(gè)因素為零水平，考察其它2個(gè)因素對(duì)草捆密度的影響，獲得草捆密度響應(yīng)曲面圖,如圖6所示。分別設(shè)置草捆長(zhǎng)度為600mm，喂入量為2.75kg/s，出口高度為240mm。

(a)

(b)

(c)圖6 草捆密度響應(yīng)曲線圖Fig.6 The chart of grass density response curve

由圖6可知：當(dāng)出口高度為240mm時(shí)，草捆密度隨草捆長(zhǎng)度與喂入量的增大先增大后減小，當(dāng)草捆長(zhǎng)度為647mm，喂入量為2.47kg/s時(shí)獲得最優(yōu)值；當(dāng)喂入量為2.5kg/s時(shí)，草捆密度隨草捆長(zhǎng)度與出口高度的增加，草捆密度先增大后減??；草捆密度與出口高度、喂入量交互作用時(shí)，喂入量對(duì)草捆密度變化很平緩，出口高度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)出口高度為240mm、喂入量為2.75kg/s時(shí)，獲得最優(yōu)值。應(yīng)用MatLab規(guī)劃求解三因素最優(yōu)值，求得：草捆長(zhǎng)度為647mm，圓整取650mm；喂入量為2.47kg/s，圓整取2.5kg/s；出口高度為230mm。獲得草捆密度為155kg/m3，符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)過田間驗(yàn)證性試驗(yàn)，驗(yàn)證性能指標(biāo)：草捆密度為150～160kg/m3、規(guī)則草捆率為95%以上，抗摔率為97%以上，成捆率為98.5%以上，各項(xiàng)指標(biāo)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，符合農(nóng)藝生產(chǎn)條件。

4 結(jié)論

1)通過UG實(shí)體建模與ADAMS虛擬樣機(jī)對(duì)水稻收獲打捆一體機(jī)壓縮裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)周期與實(shí)體加工時(shí)間。從理論上獲得壓縮裝置與參數(shù)關(guān)系的方程，獲得了影響壓縮裝置關(guān)系的顯著性因素，為設(shè)計(jì)壓縮裝置獲得理論依據(jù)。

2)在壓縮裝置參數(shù)選擇時(shí)，圧縮行程在滿足為入口的要求時(shí)選擇小的圧縮行程；綜合設(shè)計(jì)尺寸與工作性能要求，極位夾角選擇2°～4°，偏心距在選擇時(shí)按0.1S±10mm選擇，能夠滿足機(jī)構(gòu)在獲得相同壓力時(shí)使用小的驅(qū)動(dòng)扭矩。