花生聯合收獲青貯機秧捆包膜裝置設計與試驗

楊然兵 王政增 尚書旗 陳明東 王 婕 王志超

(1.青島農業大學機電工程學院， 青島 266109； 2.山東省根莖類作物生產裝備工程技術研究中心， 青島 266109)

0 引言

花生收獲機在收獲過程中將摘果后的秧蔓甩落壟間，后期靠人工撿拾堆積儲存，堆積晾干的秧蔓營養價值明顯降低[1-8]。國外畜牧業發達地區的包膜機械發展較早，日本TSW2020型和瑞典Sideliner1650A型青貯包膜機采用轉臂式包膜技術，意大利EW10S型圓捆包膜機采用固定式包膜技術[9-11]，包膜機械逐步趨向于大型化。目前，國內的秸稈打捆包膜機需要將田間收集的秸稈人工喂入機器，適應多種作物秸稈青貯作業，但花生秧蔓根部有薄膜、土壤等無法去除的雜質，難以實現無雜化青貯[12-16]。青島農業大學發明的4HB-2A型花生聯合收獲機可將摘果后的秧蔓進行打捆[17-24]，但需要單獨包膜。

花生秧蔓人工收獲過程中作業效率較低，后續無雜化青貯作業繁重，設計一種同時進行花生果實收獲和秧蔓處理的花生聯合收獲青貯機，對降低秸稈焚燒和腐爛對環境的污染以及提高農民收入具有積極作用[25-27]。本文在4HB-2A型收獲機基礎上，將花生聯合收獲機與青貯機械集成于一體，對秧捆包膜裝置進行設計，確定主要設計參數，并對包膜裝置進行田間性能試驗。

1 總體結構

1.1 設計依據

根據4HB-2A型花生聯合收獲機所打秧捆規格以及打捆效率，設計花生聯合收獲機固定式包膜裝置，利用聚乙烯拉伸膜的特點，對秧捆進行包膜密封，增加青貯飼料的儲存時間和利用價值。該裝置適合對小規格的秧捆包膜，可實現連續化作業。

1.2 整機結構

4HB-2A型花生聯合收獲機包括挖拔組合裝置、擺拍清土裝置、摘果裝置、清選裝置、集果箱、雙螺旋線型切段裝置、花生秧蔓打捆裝置等，在該收獲機的結構基礎上設計花生秧捆包膜裝置，同時實現挖拔、清土、摘果、清選以及秧蔓切根、切段、打捆、包膜的一系列操作，花生聯合收獲青貯機結構簡圖如圖1所示。

圖1 花生聯合收獲青貯機結構簡圖Fig.1 Schematic of peanut combined harvesting silage machine1.扶禾器 2.挖拔組合裝置 3.擺拍清土裝置 4.駕駛室 5.摘果裝置 6.雙螺旋線型切段裝置 7.集果箱 8.切段裝置 9.秧蔓自動打捆裝置 10.秧捆包膜裝置

1.3 包膜裝置結構和工作原理

秧捆包膜裝置結構簡圖如圖2所示，主要由承載滾筒、導膜機構、升降裝置、夾膜器以及傳動系統等組成。經自動打捆裝置將小段秧蔓卷壓打捆成直徑56 cm、長52 cm的圓柱形秧捆，由送繩捆扎后自動開倉沿支撐架緩慢滾落至包膜裝置。

圖2 秧捆包膜裝置結構圖Fig.2 Structure diagrams of peanut straw coating device1.合頁 2.傳動系統 3.升降裝置 4.氣壓缸 5.支撐架 6.導膜機構 7.膜卷 8.夾膜器 9.切膜刀片 10.承載滾筒

