打捆機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

趙一榮

（中國一拖集團(tuán)技術(shù)中心，河南 洛陽 471039）

中國的秸稈資源非常豐富、數(shù)量巨大、種類繁多。據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：2015年，我國秸稈總量達(dá)9×108t。其中，水稻秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈分別占全國秸稈總量的25%、24%、12.73%；長江中下游、黃淮海區(qū)、東北區(qū)、西南區(qū)秸稈總量分別占全國秸稈總量的25.63%、23.48%、17.19%、13.74[1]。黑龍江是秸稈產(chǎn)出大省，2017年有1.37×108t各種作物秸稈,秸稈資源總量占全國1/8左右，占東北4省區(qū)1/2左右[2]。由于缺乏多功能、高效和智能化秸稈收集裝備，每年焚燒掉的秸稈超過2×108t，這不僅造成秸稈資源的巨大浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染[3]。

隨著國家對(duì)優(yōu)質(zhì)牧草政策重視程度日益增加，以及針對(duì)國內(nèi)環(huán)境污染整治力度的加大，嚴(yán)禁秸稈進(jìn)行焚燒，進(jìn)一步地推進(jìn)了農(nóng)作物秸稈的綜合利用，促使牧草以及作物秸稈的機(jī)械化收獲作業(yè)快速普及，打捆機(jī)得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)打捆機(jī)行業(yè)正在蓬勃發(fā)展，撿拾機(jī)構(gòu)作為打捆機(jī)的前端工作裝置，其撿拾效率的高低直接影響打捆機(jī)的工作效率，是打捆機(jī)最重要的工作部件之一[2]。

國內(nèi)目前打捆機(jī)技術(shù)水平和美國等發(fā)達(dá)國家相比，仍處于相對(duì)落后的水平。本文對(duì)打捆機(jī)的撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)分析計(jì)算，解決撿拾機(jī)構(gòu)出現(xiàn)漏撿草料的問題，為行業(yè)發(fā)展提供一定的理論分析和相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持，助力提升國內(nèi)打捆機(jī)技術(shù)水平。

1 撿拾機(jī)構(gòu)工作原理

打捆機(jī)主要由底盤、撿拾器、秸稈輸送機(jī)構(gòu)、喂入機(jī)構(gòu)、成捆室、卸捆機(jī)構(gòu)等組成。其工作原理是由撿拾器把秸稈收集起來，通過輸送鏈將秸稈輸送給成捆室喂入口處，再通過喂入機(jī)構(gòu)將草捆強(qiáng)制喂入，最后草捆成型，卸捆及完成一個(gè)工作循環(huán)[3]。

撿拾器是打捆機(jī)的關(guān)鍵工作部件之一，主要用來撿拾牧草草條、作物秸稈等，屬于滑道滾筒式。兩端由軌道盤支撐旋轉(zhuǎn)中心軸，中心軸單邊由鏈條或者皮帶驅(qū)動(dòng)。中心軸兩端固聯(lián)法蘭盤，法蘭盤聯(lián)接曲柄。彈齒固定在彈齒固定軸上，當(dāng)驅(qū)動(dòng)撿拾器中心軸時(shí)，曲柄上的滾輪在軌道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，滾輪的運(yùn)動(dòng)路線直接保證彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡。具體結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

撿拾器的橫向示意圖如圖3所示，其結(jié)構(gòu)尺寸直接影響撿拾效果。

彈齒在單個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)內(nèi)必須完成撿拾草料、舉升草料、卸料和空回四個(gè)工作過程，完成草料的撿拾和卸料工作，如圖4所示。

當(dāng)彈齒處于A處，理論相位，開始撿拾草料。舉升草料至高點(diǎn)附近后進(jìn)入卸料階段，彈齒相對(duì)相位向后傾，端部相對(duì)固定點(diǎn)的速度降低，草料平穩(wěn)脫離彈齒進(jìn)入二級(jí)輸送機(jī)構(gòu)。進(jìn)入空回階段后，彈齒從相對(duì)相位后傾快速回到理論相位位，重新進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

2 撿拾機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

撿拾器工作時(shí)，彈齒相對(duì)撿拾器中心軸（機(jī)體）做不規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)，撿拾器軸角速度ω；機(jī)體沿草料鋪條直線運(yùn)動(dòng)，速度Vj，二者疊加，分析彈齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖5所示。

為使撿拾器工作過程中不漏撿草料，需要滿足：

式中：H——彈齒間隔護(hù)圈離地間隙；d——彈齒離地間隙；h——相鄰兩排彈齒端運(yùn)動(dòng)軌跡交線高度差；λ——彈齒端部線速度與機(jī)體直線前進(jìn)速度之比，不得小于1；V——彈齒理論旋轉(zhuǎn)線速度；ω——撿拾器中心軸轉(zhuǎn)速；R——彈齒頂端旋轉(zhuǎn)半徑；Vj——機(jī)體直線運(yùn)動(dòng)速度。

