草簾自動布草機的研制與試驗

鄧春巖，楊 陽，程 輝，李彤宇，楊志剛，陳立東，曹宏偉

(1.河北科技師范學院 機電工程學院，河北 秦皇島 066004；2.清華大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055；3.灤南縣萬盛機械制造有限公司，河北 灤南 063500)

0 引言

水稻秸稈是我國第一大作物的秸稈。據估算，2010年我國水稻秸稈的總量為1.9億t[1]，其主要用于造紙、還田、飼料、肥料、生物質能源及加工成草制品等[2-4]；但是，也有相當一部分沒有得到利用，甚至被焚燒(達到0.44億t[1])，占總量的23%以上，既污染了大氣，也違反《中華人民共和國大氣污染防治法》。因此，加大水稻秸稈的綜合利用，變廢為寶，其發展空間還非常巨大。

設施農業現已成為我國農業的一個重要支柱，發展非常迅猛。到2015年，我國設施蔬菜規模超過333.3萬hm2[5]，其越冬保溫的主體材料為水稻編織的草簾。雖然有保溫被等替代草簾的產品，但由于價格較高、吸水率高、保溫性能較差，尚難以廣泛應用。因此，草簾的市場需求空間巨大。

目前，我國草簾編織機生產廠家分布比較分散，規模較小，主要分布在河北、山東、河南及遼寧等，且產品技術一致性較強，雖然實現了編織環節的自動化，但是鋪草環節仍需人工操作，用工量大，生產的草簾一致性差。因此，亟需研發出自動化程度更高的草簾編織設備。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

草簾自動布草機的總體結構如圖1所示。

1.編織機 2.布草機機架 3.鏈輪鏈條 4.布草機驅動電機減速器 5.小車總成 6.喂料斗 7.壓草機構總成 8.分草機構總成 9.理草板機構總成

布草機由機架、兩組驅動鏈輪鏈條、驅動電機減速器、小車總成、6個喂料斗、6組壓草機構總成、6組分草機構總成及兩組理草板機構總成等組成。工作時，小車在鏈輪鏈條帶動下，在布草機內部做往復運動；小車上設有3個抓草手和3個抓草手上板，每個抓草手由兩個氣缸協同推動，做往復擺動，擺動角度為180°；分草總成由3顆針組成，第1顆針為托草針，第2顆針為分草針，第3顆針為壓草針，壓草針隱藏在分草針內，托草針與分草針之間有一定距離，此距離為每次分草厚度；壓草針有獨立的氣缸驅動，達到規定位置時向下移動或向上移動；理草板是用來整理布放到編織機上的稻草秸稈，使其更加整齊，在氣缸的驅動下做往復運動；壓草總成做圓弧擺動，在分草時向喂料斗內部擺動，壓緊喂料斗下部物料，保證物料密實度的一致性；抓草時，向喂料斗外部擺動，使抓草手抽取物料時省力，降低功耗。

1.2 工作原理

工作時，兩側的喂料斗中水平放置適量的水稻秸稈，當小車總成移動到左側極限抓取到物料時，右側的壓草爪總成動作，把喂料斗下部物料向下壓實，右側的分草針總成動作，分出一定量物料，理草板總成在外部位置，等待小車總成放草；小車總成開始向右側移動，當移動到放草位置時，松開抓取的物料，布放到編織機的右側，理草板迅速內移，把布放的物料拍齊，迅速回撤，等待下一次放草。當小車總成到達右測極限時，從右側喂料斗中抓取物料，左側的壓草爪總成動作，把喂料斗下部物料壓實，左側的分草針總成動作，分出一定量物料，理草板總成在外部位置，等待小車總成放草；小車總成開始向左側移動，當移動到放草位置時，松開抓取的物料，布放到編織機的左側，理草板迅速內移，把布放的物料拍齊，迅速回撤，等待下一次放草；小車總成繼續向左移動，到達極限時，從左側喂料斗中抓取物料，右側壓草總成、分草總成、理草板總成做好準備。如此循環，實現機器布草替代人工布草。

2 主要工作部件的設計

2.1 小車總成的設計

小車總成是從布草機兩側的喂料斗中抓取一定量的物料，然后按要求布放到編織機的指定位置，其工作原理如圖2所示。根據布草的方法和抓放草的需要，抓草手2需做180°的擺動且有4個停留位置。

當小車總成從左側喂料斗抓取物料后向右運動到達右側放草位置時，抓草手下擺到如圖2(a)所示位置，放下稻草秸稈，繼續右移；當抓草手上板進入到料斗時，抓草手開始上擺，小車總成運動到右極限位置時，抓草手擺動到圖2(b)所示位置，抓緊稻草秸稈；小車總成左移，從料斗中抽出物料，到達左側放草位置時，抓草手下擺到如圖2(c)所示位置，放下物料，繼續左移；當抓草手上板進入到左側料斗時，抓草手開始上擺，小車總成運動到左極限位置，抓草手擺動到圖2(d)所示位置，抓緊稻草秸稈，然后回移。

