自走式青貯打捆纏膜一體機的設計與試驗

張 將，刁培松，刁懷龍，楊 壯

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

自走式青貯打捆纏膜一體機的設計與試驗

張 將，刁培松，刁懷龍，楊 壯

(山東理工大學 農業工程與食品科學學院，山東 淄博 255049)

針對國內、外秸稈打捆纏膜機械存在的問題，設計了一種集青貯、打捆、纏膜多功能與一體的自走式青貯打捆纏膜一體機。同時，簡述了該機械的結構、工作原理和傳動系統，分析了該機械的技術特點和主要工作部件的結構設計。為了檢驗機器的性能，進行了相應的田間試驗，結果表明：該機器的各項設計指標均達到了設計要求。

青貯打捆纏膜一體機；自走式；纏膜青貯；智能控制

0 引言

目前，國內的圓捆纏膜一體機大多以小型機為主，機械化、智能化程度低，且需要多人操作，浪費勞動力。國外的圓捆纏膜一體機雖然自動化程度高，但絕大多數是間歇性作業，影響工作效率。本文針對上述存在的問題，設計了一種高效率，高可靠性，工藝簡單，集收割、打捆、纏膜于一體的自走式青貯打捆纏膜一體。該機不僅大大減少了作業環節，減少農時，降低了作業成本，還提高青貯飼料質量，實現了青貯飼料的全自動化作業。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構和技術指標

自走式青貯打捆纏膜一體機將青貯機、打捆機和纏膜機等集成在一起，一次完成玉米秸稈的收割、輸送、切碎、打捆及纏膜等作業。自走式青貯打捆纏膜一體機主要由傳動系統、青貯割臺、駕駛室、行走系統、儲料箱、喂入機構、成捆室、纏網機構、纏膜機、液壓系統及電氣控制系統等組成，結構如圖1所示。

1.青貯割臺 2.駕駛室 3.行走輪 4.發動機 5.傳動系統 6.打捆裝置 7.可編程控制器 8.纏膜裝置 9.氈子 10.存儲箱圖1 整機結構原理圖Fig.1 The principle map of the machine’s structure

主要技術指標：作業幅寬為2.2m，適應行距為30～80cm，作業速度為3～6 km/h，生產效率為20～40t/h，莖稈切段長度為7～35mm(可調)，損失率為≤3%，留茬高度≤150mm，草捆密度≥150kg/m3；打捆形式為圓形捆，打捆規格為900×1 200mm(直徑×長度)，單捆纏膜數為2～6層，單捆纏膜效率為40s/2層、55s/3層、70s/4層、100s/6層。

1.2 工作原理

自走式青貯打捆纏膜一體機的工作原理：該機由發動機提供動力，通過傳動系統傳遞到各個工作部件。機器在田間工作時，玉米秸稈由前部立式雙喂入盤喂入到圓盤式切碎器中，經圓盤式切碎器切碎后經拋送筒拋送到儲料箱內；在儲料箱中秸稈經撥叉和喂入機構送入成捆室中，在轉動輥筒的作用下逐漸形成圓捆，當圓捆達到設定的壓力值時，撥叉和喂入機構停止工作，纏網機構開始啟動。纏網作業完成，打捆裝置后門自動開啟，放出圓捆，圓捆沿傾斜滑道滾到纏膜裝置送料架上，觸動傳感器，傳感器將信號傳給可編程控制器，送料架液壓油缸動作，圓捆被送入到纏膜裝置的滾筒上，打捆裝置后門關閉，撥叉和喂入機構開始工作；同時，纏膜裝置開始包膜，當纏膜層數達到設定值時，切膜刀切膜，包完膜的圓捆通過液壓系統卸載到后面的氈子上，順著氈子滾落到地面上。

