打捆試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張澤璞，段寶成，陶桂香，衣淑娟，劉春香

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江工程學(xué)院，哈爾濱 150008)

0 引言

水稻是我國(guó)四大商品糧之一[1]，種植面積大、產(chǎn)量高，也是我國(guó)居民的主要食用商品糧。水稻收獲后稻稈自身結(jié)構(gòu)疏松、質(zhì)軟、密度小及占用空間大，導(dǎo)致運(yùn)輸不方便[2]。我國(guó)在打捆方面發(fā)展較晚，配套機(jī)械還存在不足，打捆機(jī)械設(shè)計(jì)多參照國(guó)外機(jī)械同時(shí)理論還不健全[3-6]。雖然國(guó)外機(jī)械較為健全，工作性能穩(wěn)定，但是其高昂的價(jià)格當(dāng)前還不能被農(nóng)戶所接受[7-9]。綜合各原因使我國(guó)水稻秸稈回收與利用造成嚴(yán)重浪費(fèi)，還間接阻礙了我國(guó)打捆機(jī)械的發(fā)展。

為了探究打捆裝置在設(shè)計(jì)與研發(fā)中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套打捆試驗(yàn)臺(tái)，旨在方便后續(xù)的試驗(yàn)研究。

1 打捆試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)組成

打捆試驗(yàn)臺(tái)由打捆裝置、動(dòng)力裝置、輸送裝置、檢測(cè)系統(tǒng)與控制裝置等組成，如圖1所示。試驗(yàn)臺(tái)采用電源為動(dòng)力源，帶動(dòng)各工作裝置進(jìn)行工作。其主要工作流程為：電動(dòng)機(jī)通過(guò)控制裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)輸送裝置與打捆裝置工作；輸送裝置將秸稈輸送到打捆裝置的喂入口，喂入口的撥禾輪將秸稈送入到壓捆室內(nèi)，通過(guò)壓縮活塞往復(fù)壓縮將秸稈壓縮成高密度的草捆，同時(shí)被推出到壓縮室外部；草捆帶動(dòng)棘輪控制裝置，控制草捆的長(zhǎng)度及控制打結(jié)器工作，打結(jié)器工作將捆繩纏繞在草捆上完成一次打結(jié)，完成一次打捆工作。

1.打捆裝置 2.輸送裝置 3.動(dòng)力裝置圖1 打捆試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 The baling test rig

1.2 打捆裝置

打捆裝置是打捆試驗(yàn)臺(tái)最主要的工作裝置，主要包括壓捆室、壓縮機(jī)構(gòu)(飛輪、連桿、壓縮活塞)、減速機(jī)、打結(jié)器、出口高度調(diào)節(jié)裝置、打結(jié)器及撥禾輪等主要工作部件，如圖2所示。

打捆裝置的主要工作過(guò)程為：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)，將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按照減速機(jī)傳動(dòng)比1∶7降速，減速機(jī)輸出軸一端與壓縮機(jī)構(gòu)的飛輪連接，另一端連接傳遞機(jī)構(gòu)的鏈輪，飛輪帶動(dòng)壓縮機(jī)構(gòu)的連桿與活塞運(yùn)動(dòng)，將撥禾輪撥入壓捆室內(nèi)的秸稈壓縮成塊并不斷地推出壓捆室內(nèi)；同時(shí)，鏈傳動(dòng)帶動(dòng)傳遞機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，草捆被推出壓捆室時(shí)帶動(dòng)草捆調(diào)節(jié)裝置的棘輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，棘輪機(jī)構(gòu)控制打結(jié)器凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)打結(jié)器運(yùn)動(dòng)，完成一次打捆工作；草捆連續(xù)不斷地被推出打捆室，打結(jié)器不斷地完成打捆工作。由于打結(jié)器價(jià)格昂貴，同時(shí)國(guó)產(chǎn)打結(jié)器不能滿足使用要求，打結(jié)器選擇進(jìn)口D型打結(jié)器。雖然D型打結(jié)器結(jié)構(gòu)比C型打結(jié)器復(fù)雜，但是D型打結(jié)器具有傳動(dòng)靈活、工作協(xié)調(diào)性好[10-12]。

1.壓縮活塞 2.連桿 3.飛輪 4.減速機(jī) 5.撥禾輪 6.壓捆室 7.打結(jié)器 8.草捆長(zhǎng)度調(diào)節(jié)裝置 9.出口高度調(diào)節(jié)裝置圖2 打捆裝置Fig.2 The baling device

1.3 動(dòng)力裝置

打捆裝置采用電源為動(dòng)力源，使用電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，采用帶傳動(dòng)將動(dòng)力傳輸給打捆部件。動(dòng)力裝置由電動(dòng)機(jī)、框架、防護(hù)罩、聯(lián)軸器、扭矩傳感器及軸承座等組成，如圖3所示。

