牽引式方草捆撿拾堆垛機的設計與研究

王樂寧，侯加林，李今成，劉加旺，王 磊

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院，山東 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；3. 山東迪肯重工有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

我國年產農作物秸稈7億t以上，秸稈資源豐富，但收集運輸困難。目前，國家注重環境保護，禁止焚燒植物秸稈，植物秸稈的回收利用迫在眉睫。根據實際需求，把秸稈打成高密度的草捆后再儲存或運輸，是降低秸稈原料收集儲運成本、促進秸稈規?；I利用的關鍵。打捆機在國內的普及，基本解決了秸稈物料松散、密度小的問題，但草捆收集及堆垛耗時長、勞動強度大等問題依然影響秸稈原料的收集儲運效率?，F在秸稈打捆后形成的草捆放置在田間，需要人工搬運到拖車上，且莖稈撿拾收獲時處于三夏三秋時節，氣候較為炎熱，采用人工搬運的方式費時費力。統計表明：6名工人在1輛運輸設備的環境中，每天可完成1 000捆的草捆撿拾工作。撿拾堆垛機能有效解決草捆撿拾、運輸、堆垛中生產勞動力成本高、工作效率低等難題，為市場提供強勁、效率高、能耗小、成本低的草捆撿拾機械[1]。使用該設備作業效率提高50%以上，減少用工80%以上，節能降耗10%以上，為草捆的撿拾、運輸、堆垛提供了可靠的保障，市場需求量巨大。為此，筆者設計了一種牽引式方草捆撿拾堆垛機，該產品能夠實現對玉米秸稈、小米秸稈、苜蓿、草捆的撿拾堆垛。產品生產過程中無"三廢"污染；設計過程中采用模塊化設計，采用節能工藝，使用先進加工設備，生產效率高，有效降低能耗。方草捆撿拾堆垛機的研究設計對于能源的再利用和動物飼料的快速儲備具有十分重要的現實意義和戰略意義。

1 基本結構與工作原理

1.1 基本機構

牽引式方草捆撿拾堆垛機結構如圖1所示。

1.牽引傳動接口 2.液壓油箱 3.一級翻板 4.二級翻板 5.壓草叉 6.立擋欄 7.左右護欄 8.集載平臺 9.固定擋草叉 10.推垛裝置 11.推桿油缸 12.集載平臺翻轉油缸 13.行駛系統 14.二級翻板翻轉油缸 15.車架 16.一級翻板翻轉油缸 17.撿拾器 18.變速箱 19.操作盒

牽引式方草捆撿拾堆垛機主要由操作盒、變速箱、牽引傳動接口、撿拾器、一級翻板、二級翻板、集載平臺、液壓系統、立擋欄、左右護欄、車架、壓草叉、行駛系統、推垛裝置和電控系統等部分組成。

撿拾器、一級翻板、二級翻板、集載平臺、左右護欄、立擋欄、車架及推垛裝置均采用獨立單元模塊化設計。撿拾器安裝在車架前中部，工作時降落，運輸時升起并通過鎖止機構鎖止；整機車架采用整體車架系統，變速箱和液壓油箱位于車架前部，一級翻板和二級翻板位于車架中部，集載平臺和推垛裝置位于車架后部。牽引式方草捆撿拾堆垛機采用整體式U型鋼車架模式，兩側車架采用交叉式連接機構，增加了整機的穩定性；車架和車橋之間采用板簧減震連接，減少了地面對車架的震動變形；輪胎采用大直徑超寬基低壓牽引型花紋輪胎，防滑耐用；電控工作液壓系統采用多路電磁閥系統，分別控制撿拾器升降、一級翻板升降、二級翻板升降、集載平臺升降及推桿伸縮等。

1.2 工作原理

牽引式方草捆撿拾堆垛機采用40kW以上發動機作為動力源，將設備固定在拖拉機后端，由拖拉機牽引行走。拖拉機后輸出動力經傳動軸至變速箱(該變速箱不參與整車的行走變速)，變速箱連接一液壓油箱，將拖拉機的機械能轉變為液壓能。工作時，草捆撿拾器在馬達帶動下由撿拾鏈條將草捆從地面提起，并側傾放置至一級翻板上；隨著草捆的不斷撿拾，當一級翻板上的草捆數量增加到3捆后，第1個草捆觸發一級翻板的限位開關，一級翻板在一級翻板翻轉油缸帶動下將平臺上的草捆翻轉至二級翻板，然后再落下等待撿拾器的草捆；隨著一級翻板的翻轉，二級翻板平臺上的草捆數量增至9捆時，草捆觸發二級翻板的限位開關，二級翻板在二級翻板翻轉油缸帶動下將該平臺上的草捆翻轉至集載平臺上，與滑動擋草叉接觸；與此同時，由液壓控制的智能扶正機構壓草叉張開，在液壓控制下收縮支撐翻轉至集載平臺上的方草捆，防止草捆的傾斜、倒垛，并將草捆加以固定[2]。隨著集載平臺上草捆數量的增多，草捆壓迫滑動擋草叉向后移動，當集載平臺上的草捆達到一定數量后草捆觸發集載平臺上的限位開關，控制系統發出滿載報警信號，提醒駕駛員卸載，同時撿拾部分鎖住不再撿拾草捆，操作者此時可將草捆運至卸貨地點進行卸貨。在卸貨時，操控控制盒集載平臺升及推桿伸按鈕，集載平臺翻轉，推桿伸出，推垛裝置將草捆從車架上推出，然后操控控制盒集載平臺降、推桿縮按鈕回收復原，準備下次作業。

