圓草捆纏膜機設計與試驗

2020-10-17 00:59:14蘇佳佳翟改霞李永龍劉立平

農機化研究 2020年2期

蘇佳佳,翟改霞,張平,郭煒,李永龍,劉立平

(中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司,呼和浩特 010010)

0 引言

我國牧區有可利用草原2億hm2多,年平均產干草約2億t。由于傳統的牧草收貯工藝十分落后,在牧草收獲貯存過程中營養成分損失高達30%～50%;同時,我國農區每年約產6億t農作物秸稈,利用率不足30%,所利用秸稈主要是采用干燥后露天貯存的方法,這種方法生產的飼料具有營養成分流失嚴重、適口性差、不易消化等缺點[1-6]。因此,農業部大力推廣青貯技術,逐漸形成一定規模。近年來,其推廣速度不斷加速,并先后出現了窖貯(青貯)、圓草捆裝袋青貯及圓草捆纏繞式青貯等多種青貯形式[7-9]。

捆包青貯技術利用塑料薄膜包裹圓草捆進行青貯,是現代農業中最重要的技術之一,在玉米秸稈、牧草的青貯等領域都有廣泛的應用,是保持作物營養成分和減少收獲損失的一種實用有效的方法,且具有捆包成形美觀、便于運輸、高效節能、有利于發酵貯藏等多種優點[10-15]。目前,打捆包膜青貯技術已成為玉米秸稈、小麥秸稈、牧草等作物儲藏、運輸的重要平臺,圓捆纏膜機的廣泛應用已成為必然趨勢。9YM-1.5型圓草捆纏膜機是為標準的典型的農業應用而設計的,既可用于秸稈草捆纏膜,也可用于由打捆機制成的青貯飼料圓草捆的纏膜。

1 主要結構及工作原理

1.1 主要結構

9YM-1.5型圓草捆纏膜機主要由機架、纏膜平臺、旋轉臂系統、切膜機構、捆包定位系統、防護欄、液壓及電控系統等組成,如圖1所示。其中,機架包括牽引梁、底盤等;纏膜平臺包括草捆夾持裝置、皮帶旋轉平臺及鏈傳動等;旋轉臂系統包括旋轉臂支架、旋轉臂、薄膜卷退卷裝置及齒輪傳動等。

1.牽引梁 2.草捆夾持裝置 3.皮帶旋轉平臺 4.底盤 5.切膜裝置 6.捆包定位系統 7.防護欄 8.旋轉臂 9.薄膜卷退卷裝置 10.旋轉臂支架 11.控制系統

1.2 主要技術性能參數

纏膜機的主要技術性能參數如表1所示。

1.3 工作原理

圓捆纏膜機工作時用拖拉機牽引,在拖拉機后面右側,與拖拉機行駛軌跡平行。在接近草捆之后,傳感器啟動裝載動作,由圓捆夾持裝置將圓捆拾起并放置在前傾的纏膜平臺上;隨后,夾持裝置返回到其底部位置,纏膜平臺恢復成水平位置準備纏膜。在纏膜平臺上方有1個可以水平旋轉的旋轉臂,旋轉臂上有塑料薄膜卷和塑料薄膜張緊器。塑料薄膜的外端通過張緊器伸出,當薄膜被拉出時會受到一定的預張緊力,實現薄膜拉伸。纏膜平臺上有平皮帶盤繞在滾輪上,可以使圓捆沿垂直方向旋轉。作業時,由液壓系統提供動力,纏膜平臺上皮帶使圓捆沿垂直方向慢慢地旋轉,旋轉臂在機架上方轉動軸的驅動下水平旋轉,平穩地用預應力膜纏繞草捆。當纏繞草捆時,旋轉臂加速;纏繞最后一層后,旋轉臂減速,刀片打開;到達起始位置時,纏繞結束,旋轉臂停止,刀片合上以切斷薄膜同時將薄膜夾緊;纏膜完成后,纏膜平臺向后傾斜,通過捆包定位系統的調整將圓捆卸在地上,然后纏膜平臺重新回到工作位置進行下一個圓捆纏膜作業。