1.抓草手上板 2.抓草手 3.氣缸A 4.氣缸B 5.偏置擺臂

小車總成由3組抓草手組成，其結構布置如圖3所示。工作時，中間的抓草手放草時間比兩側的抓草手放草時間提前。

1.氣缸安裝支架 2.抓草手驅動氣缸 3.電磁控制閥 4.小車支架 5.抓草手 6.抓草手上板

2.2 分草機構的設計

分草機構是從喂料斗中分出一定量的物料，以便于抓草手抓取物料，其結構如圖4所示。

1.分草總成導軌支撐軸 2.氣缸A 3.托草針 4.分草針 5.氣缸B 6.分草針總成導軌移動組件 7.分草針總成導向件 8.壓草針

2.3 壓草機構的設計

壓草機構是為了保證分草機構分草的量保持一致，由驅動軸、擺臂、連桿和壓草爪組成，如圖5所示。

1.喂料斗 2.擺臂 3.驅動軸 4.連桿 5.壓草爪

壓草機構的工作在分草機構工作之前，電機通過曲柄擺桿機構帶動擺臂做一定角度的擺動，擺臂通過連桿推動壓草爪進行擺動；1個喂料斗需要兩個壓草爪，連桿向上移動時，壓草爪向喂料斗內部擺動，壓下喂料斗下部的物料；當分草針插入到喂料斗時，壓草爪向外擺動，完全退出喂料斗。

3 氣動系統設計

布草機氣動系統主要由抓草手氣動回路、壓草針與理草板氣動回路、分草針氣動回路、氣源及氣源處理回路組成，如圖6所示。

1.抓草手氣動回路 2.壓草針與理草板氣動回路 3.分草針氣動回路 4.氣源及氣源處理回路

每個抓草手由兩個氣缸驅動，在五位三通電磁閥控制下，實現抓草手向左或向右擺動，完成抓取或放草動作；兩側分草針驅動缸分別由兩位三通電磁閥控制，帶動分草針機構沿機架前后移動；兩側壓草針驅動氣缸和理草板驅動氣缸分別由兩位三通電磁閥控制，同時控制3個壓草驅動氣缸與理草板驅動氣缸，配合分草針驅動氣缸，實現稻草的分出與整理動作。

4 生產試驗

4.1 試驗條件

NBJ-1.6草簾自動布草機由灤南縣萬盛機械制造有限公司生產，樣機配套電動機功率為2.0kW、外形尺寸為 3 100mm×3 200mm×1 900mm(長×寬×高)。該樣機于2017年4月在該廠的車間進行了生產試驗，生產草簾240m；于2017年9月在現場進行了生產試驗，生產草簾5 400m，如圖7所示。

圖7 生產試驗圖Fig.7 Commissioning

現場試驗條件如表 1所示。

表1 試驗條件Table 1 Condition of experiment

4.2 試驗方法

根據灤南縣萬盛機械制造有限公司企業標準Q/WSJ01-2015(B/13021393-4913-2015)，對自動布草機的布草速度、布草量及生產的草簾的技術指標進行檢測，同時考察布草機的工作性能及與編織機的匹配程度。

4.3 試驗的結果與分析

生產車間的試驗表明：布草機能夠較好地完成機器布草，布草速度在12～16次/min之間可調；調整分草針的高度實現布草量的調節，調整范圍在15～65mm范圍內，從而實現草簾的厚度的調整。現場試驗時，布草速度采用15次/min，分草針的高度分別調整為35、45、30mm，草簾的寬度為1 600mm，平均厚度34.6mm，生產速度達到180m/h，生產的草簾的均勻性、平整度均優于人工鋪草生產的草簾。

該機在現場試驗時，主要存在以下問題：①布草機在布草時，稻草秸稈在運送過程中發生傾斜。原因可能是由于稻草的根部與頂部質量不同，輕的部分速度較快，同時由于理草板在整理過程中與稻草秸稈根部有摩擦，造成根部運送速度較慢。后期將對理草板的結構、運動和編織機運送機構進行研究改進，以進一步提高整機的性能。②布草機與編織機的匹配調整需要停機，未能實現智能化匹配。

5 結論

1)研制了草簾自動布草機，由小車總成機構、分草機構、壓草機構聯動配合，實現了稻草秸稈的自動布草，可以代替人工布草。

生產試驗表明：該機生產幅寬1 600mm的草簾，厚度的均勻性≤18.87%，一致性好，表面平整，優于人工布草。其生產速度達到了180m/h，減少用工4～6人，改善了工作環境，降低了勞動強度，在國內外屬于首創。