2 關鍵部件設計

2.1 撿拾器的設計

牽引式方草捆撿拾堆垛機的撿拾器結構如圖2所示。撿拾器機構主要由入口板、擋草板、后擋板、撥草鏈條、限位開關、導向桿、液壓馬達、左右側板、護欄及安裝架等部分構成。牽引式方草捆撿拾堆垛機可通過控制系統控制撿拾器在工作時降落、在運輸時升起，并通過鎖止機構鎖止，保證機械運輸過程中的安全性。撿拾器設計為內傾結構，是為了保證草捆在上升時更準確地放置在一級平臺上。撿拾器擋草板在撿拾草捆時會起到擋草的作用，一方面防止草捆掉落，一方面便于草捆的撿拾，提高工作效率。撿拾器靠馬達的旋轉帶動撥草鏈條運轉來實現草捆的撿拾。當撿拾草捆時，草捆會觸發限位開關[3]，控制撿拾器馬達的運轉；在接觸到草捆時，馬達才轉動，將草捆運輸到一級翻板，隨后馬達停止運轉等待在下個草捆到來。沒有草捆時，整個系統停止工作，既能節約了能源，又減少了由于設備運轉而對人體產生的危害。

1.右側板 2.安裝架 3.限位機構 4.入口板 5.擋草板 6.后擋板 7.撥草鏈條 8.導向桿 9.液壓馬達 10.護欄 11.左側板

2.2 翻轉集載機構的設計

翻轉集載機構結構如圖3所示。

1.一級翻板 2.二級翻板 3.立擋欄 4.壓草叉 5.集載平臺 6.推垛裝置 7.推桿油缸 8.集載平臺油缸 9.二級翻板翻轉油缸 10.車架 11.一級翻板翻轉油缸

牽引式方草捆撿拾堆垛機的翻轉集載機構主要由一級翻板、二級翻板、集載平臺、壓草叉、擋草叉、限位開關和油缸等構成。翻轉集載機構安裝在牽引式方草捆撿拾堆垛機的車架上方，用于將方草捆運輸、集載，該機構是撿拾堆垛機的核心部分，是由兩個平臺組成的傾斜機構[4]。翻轉集載機構采用電磁閥和液壓系統控制，實現了快速、高效地運輸草捆，改變了草捆的收集方式，提高了草捆收集效率。

牽引式方草捆撿拾堆垛機的一級翻板包括放置于車架上的翻板總成和推動翻板總成翻轉卸料的推送裝置。翻板總成的一端安裝有由馬達驅動的傳動鏈，傳動鏈上沿草捆輸送方向固設有撥草附件；翻板總成的另一端設置有可沿草捆輸送方向調節的限位板，限位板上朝向草捆的一側固設有與推送裝置電性連接的接近開關。該一級翻板的兩個接近開關讓撿拾工作有序地進行，解決了一個接近開關誤觸而使得油缸動作的問題，提高了草捆撿拾的智能化，且一級翻板限位加長板可調節長度，滿足了不同尺寸草捆的需求，降低了投入成本，提高了一級翻板的經濟適用性和撿拾草捆的效率。一級翻板結構圖如圖4所示。

1.翻板總成 2.傳動鏈 3.擋草板 4.限位加長板 5.翻轉臂 6.一級翻板翻轉油缸 7.鏈條座

牽引式方草捆撿拾堆垛機的二級翻板和集載平臺是傾斜放置在車架上的兩塊平板。二級翻板上焊接加強角，使收集的草捆均勻便于運輸，防滑塊的安放是為防止草捆向后滑落。集載平臺采用鋼板焊接而成集載框架，既節約了成本，又能滿足工作的需要。平臺兩側設有側彎板和側梁的分布方式不僅實現了支撐平臺，且使平臺左右兩側的重力達到平衡，以防止平臺集載時發生傾斜偏轉而影響作業效果。二級翻板和集載平臺的前端、尾部一側和尾部都安裝有電性連接的接近開關。3個接近開關讓撿拾工作有序地進行，解決了兩個接近開關誤觸而未集載滿而使得油缸動作的問題，提高了草捆撿拾的智能化程度和效率。二級翻板結構圖和集載平臺結構圖如圖5和圖6所示。

