彈齒滾筒式牧草撿拾器性能參數對比試驗研究

郁志宏，莫日根畢力格，王文明，崔紅梅，達布其力吐，吳淑紅

(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)

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彈齒滾筒式牧草撿拾器性能參數對比試驗研究

郁志宏1，莫日根畢力格1，王文明2，崔紅梅1，達布其力吐1，吳淑紅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)

在改進前后彈齒滾筒式牧草撿拾器實驗臺上進行了紫花苜蓿的對比單因素和正交試驗，研究了滾筒轉速、機器前進速度和牧草含水率對于功率消耗和漏撿率的影響。單因素試驗結果表明：滾筒轉速、機器前進速度和含水率對功率消耗和漏撿率的影響顯著；隨著滾筒轉速和含水率的增大，功率消耗呈上升趨勢，漏撿率呈下降趨勢；隨著機器前進速度的增加，功率消耗呈上升趨勢，漏撿率呈先下降后上升的趨勢。正交試驗結果表明：改進前后試驗臺對于功率消耗和漏撿率影響的主次順序是滾筒轉速、機器前進速度和含水率。采用綜合平衡法最終得到改進前后試驗臺的最優組合。

牧草；撿拾器；彈齒滾筒式

0 引言

我國對畜牧業發展非常重視，國家投入大量資金進行技術改進來促使畜牧業的發展。目前，國內牧草種植、收獲加工生產等急需的機械設備多為國外進口，很少對設計理論進行系統研究[1]。彈齒滾筒式撿拾裝置是撿拾壓捆機的主要工作部件之一，對撿拾裝置進行深入研究對于提高撿拾壓捆機的工作性能、提高機具可靠性和整機的工作效率、實現牧草收獲機械化具有重要的現實意義[2-9]。

本試驗以紫花苜蓿為撿拾對象，以正交試驗方法通過取不同因素和水平條件下做改進前后試驗臺[10]的對比試驗。對彈齒滾筒式撿拾裝置進行性能參數研究，以不同含水率的紫花苜蓿及不同的滾筒轉速和機器前進速度為性能參數進行試驗，確定撿拾損失率和功率消耗，尋求撿拾器性能指標的最優組合，以改善撿拾裝置的工作性能，提高撿拾壓捆機的工作質量及生產率，減少損失，提高經濟效益，促進畜牧業的發展，同時為彈齒滾筒式撿拾裝置的設計制造提供理論依據。

1 試驗裝置

撿拾器試驗臺主要由草條車、草條車電機、軌道、撿拾器、撿拾器電機、帶式輸送器及集草箱等組成，如圖1所示。

1.軌道 2.草條車 3.電機 4.滾筒 5.輸送帶 6.電機 7.限位彈簧 8.集草箱 9.JN338型轉速轉矩測量儀1.0.彈齒 11.凸輪軌道 12.滾輪

牧草在田間收割完以后用摟草機摟成草條，在田間晾曬一定時間，當含水率達到適合撿拾值時，用撿拾壓捆機進行撿拾并壓捆，以便運輸和儲藏。

工作時，電動機驅動主軸旋轉，用鏈傳動的滾筒隨其轉動，使固定在滾筒上的彈齒按特定的凸輪軌道運動從而完成牧草的撿拾。利用CNT800-4T0075G 型多功能全數字式變頻器控制滾筒轉速，利用VARISPEED-616G5型變頻器控制草條車的前進速度。牧草的撿拾過程分3個步驟：放齒、升運和收齒階段。通過迅速放齒，平穩升運，快速收齒可有效地避免牧草撿拾過程中葉子被打斷和草脫落等現象，從而提高撿拾效率；將撿拾的牧草通過輸送帶輸送到壓捆機，進行壓捆。

2 試驗方法與試驗內容

2.1 試驗材料及儀器設備

2.1.1 試驗材料

本文選用內蒙古蒙草有限公司提供的紫花苜蓿作為試驗對象。

2.1.2 儀器設備

改進后的撿拾器試驗臺，3kW 和2.5kW電動機，北京三晶創業科技有限公司生產的 JN338轉矩轉速測量儀JN338型智能數字式轉矩轉速測量儀表，深圳市康泰科技有限公司生產的CNT800-4T0075G 多功能全數字式變頻器，VARISPEED-616G5變頻器，宏諾202-005電熱恒溫干燥箱，以及電子天平、秒表等。

