水稻收獲打捆一體機壓縮裝置設計與試驗

段寶成，陶桂香，衣淑娟，毛 欣，劉春香

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江工程學院，哈爾濱 150008)

0 引言

水稻是我國四大主要商品糧之一，稻谷收獲后農副產品水稻秸稈產量達2.8億t[1-3]。由于水稻秸稈自身結構疏松質軟、密度小、占據空間大，造成回收利用困難、勞動強度大、運輸不方便，增加了秸稈回收成本，阻礙水稻秸稈工業化的利用[4]。將水稻秸稈壓縮成高密度的方草捆再儲存運輸，是促進秸稈回收利用的有效途徑。在打捆技術上，國外已有100年多的經驗。目前，國外打捆技術先進、理論成熟、配套設備齊全，已實現自動化作業；但由于設備價格較昂貴暫時還不能被農戶所接受[5-7]。我國打捆技術發展較晚，缺乏理論基礎，對壓縮裝置的設計選擇缺乏依據，多參照國外裝置經驗設計[8-9]。本文對水稻收獲打捆一體機打捆壓縮機構進行改進設計，通過成型機理分析、機構優化設計及相應試驗驗證相結合的方法，得到該裝置最優打捆工作參數及草捆密度，為秸稈的工業化利用提供參考。

1 原理及機構

1.1 壓縮機構及工作原理

水稻收獲打捆一體機壓縮機構選擇曲柄滑塊機構形式，由飛輪(代替曲柄)、連桿、壓縮板及滑道等組成。飛輪通過鏈傳動與一體機的脫離滾筒主軸連接，帶動飛輪轉動；飛輪上有突出軸與連桿的軸套連接帶動連桿擺動，連桿與壓縮板的固定軸連接推動壓縮活塞往復運動。壓縮板在運動過程中，會形成壓縮力將松散的水稻秸稈物料壓縮成小體積高密度的方捆。壓縮機構爆炸圖如圖1所示。

1.飛輪 2.連桿 3.壓縮活塞圖1 條帶旋耕作業后土壤橫截面圖Fig.1 The chart of explosion diagram of compression mechanism

由于收獲打捆一體機收獲的同時還肩負著打捆的工作，應選擇小的驅動轉矩，草捆形式選擇小方捆，草捆橫截面積設計為300mm×450mm。

1.2 設計模型

曲柄滑塊壓縮機構有對心式和偏心式兩種。由于在相同運動條件下，偏心式曲柄滑塊機構壓縮行程大，且偏心式機構有急回特性[10]，因此壓縮裝置多采用偏心式壓縮機構。一體機壓縮裝置的動力來源于脫粒滾筒，采用飛輪代替曲柄能夠增大轉動慣量，增加強度穩定性可靠[11]。偏心式曲柄滑塊機構示意圖如圖2所示。

圖2 偏心式曲柄滑塊機構示意圖Fig.6 The chart of offset type compressionmechanism

通過幾何關系計算可得偏心式曲柄滑塊機構的參數選擇公式，即

其中，r為曲柄半徑(mm)；L為連桿長度(mm)；S為壓縮行程(mm)；e為偏心距(mm)；θ為極位夾角(°)。

從公式中可知曲柄與連桿的長度與壓縮行程(S)、偏心距(e)及極位夾角(θ)有關。

2 ADAMS仿真試驗

2.1 壓縮頻率設計

壓縮頻率為壓縮滑塊在單位時間內往復次數，頻率與曲柄的轉速相同，壓縮頻率越大打捆生產效率越高。但是，壓縮頻率過高需要較大的驅動力且還會引起機器的振動，由于壓縮過程時間較短還會出現草捆松散及容易散包[12]。壓縮頻率過低，會無法滿足生產需要，加大了生產投入，依據國內外現有設計經驗與打捆壓縮頻率綜合選擇80r/min。

2.2 壓縮模型選擇

孟慶福在方草捆壓捆機壓縮裝置的研究與分析中獲得壓縮板單位面積的壓力P是隨著物料被壓縮后單位體積的質量γ而變化， 其變化規律隨物料的種類和狀態而異。 當將含水率為 20%～40%的水稻秸稈在草捆緊密度為 100～250kg/m3范圍的壓捆機上試驗時，可得出如下變化規律[13]，即

P=0.98γ2.32

式中P—推箱單位面積的壓力(Pa)；

γ—干草單位體積的質量(kg/m3)。

草捆壓縮后的密度既要滿足農藝要求不散捆，又要使用小的壓縮力，在壓縮密度曲線中可知當草捆密度選擇150kg/m3時可滿足經濟性與適應性要求[14]。

2.3 仿真試驗設計

2.3.1 壓縮行程單因素仿真試驗

當驅動飛輪以勻速轉動[15-16]，設置活塞壓力為0.15MPa、飛輪轉動角速度為2.67rad/s、極位夾角為3°、偏心距為70mm時，壓縮行程S變化范圍500～900mm。進行仿真試驗，結果如圖3所示。

圖3 壓縮行程仿真試驗圖Fig.3 The chart of compression stroke simulation test

根據壓縮行程單因素試驗曲線圖可知：驅動轉矩隨壓縮行程的增加逐漸增大，因此在壓縮機構設計時，在滿足使用要求下壓縮行程選擇較小值。

2.3.2 極位夾角單因素仿真試驗

當驅動飛輪以勻速轉動，設置活塞壓力為0.15MPa、飛輪轉動角速度為2.67rad/s、壓縮行程為700mm、偏心距為70mm時，極位夾角θ變化范圍1°～5°。進行仿真試驗，結果如圖4所示。

