收獲粉碎式秸稈壓塊打包一體機的設(shè)計

陳立東，孫明偉，薛 飛，李亞婧，楊宗煒，楊彩媛，李學(xué)永,劉榮昌，周彥禮

(1.河北科技師范學(xué)院 機電工程學(xué)院，河北 秦皇島 066600；2.灤南縣職業(yè)教育中心，河北 灤南 063500；3.河北廣電網(wǎng)絡(luò)信息集團股份有限公司 灤南分公司，河北 灤南 063500；4.倴城鎮(zhèn)中心學(xué)校，河北 灤南 063500；5.唐山鑫萬達實業(yè)股份有限公司，河北 灤南 063500；6.灤南縣工業(yè)和信息化局，河北 灤南 063500)

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收獲粉碎式秸稈壓塊打包一體機的設(shè)計

陳立東1，孫明偉1，薛 飛1，李亞婧2，楊宗煒3，楊彩媛4，李學(xué)永5,劉榮昌1，周彥禮6

(1.河北科技師范學(xué)院 機電工程學(xué)院，河北 秦皇島 066600；2.灤南縣職業(yè)教育中心，河北 灤南 063500；3.河北廣電網(wǎng)絡(luò)信息集團股份有限公司 灤南分公司，河北 灤南 063500；4.倴城鎮(zhèn)中心學(xué)校，河北 灤南 063500；5.唐山鑫萬達實業(yè)股份有限公司，河北 灤南 063500；6.灤南縣工業(yè)和信息化局，河北 灤南 063500)

針對國內(nèi)秸稈打包機不能進行田間收獲打包作業(yè)的現(xiàn)狀，設(shè)計了收獲粉碎式秸稈壓塊打包一體機。以73.5kW拖拉機作為牽引機，利用撿拾收割裝置進行秸稈撿拾收獲，通過二次粉碎拋送裝置完成秸稈的二次粉碎與拋送，實現(xiàn)了秸稈的田間收獲壓塊打包作業(yè)。田間試驗表明：該機撿拾收獲效果良好，損失率低，作業(yè)效率達到了2.84t/h，草捆密度133.4kg/m3，滿足農(nóng)作物秸稈收獲作業(yè)要求，為秸稈綜合利用提供了技術(shù)支持。

農(nóng)作物秸稈；收獲；壓捆；裝包；撿拾

0 引言

農(nóng)作物秸稈作為一種可再生資源，我國產(chǎn)量豐富，每年約有8.4億t以上[1-4]。目前，國內(nèi)農(nóng)作物秸稈的綜合利用率還很低，大部分秸稈被廢棄或就地焚燒，不僅浪費了資源、污染了環(huán)境，甚至帶來了很大的安全隱患。由于農(nóng)作物秸稈具有體積大、質(zhì)量輕、形狀極為不規(guī)則及貯運困難等特點，不利于秸稈的綜合利用，因此需要首先解決秸稈的收集儲運問題。為解決上述問題，近年來國內(nèi)針對秸稈打包機和秸稈壓捆機的研究越來越多。2008年，江南大學(xué)的李倩對稻草秸稈打包機的壓縮過程及壓縮性進行了系統(tǒng)的試驗研究與分析，并設(shè)計了秸稈打包機及液壓系統(tǒng)[5]。西北農(nóng)林科技大學(xué)的祝明雪于2009年完成了玉米鮮秸稈壓縮打捆特性及裝備的試驗研究，通過計算和分析，設(shè)計出了秸稈壓縮打捆試驗裝置，為秸稈打包設(shè)備壓縮機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了基礎(chǔ)[6]。海南大學(xué)的張浩棟等設(shè)計了一種基于PLC的香蕉秸稈自動打包機，實現(xiàn)了香蕉秸稈的自動打包作業(yè)[7]。上述研究大多是針對固定式秸稈打包機壓縮機構(gòu)及其液壓控制進行設(shè)計，田間收獲粉碎式秸稈壓塊打包機方面的研究還很少。為此，提出了一種用于田間收獲作業(yè)的牽引式農(nóng)作物秸稈壓塊打包一體機。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 技術(shù)要求