2.2 試驗方法

測量實際田間每米草條的質量、寬度和高度之后，按照試驗臺草條車實際長度，計算出草條測定長度為2m，鋪設草條質量為6kg。

將轉矩轉速測量儀安裝在電機輸出軸與主軸間，對撿拾裝置的功耗進行實時測試，配套使用的 JN338 型智能數字式轉矩轉速測量儀表進行數據采集并輸出。采用電子秤稱重的方法測出撿拾器撿拾過程中的損失，通過計算得到撿拾率。

本試驗為新舊試驗臺軌道的單因素試驗和正交試驗對比試驗：舊試驗臺為裝有9KJ-1.4型壓捆機的撿拾器凸輪軌道的試驗臺[11-12]，新試驗臺為裝有優化改進后的凸輪軌道的試驗臺[13]。

2.3 試驗因素水平的確定

本文主要研究機器的前進速度、滾筒轉速和牧草的含水率對功耗及撿拾率的影響。彈齒滾筒式撿拾裝置工作時，機器前進速度一般為4～8km/h，而彈齒端點的線速度應為機具前進速度的1.4～2.4倍才能正常撿拾，本試驗選擇了3.5、4 、5、6、7km/h這5個速度。紫花苜蓿在田間收割，晾曬后含水率一般在15%～25%之間，本試驗選取了15.13%、17.27%、19.83%、22.25%、24.87%等5個含水率。滾筒轉速一般在40～90r/min范圍內[14]，本試驗選擇42、50、60 、70 、81r/min這5個轉速。各因素水平如表1所示。

表1 因素水平表

續表1

首先分別選取滾筒轉速、前進速度和牧草含水率進行單因素試驗，通過分析得出3個較優水平，在此基礎上進行正交試驗。通過極差分析得到了因素較優水平組合。

3 試驗結果與分析

3.1 機器前進速度與功率消耗和漏撿率的關系

在滾筒轉速為60r/min、牧草的含水率為23%的情況下，對5種不同機器前進速度下測試功耗和撿拾器的漏撿率，測試次數為3，對3次試驗數據進行平均，結果如圖2、圖3所示。

圖2 機器前進速度與功率消耗關系曲線

圖3 機器前進速度與漏撿率關系曲線

從圖2和3可以看出：當牧草含水率和滾筒轉速一定時，隨著機器前進速度的增大，功率消耗增大。對于漏撿率，舊試驗臺隨著機器前進速度增加而變化更明顯；改進后的試驗臺比舊試驗臺功率消耗大一點，但漏撿率明顯減小，在滿足額定撿拾率的前提下機器前進速度不宜過高。

3.2 滾筒轉速與功率消耗和漏撿率的關系

在機器前進速度為5km/h、牧草的含水率為23%的情況下，對5種不同滾筒轉速下測試功耗和撿拾器的漏撿率，測試次數為3，對3次試驗數據進行平均，結果如圖4、圖5所示。

圖4 滾筒轉速與功率消耗關系曲線

圖5 滾筒轉速與漏撿率關系曲線

從圖4和圖5可以看出：當牧草含水率和機器前進速度一定時，隨著滾筒轉速的增大，漏撿率增大，功耗急劇增大。改進前后試驗臺相比較，功耗相差不大，改進后試驗臺在最低轉速和最高轉速下的漏撿率更低。因此，滿足低損失率及低功耗運行的條件是：在前進速度不變的情況下，滾筒轉速盡量要小，從而有效地避免因打掉莖葉和花瓣而增大漏撿率。

3.3 牧草含水率與功率消耗和漏撿率的關系

在機器前進速度為5km/h、滾筒轉速為60r/min的情況下，對5種不同含水率下測試功耗和撿拾器的漏撿率，測試次數為3，對3次試驗數據進行平均，結果如圖6、圖7所示。

圖6 牧草含水率與功率消耗關系曲線

圖7 牧草含水率與漏撿率關系曲線

從圖6和圖7可以看出：當滾筒轉速和機器前進速度一定時，隨著含水率的增加，撿拾器的漏撿率減小，功率消耗增大。改進前后試驗臺的功耗相差不是很大，但漏撿率后者更低。因此，在較高的含水率下撿拾能有效地降低漏撿率，但在實際運輸過程中會出現草捆發熱而導致發霉，給生產帶來更大的經濟損失。因此，滿足損失率較低、低功耗運行的條件是：在一定的前進速度和滾筒轉速情況下，牧草含水率盡量要低，從而有效地避免草捆發霉等情況。