1.3 傳動系統

傳動系統的主要作用是將發動機的動力傳遞到機器的各個工作部件，傳動路線如圖2所示。本設計根據機器的特點采用鏈傳動、帶傳動和液壓驅動等多種傳動方式組合傳動。由于帶傳動具有緩和載荷沖擊和過載保護的特點，所以青貯割臺采用帶傳動，來保證青貯割臺工作過程的安全性和穩定性；考慮到鏈傳動具有載荷小、傳動效率高的優點，所以打捆機構采用鏈傳動，以保證機器的傳導效率和工作效率；根據整機結構特點，考慮到纏膜機離發動機的傳動距離較遠，所以采用液壓馬達來提供動力。

1．青貯割臺 2.萬向節 3.換向箱 4.發動機 5.過載保護鏈輪 6.帶輪傳動 7.液壓泵 8.鏈輪傳動 9.電磁離合器 10.喂入機構 11.打捆滾筒 12.多路閥 13.液壓傳動 14.液壓馬達 15.纏膜裝置圖2 整機動力傳動路線圖Fig.2 The Power transmission roadmap of the machine

1.4 技術特點

本文所述的自走式青貯打捆纏膜一體機集青貯、打捆、纏膜多功能與一體，可一次行完成青貯、打捆及纏膜等作業，提高了工作效率，減輕了車輛對土地的碾壓；喂入機構采用整體轉子技術和斷續螺旋式刀片分布，喂入效果好，減少了喂入時的堵塞；采用螺旋線型成捆室，使輥筒受力更均勻，并提高了圓捆的密度和緊實度；設計了自動控制系統，減少人為操作，減輕勞動力；采用存儲箱作為緩沖區，實現連續性作業。

2 主要工作部件

2.1 喂入機構

喂入機構位于成捆室和儲料箱之間，是打捆裝置的關鍵部件，主要作用是將粉碎后的秸稈喂入到打捆室中，進而完成后續工作。考慮到螺旋刀片式喂入裝置揉切性好，喂入量大，有良好的對中輸送作用，故采用斷續螺旋刀片式喂入裝置。斷續螺旋式喂入裝置由左右兩側殼體、螺旋中軸、喂入主板、螺旋絞龍、旋轉撥板、定刀槽組和喂入鏈輪等部分組成，如圖3所示。它與預緊定刀相結合使用，不僅能夠將秸稈運送到打捆室，在運送過程中還能進一步將秸稈切碎。當秸稈較為脆弱時，直接經定刀切割，將秸稈進一步切碎；而當秸稈質地較為堅韌時，秸稈對定刀的壓力大于秸稈的預緊力，定刀會退回到定刀槽中，使秸稈順利進入打捆室完成后續工作過程，如圖4所示。

圖3 喂入裝置總結構簡圖Fig.3 The Overall Structure Diagram of Feeding Apparatus

1.前連接桿 2.復位彈簧 3.喂入定刀 4.導輪 5.連接板 6.后連接桿圖4 喂入定刀運動狀態圖Fig.4 The Fed Trance State Diagram Knife Movement

喂入定刀正常工作時，由于復位彈簧的拉力作用，使導輪在喂入定刀的輪槽中，正常工作；當遇到障礙物時，由于障礙物對喂入定刀的壓力大于復位彈簧的拉力，喂入定刀繞著前連接桿順時針轉動，導輪帶著連接板繞著后連接桿逆時針轉動，導輪位于喂入定刀的另一個定刀槽時停止轉動。當障礙物通過后，導輪在復位彈簧拉力的作用下恢復到原來的工作位置。

2.2 自動纏網機構

纏網機構是圓形打捆機的核心部件之一，主要包括網室、纏網裝置和自動控制系統3部分。網室是用來放置網包的，纏網裝置是用來完成引網、送網，繼而完成纏網工作。自動控制系統根據傳感器采集的信號發出送網、切網等信號完成纏網的自動化作業。自動纏網機構流程圖如圖5所示。