要求能實現(xiàn)站立或倒伏秸稈的田間收獲粉碎，同時實現(xiàn)壓塊成型并裝包作業(yè)。整機作業(yè)狀態(tài)外觀尺寸為5 000mm×2 400mm×3 320mm，牽引動力73.5kW，切碎長度15～25mm(可調(diào))，生產(chǎn)率2～4t/h(干黃秸稈)，作業(yè)幅寬2.2m，行距不受行限制，成捆率95%，壓縮密度130kg/m3。

1.2 總體結(jié)構(gòu)

收獲粉碎式秸稈壓塊打包一體機由撿拾收割機構(gòu)、輸送喂入系統(tǒng)、二次粉碎拋送裝置、液壓控制系統(tǒng)、計量控制裝置、壓縮成型系統(tǒng)及出料裝包裝置等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，樣機如圖2所示。

1.拋料筒 2.發(fā)動機 3.二次粉碎拋送裝置 4.撿拾切割裝置 5.仿形輥 6.出料裝包裝置 7.液壓控制系統(tǒng) 8.壓縮裝置

圖2 收獲粉碎式秸稈壓塊包裹一體機樣機

工作時，通過拖拉機牽引進行田間收獲作業(yè)，同時利用拖拉機動力輸出軸的動力帶動錘爪式撿拾機構(gòu)將秸稈(站立或倒伏)收割撿拾，并通過后續(xù)的切碎裝置和拋送裝置進行切碎、拋送。工作時, 撿拾切割機構(gòu)將秸稈連續(xù)地切割、撿拾、揉搓，并通過喂入叉將秸稈絲拋入輸送喂入裝置；二次粉碎拋送裝置將切碎物料進行二次粉碎破節(jié)，并通過拋料筒拋送至壓縮機構(gòu)，在壓縮室內(nèi)由活塞進行壓縮，實現(xiàn)壓實、成塊，最后由推料缸推出并進行裝袋。

2 主要部件設(shè)計

2.1 錘爪式撿拾割臺的設(shè)計

撿拾揉搓機構(gòu)由錘爪式滾筒、定刀片、滾筒殼體、螺旋輸送器及篩孔式輸送器殼體等組成，其功能是把牧草或農(nóng)作物秸稈收割、撿拾、揉搓成絲狀物，然后由螺旋輸送器輸送至粉碎拋送機構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 撿拾揉搓機構(gòu)

2.1.1 錘爪式滾筒

錘爪式滾筒是撿拾揉搓機構(gòu)的主要部件，由帶固定刀片的滾筒殼體、錘爪式割刀及動刀片等組成。錘爪刀片采用高鉻錳合金材料，以提高抗沖擊和耐磨性。錘爪的疏密要保證將秸稈切割撿拾干凈，通常間距為63～100mm。其布置采用螺旋形排列布置方式，在螺旋方向上布置19個錘爪，可以保證切割和撿拾，不致漏撿。

2.1.2 滾筒轉(zhuǎn)速的確定

為保證物料的清潔度，滾筒工作時需要有一定離地間隙。同時，為減小秸稈撿拾損失，需要有降低撿拾滾筒的離地高度。撿拾滾筒的轉(zhuǎn)速與機器前進速度的關(guān)系為[8]

(1)

其中，n為滾筒轉(zhuǎn)速(r/min)；vm為機器前進速度(m/s)；r為銷軸所在旋轉(zhuǎn)半徑(m)；l為錘爪長度；γ為銷軸與旋轉(zhuǎn)中心連線與錘爪間夾角(°)。動力輸出軸轉(zhuǎn)速為760r/min，滾筒轉(zhuǎn)速取為450r/min。

2.2 二次粉碎拋送裝置的設(shè)計

二次粉碎拋送裝置的作用是進一步粉碎秸稈物料，提升物料的拋送動能，使粉碎后的物料在風(fēng)機作用下沿拋料筒拋到壓縮室上方的儲料斗。切碎刀盤裝置采用刀盤和風(fēng)機葉片一體化設(shè)計, 即刀盤座上安裝有動刀片和風(fēng)機葉片, 動刀片數(shù)量為5 個或10個, 刀盤座轉(zhuǎn)速為1 300r/min，其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 粉碎拋送裝置實物仿真

