方捆秸稈打捆機纏網機構設計與試驗

摘要：為保證秸稈打捆后其運輸質量的穩定性，需要對壓縮成捆后的秸稈表面進行纏網或包膜作業。對秸稈方捆打捆機的纏網機構進行設計及研究，研制一種方捆秸稈纏網機構，可實現秸稈在出捆過程中的自動纏網，其包含輸送機構、壓縮機構、纏網機構。重點闡述該機構的工作原理及工作過程，利用三維軟件建模并做出樣機進行田間試驗。結果表明：該機器作業穩定、性能良好、結構穩定，各項打捆指標符合使用要求。對開啟纏網功能前后打捆機的草捆成捆率、規則草捆率、抗摔率和草捆密度進行測試，其成捆率為99.4%，規則草捆率為98%，抗摔率為96%，草捆密度為170 kg/m³，可以打出質量更好的草捆，方便二次運輸。

關鍵詞：玉米秸稈；方捆秸稈打捆機; 秸稈利用；纏網機構

中圖分類號：S224.4

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 12-0036-05收稿日期：2023年7月2日

修回日期：2023年8月24日

*基金項目：河南省科技研發專項（232102111131）

第一作者：楊杰，男，1976年生，陜西漢中人，博士，副教授；研究方向為工業生產線智能控制和現代農業機械設備。E-mail：yangjie@ncwu.edu.cn

通訊作者：古冬冬，男，1981年生，鄭州人，博士，講師；研究方向為現代農業裝備信息化。E-mail：wintergdd@126.com

Design and test of wrapping net mechanism of square bale straw baler

Yang Jie¹， Wang Yiyan¹， Zhu Yigeng²， Gu Dongdong¹， Li Zhongheng¹

（1. School of Mechanical Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou， 450046， China; 2. Henan Agriculture Vocational College， Zhengzhou， 451450， China）

Abstract： In order to ensure the stability of the transport quality of straw after baling， it is necessary to wrap the surface of straw after compression. The netting mechanism of straw square baling machine is designed and researched， and a netting mechanism of straw square baling machine is developed， which can realize the automatic netting of straw during the baling process， including conveying mechanism， compression mechanism and netting mechanism. The working principle and working process of the mechanism are emphatically described， and the 3D software is used to model and make a prototype for field test. The results of comprehensive analysis show that the machine has stable operation， good performance and stable structure， and each bundling index meets the requirements of use. The baling rate， regular baling rate， anti-fall rate and bale density of the baling machine were tested before and after the opening of the net binding function. The test results of the opening of the net binding function showed that the bale rate was 99.4%， the regular bale rate was 98%， the anti-fall rate was 96%， and the bale density was 170 kg/m³， which can produce better quality bales and facilitate secondary transportation.

Keywords： corn stover; square bale straw baler; straw utilization; netting mechanism

0 引言

我國作為農業大國，2023年糧食總產量已達6.954×10¹¹ kg。隨之對于產生的副產物秸稈的處理，成為我國糧食生產中的一個難題。秸稈由大量的有機物和少量的礦物質及水構成，合理利用秸稈具有重大的社會價值及經濟價值^［1］，因此需要將大量的秸稈進行收集運輸。

將秸稈打捆后直接運輸、儲存容易導致捆狀秸稈出現草料散落等情況，降低了運輸的可靠性及儲存的質量。對完成打捆后的秸稈纏繞一層絲網可以較好地緩解此問題。打捆機主要分為圓捆和方捆，目前圓捆的纏網機械較多，部分纏網機械需要人工將秸稈捆放至纏網裝置上，勞動強度大，效率低，而且圓捆打捆纏網一體機價格昂貴不適用于小型農戶^［2］。方形草捆儲存及運輸相比圓捆更加方便，但纏網作業還不夠成熟。

本文在9YFSG-2.2型秸稈方捆打捆機的基礎上進行改進，加裝纏網機構，在草捆出料過程中進行自動纏網，為草捆提供更好的儲存及運輸環境，可以滿足二次運輸的需求，并對設計后的打捆纏網一體機進行田間試驗。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

