方草捆集捆機設計與試驗

高旭宏 徐向陽 王書翰 劉立強 趙 偉 李 楊

(1.北京航空航天大學交通科學與工程學院， 北京 100191； 2.航天新長征電動汽車技術有限公司， 北京 100176)

方草捆集捆機設計與試驗

高旭宏1,2徐向陽1王書翰1劉立強2趙 偉2李 楊2

(1.北京航空航天大學交通科學與工程學院， 北京 100191； 2.航天新長征電動汽車技術有限公司， 北京 100176)

為解決方草捆撿拾效率低、費用高，長途運輸難等問題，設計了方草捆集捆機。該機由底盤、撿拾器、推草機構、舉草機構、壓繩器和卸草機構等部件組成，基于EPEC2024搭建了控制系統，只需單人駕駛和操作，通過變量泵、馬達和油缸驅動各部件快速實現對方草捆的撿拾、擠壓和捆扎。按照作業功能對各結構部件采用分模塊設計，通過計算各液壓回路的流量保證作業速度和作業效率，匹配硬件電路并使用Codesys編寫程序控制作業流程。分別在內蒙古自治區赤峰市和遼寧省黑山縣對方草捆和秸稈方捆進行了撿拾及捆扎的場地試驗，結果表明：整機最大牽引車速達到20.5 km/h，作業時系統最大流量為101.6 L/min，一次能實現12個方草捆的捆扎。方草捆的集捆成捆率達到89.5%，純工作小時內集捆生產率為12大捆/h，同等條件下與人工撿拾方式相比，撿拾效率提高了34.5%，人工費用降低了62.5%，綜合費用降低了18.2%，而且增強了對自然環境的適應性，縮短了長途運輸的準備周期，滿足實際生產的使用要求。

方草捆； 集捆機； 設計； 試驗

引言

我國草原遼闊，牧草資源豐富，但牧草收獲機械化水平還很低[1]。當前，國內牧草收獲的作業流程一般為割草—摟草—打捆壓捆—撿拾裝車—貯存等，與歐美等經濟發達國家牧草收獲全程的機械化相比，還有較大差距，特別是在撿拾裝車環節，普遍存在勞動強度大、作業成本高等不足，亟需研制專用的撿拾機械來解決[2-5]。

對牧草收獲各環節機械設備，國內科研工作者做了大量的研究工作。其中割草機和摟草機已獲得顯著的成果[6-10]；打捆壓捆機實用效果也很突出[11-14]。但在草捆撿拾裝車環節，國內主要采用人工撿拾或機械輔助撿拾的方式，作業效率偏低，成本偏高。美國NEW HOLLAND公司推出了方草捆撿拾機[15]，郝興玉等[16]研制了方草捆的收集車。但這些撿拾設備在方草捆撿拾過程中，僅是對分散的方草捆進行集合以便于堆放，并沒有改變單捆的零散狀態；盡管這些撿拾設備在天然草場和苜蓿草場還有較好的適應性，但在秸稈捆、麥稈捆等田間場地卻暴露出適應性差的缺點[17]。同時，由于這些撿拾設備均不能實現長距離運輸，且集中堆垛后的方草捆仍處于單捆的零散狀態，不便于快速實現轉運或使用大型貨車進行長途運輸。

為此設計一款方草捆集捆機，對零散分布的方草捆或秸稈捆先進行集捆捆扎，再借助抱夾機或伸縮臂叉車等設備堆垛或轉運。本文重點闡述方草捆集捆機的組成和原理，分析其液電匹配性能，并對樣機進行場地試驗測試，為后續市場化推廣提供依據。

1 結構與原理

1.1 整機結構及關鍵部件

方草捆集捆機由底盤、變速箱、撿拾器、推草機構、舉草機構、壓繩器、打結機構、夾草器、卸草機構、框架、外罩、液壓系統、電控系統等組成，整機的設計結構如圖1所示。

圖1 方草捆集捆機結構圖Fig.1 Structure diagrams of rectangular bale multipack1.底盤 2.變速箱 3.電控系統 4.液壓系統 5.推草機構 6.舉草機構 7.框架 8.打結機構 9.外罩 10.壓繩器 11.撿拾器 12.卸草機構 13.夾草器