通過上式可以看出，撿拾器的彈齒排數(shù)影響h值，相鄰兩排彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡的交線存在高度差h，這是機(jī)構(gòu)本身固有的間歇式運(yùn)動(dòng)形成的死區(qū)造成的，只能通過降低機(jī)體直線速度，或者提高撿拾器中心軸轉(zhuǎn)速，和增加彈齒排數(shù)等機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手段，來減小h值，而不能消除。

由于作業(yè)對(duì)象，草料本身的物理屬性，和沙土等粉末類屬性完全不同。一般而言，無論豆科還是禾本科，草料莖稈收獲長度都在0.3 m以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于h值；而且作為飼草類草料，含水率要求在18%左右，草料有很強(qiáng)的韌性。而撿拾小麥秸稈比較困難，原因就是撿拾小麥秸稈季節(jié)時(shí)，秸稈含水率普遍低于10%，非常干脆，容易折斷，當(dāng)秸稈長度普遍低于h值時(shí)，撿拾效果就很差了，甚至撿拾不起來死區(qū)部分秸稈。

λ值大于1，意味著草料被舉升至撿拾器頂部瞬時(shí)，依然在“絕對(duì)”運(yùn)動(dòng)進(jìn)入卸料階段，沒有停滯堵塞草料流。

彈齒離地間隙d過小，容易觸碰土層，撿拾起的草料含灰土率過高；d太大，撿拾效果差，可能遺漏草料。機(jī)械或液壓裝置可以調(diào)節(jié)d值大小，對(duì)于平坦田地，草料莖稈短，d值可以小一點(diǎn)；對(duì)于田地表面平整度差的，草料莖稈長，d值需要調(diào)節(jié)大一點(diǎn)。撿拾器兩端的支撐輪具有地面仿形功能，保證d值。

3 彈齒運(yùn)動(dòng)軌跡模擬及機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

經(jīng)過對(duì)撿拾器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)動(dòng)，分析彈齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡以及參數(shù)計(jì)算。當(dāng)機(jī)體以8 km/h直線運(yùn)動(dòng)，撿拾器中心軸理論設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速96 rpm時(shí)，彈齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。

可以看出 H=120≥h+d=85，滿足條件。λ＞1，滿足要求，而且有27%的機(jī)體速度提升空間。拖拉機(jī)后PTO動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速常用的有540 rpm、720 rpm和1 000 rpm，可以選擇合適的轉(zhuǎn)速并據(jù)此進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4 撿拾效率分析

撿拾器撿拾寬度的設(shè)定和草料鋪條寬度息息相關(guān)，草料鋪條寬度由摟草機(jī)作業(yè)后形成，和割草機(jī)作業(yè)幅寬也有一定關(guān)系[5]。按照目前主流配合機(jī)具（割草機(jī)、摟草機(jī)等），對(duì)于小方捆打捆機(jī)，撿拾寬度一般不超過2 m；大方捆打捆機(jī)撿拾寬度在2.3 m左右。

打捆作業(yè)對(duì)象，包括苜蓿、蘆葦、天然草、水稻秸稈、麥秸稈、玉米秸稈等各種作物秸稈。本文選取苜蓿來計(jì)算，據(jù)估算，苜蓿草條的直線密度大概在0.6 kg/m左右。根據(jù)理論設(shè)計(jì)計(jì)算，不考慮轉(zhuǎn)場、地頭等各種停機(jī)因素，機(jī)體以8 km/h行駛，純理論作業(yè)效率可以達(dá)到2.27 hm2/h。

5 結(jié)論

提高彈齒端部線速度，可以提高機(jī)體作業(yè)速度，提高作業(yè)效率，但相應(yīng)部件離心力會(huì)以平方級(jí)增大，造成軌道盤（滾輪）加劇磨損。增加彈齒排數(shù)也有利于撿拾效率，減小h值，提高機(jī)體作業(yè)速度，提高作業(yè)效率，但成本隨之增加，噪音也會(huì)提高，軌道盤（滾輪）會(huì)額外磨損。綜合以上考慮，4排彈齒，轉(zhuǎn)速96 rpm，機(jī)體速度8～9 km/h是合理的選擇。

經(jīng)過對(duì)撿拾機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，優(yōu)化調(diào)整軌道參數(shù)，對(duì)彈齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，和參數(shù)計(jì)算，最終確定運(yùn)動(dòng)方案。

樣機(jī)經(jīng)過實(shí)際苜蓿地作業(yè)，符合參數(shù)設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)預(yù)期。樣機(jī)直線運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到9.5 km/h時(shí)，沒有出現(xiàn)漏撿草料的現(xiàn)象，且打捆機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)都滿足甚至高于國標(biāo)要求。由于地塊大小、轉(zhuǎn)場、維護(hù)等實(shí)際情況，每天作業(yè)12 h，實(shí)際作業(yè)效率可達(dá)平均16.67 hm2/d。