表1 主要技術性能參數

2 主要工作部件結構設計和參數確定

2.1 纏膜平臺結構設計

纏膜平臺主要由纏膜平臺架體、3個輥筒、4個限位輥、鏈輪及鏈條等組成,如圖2所示。圓草捆纏膜機的2條驅動鏈位于纏膜平臺上,在機器的左側、防護罩的下面,為旋轉輥筒提供動力,短鏈條傳遞發動機提供的動力,長鏈條實現輥筒之間的動力傳遞。纏膜平臺主要用于經草捆夾持裝置裝載的圓草捆,通過輥筒旋轉,帶動圓草捆自身旋轉,便于旋轉臂進行周密纏膜,主要作用是實現圓草捆繞自身中心線方向自轉。

1.纏膜平臺架體 2.限位輥 3.輥筒 4.短鏈條 5.長鏈條 6.鏈輪

2.2 旋轉臂系統結構設計

旋轉臂系統主要由旋轉臂支架、2個旋轉臂、2個防護欄、2個薄膜卷退卷裝置及回轉體等組成,如圖3所示。其中,2個薄膜卷退卷裝置分別位于2個旋轉臂上,2個防護欄分別位于2個旋轉臂上和回轉體連接,2個旋轉臂與回轉體連接,旋轉臂支架與回轉體連接。通過回轉體運動驅動旋轉臂旋轉,進而使旋轉臂上的薄膜卷退卷裝置也隨著旋轉臂旋轉,從而實現安裝在薄膜卷退卷裝置上的薄膜卷纏繞圓草捆。面向機器前進方向,旋轉臂工作時逆時針旋轉,與旋轉臂連接的防護欄在旋轉臂旋轉方向的前方,隨著旋轉臂旋轉也跟著旋轉,在纏膜過程中起防護作用。旋轉臂系統的主要作用是纏繞圓草捆。

1.回轉體 2.旋轉臂支架 3.旋轉臂 4.薄膜卷退卷裝置 5.防護欄

2.3 切膜機構結構設計

切膜機構主要由切刀基座、切膜機構開合油缸、臂抓鉤、刀槽、4個壓縮彈簧、頂架、加壓桿及鋁塑管等組成,如圖4所示。刀槽通過螺栓固定在切刀基座上,切膜機構開合油缸與基座和臂抓鉤連接,臂抓鉤與加壓桿連接,鋁塑管包著加壓桿。通過切膜機構開合油缸的伸縮作用實現切刀機構的閉合和打開,當油缸伸長時,切刀機構閉合;當油缸縮短時,切刀機構打開。切膜機構安裝在機架上,主要用于當圓草捆纏膜完畢后,進行切斷薄膜的作用。

1.頂架 2.鋁塑管 3.臂抓鉤 4.切膜機構開合油缸 5.切刀基座 6.壓縮彈簧 7.刀槽

2.4 薄膜卷退卷裝置穿膜方案設計

在為制作青貯飼料進行纏膜時,以適當的作用力和正確的重疊方式將薄膜纏繞在草捆上是非常重要的。因此,有必要熟悉薄膜卷退卷裝置的功能,并了解在釋放膜過程中保證提供正確的量。薄膜卷退卷裝置如圖5所示。

圖5 薄膜卷退卷裝置

薄膜卷退卷裝置正確的穿膜簡化方式如圖6所示。在纏膜過程中,確保膜的帶粘性那一側面朝著草捆展開。通常情況下,薄膜在草捆上適當拉伸后,當拉伸率為70%時,750mm寬的膜將其寬度減小到約為600mm。

圖6 穿膜方案

2.5 膜卷拉伸薄膜的預拉伸量確定

為了獲得最佳的圓草捆貯存技術、經濟目標,采用預拉伸率為70%的膜。除了預拉伸裝置的調整之外,膜的伸長率還與所用材料的物理機械性能、膜卷軸和草捆之間的距離、纏膜平臺和旋轉臂轉速相關,還與草捆的尺寸和形狀有關。

