撿拾器試驗臺性能參數分析與優化

郁志宏，達布其力吐，王文明，崔紅梅，莫日根畢力格

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.邢臺職業技術學院 機電工程系，河北 邢臺 054035)

?

撿拾器試驗臺性能參數分析與優化

郁志宏1，達布其力吐1，王文明2，崔紅梅1，莫日根畢力格1

(1.內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特 010018；2.邢臺職業技術學院 機電工程系，河北 邢臺 054035)

撿拾率和功率消耗是撿拾器兩大性能指標，影響撿拾器性能的工作參數很多，如彈齒離地高度、滾筒轉速、機器前進速度及草條密度。為此，對改進前后的實驗臺性能做了對比分析，試驗發現，滾筒轉速、前進速度、草條密度對撿拾器工作性能參數影響最為明顯。應用正交試驗方法，在相同工作參數下對改進前后試驗臺進行對比試驗，通過IBM SPSS軟件對正交實驗數據進行方差分析，結果表明：改進后試驗臺性能優于改進前試驗臺。

撿拾器；性能參數； 撿拾率； 功率消耗； 草條密度

0 引言

彈齒滾筒式撿拾器是小方草捆、大方草捆、小圓草捆、大圓草捆等牧草收獲機械的常用工作部件，作為牧草撿拾壓捆機重要組成部分，其撿拾效果對機器的生產效率有一定的影響[1]。目前，國內撿拾壓捆機基本靠引進國外撿拾壓捆機機型，在此基礎之上多為仿制研究。國內學者研究重點在于理論分析撿拾器運動模型，并結合計算機仿真優化改進撿拾器機構[2-7]。

撿拾器性能取決于整機的前進速度、滾筒轉速及彈齒離地高度等工作參數。實際工作環境下，摟集成條的牧草每段密度都不相同，即撿拾器在同一工作參數下不能保證每段草條撿拾效果達到其性能要求。故本文在考慮以上工作因素的同時，將摟集成條的牧草以每米長度上的質量作為工作參數，對比測試分析了內蒙古農業大學牧機實驗室的改進前后撿拾器試驗臺[8-9]性能。

1 試驗項目

改進后的撿拾器試驗臺(見圖1)主要由草條車、彈齒滾筒式撿拾器、輸送帶及集草箱4部分組成，其工作幅寬為1.4m。

撿拾器試驗臺的工作原理：將滾筒撿拾器對草條車的相對運動視為其在地面上的運動。彈齒滾筒式撿拾器按一定轉速運轉，將鋪有一定密度草條的草條車在軌道上移動至滾筒撿拾器底部，草條接觸彈齒，彈齒將其升運，拋送至輸送帶，最后運至集草箱。

1.軌道 2.草條車 3.三相異步電機(小) 4.滾筒 5.輸送帶 6.三相異步電機(大) 7.限位彈簧 8.集草箱 9.JN338型數字式扭矩傳感器 10.彈齒 11.凸輪軌道 12.滾輪

2 試驗過程

2.1 試驗材料及處理方法

試驗所用牧草為紫花苜蓿，含水率的測定方法：將紫花苜蓿割完后在室內晾曬，對晾曬后的紫花苜蓿不定期進行含水率測定，達到試驗要求的數據則停止晾曬。豆禾本科和豆科牧草的含水率一般為15%～25%，試驗所用紫花苜蓿含水率為17%。牧草處理所用設備型號為宏諾202-005電熱恒溫干燥箱，其溫度波動量為±1℃；牧草由上海浦春計量儀器有限公司型號為JY1002電子天平稱重，其精度為0.01g量程為1 000g。將干燥箱預熱至80℃，將經過晾曬的紫花苜蓿，取出少許，分為4組，對其稱重記錄，置于干燥箱內。在不同時間段內取出牧草，并進行稱重，直到質量不變，最后測定含水率為17%(見表1)。干燥后紫花苜蓿含水率計算[10]根據公式(1)，有

(1)

