中圖分類號：S233.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0186-06

Abstract：Inorderto solve the problems ofbalesurface layer damage，material scatering，and lowbale density during the baling process ofsilagecorn，andtoobtain theoptimalcompresiondensity-time combinationof silage bales，a balingand wrapping machineofsilagecorn wasdesigned．Byanalyzing theimpactof theinitial densityofthesilagebaleonits adhesion coefficient， it was found that when the compressed density of silage corn was 960kg/m³ ，the adhesion coefficient reached the maximum value of 144kg/（m?s） and the nutrient loss of the silage material was minimal. Through optimized designandanalog simulationanalysis of the baling steelroller，it was concludedthattheconvolution pressreof the smooth roller，rib steel roller，and herringbone steel roller on the grassblades were 403.5kPa ， 410.4kPa and 432.5kPa （204 respectively. In addition，according tothe displacementand deformationof the grass blades，the warpage amplitudes of the smooth roller，rib steel roller and herringbone steel roller when convolving the grass pieces were 130.7mm ， 89.81mm （204號 and 84.42mm respectively.Finally，through thereliabilityanalysisof the herringbone steel roller，it wasverified that the structuralstrengthofthe heringbone steelroller wasreliable.Basedonthe sizeofthe silage bale，the diameterof the steel rollerandthe sizeoftheaditionalmechanism，thesimulink controlsystem forthebaling bin，rope knoter，baletemporary storagestationand operation stationwas designed.Intheend，through thewholemachine test，it was concluded that when the operating time and baling density were 122s and 960.3kg/m³ respectively，the ideal compression density was closesttotheadhesioncoeficientanalysis，andthe minimum nutrient lossofsilagecorn wasobtained，and the settig value ofthe Amesim hydraulic control system sensor was calculated as 101.7MPa Keywords：corn silage；baling and wrapping machine；herringbone steel roller；compresson baling；automatic wrapping

0 引言

玉米作為我國農業(yè)的主要經濟作物之一，含有大量的維生素、碳水化合物和氨基酸等多種有機物和動物生長所需的微量元素。隨著人們對肉制食品的需求增加，我國畜牧養(yǎng)殖業(yè)的規(guī)模不斷擴大，種植戶開始采用營養(yǎng)豐富和產量較高的玉米作為畜牧養(yǎng)殖業(yè)的優(yōu)質飼料[1]。青貯玉米是一種將果穗在內的莖稈經過割斷、切碎、打捆、青貯或者直接飼喂的飼料原料，能有效解決畜牧業(yè)冬季飼草短缺的現狀2。未經打捆存貯的青貯玉米，不易貯存、飼喂和銷售。

青貯玉米在切碎后含水率為 75%～80% ，在此條件下青貯容易造成腐敗菌和霉菌等有害菌的快速生長[3]。青貯玉米經壓縮打捆，能有效抑制霉菌滋生防止青貯發(fā)酵時飼料變質，為此研究出秸稈飼料撿拾打包存貯的打捆機[4]。目前青貯打捆機主要采用纏網方式進行捆裹，在捆包釋放地面時容易造成草捆表面層損傷或物料散落影響后續(xù)的搬運和青貯[5]。此外，現有打捆倉采用鋼輥為Q235無縫鋼管制造或表面焊接筋條鋼輥，導致打捆倉打捆包密度低于青貯飼料標準發(fā)酵密度 650kg/m³ ，致青貯飼料霉變[6]。

為解決上述問題，本文設計一款青貯玉米自動打捆包膜一體機。根據整機工作原理和預壓捆包參數，對整機結構進行設計，并結合數螺旋線原理和鋼輥仿真類比分析對打捆鋼輥進行優(yōu)化設計和驗證，最后通過整機性能測試，驗證設計可行性。