當在草捆中部纏膜時,應在膜卷上放置膜的中間位置用氈尖筆畫一條長度為10cm的線;然后,慢慢開始纏膜草捆,直到被線標記的膜被牢固地纏繞在草捆上時,停止纏膜并測量新線的長度。薄膜拉伸率為70%的結果應該是17cm。在草捆上,拉伸好的膜的寬度應該約為600mm。膜拉伸示意圖如圖7所示。

圖7 膜拉伸示意圖

2.6 纏膜重疊系數的確定

草捆纏膜所需的薄膜的量取決于草捆自身的尺寸、纏膜層數、單位面積的薄膜質量(各種膜的標準約為22～23g/m2)及薄膜預拉伸量。

重疊系數應至少為50%,即每層膜必須覆蓋前一個表面的至少一半。纏膜重疊示意圖如圖8所示。

通常纏4層重疊的薄膜,草捆青貯質量較優,因此圓草捆必須完全纏膜兩次,其對空氣流動產生非常高的阻力。只有在特殊情況下,極端天氣條件或長期儲存時,草捆有必要纏膜6層。相同的纏膜方式與50%重疊方法相比,增加了不同層膜之間空氣的流動性。以這種方式纏膜,草捆被牢固地包裹在拉伸膜中,防止任何與外部的交換并抵御惡劣的氣候條件。不同層膜間空氣流動示意圖如圖9所示。

圖9 不同層膜間空氣流動示意圖

3 試驗

3.1 試驗條件

試驗地點在河北邢臺,場地具有足夠的圓草捆。試驗地選擇平坦、具有代表性的地塊,符合圓草捆纏膜機的適用范圍及工作環境。試驗場地圓草捆是玉米秸稈,被測草捆直徑為1.2m,寬度為1.2m,質量為800kg。試驗選用寬度為750mm的薄膜卷,試驗條件滿足試驗要求[16-18]。

3.2 性能試驗及結果分析

首先對機器進行試運轉和調試,將機器調整到最佳工作狀態。在機器正常工作狀態下進行性能試驗,主要對纏膜平臺轉速與旋轉臂的轉速之比、草捆纏膜時間、草捆纏膜層數、成包率及純工作小時生產率等進行了測試,并對試驗測定結果進行了分析。

3.2.1 纏膜平臺轉速與旋轉臂轉速的轉速比

纏膜平臺轉速與旋轉臂轉速的轉速比計算為

式中i—纏膜平臺轉速與旋轉臂轉速的轉速比;

n1—纏膜平臺轉速(r/min);

n2—旋轉臂轉速(r/min)。

機器處于正常工作狀態下,分5次測得纏膜平臺轉速n1和旋轉臂轉速n2,并且計算轉速比i,取其平均值。測試結果如表2所示。

表2 纏膜平臺轉速與旋轉臂轉速測試結果

由表2可以看出:第5次試驗是在加大油的情況下測得的數據,纏膜平臺轉速比旋轉臂轉速略微小一些,轉速比的平均值為0.95,得出纏膜平臺轉速與旋轉臂轉速的轉速比在0.9～1之間。由于纏膜機纏繞草捆的薄膜重疊率是與纏膜平臺轉速和旋轉臂轉速相關的,所以纏膜重疊率與轉速比相關。由試驗得出轉速比幾乎為1,進而得出纏膜機纏繞草捆的薄膜重疊率是基本均勻的。

3.2.2 草捆纏膜時間

草捆纏膜時間計算為

式中t—草捆纏膜時間(min/捆);

T—纏膜草捆所需總時間(min);

Z—纏膜草捆總數(捆)。

草捆纏膜時間為裝載草捆時間、纏膜時間和卸載草捆時間之和。將機器設置為纏膜4、6、8層分別進行試驗,每次試驗分別記錄纏膜5、10、15捆所需時間,然后分別計算每捆纏膜所需時間,取其平均值。試驗結果如表3所示。