小型秸稈飼料打捆機液壓系統設計

董云哲 耿欣 譚杰 徐慧磊 周建宇 李君興

(吉林省農業機械研究院，吉林 長春 130022)

引言

我國秸稈年產量約為8.65億t[1]，預計2025年僅玉米秸稈理論資源量為2.53億t左右[2]。巨量的秸稈處理一直是農業生產的難題，秸稈飼料化是處理秸稈且提升秸稈價值的重要手段之一[3，4]，秸稈飼料打捆機是能夠直接將機收后田地上的秸稈進行撿拾、粉碎、除塵、壓縮成可直接作為粗飼料的設備，近年來發展迅猛[5]。相比于傳統的打捆機，通過秸稈飼料壓縮使松散的秸稈飼料壓縮成具有一定密度的方捆，大大減少了所占空間，降低了運輸和存儲成本[6，7]；同時還通過除塵工作，使得撿拾的秸稈更潔凈，適口性更好。市場常用的小型秸稈飼料打捆機秸稈壓縮大多數采用液壓驅動壓縮，而大多數秸稈飼料打捆機生產廠家通常根據同類產品或經驗對打捆機液壓系統進行設計，往往忽略秸稈飼料的壓縮特性，常常出現配套動力不合理，壓縮設備功率消耗大等問題，針對這種情況，根據秸稈壓縮理論和液壓理論公式對秸稈飼料壓縮系統進行計算和設計，并對設計的秸稈飼料打捆機的壓縮性能進行了使用試驗，以期為打捆機廠家提供借鑒。

1 液壓系統設計

1.1 秸稈壓縮理論

由于秸稈類物料屬于粘彈性體，自身具有復雜的物理特性[8]，許多學者都做了大量的秸稈壓縮研究。1938年德國學者卡維特(Skalweit)[9]首次開始研究纖維物料的壓縮機理，其通過在密閉容器內以低速壓縮牧草，得出了壓縮力和壓縮后物料容積密度之間的關系式：

P=Cγm

式中，P為秸稈壓縮壓強，MPa；C為試驗常數；γ為壓縮后秸稈捆密度，kg·m-3；m為試驗系數。

1959年德國學者麥威斯(Mewes)[10]對上述公式進行了完善，認為纖維物料在壓縮過程中壓縮力還與物料的初始密度有關，并給出了不同壓縮條件下壓縮力與物料密度之間的數學模型：

P=C(γ-γ0)m

式中，P為秸稈壓縮壓強，MPa；C為試驗常數；γ為壓縮后秸稈捆密度，kg·m-3；γ0為物料初始密度，kg·m-3；m為試驗系數。

1964年德國學者莎哈特(Sacht)[11]通過試驗認為，物料濕度對秸稈壓縮過程有很大影響。水在秸稈壓縮過程中起到粘合劑的作業，一些研究證明，適度的含水率可提高秸稈塊的耐久性[12]，當然秸稈含水率對壓縮能耗影響顯著[13]。20世紀60年代蘇聯學者赫達帕奇(Hulapaqi)[14]研究認為，纖維物料在壓縮過程中壓縮力不僅與壓縮后密度、物料濕度有關，還與壓縮速度有關，經過大量試驗提出了包含含水率、壓縮速度等參數新的壓縮公式。此外，我國學者楊明韶[15]進行了牧草壓縮試驗研究，山東農業大學趙何[16]進行了碎玉米秸稈壓縮試驗并得到了碎玉米秸稈壓縮應力和壓縮密度的數學模型。縱觀國內外學者的研究和理論分析，秸稈壓縮是一個復雜彈塑性過程，在壓縮過程中會受到秸稈類型、含水率、壓縮力、粒徑、壓縮量、溫度、壓縮速率、壓縮室尺寸、震動、壓縮頻率等諸多因數影響，為了便于分析計算，本文采用蘇聯學者赫達帕奇的植物纖維壓縮公式作為秸稈壓縮理論公式。

1.2 秸稈飼料打捆機壓捆裝置結構

1.2.1 壓捆裝置結構

具有撿拾、揉搓粉碎、除塵、壓捆和纏網或裝袋(包括人工)功能的秸稈收獲機械，稱之為撿拾秸稈飼料打捆機。小型秸稈飼料打捆機壓捆機構一般由送料機構、壓縮機構和推捆機構3部分組成，如圖1所示。

1.機架；2.推料缸；3.壓縮室；4.纏網裝置；5.推送缸；6.壓縮缸；7.料倉圖1 秸稈飼料打捆機壓捆裝置

1.2.2 秸稈飼料打捆機工作過程

耕地上的秸稈被撿拾揉搓裝置撿拾揉搓成粉碎秸稈，通過風機輸送裝置，輸送到壓縮室內，當壓縮室中秸稈質量達到規定重量時，稱重傳感器發出信號，推送缸帶動推料活塞進行推料動作，將落在壓縮腔內的秸稈飼料進行初步壓縮，當推料活塞到達到指定位置后，推送缸保持靜止，同時壓縮缸進行壓縮動作，將秸稈飼料由上而下進行壓縮，壓縮活塞到指定位置時，推料缸、壓縮缸都保持靜止，推送缸進行推送草捆動作，本次草捆將上一次含在壓縮腔的草捆擠出出料口，同時纏網機構工作，將上一次的草捆進行纏網包裹，當本次草捆位置達到上一次草捆位置時，纏網馬達停止工作，同時切網液壓缸工作，將網切斷，同時推送缸開始復位，推送缸復位后，壓縮缸再復位，壓縮缸復位后，推料缸最后復位。待料倉秸稈達到規定重量后再進行下一個工作循環。