方草捆集捆機的主要技術參數如表1所示。

1.1.1 撿拾器

撿拾器主要由架體、壓桿、導向板、鏈條機構等零件組成，如圖2所示。

撿拾器安裝在底盤的左側，由撿拾缸驅動實現下放或上翻。兩側導向板呈“V”型布置，引導方草捆順利進入；壓桿總成通過壓板將方草捆壓住防止傳送過程中跳起；而鏈條機構由縱向段和橫向段兩部分組成，縱向段由拾草馬達驅動，將導入的方草捆拾起，橫向段則由轉彎馬達和橫移馬達驅動，將方草捆運送至推草機構前方的車體上表面處。

1.1.2 推草機構與舉草機構

推草機構主要由推桿和擋板等零件組成，如圖3所示。

推草缸驅動推桿繞上端轉動，將方草捆推送至框架下方。擋板設計為圓弧結構，以防止推草機構下端擠壓松軟的草捆時嵌入內部引起卡滯。

表1 集捆機主要技術參數

圖2 撿拾器結構簡圖Fig.2 Structure diagram of pickup device1.架體 2.壓桿 3.導向板 4.鏈條機構

圖3 推草機構結構簡圖Fig.3 Sketch of pushing bale device1.推桿 2.擋板

舉草機構主要由托架、支柱、滾輪等零件組成，如圖4所示。兩側的支柱安裝在框架中部的導槽內，在舉草缸的驅動下，通過滾輪的滾動實現上下運動。

圖4 舉草機構結構簡圖Fig.4 Structure diagram of raising bale device1.滾輪 2.支柱 3.托架

當2個方草捆都推送到位后，舉草缸驅動舉草機構將2個方草捆同時舉起。

1.1.3 壓繩器

壓繩器安裝在底盤下部，主要由彈簧座和壓板等零件組成，如圖5所示。

圖5 壓繩器結構簡圖Fig.5 Structure diagram of pressuring line device1.彈簧座 2.壓板

壓繩器由壓繩缸驅動，并與舉草缸同時動作，在舉草向上運動時，將捆扎繩壓緊，以防止草捆舉升過程中捆扎繩發生松弛。

1.1.4 卸草機構

圖6 卸草機構結構簡圖Fig.6 Structure diagram of unloading bale device1.上擋架 2.下導架 3.臥推桿

卸草機構主要由上擋架、下導架和臥推桿等零件組成，如圖6所示。

倒臥上缸驅動上擋架向上翻轉，倒臥下缸驅動下導架向下翻轉并形成斜坡，但捆扎后的大方草捆并不能自動沿斜坡滑下，需要由倒臥推缸驅動臥推桿將大方草捆推倒并沿斜坡下滑至地面。

1.2 工作原理及過程

方草捆集捆機一般由拖拉機牽引，通過拖拉機發動機將動力傳遞至變速箱，而后帶動液壓泵、馬達、油缸等元件，在電控系統的控制下，實現對小方草捆的撿拾、擠壓、捆扎等作業。操作控制箱固定在拖拉機駕駛室內，操作面板處布置各種按鈕、儀表和指示燈，操作簡單，駕駛員一人即可完成所有工作，具體工作過程如下：