兩個承載滾筒間加裝輸送帶提高滾筒與秧捆的摩擦力，通過裝置帶動秧捆旋轉和秧捆自轉配合包膜；固定在膜架上的拉伸膜通過導膜機構控制拉伸膜的拉長率，拉伸膜在秧捆旋轉和預緊力的作用下伸長，利用拉伸膜超強拉伸性、回縮性以及自帶粘性的特點實現對圓柱形秧捆的密封包膜；包膜后氣壓缸推起升降架，秧捆受重力和推力自動落入田間；固定在升降架的夾膜器隨升降架抬起并夾住拉伸膜，由切膜刀片切斷拉伸膜，完成后回到初始狀態進行下一次包膜。

2 主要參數確定

主要參數包括拉伸膜預緊力和包膜重疊率，拉伸膜預緊力決定拉伸膜的拉長率，與拉伸膜規格和導膜機構的設計有關；包膜重疊率是指包在秧捆側面相鄰兩層拉伸膜的重疊率，其影響包膜均勻性和密封性，由包膜裝置傳動配合關系決定。

2.1 拉伸膜預緊力

拉伸膜預緊力需要通過試驗測得，根據文獻[10]的相關分析，拉伸膜的長度對其最大拉伸力有一定的影響。秧捆在包膜過程拉伸膜一直處于拉長狀態，為了降低拉伸膜長度對拉伸力可能產生的影響，試驗前確定拉伸膜在該拉長狀態下的原始長度，即預留長度，圖3為完成秧捆側面的一次包膜。

圖3 秧捆側面包膜過程示意圖Fig.3 Schematics of side bread film of bale1.秧捆側面 2.拉伸膜 3.拉伸膜端軌跡

取如圖3a、3b所示兩個位置的拉伸膜長度之和的一半作為預留長度的拉長態，根據NY/T 3121—2017《青貯飼料包膜機質量評價技術規范》，秧捆包膜過程中膜縱向拉長率在50%～70%之間可以達到拉伸膜包膜理想狀態，在拉伸膜拉長試驗中發現拉伸膜拉長50%可滿足秧捆包膜要求，因此拉伸膜拉長態的長度應為預留長度的1.5倍。通過測量計算得出預留長度為62.5 cm，使用CMT4503型拉力試驗機對預留長度的拉伸膜進行拉長試驗。

根據秧捆規格選擇寬25 cm、厚25 μm的聚乙烯拉伸膜，試驗前將拉伸膜展平固定兩桿間，通過試驗機軟件設計拉長速率和包膜速率一致，得出拉伸膜拉力和拉長率的關系曲線；在拉長的過程中對拉伸膜寬度變化進行測量，得出拉長率和橫向收縮率的關系曲線，如圖4所示。

圖4 拉力和橫向收縮率隨拉長率變化曲線Fig.4 Variation curves of tensile force and transverse shrinkage rate with elongation rate

通過拉力-拉長率曲線可以看出，拉伸膜在拉力為36 N之內時發生的是近似彈性變形，且拉力迅速增加，在達到屈服點后拉伸膜繼續拉長，拉長過程中力的變化在相對屈服點之前變小；由拉長率-橫向收縮率曲線可知拉伸膜的寬度在拉長的過程變窄。拉長膜在拉力小于48 N時橫向收縮率呈遞減狀態。拉長率超過50%后(拉力大于48 N)，增大膜拉長率來提高包膜受力并不明顯，通過對該拉伸膜拉長實驗分析以及參照質量評價技術規范的要求，選擇拉長率50%作為包膜拉長率進行設計，且實際拉長率應不小于50%，此時拉伸膜預緊力在50 N左右。

2.2 包膜重疊率

青貯過程中為了滿足對秧捆包膜密封性的要求，在膜所受拉力變化區間確定的情況下，根據拉伸膜自身的性質，以及對包在秧捆表面的拉伸膜受力情況，確定合適的包膜重疊率。對秧捆包膜過程中拉伸重疊率分析如圖5所示。

圖5 拉伸膜重疊率分析Fig.5 Stretch film overlap rate analysis1.第1層膜 2.重疊部分 3.第2層膜 4.秧捆側面單層拉伸膜中心位置 5.過中心點平行于秧捆底面邊線的圓弧線 6.過中心點平行于拉伸膜邊的線

