趙一榮

（中國一拖集團技術中心，河南 洛陽 471039）

中國的秸稈資源非常豐富、數(shù)量巨大、種類繁多。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：2015年，我國秸稈總量達9×108t。其中，水稻秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈分別占全國秸稈總量的25%、24%、12.73%；長江中下游、黃淮海區(qū)、東北區(qū)、西南區(qū)秸稈總量分別占全國秸稈總量的25.63%、23.48%、17.19%、13.74[1]。黑龍江是秸稈產(chǎn)出大省，2017年有1.37×108t各種作物秸稈,秸稈資源總量占全國1/8左右，占東北4省區(qū)1/2左右[2]。由于缺乏多功能、高效和智能化秸稈收集裝備，每年焚燒掉的秸稈超過2×108t，這不僅造成秸稈資源的巨大浪費，還會對環(huán)境造成嚴重污染[3]。

隨著國家對優(yōu)質牧草政策重視程度日益增加，以及針對國內(nèi)環(huán)境污染整治力度的加大，嚴禁秸稈進行焚燒，進一步地推進了農(nóng)作物秸稈的綜合利用，促使牧草以及作物秸稈的機械化收獲作業(yè)快速普及，打捆機得到廣泛應用。目前國內(nèi)打捆機行業(yè)正在蓬勃發(fā)展，撿拾機構作為打捆機的前端工作裝置，其撿拾效率的高低直接影響打捆機的工作效率，是打捆機最重要的工作部件之一[2]。

國內(nèi)目前打捆機技術水平和美國等發(fā)達國家相比，仍處于相對落后的水平。本文對打捆機的撿拾機構進行系統(tǒng)分析計算，解決撿拾機構出現(xiàn)漏撿草料的問題，為行業(yè)發(fā)展提供一定的理論分析和相應的數(shù)據(jù)支持，助力提升國內(nèi)打捆機技術水平。

1 撿拾機構工作原理

打捆機主要由底盤、撿拾器、秸稈輸送機構、喂入機構、成捆室、卸捆機構等組成。其工作原理是由撿拾器把秸稈收集起來，通過輸送鏈將秸稈輸送給成捆室喂入口處，再通過喂入機構將草捆強制喂入，最后草捆成型，卸捆及完成一個工作循環(huán)[3]。

撿拾器是打捆機的關鍵工作部件之一，主要用來撿拾牧草草條、作物秸稈等，屬于滑道滾筒式。兩端由軌道盤支撐旋轉中心軸，中心軸單邊由鏈條或者皮帶驅動。中心軸兩端固聯(lián)法蘭盤，法蘭盤聯(lián)接曲柄。彈齒固定在彈齒固定軸上，當驅動撿拾器中心軸時，曲柄上的滾輪在軌道內(nèi)運動，滾輪的運動路線直接保證彈齒的運動軌跡。具體結構如圖1、圖2所示。

撿拾器的橫向示意圖如圖3所示，其結構尺寸直接影響撿拾效果。

彈齒在單個運動循環(huán)內(nèi)必須完成撿拾草料、舉升草料、卸料和空回四個工作過程，完成草料的撿拾和卸料工作，如圖4所示。

當彈齒處于A處，理論相位，開始撿拾草料。舉升草料至高點附近后進入卸料階段，彈齒相對相位向后傾，端部相對固定點的速度降低，草料平穩(wěn)脫離彈齒進入二級輸送機構。進入空回階段后，彈齒從相對相位后傾快速回到理論相位位，重新進入下一個循環(huán)。

2 撿拾機構運動分析

撿拾器工作時，彈齒相對撿拾器中心軸（機體）做不規(guī)則的圓周運動，撿拾器軸角速度ω；機體沿草料鋪條直線運動，速度Vj，二者疊加，分析彈齒的絕對運動軌跡，如圖5所示。

為使撿拾器工作過程中不漏撿草料，需要滿足：

式中：H——彈齒間隔護圈離地間隙；d——彈齒離地間隙；h——相鄰兩排彈齒端運動軌跡交線高度差；λ——彈齒端部線速度與機體直線前進速度之比，不得小于1；V——彈齒理論旋轉線速度；ω——撿拾器中心軸轉速；R——彈齒頂端旋轉半徑；Vj——機體直線運動速度。