圖4 極位夾角仿真試驗圖Fig.4 The chart of simulation experiment of angle between extreme positions

根據極位夾角仿真試驗曲線圖可知：驅動轉矩隨著極位夾角增加先減小再增加，在極位夾角為2°時取得最小值。綜合尺寸因素考慮，在壓縮機構設計時極位夾角選擇2°～3°較為合適。

2.3.3 偏心距單因素仿真試驗

當飛輪勻速轉動，設置活塞壓力為0.15MPa、飛輪轉動角速度為2.67rad/s、壓縮行程為700mm、極位夾角為3°時，偏心距e變化范圍50～90mm。進行仿真試驗，結果如圖5所示。

圖5 偏心距仿真試驗圖Fig.5 The chart of eccentricity simulation test

根據偏心距仿真試驗曲線圖可知：驅動轉矩隨偏心距增加先減小再增加，最小值出現在60～80mm間，根據曲線可知在壓縮機構設計時偏心距選擇在0.1S±10mm間較為合適。

由于壓縮行程選擇需滿足壓縮行程等于1.25～1.35倍的喂入口尺寸，根據上述仿真結果，一體機壓縮行程選擇600mm，極位夾角選擇2°，偏心距選擇70mm。

2.4 最小傳動角驗證

曲柄滑塊機構中，傳動角越大,工作性能越好[17]。在一般情況下傳動角不小于[φ]1，高速機構則不小于[φ]2。其中，[φ]1=40°，[φ]2=50°。因為φmin=71°>φ2=50°，因此設計最小傳動角符合要求，此機構設計合理。

3 田間試驗

為了驗證新設計的壓縮裝的工作性能，通過對水稻收獲打捆一體機的田間工作試驗，并依據方草捆打捆機 《GB/T 25423-2010》標準進行。試驗地點選在齊齊哈爾富裕縣，試驗環境為秋收間的田間水稻，秸稈含水率為30%～40%。試驗儀器：GPS、米尺及電子秤。

3.1 正交旋轉試驗設計

通過對水稻收獲打捆一體機的分析及對實際工作情況考慮，一體機田間試驗選取的影響因素為草捆長度、喂入量、出口高度，試驗指標為草捆密度，試驗次數為23次。表1為因素水平編碼表，表2為試驗方案及結果[18]。

表1 因素水平編碼表Table 1 Experimental factors and levels

表2 試驗方案與結果Table 2 Test scheme and results

續表2

3.2 試驗結果

應用SPSS數據分析軟件對數據分析獲得表3方差分析與表4二次正交旋轉結果分析。

根據正交旋轉結果可知規范變量與試驗指標Y之間的回歸關系式為：Y=152.130+5.988Z1-5.221Z2-14.863Z12-6.755Z22-5.359Z32。由表3可知：殘差為1 318.403，根據方差分析表格計算失擬性檢驗FLf

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

表4 正交旋轉結果分析Table 4 Orthogonal rotation analysis

各因子顯著性順序由大到小為X1(草捆長度)、X2(喂入量)、X3(出口高度)。

應用MatLab軟件對回歸方程進行分析，通過響應曲面法分析。分別固定3個因素中1個因素為零水平，考察其它2個因素對草捆密度的影響，獲得草捆密度響應曲面圖,如圖6所示。分別設置草捆長度為600mm，喂入量為2.75kg/s，出口高度為240mm。

(a)

(b)

(c)圖6 草捆密度響應曲線圖Fig.6 The chart of grass density response curve

由圖6可知：當出口高度為240mm時，草捆密度隨草捆長度與喂入量的增大先增大后減小，當草捆長度為647mm，喂入量為2.47kg/s時獲得最優值；當喂入量為2.5kg/s時，草捆密度隨草捆長度與出口高度的增加，草捆密度先增大后減小；草捆密度與出口高度、喂入量交互作用時，喂入量對草捆密度變化很平緩，出口高度呈現先增大后減小的趨勢；當出口高度為240mm、喂入量為2.75kg/s時，獲得最優值。應用MatLab規劃求解三因素最優值，求得：草捆長度為647mm，圓整取650mm；喂入量為2.47kg/s，圓整取2.5kg/s；出口高度為230mm。獲得草捆密度為155kg/m3，符合設計要求。

經過田間驗證性試驗，驗證性能指標：草捆密度為150～160kg/m3、規則草捆率為95%以上，抗摔率為97%以上，成捆率為98.5%以上，各項指標性能達到設計要求，符合農藝生產條件。

4 結論

1)通過UG實體建模與ADAMS虛擬樣機對水稻收獲打捆一體機壓縮裝置進行設計，縮短了設計周期與實體加工時間。從理論上獲得壓縮裝置與參數關系的方程，獲得了影響壓縮裝置關系的顯著性因素，為設計壓縮裝置獲得理論依據。

2)在壓縮裝置參數選擇時，圧縮行程在滿足為入口的要求時選擇小的圧縮行程；綜合設計尺寸與工作性能要求，極位夾角選擇2°～4°，偏心距在選擇時按0.1S±10mm選擇，能夠滿足機構在獲得相同壓力時使用小的驅動扭矩。