小型秸稈圓捆機喂入機構的設計與試驗*

雷軍樂，肖建中，尹詩豪

(桂林理工大學機械與控制工程學院，廣西桂林，541000)

0 引言

我國每年農作物秸稈總量約為10.2億t，占全世界秸稈年總產量的30%左右，但因秸稈收貯運較困難而使其利用率僅30%左右[1-3]，依靠傳統人工收集秸稈費時又費力，而利用圓捆機對秸稈進行打捆可節約大部分人力物力。結合我國復雜的地形，國內生產的多數是小型鋼輥式圓捆機，其特點是結構簡單，操作方便，可適用于多種地形作業，打出的草捆內松外緊，通透氣較好[4]。

傳統小型鋼輥式圓捆機在打捆作業時，時常出現秸稈堵塞、喂入能力較差、打捆效率較低的問題[5-6]；近年來，為解決這些問題，眾多學者對圓捆機進行了研究，如許智[7]設計了一個喂料機構，主要是由絞龍、集料箱、喂料風機、喂料筒等機構組成，依靠高速旋轉的拋送風葉帶動氣流將秸稈運送至壓捆室；王春光等[8]對圓捆機增加一個曲柄搖稈喂入機構，通過曲柄搖稈機構帶動喂入叉運動將物料強制送入成捆室，同時該機構需要很高的運動精度；潘世強等[9]設計了一個螺旋喂入裝置，增大工作寬幅，該結構兩端反旋向螺旋葉片，中間為螺旋撥齒，相鄰兩個螺旋齒旋向相反；毋高峰[10]設計了一個由撥輥圓筒、撥齒、上活塞、集草箱等零部件組成的喂入機構，可協助活塞將收割拋出的秸稈撥入到集草箱中；王德福[11]等人在鋼輥式圓捆機的喂入口增加一對喂入對輥，可一定程度上解決秸稈堵塞問題。

綜上所述，國內學者在解決秸稈喂入堵塞技術上取得了較大的進展，但仍存在結構復雜、適用性不好等缺點，在前人的研究基礎上，設計了一種由前置喂入對輥、后置擠壓對輥和護板組成的喂入機構，該喂入機構具有結構簡單、工作穩定、成本低廉等特點，且對于長度大于喂入口寬度的整根秸稈具有較強的喂入能力，增強小型圓捆機對秸稈打捆的適用性；此外還通過喂入機構試驗裝置對其喂入性能進行試驗研究，旨在尋求喂入機構的最佳結構參數，為小型秸稈圓捆機的結構設計提供依據。

1 圓捆機喂入機構設計

1.1 圓捆機整體結構設計

圓捆機主要由液壓機構、彈齒式撿拾器、喂入機構、卷捆機構、捆繩機構、放繩機構、傳動機構等組成，其中喂入機構位于彈齒式撿拾器與卷捆機構之間，如圖1所示。

圖1 小型秸稈圓捆機結構示意圖

圓捆機打捆作業時，秸稈被撿拾器撿拾送入喂入機構，并在喂入機構的強制輸送、揉搓作用下進入卷捆機構，隨著秸稈的不斷喂入及旋轉鋼輥的摩擦帶動，進入卷捆室的秸稈沿鋼輥表面連續做上升、回拋運動直到形成一定密度的草捆，最后通過液壓機構將草捆放出。

1.2 喂入機構的設計

喂入機構主要由前置喂入對輥、后置擠壓對輥和護板組成，其相互位置關系如圖2所示。

圖2 喂入各輥位置關系圖

由圖2可看出，前置喂入對輥間距H1較大，后置擠壓對輥間距H2較小，總體呈喇叭狀。

前置喂入對輥間距H1較大，可將喂入量較大或突然增多的秸稈強制輸送至卷捆機構，以保證不會因秸稈突然增多而在喂入口堆積造成堵塞；當喂入量較少時，主要依靠前置喂入下輥的導送作用。

后置擠壓對輥間距H2較小，可將雜亂蓬松的秸稈揉搓變軟；為使后置擠壓上輥不對卷捆室內的秸稈產生反作用，后置擠壓上輥相對下輥設置成一定的傾角α，以利于秸稈形成旋轉草芯。

經過前期試驗發現，當秸稈長度大于圓捆機喂入口寬度時，容易造成喂入口堵塞，因此，前置喂入對輥既要對秸稈有較好的夾持作用，還需要將較長的秸稈切斷，為此在前置喂入對輥的兩端均設計了切割刀，如圖3所示。其中喂入上輥外表面采用最有利于夾持的圓環結構；根據劉曉等[12-13]的設計喂入下輥表面采用“胡子”型凸起花紋，這樣既能增大喂入下輥對秸稈的摩擦力，又可將切斷的秸稈向中間聚攏，減少秸稈與側壁的摩擦。