1粘連性系數分析

青貯草捆在去除載荷后，草捆產生的永久變形與其粘連性系數相關[7]。為得出壓縮密度與黏性系數間的關系，采用圖1所示的立柱式青貯玉米壓縮材料試驗機，重復壓縮5次，取平均值，壓縮力一壓縮密度特性曲線如圖2所示。

在圖2中，壓縮力從 500kPa?500845kPa ，8451 020kPa 時，壓縮密度從 100960kg/m³，960

926kg/m³ 。當壓縮力從 500kPa 增加到 845kPa 時，由于青貯物料營養(yǎng)液開始流失導致壓縮密度降低；隨著壓縮力的持續(xù)增加，壓縮密度繼續(xù)降低；當壓縮力達到物料流變臨界點時，伴隨營養(yǎng)液大量流失，壓縮密度開始增加。

將上述青貯物料壓縮密度數值代人式（1），在青貯玉米運動黏度 v 取值為 0.15m²/s^[8] 時，壓縮密度與粘連性系數關系如圖3所示。

由圖3可知，青貯玉米的壓縮密度與粘連性系數呈正相關，壓縮密度越大，青貯物料間的粘連性越大。但從青貯玉米物料的蠕變特性分析，草捆經過一定時間的壓縮后，青貯物料延時膨脹導致粘連性系數有所降低。

為獲得對玉米發(fā)酵有利的粘連性系數，減少青貯玉米物料營養(yǎng)損失，保持物料有較好的適口性，選取壓縮密度為 960kg/m³ 對應的粘連性系數，作為青貯玉米自動打捆包膜裝置設計的指標。

2整機結構及工作原理

青貯玉米自動打捆包膜裝置主要由傳送帶、打結器、打捆倉、電機和捆包暫存站等組成，如圖4所示?？梢钥闯?，傳送帶將切碎后的青貯物料送進打捆倉后，慣性帶動物料隨鋼輥一起轉動，在物料繞鋼輥到達打捆倉上方時物料依靠自重落回。由于物料持續(xù)被傳送帶輸送到打捆倉，落回的物料就會堆積在剛進人打捆倉物料上累計形成初始草芯。隨著進入打捆內的物料增加，青貯玉米草芯不斷變大，當草捆直徑達到打捆鋼輥所圍成區(qū)域直徑時，青貯玉米捆包不斷被擠壓變緊實。當青貯玉米捆包達到打結器預定臨界值時，打結器對青貯玉米捆進行初步捆扎，隨后控制系統發(fā)出信號，打捆前倉液壓桿伸長使打捆后倉打開，釋放青貯草捆到捆包暫存站上進行纏繞包膜。

圖4青貯玉米自動打捆包膜一體機結構 Fig.4Structure of automatic baling and wrappingmachine for silage corn 1.捆包暫存站2.電機3.打捆倉4.打結器5.傳送帶

3關鍵部件設計

3.1打捆鋼輥優(yōu)化設計

3.1.1人字鋼輥設計

為防止青貯物料被鋼輥揉搓細碎后打滑，導致后續(xù)喂人青貯物料堆積在打捆倉底部使得打捆失敗，因此，需要提高青貯物料與打捆倉鋼輥間的摩擦力。根據如表1所示的青貯玉米自動打捆包膜裝置參數要求，并結合式（2），根據現有打捆鋼輥類型利用對數螺旋線原理，擬優(yōu)化設計出人字鋼輥，如圖5所示。

V=m/ρ

式中： V 1 -草捆體積， m³ m -草捆重量， kg 。

表1青貯玉米自動打捆包膜裝置主要參數

Tab.1 Main parameters of automatic baling and wrapping device for silage corn

圖5人字鋼輥結構示意圖

Fig.5Schematic diagram of herringbone steel roller structure 1.齒輪2.密封圈3.人字鋼輥4.軸肩5.大帶輪