如圖1所示，9YFSG-2.2型秸稈方捆打捆機主要由牽引架、切割揉碎裝置、浮力系統、螺旋輸送器、喂入機構、活塞、壓捆室、打結機構、密度調節裝置和傳動系統組成^［3］。

該秸稈方捆打捆機的主要技術參數如表1所示。

1.2 工作原理

草捆被推至壓捆室出口處后沿著推板繼續向后移動，當移動至一定距離時觸碰安裝在連接架上的傳感器，傳感器接收到信號后計時裝置開始計時纏網裝置進行旋轉纏網；草捆繼續后移觸碰傳感器，計時裝置結束計時，纏網裝置繼續纏網，此時根據兩個傳感器之間的距離及計時裝置統計的時間，通過計算得出草捆出料的實時速度；當觸碰到第3個傳感器時，纏網裝置旋轉2周后，斷網裝置進行工作，切網刀伸出切斷絲網隨后退回復位；觸碰第4個傳感器時，計數裝置進行計數，完成秸稈打捆數量增加1，隨后草捆脫落，所有傳感器進行復位。

2 纏網機構設計

打捆纏網機構主要由壓捆室、喂入壓縮機構、纏網裝置、斷網裝置、纏網計數機構及傳動系統等組成。該打捆纏網機構整機如圖2所示。

喂入壓縮機構由攪龍、喂入叉、曲柄、連桿、壓縮活塞組成，纏網裝置由大齒輪、小齒輪、網輥、軸承、動力軸、絲網及螺栓螺母等組成^［4］，傳感計數裝置由4個傳感器和連接架組成，斷網裝置由切刀軸、刀架、網鉤和連桿組成。喂入壓縮機構位于壓捆室前部，攪龍及喂入叉將碎秸稈送入壓捆室，曲柄連桿機構帶動壓縮活塞對秸稈進行反復擠壓使其成捆^［5］；纏網裝置位于壓捆室后部，電機通過齒輪傳動帶動纏網大齒輪圓盤旋轉實現纏網^［6］；傳感器與連接架通過焊接及機械連接與整體機架相連。

2.1 纏網裝置

纏網裝置作為纏網機構的關鍵部件之一，其主要功能為實現安裝在網輥上的絲網可以根據設定的速度對出料草捆進行旋轉纏網^［7］。打捆纏網機對纏網裝置的性能要求：纏網齒輪旋轉連續不卡頓、可以滿足高速及低速旋轉、纏網齒輪能夠正轉與反轉、功耗低等^［8］。纏網裝置結構由主動輪、從動輪、網輥、軸承、動力軸、絲網及螺栓螺母等組成，如圖3所示。主動輪與從動輪直接相連，旋轉方向相反，電機上電后根據設定的速度與方向進行旋轉，電機齒輪與纏網齒輪通過齒輪連接從而帶動纏網大齒輪旋轉，裝有絲網的網輥安裝在大齒輪上同步旋轉，將壓捆室出口的秸稈纏上絲網。

網托輪為連接從動輪與機架的零件，由兩個深溝球軸承、軸承夾具、軸用彈性擋圈以及網托輪軸組成，如圖4所示。兩個深溝球軸承放入軸承夾具中，安裝到網托輪軸上，用軸用彈性擋圈將二者固定，經試驗該結構牢固可靠，可長期完成纏網作業。

齒輪作為纏網機構的傳動部件，結合實際情況考慮齒輪傳動時結構尺寸、彎曲強度、所受載荷以及經濟性等因素，確保零件工作時滿足強度和剛度的要求，選取材料為結構鋼，齒輪厚度為16 mm。取小齒輪分度圓直徑d₁=180 mm，齒數z₁=18，中心孔d=22 mm，用于傳動軸驅動。根據式（1）計算得出模數m₁=10。