1.防滑塊 2.加強角 3.翻板

圖6 集載平臺結構圖Fig.6 Structure of the unit loading platform

2.3 車架底盤的設計

車架的結構如圖7所示。車架采用整體式U型鋼車架模式，兩側車架采用交叉式連接機構，增加了整機的穩定性[5]。車架和橋之間采用板簧減震連接，減少地面對車架的震動變形。機器配置雙后軸板簧縱置平衡懸架、后軸非驅動非轉向行駛系統，輪胎為特制寬型草場專用輪胎，既滿足形式承載要求，又能有效地保護草場。行駛系統結構如圖8所示。

圖7 車架結構圖Fig.7 Structure of the vehicle frame

2.4 整機控制系統的設計

整機電控系統采用單片機編程控制，主要由單片機、信息采集元件及執行元件組成，如圖9所示。其中，單片機為控制系統的核心，一方面用于采集撿拾器、一級翻板、二級翻板、集載平臺、壓草叉等上的各個限位開關的狀態并對電磁閥發出指令，進而控制相應油缸工作或報警器報警，達到作業要求；另一方面用于控制撿拾器在非工作時的鎖止及當操作者發出錯誤指令時終止錯誤指令的執行，起到保護整機安全的作用[6]。單片機位于控制盒內，整車的所有動作都是通過控制盒發出。

1.車架 2.板簧 3.平衡座 4.車軸 5.輪輞 6.輪胎

圖9 整機控制系統架構圖Fig.9 The central electronic control and monitoring system

行程開關是信息采集元件。其中，撿拾機構行程開關用于撿拾器在撿拾過程中檢測是否有草捆喂入；一級翻板行程開關用于測量一級翻板上是否達到3捆草捆；二級翻板行程開關用于檢測二級翻板是否排列9捆草捆；集載平臺行程開關用于檢測撿拾堆垛機是否滿載[7]。

電磁閥、馬達和報警器是執行元件。其中，液壓馬達用于驅動撿拾器撿拾鏈撿拾草捆；一級翻板電磁閥用于控制一級翻板油缸的伸縮進而控制一級翻板翻轉與回位；二級翻板電磁閥用于控制二級翻板油缸的伸縮進而控制二級翻板翻轉與回位；報警器用于提醒駕駛員集載平臺已集滿草捆，需要收起撿拾器并堆垛。

2.5 整機液壓系統的設計

液壓系統包括液壓油缸、電磁多路閥、液壓油管及開關閥等。整個系統的額定工作壓力穩定在16MPa左右，工作泵輸出的高壓油經過電磁多路閥控制油路的換向[8]，高壓油通過油缸來實現撿拾器的翻轉、撿拾馬達旋轉、一級與二級翻板的翻轉、集載平臺的翻轉及推桿的伸縮等動作。傳統的機械控制方式是利用拉桿來實現的，無法保證動作的準確性和完整性。本機采用液壓控制替代傳統的機械控制模式[9]，提高了機械動作柔性化、自動化程度，彌補了機械控制方式的缺陷。液壓系統原理圖如圖10所示。

1.壓草叉 2.頂針 3.立檔桿 4.推桿 5.集載平臺 6.撿拾器 7.二級翻板 8.一級翻板 9.馬達 10.油箱

3 主要技術指標

牽引式方草捆撿拾堆垛機的主要技術指標如表1所示，樣機如圖11所示。

表1 主要技術指標Table 1 Main technical indexes

續表1

圖11 牽引式方草捆撿拾堆垛機樣機Fig.11 The prototype of Pull-type Rectangular Pickup Bales and Straw Bales Buncher

4 結論

1)牽引式方草捆撿拾堆垛機由拖拉機牽引，駕駛員無需離開駕駛室即可高效地完成自動撿拾、集載、運輸和堆垛等，代替了繁重的人工撿拾堆垛工作，提高了工作效率，減少了不必要的勞動力浪費。

2)該機能夠應用于草原大草捆的撿拾，也能夠滿足植物秸稈的小捆撿拾，且撿拾草捆的尺寸大小可調，滿足不同尺寸的草捆撿拾，大大降低了生產成本，為用戶提供了方便。

3)該機撿拾速度可達15km/h，運輸速度可達30km/h，根據運輸距離的不同，每天完成3 000～5 000捆方草捆的撿拾和堆垛，是人工的30～50倍。

4)整機的自動化、智能化程度高?？刂葡到y采用單片機編程控制，既保證了整機工作時的穩定性，又能確保動作的準確完成，同時各動作間又能通過編程實現互鎖控制，確保操作者在誤操作的情況下也不損壞機器。