3.1.2 鋼輥仿真類比分析

打捆鋼輥在打捆倉內對青貯物料打捆，表現為鋼輥一青貯物料一鋼輥間相互卷積的形式[9]。為類比分析傳統光輥、筋條鋼輥和擬設計出的人字鋼輥對青貯物料的卷積性能，驗證鋼輥優(yōu)化設計性能。在CAE模擬分析時，首先將青貯物料簡化為草片，其次以鋼輥表面紋路為自變量，并將物料接觸狀態(tài)等效為3輥卷積受力[10]。草片主要材料參數如表2所示，CAE模擬結果如圖6所示。

表2草片主要材料參數Tab.2 Main material parameters of grass slices

由圖6可知，光輥、筋條鋼輥和人字鋼輥對草片的卷積壓力分別為 403.5kPa，410.4kPa 和 432.5kPa 此外，由草片位移變形可知，光輥、筋條鋼輥和人字鋼輥卷積草片時翹曲幅度分別為 130.7mm.89.81mm 和 84.42mm 。因此，人字鋼輥對草片的卷積壓力最大且翹曲幅度最小。

3.1.3 人字鋼輥可靠性分析

在打捆過程中，青貯玉米物料在打捆倉內被壓縮成圓草捆時，受到草捆膨脹產生的壓力可能引起鋼輥變形或斷裂。因此，為確保人字鋼輥可靠性，根據如圖7所示的打捆倉鋼輥受力示意圖，進行如圖8所示的人字鋼輥CAE可靠性受力分析，以驗證鋼輥設計可靠性。

圖7打捆倉鋼輥受力示意圖

圖8人字鋼輥CAE可靠性受力分析

由圖7可知，在人字鋼輥CAE可靠性受力分析時，后續(xù)喂人打捆倉內青貯物料的推力 F_e 取值為 0N ，人字鋼輥對草捆的壓縮力 M_e 為 500kPa ，草捆重量 G 為96kg ，草捆所受摩擦力 μ_r 為1.3，鋼輥沿其切線方向回轉運動速度 v 為 0m/s 。由于鋼輥在打捆倉內呈類圓形安裝，因此，鋼輥對草捆所施加的壓縮力也呈類圓形分布。其中11號 ～22 號鋼輥對草捆施加徑向壓縮力，1號 ～10 號鋼輥既對草捆施加徑向壓縮力，同時也承受草捆重力。而在草捆壓縮過程中，草捆重力被均勻分布于打捆倉底部1號 ～10 號鋼輥，打捆倉底部鋼輥對草捆施加的壓縮力一致[10.11]。

青貯草捆的壓縮密度與壓縮力、鋼輥轉速呈指數關系，與青貯物料喂入量呈自然對數關系[12]。由于青貯草捆在打捆鋼輥上所受壓縮力并不被均勻分攤，代入前文所述力學關系和設計模型鋼輥的實際受力情況，選擇在打捆倉底部受力最大的4號鋼輥進行可靠性分析，分析結果如圖8所示。鋼輥所受最大應力為 8MPa ，主要集中在鋼輥左、右支撐區(qū)域，小于材料的屈服應力282MPa^[13] ，由此可知，人字鋼輥結構的設計可靠。

3.2 打捆倉設計

3.2.1 打捆倉結構

打捆倉是影響成捆率和打捆密度的關鍵部件，主要由大帶輪、人字鋼輥、打捆前倉、打捆后倉和液壓缸等部分組成。根據青貯捆包尺寸、鋼輥直徑和附加機構尺寸，設計出長 1.4m 寬 1.5m 和高 1.4m 的打捆倉結構，如圖9所示。青貯物料從打捆倉喂入口進入打捆鋼輥所圍區(qū)域時，人字鋼輥不斷由外向內擠壓青貯物料，使其逐漸卷積成外緊內松的青貯草捆。

