秸稈壓縮打捆試驗臺設計

袁力

試驗應用

秸稈壓縮打捆試驗臺設計

袁力

我國農作物秸稈資源豐富，是很具開發潛力的生物質能源之一。但是秸稈松散、密度小，收集儲運困難，其收集儲運環節一直是制約農業生物質資源工業化規模利用的首要難題，開發研制秸稈壓捆機是解決農業生物質秸稈收集儲運問題，滿足工業化利用的有效途徑之一。紐荷蘭、約翰·迪爾和克拉斯等國外大型企業自上世紀70年代開始商業化生產牧草和秸稈收獲用的大型圓捆和方捆打捆機，用于收獲草場或田間切割晾曬后的牧草、農作物秸稈。我國秸稈壓捆處于起步階段，少數企業研制出了圓捆和方捆壓捆機，但是壓捆機上所用的打結器均來自進口。目前對壓捆機各部件的研究改進，主要依賴樣機的田間試驗情況，但受氣候、田間情況和機器本身參數可調整范圍局限性的影響，使得這種試驗方法存在很多限制，也使得某些指標無法實時測量（如秸稈在壓縮過程中的彈塑性變形等）；因此有必要研制秸稈壓縮成型打捆試驗臺，用來模擬和再現秸稈收集過程中撿拾、填料壓縮、捆扎的全過程，獲取關鍵部件的性能與工作參數，為秸稈壓捆機的設計提供依據。

1　機械系統

1.1機械系統整體結構

秸稈壓縮成型打捆試驗臺由物料輸送裝置、填料壓縮裝置、捆扎裝置和檢測控制裝置等部分組成。既可單獨進行捆扎試驗，也可同時進行物料輸送、壓縮和打捆試驗，其機械系統整體結構如圖1所示。

圖1　秸稈壓縮成型打捆試驗臺結構示意圖

1.2機械系統主要部件

1.2.1物料輸送裝置

秸稈壓縮成型打捆試驗臺的物料輸送裝置包括輸送帶驅動電機及其傳動系統，為了保證輸送帶的速度和足夠的喂入量，輸送帶尺寸選擇8m×1.1m，動力選擇5.5kW的電機。

1.2.2填料壓縮裝置

填料壓縮裝置包括機架及底座、撿拾機構、耙草機構、壓縮室、曲柄、連桿、活塞、草捆長度調節裝置和棘輪。其作用是將輸送帶傳輸到撿拾機構的物料耙入壓縮室并壓縮成一層層草片，直到達到預先設定的草捆長度。參考國內外壓捆機機型的動力配套，試驗臺架主傳動動力選擇55kW電機，輸入轉速為540r/min，撿拾機構幅寬選擇1.2m，壓縮室截面尺寸選擇420mm×320mm。

曲柄滑塊機構一般有對心式和偏置式2種。在相同結構參數的情況下，偏置式曲柄滑塊結構較對心式結構滑塊行程小，并且具有急回特性，效率較高，所以本設計采用偏置式曲柄滑塊機構。由于受整機尺寸的限制，壓縮機構有些尺寸是既定值，根據活塞比壓與物料容積密度的關系，壓捆工作壓力一般為0.3MPa以下，本設計中根據活塞截面尺寸410mm×310mm，則所需提供的最大壓縮力不小于38 000N。只考慮連桿在工作過程中承受壓縮和拉伸作用力，連桿強度校核公式為：

σ=F/S≤［σ］

式中：σ-連桿所受應力；F-最大壓縮力（N）；S-連桿截面積（m）；［σ］-許用應力。

本設計中，連桿材料選擇碳素鋼，許用應力［σ］≤100MPa，連桿最大壓縮力F=38 000N，則經計算S≥3.8×10-4m2。參考現有壓捆機的連桿設計，選外徑為48mm、內徑為40mm、長為600mm的空心圓柱，能夠滿足要求。為了滿足活塞的結構要求，根據國內外壓縮活塞的設計，活塞的截面尺寸選擇410mm×310mm，為了保證引針的工作，活塞中間設有兩道45mm的穿針槽，活塞采用厚度為8mm鋼板焊合而成。壓縮機構實體模型如圖2所示。

圖2　壓縮機構實體模型圖

1.2.3捆扎裝置

捆扎裝置包括捆繩箱、引針架、引針和打結器，其作用是對達到設定長度的草捆進行捆扎。當進行物料輸送、壓縮和打捆試驗時，捆扎裝置由主傳動電機驅動；單獨試驗時，捆扎裝置由電機單獨驅動，動力選擇3kW的電機。

2　測控系統

2.1硬件系統

試驗臺的硬件系統包括轉速/扭矩傳感器、拉壓傳感器、壓力傳感器、編碼器、模擬量采集卡、計數卡、多串口通訊卡和工控機等，測控系統流程如圖3所示。

圖3　測控系統流程圖

整機功耗對秸稈壓捆機選擇合適的配套動力具有指導意義，可以避免不必要的資源浪費。在動力輸入軸上安裝1個轉速/扭矩傳感器，其參數為0～1 500r/min，0～±600N·m，且能夠滿足試驗要求，可獲得整機的功耗和主傳動軸的扭矩。在工作過程中連桿要承受瞬時拉壓力，是極易疲勞的部件之一，為了獲得連桿工作時的受力情況，由于連桿的最大工作壓力不超過0.5MPa，故在連桿上安裝1個拉壓傳感器，其參數為0～300kg，±0.05%FS，如圖4所示。

圖4　連桿上的拉壓傳感器

為了獲得活塞與物料瞬間接觸力，在活塞與物料接觸端面處安裝2個壓力傳感器，其參數為0～10kg，±0.05%FS，如圖5所示。同時在壓縮室的底板和一邊側板上分別安裝3個壓力傳感器，參數為0～10kg，±0.05%FS，可獲得壓縮草片對壓縮室內壁的作用力。在壓縮室上面的棘輪軸上安裝1個轉速編碼器，可以得到草捆的移動速度。

圖5　活塞上的壓力傳感器

將各傳感器分別連接到工控機，通過安裝在工控機上的操縱臺進行檢測和控制，可得到各部件的工作參數。由于扭矩為電流信號，需要通過電流/電壓轉換得到標準電壓信號，在進行電壓采集前增加低通濾波處理，可以有效降低變頻器的干擾，從而提高測量精度。

2.2軟件系統

系統采用基于VC++進行圖形化編程。試驗過程中，各信號都能夠在界面實時顯示，且均采用連續變化曲線描述，使得其變化規律更加直觀，點擊“開始存儲數據”按鈕可以記錄當前工作參數，采樣頻率可以達到1kHz。

3　結論

研制的秸稈壓縮打捆成型試驗臺，可以克服田間試驗的缺陷，獲得各部件的工作參數。既可單獨進行捆扎試驗，也可同時進行物料輸送、壓縮和打捆試驗，可模擬秸稈壓捆機田間各種工作狀況，再現秸稈收集過程中的撿拾、壓縮、打捆過程，為秸稈撿拾打捆機的設計提供理論依據。

作者信息：揚州市農機職工學校，225009，江蘇