圖5 自動纏網機構流程圖Fig 5 The Flow chart of Automatic Network

自動纏網機構運行時，PLC控制系統開始工作。隨著物料不斷地被運入打捆室，草捆體積增大，壓力也隨之變大。當草捆壓力達到一定數值后，信號傳遞給主控制器，控制器發出指令，電動推桿伸長，推動張緊輪旋轉壓緊皮帶，皮帶將打捆輥動力傳遞給送網輥，送網輥隨著打捆輥轉動開始送網。在送網進行4s后，主控制器發出指令停止喂料，此時捆草網被草料帶入成捆室，并在草捆轉動作用下均勻地包裹草捆。送網輥外部連接纏網圈數計數器，當送網輥旋轉一定時間達到設定圈數時草捆纏網纏網完成，主控制器發出割網指令，割刀旋轉割網。在割刀達到運動中點后，將信息反饋給主控制器，主控制器發出動作指令給打捆室上的液壓缸，液壓缸伸長打開打捆室后箱體開始卸捆；當打捆室后箱體開啟到最大時，連接后箱體與自動纏網裝置的連桿到達最長觸碰行程開關，割刀在彈簧的拉伸作用下回到原位準備下一個工作過程，在6s的延時后打捆室關閉，各控制器數值恢復原值等待下一個指令。

2.3 成捆室的設計計算

成捆室是圓形打捆機最關鍵的部件之一。該成捆室由16個鋼輥按螺旋式排列成螺線型所圍成，其結構特點是增大輥筒與圓捆之間的摩擦力，提高了圓捆的密度和緊實度。相關文獻研究得出，螺旋線型成捆室可以提高圓捆的密度20%。

在打捆過程中可以發現：粉碎后的秸稈成為圓捆后主要是在鋼輥的靜摩擦力的作用下滾動，實現進一步的壓實，來提高圓捆的緊實度。因此，鋼輥的線速度就近似等于圓捆最外側的線速度。經過實際測量、計算及查找相關文獻，得到了秸稈喂入成捆室的最大速度，即粉碎后的秸稈在成捆室的最小線速度應該與喂入到成捆室的最大線速度相等。由此可以得到

nkmin≡(60vc)/πD)

(1)

nGmin≡nkminD/d

(2)

其中，vc為秸稈進入成捆室的速度；D為成捆室的直徑；d為鋼輥的直徑；nkmin為草捆的最小轉速；nGmin為鋼輥的最小轉速。

由檢測得秸稈喂入到成捆室的線速度vc=2.0m/s；經測量成捆室的直徑D=1000mm, 鋼輥的直徑d=195mm。將已知條件帶入式(1)中計算得圓捆的最小轉速nkmin=38r/min；再將已知條件帶入公式(2)中，計算得出鋼輥的最小轉速nGmin=196r/min。通過查找參考文獻，考慮其他影響因素，保障成捆室成捆率和草捆的質量，因此取鋼輥的轉速nG=200r/min，故鋼輥的線速度為

vG=(πdnG)/60

(3)

將已知條件和鋼輥的轉速nG帶入公式(3)，得鋼輥的線速度VC=2.1m/s。

打捆工作原理：當喂入機構將粉碎后的秸稈送入成捆室中，粉碎后的秸稈將在自動旋轉的輥筒的摩擦力下沿螺旋線上升；上升到一定程度由于其重力的作用，粉碎后的秸稈翻滾下來，初步形成草芯；隨著秸稈的不斷喂入，草芯越滾越大，當大到與螺旋線最里面的輥筒接觸時，圓捆開始受到預先擠壓，隨著圓捆的尺寸的不斷變大，圓捆受到的擠壓力也越來越大，圓捆的密度就越來越高。

2.4 纏膜裝置

纏膜裝置主要由機架、抬捆架、纏膜平臺、薄膜支撐輥、旋轉機構、液壓系統和可編程控制系統組成。纏膜裝置的液壓控制系統如圖6所示。

1.公轉馬達 2.切膜液壓缸 3.卸捆液壓缸 4.抬捆液壓缸 5.多路電磁閥換向閥 6.自轉馬達圖6 纏膜裝置液壓控制系統Fig.6 The hydraulic control system of Wrap Film Device