式中 Hc—牧草含水率(%)；

Wcs—樣品烘干前質量(g)；

Wcg—樣品烘干后質量(g)。

2.2 其他設備及參數標定

2.2.1 滾筒轉速標定

滾筒轉速由VARISPEED-616G5變頻器控制，不同頻率下轉速由臺灣Lutron公司型號為DT-2234B光電式非接觸轉速計進行記錄，選出試驗所用因素的轉速及其頻率。具體方法為在滾筒中間軸齒輪上貼反光貼，并轉速表對準，記錄不同頻率下轉速的平均值。電機頻率與滾筒轉速關系如表1所示。

表1 頻率與滾筒轉速關系

2.2.2 前進速度標定

軌道在原有的基礎之上加長1.5m，總長變為9.5m；車長不變，3.4 m；車寬，1.94m。機器生產率由草條單位長度質量來確定，由CNT800-4T0075G多功能全數字式變頻器控制草條車的前進速度，標定一定范圍內不同頻率下前進速度，找出頻率范圍，以供下一步的試驗。

具體方法為將草條車滾輪端面貼反光貼，在不同電機頻率下的轉速由DT-2234B光電式非接觸轉速計測定得出。由于轉速計顯示的是轉速，經公式[11](2)計算，有

(2)

式中 Vt—草條車前進速度(km/h或m/s)；

R—滾輪半徑(m)，取0.05m；

n—滾輪轉速(r/min)。

牧草撿拾器前進速度根據公式[12](3)計算，有

(3)

式中 Vt—機器前進速度(km/h)；

Q—生產率(kg/s)， Q=20～30；

G—喂入量(kg/次)， G=2～3；

g—每米草條質量(kg/m)， g=2.5～3.5；

n—活塞壓縮次數(次)， n=80～100。

計算得出，機器前進速度為3.85～5.15km/h。一般拖拉機牽引撿拾壓捆機時機器前進速度為3～6km/h(見表2)。

表2 頻率與機器前進速度關系

2.3 試驗參數確定

2.3.1 草條密度對撿拾器工作性能的影響

根據牧草撿拾裝置技術條件[13]，試驗用牧草每米草條質量為2.5～3.5kg/m，本單因素試驗中選取范圍在此基礎之上考慮到不同草條密度對漏撿率和功率消耗的影響，試驗參數為2.5、3、3.5、4kg/m，測試長度為2m，試驗用牧草為紫花苜蓿，含水率為17%。

撿拾率是指撿拾裝置撿拾物料的質量占測定地段全長上物料質量的百分比，即撿拾率為1- Sj。為分析與計算方便，引用漏撿率，其計算公式為

(4)

式中 Sj—漏撿率(%)；

Wj—撿拾漏撿牧草質量(g)；

L—測定長度(m)；

Pt—每米草條質量(kg/m)。

根據經驗，拖拉機牽引撿拾器的前進速度為5km/h，滾筒轉速為60r/min，工作過程中保持不變。草條密度選取4個參數進行試驗。草條密度對功率消耗的影響較小，則對漏撿率的影響較大，漏撿率隨著草條密度增加而減小。如圖2所示，改進前后試驗臺在草條密度為3、3.5、4kg/m等3個參數下功率消耗和漏撿率變化對比，漏撿率有所下降，功率消耗增加。

圖2 不同草條密度試驗

2.3.2 前進速度對撿拾器工作性能的影響

根據前進速度范圍，在試驗中選出3.5、4、5、6km/h等4個參數。對改進前后試驗臺試驗結果分析，前進速度對功率消耗的影響較小，對漏撿率的影響較大，而且漏撿率變化較平緩。如圖3所示，改進前后試驗臺在前進速度為3.5、4、5km/h等3個參數下功率消耗和漏撿率變化對比，漏撿率下降，功率消耗增加，前進速度為4km/h時最明顯。

圖3 不同前進速度試驗

2.3.3 滾筒轉速對撿拾器工作性能的影響

根據滾筒式撿拾器轉速范圍初選5個轉速進行了試驗。結果表明：滾筒轉速的變化對功率消耗的影響最為明顯，線性增加，對漏撿率的影響同樣明顯。如圖4所示，改進前后試驗臺在滾筒轉速為42、60、67r/min等3個參數下功率消耗和漏撿率變化對比，漏撿率下降，功率消耗增加。