圖9打捆倉結構

1.大帶輪2.液壓缸3.液壓桿4.打捆后倉5.打捆前倉6.人字鋼輯

3.2.2打捆倉液壓控制系統

打捆倉液壓控制系統，主要功能是控制打捆后倉與前倉間的開啟、閉合，根據打捆倉開合最大行程和青貯捆包放捆要求，設計如圖10所示的打捆倉Amesim液壓控制系統。

圖10打捆倉Amesim液壓控制系統 Fig.1O Amesim hydraulic control system forbalingbin

當打捆鋼輥壓力達到液壓控制系統傳感器的設定值時，傳感器將信號反饋到液壓馬達為液壓泵加壓后，液壓缸驅動液壓桿伸長，撐開打捆后倉完成青貯捆包放捆。打捆倉Amesim液壓控制系統具體工作流程，如圖11所示。

3.3捆繩打結器設計

圖12打結器結構簡圖

青貯物料在壓縮為草捆時，由于青貯物料屬于粘連性物質，在外部載荷停止加載后，部分被壓縮物料隨時間蠕變恢復彈性造成草捆體積膨脹。為防止草捆出現蠕變回彈，草捆壓縮后需要初次對捆包進行纏繩打結。根據青貯草捆的高度，設計出具有相應長度的捆繩輥和捆繩輔助輥的捆繩打結器，如圖12所示。

由圖12可知，當青貯物料在打捆倉內形成草捆后，打結器上捆繩通過打捆倉頂部間隙進入打捆倉，通過捆繩輔助輥控制捆繩位置，在捆繩繞草捆旋轉捆裹后，切繩氣缸驅動其上刀刃滑過捆繩輔助輥切繩。

3.4捆包暫存站設計

3.4.1 供膜機構PID控制計數器

供膜機構主要功能是通過操作站PID控制器對纏膜層數進行控制。由于青貯玉米物料壓縮的草捆側面周長一致，因此，纏膜層數由纏膜長度來計算，當纏膜層數達到3倍的草捆側面周長時完成纏膜。將PID控制器設定點值為3，當計數器達到設定點值時，系統由輸出機制產生相應的輸出信號控制切膜刀刃進行切膜，完成切膜后復位等待下一個草捆重復切膜。

PID控制器接收來自計數器的反饋信號，并根據青貯草捆直徑和高度計算出設定點的值，調整設定偏差控制信號輸出，計數器達到或接近目標值后，輸出機制啟動并發(fā)出信號到PID控制器執(zhí)行切膜操作。

3.4.2捆包暫存站結構

青貯草捆在纏繩捆包后，由于繩子間隙問題，無法裹住草捆中的細碎物料。因此，為滿足搬運、存貯的需要，青貯玉米捆包在出倉后需進行纏繞包膜。根據如圖13所示的纏膜原理，設計如圖14所示的捆包暫存站結構。

圖13纏膜原理圖

Fig.13 Stretch wrap schematic diagram1.從動托捆輥2.青貯草捆：3.托捆機構4.拉伸網

圖14捆包暫存站結構簡圖

Fig.14 Structural diagram of the package temporary storage station 1.底座支架2.橡膠帶3.旋轉絲桿4.托捆機構 5.切膜刀刃6.供膜機構

由圖14可知，當青貯玉米草捆從打捆倉內釋放落到捆包暫存站時，青貯草捆在自身慣性的作用下位于托捆機構的橡膠帶中間。電機通過傳動軸將動力傳遞到托捆機構，由于青貯草捆與橡膠帶間的摩擦力驅動青貯草捆繞軸勻速旋轉；同時托捆機構通過錐齒輪和從動托捆輥嚙合，帶動拉伸網螺旋纏繞在草捆側面進行包膜。托捆機構完成捆包纏膜后返回到初始位置，以便下一個草捆能夠平穩(wěn)落在托捆機構的預設位置，從而保證纏膜作業(yè)連續(xù)。