前置喂入上輥的結構示意圖如圖3所示，其外表面布置高度12.5 mm的圓環(最有利于夾持)，光面直徑為Φ110 mm，長為730 mm，每個圓環外徑Φ135 mm，用65Mn鋼作為制作材料，厚度為2 mm，間距為66 mm，一共有9個圓環分布在鋼棍上，切割刀的端點旋轉半徑為82.5 mm。

圖3 前置喂入上輥的結構示意圖

前置喂入下輥結構示意圖如圖4所示，直徑Φ130 mm，長度為730 mm，凸起的高度為5 mm，寬度為4 mm，為了使旋轉時喂入機構工作的平穩，旋轉軸徑須保持平衡，產生的離心力為零，凸起盡可能均勻分布，設計一共有4條“胡子”型的花紋，兩側各有4個切割刀，切割刀的端點旋轉半徑為82.5 mm，厚度為3 mm，切割刀和圓環以65Mn鋼作為制作材料。

圖4 前置喂入下輥的結構示意圖

圖5為擠壓對輥結構示意圖。擠壓上輥的直徑為Φ140 mm，且表面沿周向布置10個等間隔的長條凸棱(相鄰凸棱之間相差36°)，長條凸棱總體尺寸為730 mm×4 mm×2 mm，擠壓下輥的直徑為Φ140 mm，在表面沿周向挖出10個等間隔的凹槽，凹槽的尺寸為730 mm×4 mm×1 mm。凸棱和凹槽上下對應，主要是將秸稈進行揉搓，破壞秸稈表面的莖節以使其更加柔軟，其次是在旋轉過程中起導送、過渡傳遞秸稈的作用。

(a)擠壓上輥

裝置中的兩個水平輥子代表改進后卷捆機構的兩個水平輥子，且鋼棍光面外圓直徑為Φ145 mm，外表面有10個圓弧凸棱均勻沿周向分布，其尺寸為730 mm×6 mm×2 mm，將厚度為2 mm的橡膠沿著鋼棍的凸棱表面緊密貼合上，此時變成膠輥，輥子表面的凸棱依然可以發揮增加與秸稈之間的摩擦力作用。

2 秸稈喂入過程力學分析

秸稈經過喂入機構時的力學分析如圖6所示。以水平向右為X軸正方向，豎直向上為Y軸正方向。

圖6 秸稈在喂入機構的力學分析

從圖6(a)中可知，秸稈在前置喂入對輥階段主要受到后續秸稈的推力以及前置喂入對輥的導送作用。

Fx1=Fe+F2+Ft-f

(1)

F2=N2μ

(2)

式中：Fx1——秸稈在水平方向上受到的合力，N；

Fe——喂入上輥對秸稈的導送力，N；

N2——喂入下輥對秸稈的支持力，N；

Ft——后續秸稈的推力，N；

F2——喂入下輥對秸稈的摩擦力，N；

f——圓捆機機體側壁摩擦力，N；

μ——輥子對秸稈的滑動摩擦系數。

從圖6(b)中可知，秸稈在后置擠壓對輥階段主要受到后續秸稈的推力(數值上等于Fx1)以及后置擠壓對輥的導送力。

Fx2=(Fnc+F4)cosθ+Fx1+Fwsinθ-N3sinθ

(3)

Fy=(Fnc+F4)sinθ-G4+N3cosθ-Fwcosθ

(4)

式中：Fy——秸稈在豎直方向上受到的合力，N；

Fx2——秸稈在水平方向上受到的合力，N；

N3——擠壓下輥對秸稈的支持力，N；

F4——擠壓下輥對秸稈的摩擦導送力，N；

θ——秸稈運動方向與水平方向的夾角，(°)(數值上等于擠壓上輥傾角α)；

Fw——擠壓上輥對秸稈的擠壓力，N；

Fnc——擠壓上輥對秸稈的推送力，N；

G4——秸稈的重力，N。

由公式可知，稻稈在水平方向上受到的合力大小與喂入機構上下輥的作用密切相關，其作用關系取決于對輥間距和擠壓上輥傾角α的大小。

稻稈在喂入機構中受到的水平推力越大，對稻稈的導送作用越大，因此需要對喂入機構的各輥位置進行合理布置。

3 試驗研究

3.1 試驗裝置與儀器設備

圖7為自制的喂入機構喂入性能測試裝置，主要由帶式輸送裝置[13]和喂入裝置組成。試驗時，將秸稈放在輸送帶上送至喂入機構，秸稈經過喂入裝置后與底部的兩個水平輥子表面接觸，最后脫離試驗裝置，做平拋運動掉落至水平地面。