1.框架 2.電動(dòng)機(jī) 3.護(hù)罩 4.軸承座 5.傳感器 6.底座 7.帶輪圖3 動(dòng)力裝置Fig.3 Power device

1.4 輸送裝置

輸送裝置采用輸送帶代替秸稈傳輸，將秸稈擺放到輸送帶上，輸送帶將秸稈送入撥禾輪的送入口，完成算數(shù)工作。輸送裝置如圖4所示。

1.支架 2.主動(dòng)輥 3.皮帶 4.電動(dòng)機(jī) 5.輔助輥圖4 輸送裝置Fig.4 Conveying device

1.5 檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)主要采用扭矩傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)檢測(cè)，是為了實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理及分析自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的。檢測(cè)系統(tǒng)基于MCGS工控組態(tài)軟件開(kāi)發(fā)，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，為用戶提供了解決實(shí)際工程問(wèn)題的完整方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線，以及報(bào)表輸出。該系統(tǒng)將檢測(cè)結(jié)果以動(dòng)態(tài)文本方式顯示，實(shí)時(shí)曲線顯示，可直接輸出工作狀態(tài)功率消耗。

1.6 輔助部件

打捆試驗(yàn)臺(tái)輔助原件主要是一些裝置控制部件，如出口調(diào)節(jié)裝置、捆針、輔助拉桿和定位塊等。捆針與打結(jié)器、壓縮活塞協(xié)調(diào)工作，工作時(shí)有相對(duì)的位置管制關(guān)系。出口高度調(diào)節(jié)裝置通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄可以控制草捆出口高度的大小，輔助部件在打捆試驗(yàn)臺(tái)中是不可或缺的部件。

2 試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證打捆試驗(yàn)臺(tái)的工作性能，對(duì)打捆試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究，并依據(jù)方草捆打捆機(jī) 《GB/T 25423-2010》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試驗(yàn)秸稈選用含水率為30%～40%秋季水稻秸稈。試驗(yàn)儀器為米尺、電子秤、手推車及其安全防護(hù)用品等。

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)打捆裝置的結(jié)構(gòu)與分析，選取打捆試驗(yàn)臺(tái)的變化因素為草捆長(zhǎng)度、喂入量及飛輪轉(zhuǎn)速；試驗(yàn)指標(biāo)為草捆密度，因素水平編碼表[13-15]如表1所示。

表1 分體式小麥免耕播種機(jī)試驗(yàn)性能結(jié)果Table 1 Experimental factors and levels

2.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)方案選擇正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案進(jìn)行，選擇三因素五水平正交試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行23次，每組試驗(yàn)重復(fù)5次進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。采用DPS數(shù)據(jù)出爐軟件處理得到方差分析如表3所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Test scheme and results

續(xù)表2

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

對(duì)表3中的結(jié)果分析可知：F1F0.01(5，8)顯著，方程有意義。根據(jù)方差分析處理結(jié)果進(jìn)行二次多元回歸方程擬合，草捆密度Y對(duì)自變量回歸方程為

Y=-659.71+0.89X1+102X2+10.97X3-

0.00061X12-24.42X22-0.075X32

其中，X1為草捆長(zhǎng)度(mm)；X2為喂入量(kg/s)；X3為飛輪轉(zhuǎn)速(r/min)。

回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，表3中P值小0.05項(xiàng)是顯著項(xiàng)，影響因子X(jué)1、X2、X3、X12、X22、X32對(duì)草捆密度指標(biāo)影響均為顯著項(xiàng)。

回歸模型失擬檢驗(yàn)。失擬項(xiàng)P值為0.077 06>0.05，回歸方程不擬合，草捆密度模型實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值相接近界定系數(shù)與校正決定系數(shù)軍接近1，表明回歸方程精確、效果顯著。精密度值為80.155>4.17，表明該回歸方程在設(shè)計(jì)的區(qū)域內(nèi)預(yù)測(cè)性能良好。

各影響因子對(duì)草捆密度的顯著性順序由大到小依次為草捆長(zhǎng)度>喂入量>飛輪轉(zhuǎn)速。

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行分析，分別固定3個(gè)因素中1個(gè)因素為0水平，考察其中兩個(gè)因素對(duì)草捆密度的影響，獲得草捆密度雙因素響應(yīng)曲面圖[16-18]。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速為75r/min時(shí)，獲得草捆長(zhǎng)度與喂入量對(duì)草捆密度響應(yīng)曲面如圖5所示；當(dāng)喂入量為2kg/s時(shí)，獲得草捆長(zhǎng)度與飛輪轉(zhuǎn)速對(duì)草捆密度響應(yīng)曲面如圖6所示；當(dāng)草捆長(zhǎng)度700mm時(shí)，獲得喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速對(duì)草捆密度響應(yīng)曲面如圖7所示。通過(guò)響應(yīng)曲面圖分析兩兩因素交互作用關(guān)系。