3.5操作站Simulink控制系統設計

為將青貯玉米自動打捆包膜一體機各組成部分連接構成整體，實現由操作站控制系統控制，完成整機壓縮打捆性能測試試驗，設計出如圖15所示的操作站Simulink控制系統。當圖15中的操作站電源鍵按下，打捆倉帶動打捆鋼輥進行打捆作業(yè)；當打捆倉內壓力達到Amesim液壓控制系統的傳感器設定值，打捆倉開啟，將捆繩打結的青貯草捆釋放到捆包暫存站，PID計數器傳遞信號控制捆包暫存站按預設定值對青貯草捆纏膜。

圖15操作站Simulink控制系統

Fig.15Operation station Simulink control system1.PID捆包監(jiān)測傳感器2.打捆倉監(jiān)測傳感器3.電源指示傳感器4.時間調節(jié)信號傳感器5.時間調節(jié)旋鈕6.電源鍵7.急停鍵8.PID控制器計數器9.PID信號傳感器10.急停信號傳感器

4整機性能測試

為測試整機性能，獲得打捆倉Amesim液壓控制系統對壓力器的最佳設定值，于2023年5月24日在云南尋甸開展整機壓縮打捆性能測試試驗。根據《飼草青貯技術規(guī)程玉米》14規(guī)定，以含水量為 65%～ 75% 切碎的“曲辰9”號青貯玉米為壓縮打捆試驗物料。測試樣機如圖16所示，測試儀器為濕度計、秒表和地磅等，對青貯草捆圓心進行重復15次定點測量，結果如表3所示。

由圖16可知，操作站上電機的電源鍵按下啟動電機，電機通過帶輪驅動打捆倉鋼輥上鋼運行，當打捆倉內青貯草芯的壓力達到壓力傳感器的預設值，傳感器發(fā)出信號中斷打捆倉電源，同時壓力器供給壓力到液壓缸驅動液壓桿伸長打開打捆倉后倉，釋放草捆到捆包暫存站上完成纏繞包膜。

由表3可知，打捆倉作業(yè)時間越長，圓草捆密度越高，但當打捆時間為 ^122s， 密度為 960kg/m³ 時，打捆密度不再隨時間顯著增加。從整機打捆密度分析，人字鋼輥打捆性能滿足《飼草青貯技術規(guī)程玉米》中青貯標準。根據打捆倉所壓縮青貯捆包尺寸，計算得出Amesim液壓控制系統傳感器的設定值為 101.7MPa 。

圖16青貯玉米自動打捆包膜一體機設備示意圖Fig.l6Equipmentdiagramofautomaticbalingandwrapping machine for silage corn壓力器2.操作站3.壓縮打捆倉4.捆包暫存站5.電機

表3整機作業(yè)性能測定表 Tab.3Machine performance measurement table

5 結論

針對草捆表面層損傷或物料散落的問題，通過研究設計出青貯玉米自動打捆包膜一體機，實現青貯物料自動打捆包膜，并對一體機打捆鋼輥進行優(yōu)化設計。

1）通過粘連系數分析，得出青貯玉米物料壓縮密度為 960kg/m³ 以及粘連系數為 144kg/（m?s） 時，營養(yǎng)損失最小。

2）根據CAE模擬鋼輥卷積草片類比分析，得出“人\"字鋼輥對草片的卷積壓力最大為 432.5kPa ；同時“人”字鋼輥卷積草片時翹曲幅度最小為84.42mm 。因此，“人\"字鋼輥對草片的壓縮性能最優(yōu)。根據“人\"字鋼輥CAE可靠性受力分析得出鋼輥所受最大應力為 8MPa ，小于材料的屈服應力282MPa ，驗證人字鋼輥結構的設計可靠。

3）進行整機性能測試。結果表明，當一體機作業(yè)時間為122s、打捆密度為 960.3kg/m³ 以及Amesim液壓控制系統傳感器設定值為 101.7MPa 時，最接近理想壓縮密度且相對青貯玉米營養(yǎng)損失最小。

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