轉臂式圓草捆包膜機試驗

宋育國

摘要 針對我國現有圓草捆包膜機無法針對不同規格圓捆機所打圓草捆進行調節作業且調節范圍小等問題，設計了轉臂式圓草捆包膜機。依據二次回歸正交旋轉組合試驗設計理論，以影響其工作性能的主要因素轉臂轉速、轉臂與托輥速比和拉伸膜預緊力為試驗因素，以包膜時間、拉伸膜消耗量作為評價指標，進行了試驗研究。結果表明，當轉臂轉速為32.4 r/min、轉臂與托輥速比為2.6、拉伸膜預緊力為23 N時，包膜時間為34 s/捆、拉伸膜消耗量為3.1 kg/t。該研究結果可為圓草捆包膜機的研發提供參考。

關鍵詞 圓草捆；包膜機；轉臂

中圖分類號 S225.4 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2018）04-0144-02

Abstract Because the existing round bale coated machine can′t be suitable to different specifications of the baler，the jib type coated machine for round bale is designed.Based on the theory of quadratic regression orthogonal rotation combination test design，the main factors of the turning arm speed，speed ratio of the turning arm to the roller and stretch film pre-tightening force were selected as test factors，with coated time and stretch film as evaluation indexes，then the experiment was carried out. Experimental results showed that when turning arm speed was 32.4 r/min，derrick and roll speed ratio was 2.6，stretch film pre-tightening force was 23 N，the coated time could reach 34 s/bale，and stretch film consumption was 3.1 kg/t.The research results can provide references for round bale coated machine research.

Key words round bale；coated machine；jib arm

我國現有圓捆機所收獲的草捆尺寸主要為直徑0.5～1.0 m、長度0.75～1.00 m，但國內現有圓捆包膜設備不能完全滿足其包膜作業。因此，研究適于我國需要的包膜設備非常必要。

畜牧業發達的國家于20世紀80年代中期開始發展圓草捆包膜機，現已形成系列化產品，并已趨向大型化、自動化、打捆包膜一體化。我國對圓捆包膜機的研究起步相對較晚，目前國內學者對圓捆包膜機做了大量應用研究，如李傳峰等[1]對圓草捆包膜機進行了設計及性能試驗，杜 韌等[2]對圓草捆包膜機進行了設計與研究，但主要是針對轉臺式圓捆包膜機進行的研究。

為此，本文設計了轉臂式圓草捆包膜機，并對此種包膜機進行試驗研究，以期為圓草捆包膜機的研發提供參考。

1 轉臂式圓草捆包膜機總體結構

轉臂式圓草捆包膜機主要由主機架、托輥機構、轉臂包膜機構、傳動機構等組成，整機尺寸為1 900 mm×1 100 mm×2 000 mm，適于直徑0.5 m～1.0 m、長度0.5 m～1.0 m的圓草捆包膜，其結構如圖1所示。

包膜時，托輥機構利用托輥與圓草捆之間的摩擦力帶動圓草捆轉動，同時轉臂包膜機構帶動供膜裝置繞圓草捆進行旋轉，上述2個機構的復合運動使拉伸膜均勻纏繞在圓草捆上，當達到預定包膜層數后，切斷拉伸膜。

2 轉臂式圓草捆包膜機試驗

2.1 試驗材料

本文選Φ500 mm×750 mm的圓草捆作為試驗材料[21]，在含水量為14%時的質量為24 kg。拉伸膜采用專用塑料拉伸膜，厚為0.025 mm、寬為250 mm，經萬能試驗機拉伸試驗測得其承受最大拉伸力為32 N。

2.2 試驗因素及評價指標分析

2.2.1 試驗因素及其取值范圍。根據上述分析和預試驗，本文選取轉臂轉速（A）、轉臂與托輥速比（B）、拉伸膜預緊力（C）作為試驗因素。

由前期試驗和分析可知，當轉臂轉速高于35 r/min時，會出現包膜過程不穩定現象；拉伸膜易損壞，當轉臂轉速低于8 r/min時，生產率極低。因此，將轉臂轉速的取值范圍設為8～35 r/min。當轉臂與托輥速比低于1.3時，包裹在圓草捆上的2圈拉伸膜之間不能重疊，包膜完成后易出現包膜厚度不均勻、密封性差的現象；當轉臂與托輥速比大于4.7時，拉伸膜的重疊率會達到60%，此時包膜密封性好，但會造成拉伸膜的浪費。因此，將轉臂與托輥速比的取值范圍設為1.3～4.7。當拉伸膜預緊力超過23 N時，在包膜過程中容易出現斷膜現象，并考慮包膜緊實度和圓草捆穩定性[3]。因此，將拉伸膜預緊力的取值范圍設為6～23 N。