通過上式可以看出，撿拾器的彈齒排數(shù)影響h值，相鄰兩排彈齒的運動軌跡的交線存在高度差h，這是機構本身固有的間歇式運動形成的死區(qū)造成的，只能通過降低機體直線速度，或者提高撿拾器中心軸轉速，和增加彈齒排數(shù)等機構設計手段，來減小h值，而不能消除。

由于作業(yè)對象，草料本身的物理屬性，和沙土等粉末類屬性完全不同。一般而言，無論豆科還是禾本科，草料莖稈收獲長度都在0.3 m以上，遠遠大于h值；而且作為飼草類草料，含水率要求在18%左右，草料有很強的韌性。而撿拾小麥秸稈比較困難，原因就是撿拾小麥秸稈季節(jié)時，秸稈含水率普遍低于10%，非常干脆，容易折斷，當秸稈長度普遍低于h值時，撿拾效果就很差了，甚至撿拾不起來死區(qū)部分秸稈。

λ值大于1，意味著草料被舉升至撿拾器頂部瞬時，依然在“絕對”運動進入卸料階段，沒有停滯堵塞草料流。

彈齒離地間隙d過小，容易觸碰土層，撿拾起的草料含灰土率過高；d太大，撿拾效果差，可能遺漏草料。機械或液壓裝置可以調(diào)節(jié)d值大小，對于平坦田地，草料莖稈短，d值可以小一點；對于田地表面平整度差的，草料莖稈長，d值需要調(diào)節(jié)大一點。撿拾器兩端的支撐輪具有地面仿形功能，保證d值。

3 彈齒運動軌跡模擬及機構參數(shù)計算

經(jīng)過對撿拾器進行結構優(yōu)化，并經(jīng)過計算機模擬運動，分析彈齒的絕對運動軌跡以及參數(shù)計算。當機體以8 km/h直線運動，撿拾器中心軸理論設計轉速96 rpm時，彈齒的絕對運動軌跡如圖6所示。

可以看出 H=120≥h+d=85，滿足條件。λ＞1，滿足要求，而且有27%的機體速度提升空間。拖拉機后PTO動力輸出轉速常用的有540 rpm、720 rpm和1 000 rpm，可以選擇合適的轉速并據(jù)此進行傳動系統(tǒng)設計。

4 撿拾效率分析

撿拾器撿拾寬度的設定和草料鋪條寬度息息相關，草料鋪條寬度由摟草機作業(yè)后形成，和割草機作業(yè)幅寬也有一定關系[5]。按照目前主流配合機具（割草機、摟草機等），對于小方捆打捆機，撿拾寬度一般不超過2 m；大方捆打捆機撿拾寬度在2.3 m左右。

打捆作業(yè)對象，包括苜蓿、蘆葦、天然草、水稻秸稈、麥秸稈、玉米秸稈等各種作物秸稈。本文選取苜蓿來計算，據(jù)估算，苜蓿草條的直線密度大概在0.6 kg/m左右。根據(jù)理論設計計算，不考慮轉場、地頭等各種停機因素，機體以8 km/h行駛，純理論作業(yè)效率可以達到2.27 hm2/h。

5 結論

提高彈齒端部線速度，可以提高機體作業(yè)速度，提高作業(yè)效率，但相應部件離心力會以平方級增大，造成軌道盤（滾輪）加劇磨損。增加彈齒排數(shù)也有利于撿拾效率，減小h值，提高機體作業(yè)速度，提高作業(yè)效率，但成本隨之增加，噪音也會提高，軌道盤（滾輪）會額外磨損。綜合以上考慮，4排彈齒，轉速96 rpm，機體速度8～9 km/h是合理的選擇。

經(jīng)過對撿拾機構進行建模，優(yōu)化調(diào)整軌道參數(shù)，對彈齒的絕對運動軌跡進行分析，和參數(shù)計算，最終確定運動方案。

樣機經(jīng)過實際苜蓿地作業(yè)，符合參數(shù)設計和設計預期。樣機直線運動速度達到9.5 km/h時，沒有出現(xiàn)漏撿草料的現(xiàn)象，且打捆機的各項性能指標都滿足甚至高于國標要求。由于地塊大小、轉場、維護等實際情況，每天作業(yè)12 h，實際作業(yè)效率可達平均16.67 hm2/d。