拉伸膜在裝置旋轉與包膜預緊力F的作用下拉長并進行包膜，相鄰兩層膜之間靠法向壓力和膜自帶粘性實現包膜密封，為了便于理論分析，不考慮秧捆側面拉伸膜貼緊秧捆到表面過程膜收縮量導致各向力的變化，圓弧上的拉伸膜中點位置所受法向力最大，沿圓弧向中點的兩邊所受法向力與該點到中點的圓弧弧度γ之間滿足余弦關系，同理，由于拉伸膜隨秧捆自轉轉過一定角度，拉伸膜上平行于邊的各線上的點與該線中點的連線投影在底面上產生的圓弧弧度為λ，與該點所受法向力滿足余弦關系。以λ、γ為變量，原點拉伸膜所受最大法向力Fn1為常數，建立秧捆側面單層拉伸膜上各點所受法向力的方程

f=Fn1cosλcosγ

(1)

記φ=cosλcosγ，因此φ的大小關系到圓柱秧捆側面拉伸膜任意一點的法向力的大小，單層膜φ分布圖如圖6所示。

圖6 單層膜φ分布圖Fig.6 Distribution map of single layer stretched film φ value

秧捆側面的膜中間位置受到法向力最大并向兩邊減小直到膜邊緣法向力最小，第2圈膜中間位置壓到前圈膜邊緣可以彌補拉伸膜邊緣受力過小導致對包膜密封性的影響，也可有效減小包膜均勻性變異系數，相同包膜層數膜用量最少，且側面相鄰兩層膜重疊部分受到法向力合力的φ相對均勻，可以滿足較長時間青貯要求，重疊部分φ′分布圖如圖7所示。因此，相鄰兩層膜重疊50%為最優重疊率，且實際重疊率應不小于50%，可對秧捆進行2、4、6層的包膜。

圖7 兩層膜重疊部分φ′分布圖Fig.7 φ′ value distribution map of overlapping layers of two stretched films

3 關鍵部件設計

3.1 導膜機構

在裝置帶動秧捆旋轉下，拉伸膜受預緊力作用圍繞秧捆包膜，導膜機構可為拉伸膜提供有效的拉伸力，使拉伸膜達到理想的拉長率。導膜機構主要由彈簧、擋板、導膜架和兩個規格相同的導膜輥組成，兩個導膜輥有一定的轉動比，轉速慢的導膜輥與膜卷表面接觸，拉伸膜繞過轉速快的導膜輥與秧捆相接，其目的是在拉伸膜拉出時導膜輥產生差速轉動，使得繞過導膜輥的拉伸膜在靜摩擦力的作用下拉長，導膜機構如圖8所示。

圖8 導膜機構結構示意圖Fig.8 Schematics of membrane guide mechanism1.導膜輥 2.膜卷 3.擋板 4.扭力彈簧 5.膜架 6、7.鏈輪 8.導膜架

固定式包膜裝置的導膜機構固定在機架上，拉伸膜使用過程膜卷直徑減小使膜架與導膜架夾角變小，此過程會導致拉伸膜繞過導膜輥產生的夾角發生變化，為減小繞過導膜輥的拉伸膜角度變化范圍，設計為導膜架固定，膜架繞轉軸轉動，可有效減小膜夾角的變化范圍。

導膜機構需要考慮兩個導膜輥的轉速關系、扭力彈簧彈力Ft、導膜輥對膜卷的壓力FN1、導膜輥與膜卷間靜摩擦力Ff1、繞膜與導膜輥間靜摩擦力Ff2以及拉伸膜預緊力F，導膜裝置繞膜方式和受力分析如圖9所示。