(1)方草捆集捆機由拖拉機牽引行進，駕駛員在駕駛室內操縱撿拾功能按鈕，撿拾器向下翻轉至離地面約5 cm高度處自動停止。

(2)在行進過程中，方草捆從撿拾器開口導入，通過鏈條的轉動運送至推草機構前方的車體上表面處。

(3)推草機構將方草捆推送至框架下方舉草機構的托架表面處。

(4)當集合2個方草捆后，舉草機構將方草捆舉升至框架上方，隨后夾草器將方草捆擠壓并夾緊。

(5)重復步驟(1)～(4)，直至將12個方草捆全部集中在框架內夾緊后，壓繩器放線，打結器完成對方草捆的捆扎。

(6)卸草機構在倒臥油缸驅動下分別向上和向下翻轉，下導架向下翻轉至離地面約5 cm高度處自動停止，捆扎后的大方草捆在倒臥推缸的推動下傾倒并沿斜坡滑至地面。

(7)對完成集捆的大方草捆，使用抱夾機或伸縮臂叉車等設備轉運至堆場或運輸貨車處。

2 液電控制

2.1 液壓系統設計

集捆機的液壓系統主要由液壓泵、馬達、多路閥組、液壓油缸、平衡閥、油箱、濾油器和管路等元件組成。集捆機的所有作業功能均通過液壓系統的驅動完成，其控制流程如圖7所示。

圖7 作業流程圖Fig.7 Operation process diagram

集捆機液壓系統原理如圖8所示。

圖8 液壓原理圖Fig.8 Schematic of hydraulic 1.拾草馬達 2.轉彎馬達 3.橫移馬達 4.撿拾缸 5.倒臥下缸 6.倒臥上缸 7.倒臥推缸 8.打結馬達 9.夾草缸 10.舉草缸 11.壓繩缸 12.推草缸 13.壓力傳感器 14.液控單向閥 15.平衡閥 16.電磁換向閥 17.變量泵 18.高壓濾油器19.壓力表 20.多路閥 21.液位溫度計 22.截止閥 23.空氣濾清器 24.油箱 25.回油濾油器

集捆機的液壓系統選用美國SAUER J45系列變量泵作為動力源，持續工作壓力可達到31 MPa，流量126 L/min，輸入轉速500～3 360 r/min，效率系數0.95，實際最大流量約120 L/min。集捆機的各作業功能可依次動作或組合動作，盡管所有功能不會同時動作，但作業時液壓系統必須提供充足的流量，相關計算式為

(1)

式中Qmax——作業時需要的最大流量，L/minQi——某作業功能動作時所需流量，L/min

馬達和液壓油缸所需流量計算式為

(2)

(3)

(4)

式中Qj——馬達流量，L/minQek——油缸伸出時的流量，L/minQrk——油缸縮回時的流量,L/minVj——馬達排量,mL/rnj——馬達轉速,r/minη——馬達效率系數,取0.95Dk——油缸活塞直徑,mmdk——油缸活塞桿直徑，mmlk——油缸全行程，mmtek——油缸伸出全行程的時間,strk——油缸縮回全行程的時間，s

根據各馬達和油缸技術參數，結合式(1)～(4)的計算方法，各種作業功能所需流量的計算結果如表2所示。

根據表2計算結果，結合控制要求，組合動作能出現的情況是拾草和卸草同步或拾草和舉草同步，所以集捆機作業時理論上需要的最大流量出現在舉草壓繩油缸同步縮回或倒臥油缸同步伸出的過程中(此時拾草馬達、轉彎馬達和橫移馬達處于滿載或空載)，分別達到了97.35 L/min和91.8 L/min，但均小于液壓系統能提供的最大流量。

表2 各作業功能的流量

集捆機的液壓系統使用多路閥并設有6路并聯油路，保證了既能按照控制要求順序動作，也能通過手動控制單獨動作，所以操作方便，維修性好。為降低整機液壓系統的發熱，減少元器件數量，優化布置空間，節約生產成本，設計中使用了負載敏感反饋控制方式[18-19]。同時，液壓回路中安裝了多級過濾裝置，以滿足現場惡劣的作業環境要求。

2.2 電控系統設計

集捆機的電控系統為液壓系統的作業功能制定控制邏輯、編寫控制程序并提供各種控制信號和指示信號，所以電控系統主要由控制器、操作箱、傳感器、電磁閥、行程開關、線纜等元件組成，電控系統的原理如圖9所示。

圖9 電控原理圖Fig.9 Schematic of electronic control

圖中，YA1～YA6為控制多路閥，D1～D9為接近開關，K1為啟停開關，K2為手動開關，K3為卸草開關，K4為推草開關，K5為撿拾開關，K6為壓力初始化開關，K7為壓力“+”， K8為壓力“-”。