d₁=m₁z₁ （1）

大小齒輪實現嚙合傳動，需要滿足模數相等、齒輪在分度圓上的齒型角相同，傳動比計算如式（2）所示。

i=z₂/z₁=n₁/n₂ （2）

式中：n₁——主動輪轉速，m/s；

n₂——從動輪轉速，m/s；

z₁——主動輪齒數；

z₂——從動輪齒數。

取傳動比i=5.44，確定從動輪齒數z₂=98，結合式（1），確定從動輪分度圓直徑d₂=980 mm。為保證大齒輪旋轉正常，降低電機功耗，大齒輪內徑800 mm進行挖空處理。圓盤表面安裝軸承由支架固定，大齒輪安裝在軸承上，可繞軸承轉動^［9］。小齒輪與大齒輪參數分別如表2所示。

纏繞絲網安裝在絲網輥上，齒輪轉動時絲網輥同步旋轉進行纏網作業。絲網輥外形為圓柱狀，可繞中心的中間軸旋轉^［10］，中間軸尺寸選取長度為380 mm，截面直徑為40 mm，絲網輥長度L=270 mm，截面直徑為100 mm。網輥與中間軸通過軸承相連接，網輥材料為塑料?；孑佒睆綖?0 mm，與網輥固定安裝在固定架上，固定架通過螺栓與雙頭螺柱安裝在從動輪上。

2.2 傳感計數裝置

傳感機構是根據草捆出料時觸碰傳感器的先后順序實現相應的動作或監測功能，其結構如圖5所示。將傳感器與連接架安裝在出料口適當位置，草捆從壓捆室末端出料，達到一定長度后觸碰傳感器1，傳感器繞軸輕微轉動，觸發感應裝置，接收到信號后反饋給控制系統，電機上電工作帶動大齒輪旋轉纏網，同時計時裝置啟動^［11］；繼續出料接觸傳感器2，纏網裝置繼續運轉，計時結束。根據式（3）可得草料出料速度，從而選取合適的電機轉速確保纏網工作的質量。

V=D/T （3）

式中：V——草捆出料速度，cm/s；

D——草捆長度，cm；

T——計時一個周期的時間，s。

當觸碰到傳感器3時，纏網裝置旋轉2周后，斷網送網裝置進行工作，網刀伸出切斷絲網，纏網齒輪旋轉1周后網刀退回復位；觸碰傳感器4時，計數裝置進行計數，完成秸稈打捆數量增加1，草捆由于自重脫落，所有傳感器進行復位，纏網裝置停止工作。

傳感計數裝置連接架上安裝4個傳感器，傳感器等距放置，草捆尺寸（長×寬×高）為700 mm×380 mm×330 mm，草捆長度為700 mm，設計傳感器連接架長度為800 mm，連接架兩端預留一定位置，傳感器之間距離選取為210 mm。

2.3 斷網裝置

斷網裝置主要由切刀軸、刀架、切刀和連桿組成，與控制電路相連，邏輯控制電路可以根據草捆纏網的階段控制切網刀的伸出和收起，切網刀的行程位移由邏輯控制電路控制，其動力由打捆機動力輸出軸提供，液壓裝置控制其行程位移^［12］。斷網裝置的切刀軸安裝在裝置的底板卡槽里，可以實現對切網刀的水平移動。切網刀安裝在切刀軸上。當草捆出料接觸傳感器3時，纏網機構對草捆進行纏網2周后，此斷網裝置的切刀軸向前伸出，切刀觸碰絲網后繼續向前移動，利用鋒利的刀刃及絲網纏繞在秸稈捆上的拉力切斷絲網，隨后切刀軸向后收縮復位。草捆繼續出料觸碰傳感器4，計數裝置進行計數，完成草捆的纏網數量增加1，所有傳感器復位，草捆脫落，完成了一個草捆的纏網工作。

由于引網輥的存在，后續草捆進行纏網時，纏網機構旋轉過程中絲網會卡在秸稈上作為纏網起點從而完成后續纏網工作，因此無需對絲網進行送網作業。根據傳感器連接架的長度及傳感器3所處的位置，結合實際的設計需要，斷網裝置連接軸長度為270 mm。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