圖9 機構受力分析Fig.9 Force analysis of control mechanism

拉伸膜的拉長率取決于兩個導膜輥帶動拉伸膜轉過的量，如果導膜輥與拉伸膜和膜卷之間只存在靜摩擦力的作用而不發生打滑現象且不考慮其它阻力的作用，使繞膜的導膜輥帶動拉伸膜轉過的量大于與膜卷接觸的導膜輥帶動膜卷轉過的量，且兩個導膜輥直徑相同，轉速慢的導膜輥與膜卷接觸并一同旋轉，在轉速快的導膜輥帶動拉伸膜拉出時轉速慢的導膜輥阻礙了膜卷對拉伸膜的釋放，因此拉伸膜的實際釋放量應為轉速慢的導膜輥轉過的量，拉伸膜拉長的量應為轉速快的導膜輥與轉速慢的導膜輥轉過量的差值，拉長量與釋放量的比值即為拉伸膜的拉長率，可用導膜輥的轉速表示其轉過的量，即轉速快的導膜輥與轉速慢的導膜輥的轉速增率為拉伸膜拉長率，即

(2)

式中ψ——拉伸膜拉長率，%

ε1——與膜卷接觸的導膜輥轉速，r/min

ε2——繞膜的導膜輥轉速，r/min

根據拉伸膜拉長率50%的要求確定繞膜的導膜輥和與膜卷接觸的導膜輥轉速比i=1.5，可根據導膜輥轉速比選擇合適的鏈輪配合。

保證導膜輥與拉伸膜、膜卷之間不發生打滑的條件是導膜輥與拉伸膜之間的摩擦力始終小于最大靜摩擦力。通過受力分析可知，Ff1和Ff2等于拉伸膜預緊力F，F′是導膜輥運轉時拉伸膜對膜卷的拉力，其大小與F相等，FN1由F′和Ft共同作用產生。通過作圖發現，膜卷在使用半徑減小的過程中，導膜輥繞膜的角度先減小后增大；F′在點O2沿O2O1方向的阻力始終大于其本身；Ft在O1O2方向的分力與Ft的比值不斷增大，但Ft不斷減小，因此無法確定FN1的最小值。為計算的方便和設計的正確性，FN1可表示為F與Ft在O2點沿O2O1方向阻力之和，隨著膜卷半徑的減小，FN1到O點的力臂大小也隨之變化，FN1取決于OO1的距離、OO2的距離、O1O2的距離、扭力彈簧常數和扭力彈簧扭轉角。拉伸膜與導膜輥不發生打滑應滿足

(3)

其中

式中μ——拉伸膜與導膜輥間靜摩擦因數，μ>0.5

l1——Ft到O點的力臂，mm

l2——FN1到O點的力臂，mm

θ——導膜輥繞膜角(F和F′的夾角)，(°)

k——扭力彈簧常數

τ——扭力彈簧扭轉角，(°)

n1——O到O1的距離，mm

n2——O到O2的距離，mm

n3——O1到O2的距離，mm

因此拉伸膜與導膜輥不發生打滑應滿足

(4)

(5)

本文涉及的彈簧常數k=0.162，μ=0.62，n1=l1=185 mm，n2=142 mm，130 mm68°，θ>108°。

3.2 包膜裝置

包膜裝置旋轉和秧捆自轉同時進行，其轉速比決定包膜的重疊率，且與秧捆規格、拉伸膜橫向收縮率及包膜重疊率有關，通過分析確定裝置旋轉和秧捆自轉的角速度比為

(6)

式中ω1——裝置旋轉角速度，rad/s

ω2——秧捆自轉角速度，rad/s

a′——拉伸膜拉長后的寬度，mm

d——圓柱秧捆直徑，mm

η——包膜重疊率

裝置選用50%的拉長率對秧捆包膜時，由拉長率-橫向收縮率曲線可知a′=200 mm，角速度比的設計需略大于計算值，因此裝置旋轉和秧捆自轉的角速度比設計為18，且秧捆每自轉半圈可完成2層包膜。

