4K-100型谷物集束打捆收獲機快速系扣裝置設計與試驗

劉 濤，尚書旗，王東偉，何曉寧，賈夕寧，申世龍

(1.青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109；2.威海佳潤農業機械有限公司，山東 威海 264413)

0 引言

我國適宜整稈集束打捆收獲的作物主要包括谷類作物和部分根莖類作物(大蒜等)，谷類作物主要為水稻、谷子、高粱、青稞、燕麥及蘆葦等作物，其常年種植面積約為33 321khm2[1]。整稈集束打捆收獲方式不僅可以利用作物的后熟作用提高作物的產量和品質，降低收獲損失，而且收獲后的完整秸稈用途廣泛，利于逐步形成產業化。谷類作物收獲后的完整秸稈不僅可用作農村生活能源和牲畜飼料，還拓展到了工藝品原料、建筑材料、農業設施覆蓋材料、有機肥料、飼料、食用菌基料、工業原料和燃料等方面。在完整秸稈綜合利用方面，僅葦編一項就可實現年創產值5.2億元，出口創匯1.95億元[6-7]。但其種植區域比較分散、地塊普遍較小、收獲機械化水平低、勞動強度大、生產成本高，嚴重制約了整稈綜合利用產業化發展。

現有的收割機械大部分僅能實現收割、鋪放工序，無法實現整稈集束打捆的功能，該種收獲方式后續處理難度高，人工勞動強度大。在打捆方面，國內外主要集中在將秸稈打碎后的處理方面的研究，不利于作物秸稈的綜合多元化利用；整稈集束打捆技術仍處于探索階段，存在系扣緊實度差、成捆率低等一系列問題，成為了制約我國適宜秸稈整稈集束打捆收獲作物產業發展的主要瓶頸，關鍵技術亟待突破。

4K-100型谷物集束打捆收獲機系扣緊實度差、成捆率低的主要原因是系扣裝置各機構的最佳配合位置難以確定，各部件響應時間不精準。

為了解決谷物集束打捆收獲機具系扣緊實度差、成捆率低等問題，本文重新優化設計了快速系扣裝置，通過分析、仿真、試驗確定了各機構的最佳配合位置和響應時間，將成捆率提高至96.4%，解決了成捆率低的問題，為集束打捆技術的大范圍推廣、應用奠定了基礎。

1 結構與設計原理

1.1 結構組成

針對谷物集束打捆收獲機具系扣緊實度差、成捆率低等問題，進行了形成機理探究，并結合4K-100型谷物集束打捆收獲機的結構，對快速系扣裝置的主要機構打結器、繞線器和動力分配器等機構進行了結構性重新優化設計，并對各機構的配合位置及響應時機進行了優化改進，設計出了成捆率高達96.4%的快速系扣裝置。該裝置位于機具的右前端，其系扣面與送繩裝置的送繩面處于同一水平面，通過與送繩裝置協調配合，實現谷物集束打捆作業。快速系扣裝置主要由打結器、繞線器和動力分配器等機構組成，設計優化后的4K-100型谷物集束打捆收獲機的結構，如圖1所示。

1.2 工作原理

快速系扣裝置作為4K-100型谷物集束打捆收獲機的核心裝置之一，其性能優劣對該機具的成捆率產生至關重要的影響。該裝置的設計引用了仿生學原理，結合手工系扣的特點，將系扣過程拆分為卡繩、繞繩、夾繩及打結4個動作。其打結過程模擬示意圖，如圖2所示。

1.機架 2.橫向輸送裝置 3.分禾裝置 4.繩盒 5.收集裝置 6.送繩裝置 7.快速系扣裝置 8.時序控制裝置 9.傳動裝置 圖1 4K-100型谷物集束打捆收獲機結構圖Fig.1 Structure diagram of 4K-100 type grain bundling baling harvester button

1.卡繩 2.繞繩 3.夾繩 4.打結 圖2 打結過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of knot process