2.2.2 評價指標及測試方法。通過預試驗，確定本文試驗評價指標如下。

（1）包膜時間（T）。試驗過程中測得并記錄圓草捆完成包膜所需時間（按4層計算）。

（2）拉伸膜消耗量（G）。拉伸膜消耗量是完成一次包膜（按4層計算）所需拉伸膜的質量與圓草捆的實際質量之間的比值。拉伸膜消耗量計算公式為：

G=■（1）

式中：G為拉伸膜消耗量，kg/t；G1為拉伸膜質量，kg；G2為被測圓草捆質量，t。

2.3 試驗方案

依據二次回歸正交旋轉組合設計理論，以轉臂轉速（A）、轉臂與托輥速比（B）、拉伸膜預緊力（C）為試驗因素，以包膜時間（T）、拉伸膜消耗量（G）為評價指標。試驗因素水平編碼見表1。

2.4 結果與分析

2.4.1 試驗結果。將試驗方案中23組試驗各重復5次，結果取其平均值，運用Design-Expert軟件進行分析，得出轉臂速度（A）、轉臂與托輥速比（B）、拉伸膜預緊力（C）的回歸模型。基于各指標回歸模型顯著性分析結果，剔除不顯著項，獲取各因素編碼值與包膜時間（T）、拉伸膜消耗量（G）的回歸模型，分別如式（2）、（3）所示。

T=51.03-19.9A+14.82B-6.41AB+6.96A2（2）

G=4.41-0.2A+1.26B-0.37C-0.21BC-0.16B2（3）

2.4.2 響應曲面分析。由具體試驗結果可以看出，轉臂轉速（A）和轉臂與托輥速比（B）對包膜時間的影響顯著，轉臂與托輥速比（B）與拉伸膜預緊力（C）對拉伸膜消耗量的影響顯著，運用Design-Expert軟件得出響應曲面圖，具體如圖2所示。

圖2（a）為轉臂轉速和轉臂與托輥速比交互作用對包膜時間的響應曲面圖。可知，增加轉臂轉速和減小轉臂與托輥速比有助于降低包膜時間。主要原因為轉臂轉速增大，包膜效率提高，包膜時間減小；轉臂與托輥速比減小，包膜重疊率變小，圓草捆單層包膜所需時間減小，造成包膜時間降低。在試驗范圍內，當轉臂轉速取最大值、轉臂與托輥速比取最小值時，包膜時間達到最小值[4-5]。

圖2（b）為拉伸膜預緊力和轉臂與托輥速比交互作用對拉伸膜消耗量的響應曲面圖。可知，減小轉臂與托輥速比和增加拉伸膜預緊力有助于降低拉伸膜消耗量；主要原因為：轉臂與托輥速比減小，包膜重疊率變小，圓草捆包單層所需的拉伸膜降低，包膜層數不變時，拉伸膜消耗量降低；拉伸膜預緊力增加，包膜時拉伸膜形變越大，緊實度也越高，重疊率和包膜層數不變時，拉伸膜消耗量降低。在試驗范圍內，當轉臂與托輥速比取最小值、拉伸膜預緊力取最大值時，拉伸膜消耗量達到最小值[6]。

2.5 參數優化

根據預試驗可知，當圓草捆包膜重疊率為30%～50%時，包裹密封性能達到很好的效果，其對應的轉臂與托輥速比為2.6～3.6。借助優化回歸模型，以轉臂轉速（A）、轉臂與托輥速比（B）、拉伸膜預緊力（C）的取值范圍為約束條件，以包膜時間（T）最少、拉伸膜消耗量（G）最少為優化目標，進行包膜機參數優化，其目標函數如式（4）所示。

F=[min（T），min（G）]（4）

優化條件：8

3 結論

（1）本文設計的轉臂式包膜機能有效完成圓草捆包膜作業。

（2）利用轉臂式圓草捆包膜機進行試驗，以轉臂轉速、轉臂與托輥速比、拉伸膜預緊力為試驗因素，以包膜時間、拉伸膜消耗量為評價指標，確定了轉臂式圓草捆包膜機的最優參數組合：轉臂轉速為32.4 r/min，轉臂與托輥速比為2.6，拉伸膜預緊力為23 N。按此參數組合測得的包膜時間為34 s/捆，拉伸膜消耗量3.1 kg/t。

4 參考文獻

[1] 李傳峰，周嶺，王紅飆.青飼料貯存工藝及草捆打包機的設計[J].農機化研究，2012，5（6）：73-76.

[2] 杜韌，馬秋生，潘艷波，等.圓草捆纏膜機的設計與研究[J].華北航天工業學院學報，2005，15（2）：1-2.

[3] 沙文峰，朱娟，姜慧峰.稻草拉伸膜裹包青貯效果分析[J].飼草業機械化，2015，4（119）：16-18.

[4] 白春生，玉柱，薛艷林，等.裹包層數對苜蓿拉伸膜裹包青貯品質的影響[J].草地學報，2007，15（1）： 39-42.

[5] 梁歡，左福元，袁揚，等.拉伸膜裹包青貯技術研究進展[J].草地學報，2014，22（1）：16-21.

[6] 劉曉，侯加林，李文，等.青貯圓捆包膜機的設計[J].中國農機化學報，2017，38（8）：34-38.