圖7 喂入機構試驗裝置示意圖

試驗分別為輸送裝置和喂入機構配備了電機(型號為TYPE Y100L1-4、Y90L-4)和變頻器(型號均為ZHB5Z)用于驅動和調速；其他儀器主要有游標卡尺，皮卷尺、稱等。

3.2 試驗材料

試驗采用廣西農業科學院桂北分院里面種植的水稻秸稈，水稻品種為桂禾豐，用尺子測量得到其平均長度為800 mm，其中不包括稻穗部分長度)，測量稻稈的外徑平均尺寸為4.86 mm，稻稈壁厚大約0.42 mm。本試驗測得從田間收獲的稻稈平均含水率大約為17%。

3.3 試驗因素與評價指標

由前面分析可知，前置喂入對輥的間距、后置擠壓對輥的間距、擠壓上輥的傾角α對喂入機構的導送作用有很大的影響，所以采取這3因素對喂入機構的配置進行優化研究；以秸稈脫離輥子做平拋運動的水平運動距離作為試驗評價指標，秸稈拋送距離越長，表示喂入機構的喂入性能越強。

評價指標計算公式如式(5)所示：測量稻稈離開試驗裝置到落地點的水平距離，并且除以所有試驗中的最大落地點的距離。

(5)

式中：M——喂入能力；

L1——稻稈離開試驗裝置到落地點的水平距離，mm；

L2——稻稈離開試驗裝置到落地點的最大水平距離，mm。

3.4 試驗方法

采用3因素5水平正交旋轉設計方法，試驗因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼

采用室內實驗室試驗，采集適合試驗要求的稻稈，放置在陰涼無太陽照射的地方，用稱將稻稈稱量好，稻稈均勻鋪放在輸送帶上，輸送帶速度為1.0 m/s，稻稈在輸送帶的鋪放量為1.2 kg/m，稻稈厚度平均有2.5 cm，鋼輥轉速為240 r/min[14-16]；每組試驗都重復做5次，記錄稻稈落地點到離開喂入裝置的水平距離，取5次試驗的平均值作為該組試驗的結果。

3.5 試驗結果與分析

試驗結果如表2所示。由Design-Expert V8.0.6軟件對試驗數據進行分析，可得如表3所示。根據表3可知，表中的model項P值<0.01，說明model項極顯著，失擬項P值>0.1，說明失擬項極不顯著，整個試驗數據表明各個因素對試驗指標的影響極顯著，各因素的回歸模型如式(6)所示。

表2 試驗結果

P=0.88+0.011A-0.007 389B+0.031C-

0.015AB-0.007 5AC+0.000 1BC-

0.028A2-0.016B2-0.014C2

(6)

根據表3中P值的大小可知，擠壓上輥傾角對評價指標影響是極顯著，前置喂入對輥間距對評價指標影響是較顯著的；并且根據表中一次項F值可判斷每個因素對評價指標的影響從大到小依次為：擠壓上輥傾角、前置喂入對輥間距、后置擠壓對輥間距。

表3 方差分析表

為進一步研究分析單個因素對試驗評價指標的影響，將試驗數據在任意2個因素固定為0水平基礎上，再對數據進行整理分析得到單因素對試驗結果的影響，如圖8所示。

如圖8所示，隨著前置喂入對輥間距在30～50 mm(-1.68～0水平)的時候，喂入能力明顯增大，隨著間距逐漸增大，當間距增大至70 mm(1.68水平)的時候，喂入能力并不理想。由喂入能力大約0.87下降至0.75。前置喂入對輥間距的增大喂入能力呈先變大后減小的趨勢，當間距較小時，前置喂入對輥的夾持作用較小，稻稈無法全部及時進入喂入機構，造成在喂入口處堆積，堆積稻稈導致后續稻稈無法進入喂入機構，最后出現堵塞問題；隨著間距的增大，前置喂入對輥的夾持作用發揮越大，稻稈獲得的動能增大，喂入能力增大；隨著前置喂入對輥間距進一步增大，前置喂入上輥對稻稈的接觸作用逐漸減小，致使喂入對輥對秸稈的夾持輸送作用力減小甚至消失，前置喂入上輥切割刀的切割作用也將失去，只存在前置喂入下輥的導送作用，前置喂入下輥的切割能力明顯降低，側壁對稻稈的阻力明顯增大，喂入能力減小。