在河南省新鄉市某試驗基地進行秸稈打捆纏網試驗，該試驗田長600 m，寬300 m，試驗所用的秸稈為試驗田當年在玉米收獲機收獲籽粒后的秸稈。通過對試驗田不同的區域取值測量后計算平均值的方法^［13］，

最終得出該區域的秸稈量為3.259 9 kg/m²，試驗進行前該試驗田的秸稈含水率為30.03%。動力選用拖拉機型號為雷沃M1404-x，其參數見表3。試驗中，拖拉機前進速度為2.38 km/h，動力軸輸出轉速為720 r/min。

3.2 試驗方法

纏網裝置試驗的目的是研究秸稈纏網打捆一體機中纏網裝置的作業性能和纏網質量^［14］，采用對照試驗，對比秸稈纏網打捆一體機開啟纏網功能和未開啟纏網功能所打出的草捆質量。判斷草捆質量參數主要包含成捆率、規則草捆率、草捆抗摔率以及草捆密度^［15］。

測定規則草捆率，用卷尺測量草捆4個邊長尺寸，所測得4個邊長最大值與最小值之差若與邊長平均值相差不超過10%，則視為規則草捆，否則為不規則草捆。取量為每個單行程隨機抽取5個草捆，按照式（4）計算；測定草捆抗摔率，取量為每個單行程2個草捆，將草捆從5 m處的高度扔下做自由落體運動，每個草捆連摔2次，摔散的草捆視為不合格，根據式（5）計算草捆抗摔率。

S_g=I_gc-I_gb/I_gc×100% （4）

S_kc=I_kc-I_ks/I_kc×100% （5）

式中：S_g——規則草捆率，%；

I_gb——不規則草捆數，捆；

I_gc——被測草捆數，捆；

S_kc——抗摔率，%；

I_ks——摔散草捆數，捆；

I_kc——被測草捆數，捆。

草捆密度是衡量打捆機械打捆質量的重要參數，良好的草捆密度意味著壓縮機構設計合理，可以減少不必要的往復運動，從而延長打捆機械的使用壽命，根據式（6）計算草捆密度。

ρ_c=W_k/［1+（H_C-20%）］V_C （6）

式中： ρ_c ——秸稈草捆密度，kg/m³；

W_k ——秸稈草捆實際重量，kg；

V_C ——秸稈草捆體積，m³；

H_C ——秸稈草捆含水率，%。

3.3 試驗結果

如表4所示，該機器作業穩定、性能良好、結構穩定，各項打捆指標符合使用要求。與未啟動纏網功能的秸稈纏網打捆一體機相比，開啟纏網功能后打捆機所打出的草捆無論是成捆率、規則草捆率、草捆抗摔率以及草捆密度都有一定提升，草捆質量更好，更能滿足二次運輸的要求。

4 結論

1） 探究一種方捆秸稈打捆纏網一體化的處理方法，即在打捆機上加裝纏網機構，重新進行秸稈物料傳輸設計，實現秸稈在出捆過程中的自動纏網，其包含輸送機構、壓縮機構、纏網機構。

2） 對于開啟纏網功能前后打捆機的草捆成捆率、規則草捆率、抗摔率和草捆密度進行測試，開啟纏網功能試驗結果為成捆率為99.4%，規則草捆率為98%，抗摔率為96%，草捆密度為170 kg/m³，與未開啟纏網功能相比開啟后可以打出質量更好的草捆，方便二次運輸。所得試驗結果均在設計范圍內，機器運行穩定、性能良好、結構穩定，完成秸稈打捆及纏網的一體化作業，滿足設計要求。

3） 對于方捆秸稈纏網打捆一體機來說，過于細碎或是太過干燥的秸稈不利于打出質量較高的草捆，但是如果秸稈含水率太高，打捆時會造成汁液的擠出，使秸稈營養物質白白流失，不利于進一步加工為飼料。因此下一步計劃是研究方捆秸稈纏網打捆一體機的通用性，使其滿足使用者更多的需求。

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