2 集束打捆收獲低成捆率機理分析

2.1 時序配合機制對成捆率的影響分析

如圖3所示：在集束打捆試驗臺上進行時序配合機制對成捆率的影響測試。設定繞線器的初始位置不變，打結器的初始位置為可變因素，在主軸轉速900r/min的條件下，測試時序配合機制對成捆率的影響情況。

經過測試發現，成捆率隨打結器的初始位置的變化而變化，其測試結果如圖4所示。由測試結果可知：打結器的初始位置對成捆率至關重要，因此時序配合機制是成捆率的主要影響因素之一。

1.支架 2.動力裝置 3.時序控制裝置 4.送繩裝置 5.秸稈 6.快速系扣裝置 圖3 集束打捆試驗臺結構簡圖Fig.3 Structure diagram of bundling baling test rig

圖4 成捆率趨勢圖Fig.4 Trend diagram of Successful baling rate aaaaaaa

2.2 部件結構形態對成捆率的影響分析

在進行集束打捆脫扣作業中，繩扣在彈叉和打結器的綜合作用下，從快速系扣裝置中彈出。由于繩扣的具體受力情況決定線繩能否順利脫扣，需對繩扣的具體受力情況進行相關分析。繩扣的主要作用力分別是拉力、摩擦力和支持力，其具體受力關系如圖5所示。

由圖5可知：線繩若要成功完成脫扣工序，其受力關系應滿足

(1)

式中FL—彈叉對線繩的拉力；

θ—打結器上喙部末端面與拉力夾角；

f—打結器上、下喙部對線繩的摩擦力；

μ—打結器上、下喙部與線繩的摩擦因數；

N—線繩對打結器上、下喙部的正拉力；

FN1—打結器上喙部對線繩支持力；

FN2—打結器下喙部對線繩支持力。

在式(1)中，彈叉對線繩的拉力FL的大小已知，取線繩極限拉力的80%；打結器上喙部末端面與拉力夾角θ為測定值，通過測定夾角θ的大小，確定O點的位置，進而確定打結器上喙部結構形態對脫扣過程的影響情況。

1.打結器上喙部 2.打結器下喙部 3.線繩 圖5 脫扣過程受力分析示意圖Fig.5 Tripping force bearing analysis on the process diagram

3 關鍵參數設計

3.1 快速系扣裝置整體方案確定

快速系扣裝置的具體工作過程：捆繩借助送繩裝置的循環往復運動，被送至快速系扣裝置的繞線器線繩捕捉位置之后，繞線器開始旋轉運動，將線繩捕捉并纏繞至繞線器的凹槽之中固定；與此同時，動力分配器將動力傳遞至打結器，打結器與繞線器協同運作，共同完成打結過程。其具體打結過程是：打結器自身旋轉將線繩纏繞打結器喙部1周，與此同時，打結器下喙部在凸輪機構的作用下擺動，以控制打結器的張角程度，進而完成系扣、脫扣等過程；在打結器完成打結的同時，安裝于繞線器中部的割刀將線繩割斷，彈叉將成捆后的秸稈捆彈至機體之外，快速系扣裝置完成一次系扣作業。快速系扣裝置結構簡圖，如圖6所示。

3.2 動力分配器設計

動力分配器主要由機構支架、錐齒圓盤和錐齒輪組成，主要功能是實現打結器和繞線器的動力傳遞及對打結器和繞線器運轉的時序控制。其結構簡圖如圖7所示。

1.動力分配器 2.打結器 3.打結護板 4.繞線器 圖6 快速系扣裝置結構簡圖Fig.6 Structure diagram of fast knotting device

1.機構支架 2.錐齒圓盤 3.錐齒輪 圖7 動力分配器結構簡圖Fig.7 Structure diagram of power split device

機構支架成三叉弧形，主要用于快速系扣裝置與機架的連接，以及打結器、繞線器等部件的安裝固定。為了實現打結器和繞線器的協調配合運作，將打結器和繞線器的安裝套筒設計成夾角34.5°，并且軸線交點與錐齒圓盤的圓心重合。