圖8 各因素對喂入能力的影響

后置擠壓對輥間距的在18～26 mm(-1.68～0水平)的時候，喂入能力緩慢增大，當后置擠壓對輥間距從0水平(26 mm)逐漸增大時，喂入能力直線下降，大約由0.87下降至0.73。后置擠壓對輥間距的增大喂入能力先呈現緩慢增大后減小的趨勢。后置擠壓對輥的主要作用是對稻稈進行揉搓，將蓬松的稻稈進行壓縮。當后置擠壓對輥的間距比較小，后置擠壓對輥過渡傳遞稻稈的作用變小，容易導致稻稈無法及時運送到后面的輥子處，導致喂入能力較小，且還易出現纏輥現象；隨著后置擠壓對輥的間距增大，稻稈纏輥現象減小，喂入能力變大，當擠壓對輥間距過大時，擠壓對輥對稻稈導送作用減小，稻稈進行揉搓效果減小，無法破壞稻稈纖維素組織壁，達到軟化效果。

擠壓上輥傾角由13°～19°(-1.68～1水平)喂入能力逐漸增大，當擠壓上輥傾角大于19°喂入能力減少，大約由0.9下降至0.87。擠壓上輥傾角的增大喂入能力先變大后緩慢減小的趨勢。當擠壓上輥傾角小于19°時，喂入能力隨著擠壓上輥傾角的增大而明顯增大，其原因是稻稈經過后置擠壓對輥速度方向由水平方向轉變為斜向上方向，稻稈的速度變大，動能增大。當擠壓上輥傾角太大時，后置擠壓上輥的前傾也越大，此時后置擠壓上輥的位置會對稻稈起到一個阻力，容易在后置擠壓上輥前產生堵塞，不利于后續稻稈的進入，最終導致喂入能力降低[17-19]。

通過分析可知，喂入機構的喂入性能越強，在喂入機構產生的堵塞問題越少。利用試驗數據進行分析，尋找最優參數組合，最終確定在試驗范圍內的最優組合為：前置喂入對輥間距為50 mm、后置擠壓對輥的間距為22 mm、擠壓上輥傾角為19°，此時喂入能力最強。

通過Design-Expert8.0.6軟件對試驗數據進行處理，分析前置喂入對輥間距A和后置擠壓對輥間距B的交互作用，如圖9所示。當前置喂入對輥間距一定時，隨后置擠壓對輥間距的增大，喂入能力出現先緩慢增大后減小的趨勢，且隨著前置喂入對輥間距的增大這種變化趨勢先變大后減??；當后置擠壓對輥間距一定時，隨著前置喂入對輥間距的增大，喂入能力先增大后減小，且隨著后置擠壓對輥間距的增大這種變化趨勢緩慢增大后減小。

圖9 雙因素交互作用分析

4 參數優化及驗證

通過分析可知，喂入機構的喂入性能越強，在喂入機構產生的堵塞問題越少。利用試驗數據進行分析，尋找最優參數組合，如圖10所示。

圖10 優化結果表

根據優化數學模型和回歸方程，最終確定在試驗范圍內的最優組合為：前置喂入對輥間距為50 mm、后置擠壓對輥的間距為22 mm、擠壓上輥傾角為19°。

為驗證優化結果的可靠性，按照上述組合進行試驗驗證，最后對比得到該組合的喂入能力最強。通過確定前置喂入對輥間距為50 mm、后置擠壓對輥的間距為22 mm、擠壓上輥傾角為19°預測的最優組合，通過該組合試驗5次，結果喂入能力分別為0.96，0.88，0.9，0.91，0.95。其平均值為0.92>表2試驗結果中喂入能力值最大值0.91，表明該組合喂入能力最強。

5 結論

1)設計了鋼輥式圓捆機喂入機構的具體形式和相關技術參數，并自制喂入機構試驗裝置，利用試驗裝置進行了有關參數的試驗，對結果進行了分析，為圓捆機喂入機構的優化設計和改進奠定了基礎。

2)經試驗驗證，確定前置喂入對輥間距為50 mm，后置擠壓對輥間距為22 mm，擠壓上輥傾角為19°，喂入機構可顯著改善喂入性能，減少喂入口發生堵塞的概率，提高圓捆機的撿拾打捆作業效率。