圖4 不同滾筒轉速試驗

2.4 正交試驗

根據滾筒轉速、前進速度及草條密度對撿拾器工作性能影響試驗，確定了正交因素水平，如表3所示。

表3 因素水平表

最終選定三因素三水平的9組重復正交試驗，選L9(34)正交表，在各組因素水平組合下牧草漏撿率及功率消耗情況進行記錄并計算。其中，每組試驗重復兩次，漏撿率和功率消耗均取平均值，如表4所示。

表4 改進前后試驗臺正交實驗

3 結果分析與評價

3.1 顯著性分析

試驗數據由IBM SPSS Statistics 19數據分析軟件分析，找出其工作參數影響因素順序及顯著性。

改進前試驗臺雙變量方差分析結果(見表5)，Sig.值均小于0.05，具有統計學意義。變量為漏撿率，Sig.值均在0.01、0.05之間，各工作參數差異性顯著。其中，滾筒轉速最為明顯，其影響主次順序為滾筒轉速>草條密度>前進速度；變量為功率消耗，滾筒轉速Sig.值小于0.01，差異性極顯著，其它工作參數Sig.值均在0.01、0.05之間，差異性顯著，其影響主次順序為滾筒轉速>草條密度>前進速度。兩個變量各工作參數下主次順序一致。

表5 改進前試驗臺試驗分析結果

改進后試驗臺雙變量方差分析結果(見表6)，Sig.值均小于0.05，具有統計學意義。變量為漏撿率，前進速度Sig.值小于0.01，差異性極顯著，其它工作參數Sig.值均在0.01～0.05之間，差異性顯著，其影響主次順序為前進速度>滾筒轉速>草條密度；變量為功率消耗，滾筒轉速和草條密度Sig.值均小于0.01，差異性極顯著，前進速度Sig.值在0.01～0.05之間，差異性顯著，其影響主次順序為滾筒轉速>草條密度>前進速度。

表6 改進后試驗臺試驗分析結果

3.2 較優組合

已確定改進前后試驗臺各影響因素主次順序，根據雙變量方差分析，對其估算邊界均值。

如圖5所示，對改進前試驗臺影響漏撿率工作參數水平，滾筒轉速第2水平最好，前進速度第3水平最好，草條密度第3水平最好，故其各因素優選水平組合為A2C3B3。

對改進后試驗臺漏撿率影響工作參數，滾筒轉速第3水平最好，前進速度第1水平最好，草條密度第2平最好，故其各因素優選水平組合為B1A3C2。

圖5 各工作參數漏撿率邊界估算均值

如圖6所示：改進前試驗臺影響功率消耗工作參數水平，滾筒轉速第1水平最好，前進速度第3水平最好，草條密度第3水平最好，故各因素優選水平組合為A1C3B3；對改進后試驗臺影響功率消耗工作參數水平，滾筒轉速第1水平最好，前進速度第2水平最好，草條密度第1水平最好，故各因素優選水平組合為A1C1B2。

圖6 各工作參數功率消耗邊界估算均值

4 結論

1) 撿拾率為評價指標。改進前試驗臺試驗中各工作參數影響主次順序為滾筒轉速>草條密度>前進速度。當滾筒轉速為60r/min，前進速度為5km/h，草條密度為4kg/m時撿拾率為最佳；改進后試驗臺試驗中各工作參數影響主次順序為前進速度>滾筒轉速>草條密度，當滾筒轉速為42r/min，前進速度為5km/h，草條密度為3.5kg/m時撿拾率為最佳。

2) 功率消耗為評價指標。改進前試驗臺試驗中各工作參數影響主次順序為滾筒轉速>草條密度>前進速度，其工作較優條件是滾筒轉速>草條密度>前進速度，其工作較優條件是滾筒轉速為42r/min，前進速度為5km/h，草條密度為4kg/m時其功率消耗為最佳；改進后試驗臺試驗中各工作參數影響主次順序為滾筒轉速>草條密度>前進速度，當滾筒轉速為42r/min，前進速度為4km/h，草條密度為3kg/m時其功率消耗為最佳。

3)對比改進前后試驗臺，改進后試驗臺撿拾率提高百分比為14.74%，撿拾器功率消耗增加百分比為7.26%。撿拾率有所改善，功率消耗未得到改善，原因有待研究。

[1] 烏吉斯古楞，劉偉峰，包那日那.滾筒式撿拾器的運動仿真[J].農機化研究，2010，32(9) :50-53.