纏膜裝置的工作過程：圓捆由打捆機后門放出后，經滑道到達抬捆機構，壓縮彈簧板，觸動光電傳感器，傳感器將信號傳給可編程控制器，然后控制抬捆液壓缸伸長，將圓捆翻轉到纏膜平臺上；隨后，公轉液壓馬達驅動薄膜支撐臂旋轉，薄膜纏繞在圓捆上；與此同時，自轉液壓馬達驅動纏膜平臺的滾筒旋轉，圓捆在公轉與自轉的情況下被薄膜纏繞包裹。在公轉軸上端安有傳感器，當纏膜層數達到設定值時，切膜液壓缸收縮，切膜刀抬起；當膜轉到切膜刀處，切膜液壓缸伸長，切膜刀閉合，薄膜被切斷，2s后卸捆液壓缸伸長將圓捆卸下。

3 田間試驗

試驗樣機由山東潤源實業有限公司生產，并在公司的試驗田里進行了試驗，樣機如圖7所示。

圖7 試驗樣機Fig.7 The Experimental Prototype

試驗參照《GB/T 14290 -1993 圓草捆打捆機試驗方法》和《GB/T14290-2008 圓草捆打捆機》的相關部分要求進行了性能試驗，結果如表1所示。

表1 試驗結果

由表1數據可以得出：該機的各項性能指標均達到國家標準的規定。

4 結論

自走式多功能青貯打捆纏膜一體機是在研究青貯機、鋼輥式圓捆機和纏膜機的基礎上研究設計的，能夠集青貯、打捆及纏膜等功能于一體，大大地減少了作業環節，提高了青貯飼料質量，節約了工時，降低了作業成本。此外，儲料箱設計和自動控制系統設計使其實現了青貯打捆纏膜的連續性和全自動化作業，提高了工作效率。田間試驗表明：自走式多功能青貯打捆纏膜一體機的各項設計指標均達到設計要求。

[1] 董妍，常蕊.圓捆纏膜機械國內外研究概況[J].農業工程, 2016(1):19-21.

[2] 高利偉，馬林，張衛峰,等.中國作物秸稈養分資源數量估算及其利用狀況[J]. 農業工程學報，2009(7):173-179．

[3] 杜韌．小型圓草捆纏膜機的試驗與研究[J]. 農業機械，2007(9):82-83．

[4] 王春光，敖恩查.鋼輥外卷式圓捆打捆機設計與試驗[J]. 農業機械學報，2010(9):103-106.

[5] 高東明，王德成.青飼圓捆機對數螺線式成形裝置設計與試驗[J].農業機械學報，2015(7):118-122.

Design and Experiment on Self-propelled Silage Baling Tangle Film Machine

Zhang Jiang, Diao Peisong, Diao Huailong, Yang Zhuang

(School of Agricultural Engineering and Food Science, Shan Dong University of Technology， Zibo 255049, China)

In allusion to the deficiency of the Straw bale wrapping film machine at home and abroad, This article designs a kind of self-propelled silage baling tangle film machine with the functions of silage, baling and wrap film, then describes the mechanical structure, working principle and driveline, and analyzes the technical characteristics and the main components’ structure of the machine. In order to test the performance of the machine,we do the relevant test in the field, and the experimental result shows that the various indexes meet the design requirements of the machine.

silage baling tangle film machine; self-propelled; plastic film wrapped silage; intelligent control

2016-09-20

國家重點研發計劃項目(2016YFD0701300)；山東省農機裝備研發創新計劃項目(2015YJ102)

張 將(1990-),男，山東棗莊人，碩士研究生，(E-mail)zhjiang1990@163.com。

刁培松(1962-)，男，山東煙臺人，教授，博士生導師，(E-mail)dps2003@163.com。

S225.8

A

1003-188X(2017)12-0073-05