包膜裝置傳動采用錐齒輪和鏈輪兩種傳動方式，對裝置旋轉與秧捆自轉的配合進行設計，如圖10所示，動力輸出軸帶動整個包膜裝置旋轉，位于包膜裝置上的捆自轉動力輸出軸通過軸端錐齒輪與固定在機架上的錐齒輪進行嚙合，捆自轉動力輸出軸另一端通過鏈輪與承載滾筒連接，秧捆自轉動力輸出軸可隨裝置旋轉，通過軸端錐齒輪的嚙合旋轉提供動力輸出，實現在包膜裝置旋轉的同時滾筒帶動秧捆自轉進行包膜。

圖10 裝置旋轉傳動配合關系示意圖Fig.10 Schematic of rotation relationship of device1.固定錐齒輪 2.固定板 3.動力輸出軸 4.捆自轉動力輸出軸端錐齒輪 5.捆自轉動力輸出軸 6.機架

秧捆和輸送帶受力分析如圖11所示，兩個半徑相等的承載滾筒圓心處于水平位置，密度均勻的圓柱型秧捆在輸送帶上勻速滾動時輸送帶緊邊張力F1和松邊張力F2大小相等，輸送帶的長度要保證秧捆側面能夠和承載滾筒側面相切，在剛好相切的臨界情況時，秧捆受到承載滾筒的直接支持力FB1、FB2為零，此時秧捆完全由輸送帶的張力托起，輸送帶受到最大張力。輸送帶最大張力F2=F1=Gcosσ，根據LI等[28]針對秧捆受到承載滾筒支持力與水平方向夾角的研究，本文設計秧捆受到承載滾筒支持力與水平方向夾角σ為40°，拉伸膜預緊力應不超過124 N。

圖11 秧捆和輸送帶受力分析Fig.11 Force analysis of bales and conveyor belts1.輸送帶 2.承載滾筒 3.秧捆

承載滾筒的直徑需滿足

(7)

式中 [ρ]——輸送帶許用傳遞能力，MPa

α——圍包角，rad

c——輸送帶帶寬，mm

秧捆質量不超過35 kg，圍包角為208°，鋼繩芯輸送帶[ρ]為0.6 MPa，輸送帶帶寬兩條共300 mm，承載滾筒直徑D確定為100 mm，并根據包膜裝置傳動配合關系選擇合適鏈輪、錐齒輪規格，可實現裝置旋轉和秧捆自轉的轉速比要求。裝置包膜過程以裝置自轉圈數為單位，通過系統的設定，2層包膜裝置旋轉10圈，為防止第1圈包膜內拉伸膜橫向出現較大重疊而影響最終包膜層數，裝置實際轉過圈數比理論設計多轉一圈，同理，4層包膜裝置實際旋轉19圈，6層包膜裝置實際旋轉28圈。

3.3 包膜裝置動力學仿真分析

膜完成后系統自動啟動氣壓缸，推動裝置和秧捆轉過一定角度，秧捆受推力和自身重力作用落入田間。利用ADAMS仿真軟件對裝置轉過的角度進行仿真分析，對包膜裝置關鍵部件建立動力學仿真模型，確定各構件的配合關系和驅動，對秧捆、承載滾筒和地面實體定義并添加摩擦因數。調試氣壓缸驅動的STEP函數，在裝置能穩定推動秧捆和保證效率下，不斷模擬仿真最終確定函數為STEP(time, 0, 0 d, 1, -27 d)，此時氣壓缸1 s內推動裝置提升66°可使秧捆落入田間。升降裝置旋轉仿真和秧捆水平方向運動速度仿真結果如圖12所示，裝置旋轉接近66°時，秧捆沿水平方向分速度保持不變，此時秧捆剛好脫離裝置。

圖12 升降裝置仿真結果Fig.12 Lifting device simulation results

通過仿真可知，裝置提升到與水平方向夾角43°時，拉伸膜完全進入夾膜器中，此時啟動夾膜器夾住拉伸膜，秧捆落入田間的同時升降裝置回落，在拉力作用下切膜刀片將拉伸膜切斷，實現連續化作業。