錐齒圓盤的主要功能是實現繞線器和打結器的動力時序控制。由于繞線器和打結器是間歇性周期性運動，因此將錐體圓盤設計成直徑104mm的圓盤，且圓盤的外圈鑄有厚度為2mm、高度為7.5mm、開口角度為70°的缺口圓環；同時，圓盤對應圓環開口處焊接模數為2.5mm的8齒環形錐齒輪條。

錐齒輪主要作用是向繞線器和打結器傳遞動力。該錐齒輪由兩部分組成，分別是模數為2.5mm的8齒錐齒輪和246°的圓弧形端面。

動力分配器的初始狀態是錐齒輪圓弧形端面的平面與錐齒圓盤圓環平面平行，且間隙為1mm。當錐齒圓盤的缺口處轉動至第1個錐齒輪處時，第1個錐齒輪開始運動；當錐齒圓盤的缺口處轉過第2個錐齒輪之后，錐齒輪停止運轉，處于待命狀態，完成1個運轉周期。

3.3 繞線器設計

繞線器主要由繞線器轉軸、繞線輪、割刀和張緊機構組成，主要功能是實現線繩的捕捉、纏繞和切割，如圖8所示。

1.繞線器轉軸 2.繞線輪 3.割刀 4.張緊機構 圖8 繞線器結構簡圖Fig.8 Structure diagram of winding device

繞線器轉軸采用12花鍵傳動結構，一端連接錐齒輪，一端連接繞線輪，為繞線器提供動力。繞線輪的主要作用是捕捉、纏繞線繩。通過對線繩的運動軌跡模擬、計算可以確定繞線輪的尺寸：下錐面的錐度為45°，捕捉尖角的螺旋升角為23°，繞線器有效捕捉范圍為0～14mm。割刀通過螺栓固定于繞線輪上，待結扣完成后，將線繩割斷。張緊機構安裝于繞線器轉軸的端部，主要用于調節繞繩的松緊度。

當繞線器轉軸帶動繞線輪轉動時，首先繞線輪對線繩進行捕捉，并將其纏繞于繞線槽中，當結扣完成后，割刀將線繩割斷，完成一個作業周期。

3.4 打結器設計

打結器主要由打結器上喙部和打結器上喙部組成，主要功能是實現線繩打結工序。其結構簡圖如圖9所示。

打結器上喙部主要作用是完成線繩的繞扣、系扣、脫扣等工序，繞要完成上述工序不僅要滿足脫扣設計要求，即滿足式(1)，而且應滿足繞扣設計要求，即滿足式(2)，有

(2)

式中β—打結器上喙部彎折圓弧角；

AB—打結器上喙部回旋高度；

AC—打結器上喙部回旋直徑。

通過式(1)和式(2)計算可得打結器上喙部彎折弧度角δ范圍為49.7°～60.2°。

打結器下喙部的形態依打結器上喙部而設計，主要功能是配合打結器上喙部完成線繩的繞扣、系扣及脫扣等工序。

當打結器轉軸開始轉動時，打結器上喙部開始自身旋轉。同時，安裝于打結器上喙部內的打結器下喙部開始依據打結器安裝凸臺的形狀開始做張合運動；當打結器旋轉1周時，打結器上喙部和打結器下喙部協調配合依次完成繞扣、系扣及脫扣等工序，完成1個打結周期。

1.打結器上喙部 2.線繩 3.打結器下喙部 圖9 打結器結構簡圖Fig.9 Structure diagram of knotting device

4 田間試驗與結果

4.1 試驗基本條件

本文設計的4K-100型谷物集束打捆收獲機所用快速系扣裝置由威海佳潤農業機械有限公司試制生產，并在該公司田間試驗基地進行田間收獲試驗。該地區屬于一年兩熟平原、丘陵地帶區，氣候適宜、雨水充沛，適宜谷子生長，是典型的丘陵地區谷子種植區域。該試驗地的土壤為沙壤地，年平均降水量為730.2mm，土壤含水率為17.3%。試驗作物對象為晉谷40號，平作種植模式，行距為200mm，株距為20mm，株高700～1 000mm，穗長200～300mm。該試驗選用濰坊濰瑞農業裝備有限公司生產的濰瑞121型手扶拖拉機為機具提供動力，由田間作業經驗豐富的農機手進行田間試驗。田間收獲試驗如圖10所示。