接近開關均選用德國Schmersal產品，根據不同的控制功能再選用常開式或常閉式的觸發結構，其觸發狀態與多路閥的開啟和壓力傳感器的功能相匹配，具體如表3所示。

表3 組合控制關系

集捆機電控系統選用EPEC2024作為主控制器，軟件程序基于Codesys2.1編寫，對各控制功能采用成熟的模塊化設計，還嵌入了安全冗余的控制策略，可靠性高，維護性好[20]。

3 試驗測試

3.1 試驗過程

2016年5月份，方草捆集捆機樣機研制成功后，首先在試制車間進行了各種功能和性能的調試測試；隨后分別在內蒙古自治區赤峰市的天然草場和遼寧省黑山縣的秸稈農田中進行了現場試驗，其中天然草場平坦且開闊，秸稈農田也比較平坦，但有壟溝的影響(壟溝寬約60 cm，高約10 cm)，試驗現場如圖10所示。

圖10 集捆機試驗測試現場圖Fig.10 Field experiments of multipack

3.2 試驗結果及分析

在試驗測試中，使用STAUFF的PPC-PAD測試儀，對滿載工況下各液壓回路的壓力、流量進行了測試，結果如表4所示。

通過現場的集捆測試，液壓系統各回路的壓力、流量滿足實際的使用需求，將表4的測試結果和表2的計算數值進行比較可知：

(1)從液壓系統的測試壓力看，瞬間的最大壓力為17.7 MPa，小于設計壓力20 MPa。從測試的實際流量看，瞬間最大流量為101.6 L/min，超過對應的計算結果91.8 L/min約10.7%，但小于系統可提供的流量120 L/min。

表4 液壓回路測試結果

(2)各作業功能流量的測試值總體上略高于計算值，但誤差并不大，這一方面是由于對某作業回路，實際測得的是系統的流量值，包含了馬達空轉或承載所需的部分流量；另一方面是作業效率引起的流量損耗。

在天然草場和秸稈農田的現場試驗過程中，方草捆或秸稈捆的實際質量為25～35 kg/個，其尺寸(長×寬×高)為1 100 mm×460 mm×360 mm，平均散落間距為15～20 m。牽引拖拉機實際的行駛速度為10～12 km/h，撿拾速度為8～10 s/捆(現場經測試，最大牽引速度達到了20.5 km/h，但受駕駛員操作熟練程度的影響，實際的撿拾準確度大幅降低，所以實際作業時的車速并不高)。當然，考慮天然草場和秸稈農田不同地形的特點，操作者熟練程度及設備檢修并排查故障等客觀因素的影響，實際的作業效率并不相同。集捆機在兩種現場實際作業共7 d，其中天然草場4 d，秸稈農田3 d，對實際的撿拾數量、集捆生產率和人工費用均做了統計，并與同步進行的人工撿拾方式進行了對比，結果如表5所示。

表5 效率與費用比較

在表5中，每天計算的有效工作時間為8 h。其中4 d在天然草場共撿拾約5 952捆，實際集捆5 508捆，集捆成捆率92.5%；3 d在秸稈農田共撿拾3 744捆，實際集捆3 240捆，集捆成捆率86.5%。

在集捆機工作穩定后，連續工作時間內所能夠完成撿拾、擠壓、捆扎全部工作的大草捆總數量稱為純工作小時集捆生產率，計算方法為

(5)

式中Ecx——純工作小時集捆生產率，大捆/hW——連續工作時間內的草捆總數量，大捆Tc——純工作時間，h

根據式(5)，天然草場和秸稈農田純工作小時的集捆生產率分別為14大捆/h和11大捆/h，綜合的純小時集捆生產率為12大捆/h。

通過表5中統計數據的比較和式(5)的計算結果，可以看出：

(1)集捆機的撿拾效率明顯高于人工撿拾作業，平均綜合效率提升了34.5%；集捆機在天然草場的撿拾效率又明顯高于秸稈農田，日均撿拾效率高出27.5%。

(2)集捆機在天然草場的集捆成捆率為92.5%，而在秸稈農田的集捆成捆率為86.5%，綜合的集捆成捆率為89.5%。綜合的純工作小時集捆生產率為12大捆/h，但天然草場的集捆生產率又比秸稈農田高27.3%。這些差異主要是由于草捆和秸稈捆在密度、含水率等方面的不同(試驗中草捆密度約130 kg/m3，含水率14%；秸稈捆密度約200 kg/m3，含水率20%)，且場地條件也明顯不同，降低了秸稈捆的實際集捆能力。