1.2.3 設計參數

結合市場需求和企業生產實際確定小型秸稈飼料打捆機主要技術參數，如表1所示。

表1 小型秸稈飼料打捆機主要技術參數

根據小型秸稈飼料打捆機壓縮工藝，其壓縮液壓工作原理圖如圖2所示。

1.推料缸；2.三位四通閥；3.油泵；4.油箱；5.過濾器；6.安全閥；7.壓縮缸；8.推送缸圖2 液壓原理圖

由于秸稈飼料壓縮過程中，壓縮缸工作時系統所受負載最大，為此選擇壓縮缸工作對秸稈飼料進行力學計算。壓縮裝置結構如圖3所示。

1.細限位桿；2.位置傳感器；3.壓縮缸；4.粗限位桿；5.壓縮活塞圖3 壓縮裝置

圖4 試驗場景

1.3 液壓系統設計

1.3.1 壓縮缸壓強計算

1.3.1.1 秸稈壓縮壓強理論計算

秸稈壓縮壓力不僅與草捆密度有關，還與壓縮速度、秸稈含水率有關[17]，根據蘇聯學者赫拉帕奇提出的公式進行計算。

P=CαβKγm

式中，P為秸稈壓縮壓強，MPa；α為秸稈的濕度系數；β為壓縮過程中壓縮速度系數；K為物流硬度系數，取1.0；γ為壓縮后秸稈捆密度，kg·m-3，根據JB/T 12442-2015，γ取200kg·m-3；C和m均為試驗系數，C取1.92×10-5，m取2.178。

α=[1-0.02×(W-15.3)]

式中，W為秸稈的含水率，根據東北秋季打捆時間和打捆機對含水率要求[18]，W取20%。

式中，V為壓縮速度，m·s-1，為滿足打捆機生產率要求，設定壓縮速度為0.2m·s-1。

經計算，P=0.85MPa。

F=P×S活塞

式中，S活塞為壓捆活塞面積，m2。

壓捆活塞長為742mm，寬為310mm，面積為0.23m2；所以最大壓縮力為195kN。

1.3.1.2 壓縮缸徑計算

公式：

式中，D為壓縮缸徑，mm；F為最大壓縮力，N；η為液壓缸機械效率，取0.93；P1為進油路初選壓力，取18MPa；P2為油路背壓，取0.3MPa；φ為桿徑比，取0.707。

經計算，D=142mm。

考慮到安全系數和參照GB/T 321-2005行程第1系列，選擇相應液壓缸行程，考慮到推送缸壓力小于液壓缸，由于送料缸負載小于推送缸，并根據小型打捆機性能要求，確定各缸體參數，具體參數如表2所示。

表2 液壓缸參數

1.3.2 液壓泵的參數計算及選型

在打捆機工作過程中，由于三缸為順序工作，因此流量按壓縮缸所需流量計算即可。

公式：

Q=60A×V

式中，Q為壓縮缸流量，L·min-1；A為壓縮缸橫截面積，m2。

經計算，Q=243L·min-1。

式中，q為泵排量，L·min-1；n為泵轉數，r·min-1。根據拖拉機后輸出軸最高轉數760r·min-1和選取的變速箱傳動比2.55∶1，則泵的轉數為1938r·min-1。

經計算泵排量為125mL·r-1。考慮到打捆機的工作特點及成本，所以選用結構簡單、體積小，工況穩定可靠的齒輪泵，泵體流量需大于125mL·r-1，壓力大于18MPa，故選擇型號為IPV7-160齒輪泵。

2 性能試驗

2.1 試驗結果

為了驗證秸稈飼料壓縮機構液壓系統性能，對小型秸稈飼料打捆機做了使用試驗。試驗材料選用玉米收獲機工作后晾曬30d的玉米秸稈(含水率16%)，工作0.5h，打捆20包，草捆尺寸及質量如表3所示。

表3 草捆尺寸及質量

除第1個草捆不成型外，剩余19個草捆平均體積0.11m3，草捆平均質量20.8kg。根據捆包密度公式[19]：

式中，Pd為草捆密度，kg·m-3；mk為被測捆包實際平均質量，kg；Hc為被測秸稈含水率；Vk為草捆體積，m3。

經計算，草捆密度為198kg·m-3，達到JB/T 12442-2015標準要求。

2.2 結果分析

由于壓縮室出料口為開口，在推料缸工作時，第1個草捆出料方向無背壓，所以第1草捆很難成形；由于地面上秸稈分布不均，使得單位時間秸稈撿拾量不同，所以落入壓縮室的秸稈量也不同，同時地面上秸稈含水率略有差異，如向陽迎風的秸稈含水率低而壟溝處的秸稈含水率略高，使得秸稈密度有差異，上述2點原因使得方捆尺寸、重量有所偏差。

3 結論

介紹了秸稈壓縮理論的發展和影響秸稈壓縮的主要因素；根據蘇聯學者赫拉帕奇提出秸稈壓縮理論和秸稈飼料壓縮工藝，設計了小型秸稈飼料打捆機壓縮液壓系統，實現了草捆密度達到150kg·m-3以上，滿足了JB/T 12442-2015秸稈方捆(壓)機行業標準對草捆密度的技術要求；秸稈飼料打捆機工作過程中，第1草捆不成型，后續生產的草捆尺寸重量略有偏差。