刀盤座由厚度為15mm、直徑為665mm的鋼板加工而成，動刀片和風(fēng)機葉片均勻布置于刀盤座上。 刀片的內(nèi)外線速度設(shè)計為13.6～51.7m/s, 滑切角為42°, 材料為65Mn；刀片厚度為6.4mm, 刃口硬度HRC62～65。

風(fēng)機葉片外端直徑為794mm, 葉片外端線速度為54m/s, 葉片數(shù)量為5片, 拋送筒的高度為4.5m。

2.3 壓縮裝包機構(gòu)設(shè)計

壓縮裝包機構(gòu)是撿拾包裹一體機的核心工作部件，功能是將粉碎后的秸稈進行壓縮然后裝包，裝包后將卸于車下。壓縮裝包機構(gòu)由機架、料斗、壓縮室、壓縮機構(gòu)、液壓系統(tǒng)及計量裝置等組成，如圖5所示。

圖5 壓塊裝包機構(gòu)

2.3.1 上料斗的設(shè)計

料斗安裝在壓縮室的上方，基本結(jié)構(gòu)為圓柱螺旋形，并與拋料筒的出口相連接，料斗的入料口設(shè)置在圓形料斗的切線方向上。收獲作業(yè)時，由拋料筒拋送的物料沿螺旋形軌道高速進入料斗，秸稈物料中的灰塵、雜質(zhì)在高速氣流的作用下由上部出口排除，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 上料斗結(jié)構(gòu)

2.3.2 壓縮機構(gòu)設(shè)計

壓縮機構(gòu)主要由壓縮室、閘板、壓縮板、推板及出口組成。在壓縮室內(nèi)，設(shè)計有壓縮板和推板，壓縮室上邊設(shè)有料斗，在壓縮室和落料斗之間設(shè)有閘板。當(dāng)料斗中的秸稈物料達到設(shè)定的計量質(zhì)量時，閘板在液壓缸的推動下啟動并將料斗內(nèi)的物料卸入壓縮室，同時封閉落料口；壓縮板推動壓縮室內(nèi)的秸稈進行壓縮成塊，推板將壓縮后的秸稈捆從出口推出，壓縮機構(gòu)進入下一個工作循環(huán)。壓縮室模型如圖7所示。

對壓縮室進行運用SolidWorks三維軟件建立各個零件的模型，并根據(jù)各零件的配合關(guān)系建立壓塊機的裝配體。根據(jù)有限元分析的特點，必須將模型進行簡化，去除不必要的相關(guān)零件模型，以簡化相關(guān)運算過程，提高運算效率。根據(jù)此設(shè)計中的內(nèi)容，進行壓縮室靜力學(xué)分析及疲勞分析。網(wǎng)格劃分及分析結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖7 壓縮室模型

圖8 壓縮室有限元網(wǎng)格劃分

圖9 壓縮室有限元分析結(jié)果

2.3.3 裝包裝置

經(jīng)過壓縮室壓塊的秸稈在成型后需要對其進行裝包處理，以備運輸及發(fā)酵。本設(shè)計中成型塊的裝包處理部分位于壓縮室的出口處，作用是將包裝袋口固定于壓縮室出口處，防止在壓塊被推出時因壓塊與袋子之間的摩擦將袋子從出口處推落。裝包裝置基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。

1.定架 2.固定螺栓 3.旋轉(zhuǎn)壓柱 4.彈簧 5.壓架

2.3.4 翻轉(zhuǎn)閘板式壓縮室入料控制裝置

壓塊翻轉(zhuǎn)閘板控制裝置由翻轉(zhuǎn)閘板、液壓缸及支架等組成。其工作過程是：由液壓缸驅(qū)動翻轉(zhuǎn)式圓弧封閉閘板，閘板翻轉(zhuǎn)控制落料口的開啟和封閉，且在閘板封閉的同時將壓縮室內(nèi)的秸稈物料進行壓縮，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

3 田間試驗

3.1 測試條件及測試指標(biāo)

2015年10月，樣機在唐山市灤南縣西北坨村進行了生產(chǎn)測試。測試條件：環(huán)境溫度11～17℃；測試秸稈為玉米秸稈，含水率19.3%；測試地塊(長×寬)15m×75m；測試評價指標(biāo)為成捆率、草捆密度、草捆抗摔率、噸草油耗、純工作小時生產(chǎn)率等。樣機測試現(xiàn)場及作業(yè)效果如圖12、圖13所示。