(3)使用集捆機的人工費用比人工撿拾作業節省了62.5%，這是由于集捆機只需1人操作即可實現作業，而人工撿拾至少需要3人；相比之下，使用集捆機后的車輛費用卻高出人工撿拾作業1倍。這主要是因為集捆機只是完成對方草捆的撿拾和捆扎，使零散的小方草捆變成了大草捆，而大草捆的收集仍需要使用抱夾機或伸縮臂叉車等設備，運送至集中堆放地點或運輸貨車處，所以設備費用有所增加。但使用集捆機的日均綜合費用與人工撿拾作業相比，還是節省了18.2%。

4 結論

(1) 在整機研制過程中，按照功能對各結構部件采用了模塊化設計，通過計算各液壓回路的流量保證了作業速度和作業效率，匹配硬件電路并使用Codesys編寫程序控制作業流程。

(2) 方草捆集捆機先后在天然草場和秸稈農田進行了集捆的試驗測試，結果表明：整機作業時系統最大壓力和流量分別為17.7 MPa和101.6 L/min，在2 min內可快速實現對12個方草捆的撿拾和捆扎。方草捆的集捆成捆率達到89.5%，純工作小時的集捆生產率為12大捆/h；與同等條件下人工撿拾方式相比，撿拾效率提高34.5%，人工費用降低62.5%，綜合費用降低18.2%。

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Design and Experiment of Rectangular Bale Multipack

GAO Xuhong1,2XU Xiangyang1WANG Shuhan1LIU Liqiang2ZHAO Wei2LI Yang2

(1.SchoolofTransportationScienceandEngineering,BeihangUniversity,Beijing100191,China2.AerospaceNewLongMarchElectricVehicleTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100176,China)

A new rectangular bale multipack was designed to solve the difficulty of low efficiency, high costs and transportation inconvenience in the process of collecting rectangular bale. The rectangular bale multipack was composed of chassis, pickup, pushing bale device, raising bale device, pressuring line device and unloading bale device, etc. Based on EPEC2024 controller, the pump, motors and cylinders were drived to make some rectangular bales into one big rectangular bale. In operation, the rectangular bale multipack had the ability of collecting 12 rectangular bales at one time. The maximum driving speed of the rectangular bale multipack exceeded 20.5 km/h and the maximum hydraulic flow was 101.6 L/min. The field experiments for picking up rectangular bale and straw rectangular bale were carried out in Inner Mongolia and Liaoning Province, respectively. The test results showed that collecting bale rate and collecting bale productivity of the rectangular bale multipack was 89.5% and 12 bdl/h, respectively. Compared with artificial operation, the collecting bale efficiency was improved by 34.5%, meanwhile, the artificial costs and composite expenses were declined by 62.5% and 18.2%, respectively. The preparation cycle for long-distance transportation was also cut down. All of the works, including picking up and packing some rectangular bales were done by one operator driving the tractor simultaneously, and the rectangular bale multipack can meet reality needs.

rectangular bale; multipack; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.014

2017-01-05

2017-01-31

國家自然科學基金項目(51105017)和航天技術應用產業“高端農牧設備”項目(0504150111)

高旭宏(1979—)，男，博士生，航天新長征電動汽車技術有限公司高級工程師，主要從事特種車輛總體設計研究，E-mail： gaoxuhong@htxczgs.com

王書翰(1979—)，男，副教授，博士，主要從事多學科系統動力學建模和仿真研究，E-mail： wangshuhan@buaa.edu.cn

S817.11+3

A

1000-1298(2017)04-0111-07