[2] 盛凱，曾南宏.彈齒滾筒撿拾器的機構特性及其運動數學模型[J].農業機械學報，1991(1):51-57.

[3] 孟慶福，李媛，陶丹丹，等.方草捆壓縮機中撿拾器的運動與參數分析[J].農村牧區機械化，2010(4):19-21.

[4] 孫貴斌，孫召瑞，吳修彬，等.基于COSMOSMotion的彈齒滾筒撿拾器運動仿真[J].農業裝備與車輛工程，2010(8):37-39.

[5] 金鹍鵬，陳偉旭，張蓓，等.滑道滾筒式撿拾器的工作參數分析[J].農機使用與維修，2010(4):18-19.

[6] 袁彩云，刁培松，張道林，等.彈齒滾筒撿拾器的設計與運動仿真[J].農機化研究，2011，33(5):73-76.

[7] 丁海泉，郁志宏，劉偉峰，等.彈齒滾筒式撿拾裝置運動學特性的理論分析[J].農機化研究，2015，37(10):76-82.

[8] 劉偉峰，王春光.撿拾器實驗臺的研制[J].內蒙古農牧學院學報，1997，18(2):77-81.

[9] 王文明.彈齒滾筒式撿拾裝置參數分析和改進設計研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2012.

[10] 楊秀霞.牧草收獲機械化技術試驗研究[D].蘭州：甘肅農業大學，2008.

[11] 王振華，王德成，劉貴林，等.方草捆壓捆機撿拾器參數設計[J].農業機械學報，2010，41(S1):108-109.

[12] 烏吉斯古楞.彈齒滾筒式牧草撿拾器運動仿真及性能參數的試驗研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2010.

[13] JB/T 5160-2010.牧草撿拾器技術標準[S].

[14] 王文明，王春光.彈齒滾筒式撿拾裝置的研究與發展[J].農機化研究，2012，34(10):221-225.

[15] 雷沃MF3040型方草打捆機[J].農機市場，2014，02:59.

[16] 劉軍，劉波. 9YFQ-1.8型牽引式方捆機撿拾器傳動機構的改進設計[J].改進后疆農機化，2014(2):11-13.

[17] 王文明，鄧偉剛，郁志宏，等.彈齒滾筒式撿拾器試驗臺的設計[J].內蒙古農業大學學報：自然科學版，2015(3):88-92.

[18] 侯國義，殷崗.9JS-1.5型牧草秸稈撿拾機的使用與維護[J].農村科技，2010(11):74.

[19] 肖子學.彈齒滾筒式撿拾裝置的參數化設計及運動學仿真研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2014.

[20] 石磊，吳崇友，梁蘇寧，等.油菜分段收獲齒帶式撿拾器的設計與試驗[J].中國農機化，2011(4):75-78，82.

[21] 李軍政，孫松林，陳魁，等.基于SPSS的煙稈壓縮彎曲特性試驗研究[J].農業與技術，2012(9):170-171.Abstract ID:1003-188X(2017)01-0187-EA

The Performance Parameters Analysis and Optimazation of Pickup Test-Device

Yu Zhihong1,Dabuqilitu1,Wang Wenming2,Cui Hongmei1,Morigenbilige1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018，China; 2.Insititute of Mechanical and Electrical Engineering，Xingtai Polytechnic College，Xingtai 054035，China)

Pick up rate and power consumption are the two main performance indexes , such as spring tooth height from the ground ,the rotation speed of the roller, the machine forward speed and grass strip density are work parameters of pickup device. Through experimental performance analysis and comparison of the device before and after modification, it is found that impact of roller speed, forward speed and grass strip density on performance is the most obvious. By using orthogonal experiment method, the experimental data under the same work parameters is analyzed by SPSS IBM software, and the performance of the device after modification is better than that of before modification.

pickup; the performance parameters; pick-up rate; power consumption; swath density

2015-12-23

國家自然科學基金項目(51365035)；河北省自然科學基金項目(E2015108021)

郁志宏(1966-)，女，河北邢臺人，教授，碩士生導師，(E-mail)yzhyqyzhyq@126.com。

S220.3

A

1003-188X(2017)01-0187-05