圖5 草捆長(zhǎng)度與喂入量對(duì)草捆密度響應(yīng)曲面圖Fig.5 The response surface diagram of Baling length and feeding volume to baling density

圖6 草捆長(zhǎng)度與飛輪轉(zhuǎn)速對(duì)草捆密度響應(yīng)曲面圖Fig.6 The response surface diagram of Baling length and flywheel speed to baling density

圖7 喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速對(duì)草捆密度響應(yīng)曲面圖Fig.7 The response surface diagram of feeding volume and flywheel speed to baling density

由圖5可知：當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速為零水平時(shí)，草捆長(zhǎng)度與喂入量對(duì)草捆密度影響顯著。當(dāng)喂入量一定時(shí)，草捆密度隨著草捆長(zhǎng)度增大呈現(xiàn)出先快速增大，達(dá)到700mm后，草捆密度呈現(xiàn)出緩慢下降；當(dāng)草捆長(zhǎng)度一定時(shí)，草捆密度隨著喂入量的增大呈現(xiàn)出先逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)喂入量達(dá)到2kg/s時(shí)，草捆密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，二者交互作用影響關(guān)系明顯。

由圖6可知：當(dāng)喂入量為零水平時(shí)，草捆長(zhǎng)度與飛輪轉(zhuǎn)速對(duì)草捆密度影響較為顯著。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，草捆密度隨著草捆長(zhǎng)度的增大呈現(xiàn)出先快速增加，長(zhǎng)度超過(guò)700mm后草捆密度快速降低；當(dāng)草捆長(zhǎng)度一定時(shí)，草捆密度隨著飛輪轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先變化趨勢(shì)不明顯，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到75r/min時(shí)，草捆密度呈現(xiàn)出快速下降的趨勢(shì)，二者交互作用影響關(guān)系不明顯。

由圖7可知：當(dāng)草捆長(zhǎng)度為零水平時(shí)，喂入量與飛輪轉(zhuǎn)速對(duì)草捆密度影響顯著。當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，草捆密度隨著喂入量的增大呈現(xiàn)出先快速增大，達(dá)到2kg/s時(shí)，草捆密度呈現(xiàn)出快速下降的趨勢(shì)；當(dāng)喂入量一定時(shí)，草捆密度隨著飛輪轉(zhuǎn)速的增大先增大，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速達(dá)到75r/min時(shí)，草捆密度緩慢下降，二者交互作用影響關(guān)系明顯。

應(yīng)用規(guī)劃求解得：當(dāng)草捆長(zhǎng)度為720mm、喂入量2.2kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速78r/min時(shí)，草捆密度最大值為169.3kg/m3。

2.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

依據(jù)規(guī)劃求解參數(shù)組合，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，取草捆長(zhǎng)度750mm、喂入量2.5kg/s、飛輪轉(zhuǎn)速80r/min，重復(fù)5次試驗(yàn)結(jié)果取平均值，獲得最優(yōu)草捆密度結(jié)果為165.8kg/m3。打捆試驗(yàn)臺(tái)總成捆率達(dá)到95.3%，規(guī)則草捆率達(dá)到95%，抗衰率達(dá)到98%，各項(xiàng)指標(biāo)符合方草捆作業(yè)條例，滿足農(nóng)藝生產(chǎn)要求與打捆工作使用要求。

3 結(jié)論

1) 打捆試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)符合實(shí)際的工作性能要求，打捆裝置能夠滿足草捆密度生產(chǎn)使用要求，為后續(xù)的打捆機(jī)整機(jī)開(kāi)發(fā)與研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2) 采用了正交旋轉(zhuǎn)組合的設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，能夠快速獲得試驗(yàn)的工作性能指標(biāo)，正交試驗(yàn)處理結(jié)果在設(shè)計(jì)的區(qū)域內(nèi)指標(biāo)性能良好，獲得了該試驗(yàn)臺(tái)草捆密度與草捆長(zhǎng)度、喂入量、飛輪轉(zhuǎn)速的回歸方程。

3) 應(yīng)用響應(yīng)曲面法分別分析了兩兩因素對(duì)草捆密度指標(biāo)的影響關(guān)系，獲得最優(yōu)草捆密度165.8kg/m3、打捆試驗(yàn)臺(tái)總成捆率95.3%、規(guī)則草捆率95%、抗衰率98%。