3.4 正交試驗結果與分析

綜合分析單因素試驗結果，分別選取使功耗和漏撿率較低的3個因素下的3個較優水平進行正交試驗。試驗選定的因素水平如表 2所示。

表2 正交試驗因素水平表

根據選定的因素水平選用 L18(37)正交表進行正交試驗，試驗結果如表3和表4 所示。從表 3和表4可以看出:空列的極差和各交互作用列的極差值很小，影響不明顯，可以忽略。從表3可以看出：對于功率消耗，各因素對功耗影響的主次順序是A 、B、C，即滾筒轉速、機器前進速度、牧草含水率; 使功率消耗最小的最優水平組合是A1B2C1。對于漏撿率，各因素對漏撿率影響的主次順序是 A、C、B，即滾筒轉速、牧草含水率、機器前進速度; 使漏撿率最小的最優水平組合是A3B1C2。從表4可以看出：對于功率消耗，各因素對功耗影響的主次順序是A 、C、B，即滾筒轉速、牧草含水率、機器前進速度; 使功率消耗最小的最優水平組合是 A3B1C2。對于漏撿率，各因素對漏撿率影響的主次順序是 A、C、B，即滾筒轉速、牧草含水率、機器前進速度; 使漏撿率最小的最優水平組合是 A1B2C1。

由于本試驗是多指標試驗，為了找出各項指標組合下性能盡可能好的水平組合，采用綜合平衡法[15]。從表3可以看出：因素A 對功率消耗是主要因素，對漏撿率也是主要因素，故取 A3；因素 B 對漏撿率不是主要因素，對功率消耗是次要因素，滿足功率消耗的前提下，選取水平應保證漏撿率小，故取 B1；因素 C 對功率消耗是次要因素，對漏撿率不是主要因素，滿足漏撿率要求下功率消耗要低且含水率要低，防止草捆發霉，故取C1。采用經綜合平衡法，最終得到的較優水平組合是 A3B1C1，即滾筒轉速60r/min、機器前進速度3.5km/h、牧草含水率15.13%。

從表4可以看出：因素A 對功率消耗是主要因素，對漏撿率也是主要因素，故取 A2；因素 B 對漏撿率和功率消耗都不是主要因素，滿足漏撿率的前提下，選取水平應保證功率消耗少，故取 B2；因素 C 對漏撿率是次要因素，對功率消耗是次要因素，滿足漏撿率和功耗要求下含水率要低，防止草捆發霉，故取C1。采用經綜合平衡法，最終得到的較優水平組合是 A2B2C1，即滾筒轉速50r/min、機器前進速度5km/h、牧草含水率15.13%。

表3 正交試驗結果

續表3

表4 改進以后試驗臺正交試驗結果

4 結論

1) 滾筒轉速、機器前進速度和含水率對功率消耗和漏撿率的影響顯著；隨著滾筒轉速和含水率的增大，功率消耗呈上升趨勢，漏撿率呈下降趨勢；隨著機器前進速度的增加，功率消耗呈上升趨勢，漏撿率呈先下降后上升的趨勢。

2)正交試驗結果表明：對改進前后試驗臺來說，影響功率消耗和漏撿率的主次順序是滾筒轉速、機器前進速度和含水率。采用綜合平衡法最終得到的最優組合，改進后試驗臺最終得到的較優水平組合是 A3B1C1，即滾筒轉速60r/min、機器前進速度3.5km/h、牧草含水率15.13%。改進前的試驗臺最終得到的較優水平組合是A2B2C1，即滾筒轉速50r/min、機器前進速度5km/h、牧草含水率15.13%。總體上看，改進后的試驗臺時功率消耗比改進前試驗臺有所增加，但漏撿率有所減小。

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Comparison Test and Research on the Performance Parameter of the Spring-Finger Cylinder Pickup Collector

Yu Zhihong1, Morigenbilige1, Wang Wenming2, Cui Hongmei1, Dabuqilitu1, Wu Shuhong1

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

Alfalfa pickup tests were carried on Test bench of Spring-Finger Cylinder Pickup Collector before and after modification. The impact of the roller speed, forage machine speed, moisture content on power consumption and the leakage rate of picking up was studied. The result of single factor tests showed that the impact of Roller speed, machine forward speed and moisture content on power consumption and leakage rate were significant. With the increase of the roller speed and moisture content, the power consumption increases and the leakage rate decreases. With the increase of the speed of the machine, the power consumption increases and the leakage rate decreases. The result of orthogonal tests showed that the impact of the order on power consumption and leakage rate was the roller speed, machine forward speed and moisture content. The optimal work parameters combination of pickup device before and after modification is reached by using the comprehensive balance method. The performance of the pickup device after modification is better than that of the former.

forage grass; pickup; elastic tooth drum type

2015-12-25

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。

S817.11+4

A

1003-188X(2017)02-0122-06