圖10 田間試驗Fig.10 Field experiment

4.2 試驗方法

隨機選取寬3m、長50m的收獲地塊，在收獲后的試驗田內進行取樣檢測，取樣方式為基點幅均劃定40m的測試區和10m穩定區和停車區，以測定區的統計數據為準。

由上文可知，打結器的初始安裝角ε的范圍為13.8°～22.2°，打結器上喙部彎折弧度角δ為49.7°～60.2°；除此之外，主軸轉速ω也將對試驗結果產生影響。因此，將主軸轉速ω設定為800～1 000r/min。以水稻割捆機質量評價技術規范(GB/T 24686-2009)[17]作為成捆率y1的計算依據和校驗標準。

成捆率為

(3)

式中m1—成功打捆的秸稈捆數；

M—谷子秸稈打捆總數。

4.3 試驗方案及結果

以打結器初始安裝角ε、打結器上喙部彎折弧度角δ和主軸轉速ω作為試驗3因素，成捆率y1作為試驗指標，并進行二次正交旋轉組合試驗；每組試驗重復5次并取平均值作為試驗數據，根據上文所得試驗因素范圍對其進行編碼，試驗因素水平編碼情況如表1所示，試驗方案和試驗結果如表2所示。

4.4 試驗結果分析

本文采用DPS數據處理系統對上述試驗數據進行分析處理，以確定打結器初始安裝角ε、打結器上喙部彎折弧度角δ以及主軸轉速ω在不同水平組合下對成捆率y1的影響規律，具體分析如表3所示。

表1 因素水平編碼Table1 Factors and level codes

表2 試驗方案及結果分析Table 2 Experimental project and results

表3 試驗結果方差分析Table 3 Variance analysis of test results

F0.1(1,13)=3.14；F0.1(5,8)=2.73；F0.01(9,13)=2.16；F0.01(1,13)=9.07；F0.01(5,8)=6.63；F0.01(9,13)=4.19。

由方差分析可知：F回=10.480 7 >F0.01(9，13)=4.19，Flf=4.099 5

(4)

根據因素水平編碼表可知

(5)

式中xi—zi因素編碼；

zi—不同試驗因素的不同水平；

z0i—zi因素的零水平；

Δj—變化區間。

聯立式(4)、式(5)，將試驗數據代入因素編碼公式和中心化處理公式，得到成捆率與各因素實際值的回歸方程為

(6)

由表3試驗結果方差分析進行F值對比可知：在顯著性因素中，打結器初始安裝角ε的F值最大，對成捆率的影響最大；同理，打結器上喙部彎折弧度角δ的影響次之，主軸轉速ω的影響相對較小。

5 結論

1)通過低成捆率形成機理分析可知：快速系扣裝置成捆率與時序配合機制及部件結構形態密切相關。

2)通過三因素二水平正交旋轉組合試驗，確定了打結器初始安裝角ε、打結器上喙部彎折弧度角δ以及主軸轉速ω的作業參數對成捆率的影響規律。

3)通過試驗結果方差分析可知：影響谷物集束打捆收獲作業成捆率的試驗因素主次順序為：打結器初始安裝角ε、打結器上喙部彎折弧度角δ、打結器初始安裝角ε和打結器上喙部彎折弧度角δ的交互項。

4)通過田間試驗可知：4K-100型谷物集束打捆收獲機快速系扣裝置作業綜合性能優異，成捆率約為96.4%>95%，符合割捆機質量評價技術規范(GB/T 24686-2009)的相關要求。

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