圖12 測試現(xiàn)場

圖13 測試效果

3.2 測試結(jié)果

測試結(jié)果如表1所示。

表1 樣機測試結(jié)果

4 結(jié)論

1)研制了收獲粉碎式秸稈壓塊包裹一體機，該機主要由撿拾收割機構(gòu)、輸送喂入系統(tǒng)、二次粉碎拋送裝置、液壓控制系統(tǒng)、計量控制裝置、壓縮成型系統(tǒng)及出料裝包裝置等組成。同時，對撿拾收割機構(gòu)、二次粉碎拋送裝置及壓塊裝包裝置等進行了設(shè)計，并對壓縮機構(gòu)進行了仿真分析。

2)田間試驗表明：樣機壓捆成型性能良好，撿拾損耗率低，小時生產(chǎn)率達到了2.48t/h，并且實現(xiàn)了自動計量稱重，滿足了農(nóng)戶對秸稈收獲自動計量裝包的要求。

[1] 畢于運，高春雨，王亞經(jīng)，等.中國秸稈資源數(shù)量估算[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(12)：211-217.

[2] 鄧華，敖寧建，孫蓉，等.利用秸稈纖維制備環(huán)境材料的研究進展[J].高分子材料與工程，2009,25(12)：169-172.

[3] Pan Mingzhu, Zhou Dingguo, Zhou Xiaoyan, et al.Improvement of straw surface characteristic via thermomechanical and chemical treatments[J]. Bioresearch Technology, 2010, 101(21): 7930-7934.

[4] 國家發(fā)展改革委,農(nóng)業(yè)部,財政部."十二五"農(nóng)作物秸稈綜合利用實施方案[EB/OL].(2011-11-29).http://baike.baidu.com/link?url=VGctZmj_RhSq2Gl1qXh4LP2Z SDTJjRlQa9A5ZsFWyzb1bNOnM1OH2ryAEQJGpKu1NOzI8 JOr4gotMNXzr_Pyga.

[5] 李倩.秸稈打包機的分層疊壓技術(shù)研究 [D].無錫：江南大學(xué)，2008.

[6] 祝明雪.玉米鮮秸稈壓縮打捆特性及裝備的試驗研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.

[7] 張浩棟，張燕，曾小英，等.基于PLC的香蕉秸稈自動打包機的設(shè)計和控制研究[J].食品與機械,2013,29(4):115-117.

[8] 王鋒德，陳志，王俊友，等．4YF-1300 型大方捆打捆機設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009， 40(11):36-41.

Design of the Straw Bale Packing Machine with Crushing Type

Chen Lidong1, Sun Mingwei1, Xue fei1, Li Yajing2, Yang Zongwei3, Yang Caiyuan4, Li Xueyong5， Liu Rongchang1, Zhou Yanli6

(1.Hebei Normal University of Science & Technology, Mechanical and Electrical Engineering College, Qinhuangdao 066600, China; 2.Luannan County Vocational Education Center, Luannan 063500, China; 3.Hebei Radio and Television Network Information Group Co. Ltd. Luannan branch, Luannan 063500, China; 4.Ben Town Center School, Luannan 063500, China; 5.Tangshan Xinwanda Industrial Co. Ltd., Luannan 063500,China; 6.Industry and Information Technology Bureau of Luannan County, Luannan 063500, China)

Aiming at the situation of the domestic straw baler unable to be packed in a harvest field, a harvest crushing straw baler with packing device is designed. The machine makes a 73.5kW tractor as its traction machine, and it harvests the straws with its picking and reaping device; and it completes the stalks of secondary crushing and throwing through a secondary crushing throwing device. The machine achieves the field straw harvest works with bailing and packing operation. The field test shows that the effect of picking up is good, and it has a low loss harvesting rate. The work efficiency reaches 2.84 t/h, and the balers density is 133.4kg/m3. The machine is satisfies the requirements of crop straw harvesting, and provides a technical support for the comprehensive utilization of the straw.

crop straw; harvesting; baling; pack; pick up

2016-05-19

國家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化項目(2013GB2A200044)

陳立東(1973-),男,河北唐山人，副教授，(E-mail)chentian-940308@163.com。

S226.9

A

1003-188X(2017)04-0098-05