4 樣機性能試驗

為了檢測該樣機的作業性能指標，在青島弘盛汽車配件有限公司試驗田進行樣機試驗，如圖13所示。試驗時土壤平均緊實度為143 kPa，土壤含水率為14.6%，試驗田花生種植品種為萊農26號，單壟雙行種植模式，平均秧蔓高度和秧蔓含水率分別為40.8 cm和65.2%。樣機的包膜電機和氣泵電機配套動力為5.5 kW和0.55 kW，額定轉速960 r/min。根據NY/T 3121—2017《青貯飼料包膜機質量評價技術規范》的要求進行試驗，將試驗田劃分為3組，分別進行2、4、6層包膜的性能檢測試驗，檢測拉伸膜的拉長率及每層包膜時間、包膜層數、包膜均勻性變異系數。

圖13 包膜裝置田間試驗Fig.13 Field test of coating device

包膜裝置在包膜過程中隨機取6捆測試拉伸膜拉長率，每次分別在膜卷寬度的一半處扎一個深度適中小孔并涂入染色劑標記，包膜結束后記錄此時膜卷的周長A，并在秧捆最外層選取連續3個小孔，測量3個小孔的孔距J，結果如表1所示。

表1 膜卷周長A與孔距J試驗結果Tab.1 Film roll circumference A and hole distance J cm

所選取3個小孔的孔距J為此時兩倍的膜卷周長A的拉長態長度，因此根據公式

(8)

計算6組拉伸膜拉長率的平均值為51.4%，與設計要求有2.8%的誤差，符合合格標準。

樣機在每一組測試中分別取6捆記錄包膜裝置開始包膜至秧捆包膜完成的時間，結果如表2所示，完成2、4、6層包膜的平均時間分別為20.9、33.5、45.6 s，平均每層的時間分別為10.5、8.4、7.6 s/層，滿足標準和4HB-2A型花生聯合收獲機秧捆的生產要求。

在每組中隨機取9個包膜后的秧捆，隨機選取3組秧捆包膜的均勻性變異系數分別為12.20%、7.70%和4.70%，遠低于標準規定的均勻性變異系數要求。

表2 包膜時間Tab.2 Envelope time s

一柱面高度，用刀片沿圓周方向劃開一圈，均勻選取5點，記錄每點包膜層數，結果如表3所示。3組試驗包膜層數選取的各點中最少層數對應各組的包膜層數，3組試驗的包膜重疊率均大于50%，最少層數分別為2、4、6層，均符合樣機所設計的包膜層數。

表3 包膜層數Tab.3 Number of coating layers

5 結論

(1)設計了固定式包膜裝置的導膜機構，通過對導膜機構的繞膜和受力分析，得出拉伸膜拉長率和導膜輥轉速的關系，確定當扭轉彈簧扭轉角τ、繞膜角θ分別滿足τ>68°、θ>108°時，可使拉伸膜不發生打滑，實現拉伸膜預設的拉長率。

(2)通過對秧捆規格、拉伸膜橫向收縮率及包膜重疊率的分析，確定裝置旋轉和秧捆自轉的角速度比為18，通過對包膜裝置傳動配合關系和承載滾筒的設計，使裝置旋轉和秧捆自轉的角速度比達到預期值，并確定不同包膜層數裝置實際的旋轉圈數，實現了裝置對秧捆的有效包膜。

(3)基于ADAMS對氣壓缸推動包膜裝置提升進行了仿真分析，在確保裝置能穩定推動秧捆和保證效率的前提下，1 s內氣壓缸推動裝置旋轉66°可使秧捆有效脫離裝置，在提升過程中，裝置旋轉43°時拉伸膜完全進入夾膜器，并將其切斷，實現了裝置的連續化作業。

(4)樣機田間試驗表明，所設計的固定式包膜裝置拉伸膜拉長率為51.4%，包膜2、4、6層的包膜效率分別為10.5、8.4、7.6 s/層，均勻性變異系數分別為12.20%、7.70%和4.70%，各項指標均符合標準要求，包膜質量滿足花生秧蔓青貯要求。