聯合收割機配套秸稈打捆機壓縮系統的優化方案

河北省農業機械化研究所有限公司 張秀平 陳林 袁興茂 張亞振

1 引言

聯合收割機配套秸稈打捆機是一種以聯合收割機滾動軸轉動力為動力源的秸稈收集壓捆機具。其主要由減速機、活塞驅動裝置、秸稈通道、喂入裝置、捆繩裝置、密度調節裝置、成捆室、捆繩箱等部件組成（圖1）。其中，由活塞及其驅動裝置、成捆室及其調節裝置等組成的壓縮系統是影響草捆密度的關鍵。由于受空間位置及動力的限制，草捆密度相對較低（2015年經過試驗測得在秸稈含水率為16.8%時所壓制的草捆密度均值為102.4kg/m3）。

圖1 配套秸稈打捆機結構

2 壓縮系統優化方案

2.1 壓縮行程優化方案

物料壓縮密度與壓縮活塞的有效行程密切相關。而壓縮有效行程又主要與曲柄長度、連桿長度關系密切。因此，改變壓縮行程的有效辦法是改變曲柄與連桿的長度。

研究表明，在一定范圍內，隨著壓縮行程的增加，草捆密度也隨之增大，但當壓縮活塞的有效行程達到一定數值時，草捆的密度基本不再變化[1]。而聯合收割機配套秸稈打捆機的物料喂入形式為上喂入，活塞返程回到起點時需要避開喂入口，活塞連桿加長，需要喂入口后延才能保證活塞起始位置不在喂入口下方區域。因此，在不改變整體尺寸的前提下，活塞連桿長度縮短更有利于秸稈的喂入。

活塞有效行程的加長可通過增加活塞連桿長度或增加驅動曲柄長度實現（圖2a，圖2b），但如果加長活塞連桿長度，在活塞返程后，活塞位置會有一部分處于入料口下方，導致部分秸稈堆積在活塞上方，不能順利喂入到壓縮腔體內，影響活塞作業性能。為了同時實現增加活塞有效形成和縮短活塞連桿長度的目的，加大活塞驅動盤直徑（即加長驅動曲柄長度），同時縮短活塞連桿長度（圖2c）。

圖2 加長活塞行程的方式

由于活塞驅動曲柄的加長會使活塞驅動盤直徑增加，其質量隨之增加，運動耗能增加。因此，在滿足作業需求及曲柄滑塊運動條件的前提下，可在一定范圍內增加曲柄長度，但不可過分加長。

2.2 壓縮截面優化方案

壓縮截面對壓縮所消耗的有用功有很大影響[2]，表現為在一定范圍內壓縮截面積與有用功系數成反比，即壓縮截面積越小，有用功系數越大，截面積越大，有用功系數越小。由于聯合收割機配套秸稈打捆機受到空間位置的影響，打捆機本身尺寸相對較小，壓縮腔體尺寸相對撿拾壓捆機或固定式壓捆機都要小。除了受空間限制外，其動力來源于聯合收割機滾筒軸，動力較小，這也決定了其壓縮腔體尺寸及壓縮截面尺寸較小。

但是截面積大小影響草捆數量和打結器工作量。截面積越小，相同體積的秸稈壓制成的草捆數量越多，使用捆繩量增加，經濟性差；草捆越多，打結器工作量增加，使用壽命縮短。

因此，在空間、動力以及耗能等因素的多重約束下，壓縮截面尺寸不能再縮小或擴大。但考慮到壓縮腔體外部只有上下方向上設置有密度調節裝置，而左右方向僅有腔體的兩側板阻止秸稈向外擴張，因此，在壓縮腔內增加可提高草捆密度的限草板（圖3），在未加調整裝置的截面方向上增加對草捆的阻力。該限草板安裝于壓縮腔體的兩側邊上，在草捆壓縮方向上與側邊成銳角，目的是增加草捆壓出阻力，增加草捆緊實度。

圖3 限草板結構及安裝示意圖

2.3 壓縮頻率優化方案

活塞的壓縮速度和頻率對草捆密度影響顯著。

在一定的活塞壓力下，物料的密度在一段時間內會繼續增加，即利用較低的壓縮速度可以得到較高的密度[3]。也就是說，秸稈中空部分及秸稈之間含有的空氣并不能一下子被擠出，需要有一定的力經過一定的時間才能將空氣完全從秸稈內壁和秸稈之間擠出去。

活塞的壓縮速度提高，其壓縮頻率加快，在保證喂入量的前提下，可以提高生產效率[4]。聯合收割機滾筒的正常工作轉速是1200r/min左右，其動力通過鏈傳動傳遞給打捆機，提高打捆機的活塞壓縮頻率可以減小鏈傳動的減速比，對整個傳動系統是有利的。但壓縮頻率提高需要更大的動力，而聯合收割機滾筒軸的動力是有限的，為了保證聯合收割機的正常運行，不能再將更多的動力分配給打捆機。此外，較高的壓縮速度造成秸稈壓縮不緊實，秸稈內空氣不能完全排出，內應力得不到有效釋放，在草捆成型后擠出壓縮腔體或者裝載運輸過程中，內應力充分釋放導致草捆膨脹，容易散捆。因此，為了解決上述問題，需要將壓縮頻率在合理范圍內進行降低。

聯合收割機滾筒軸的工作轉速經過鏈傳動（傳動比20:31）為打捆機提供了775r/min的輸入轉速。將減速機減速比由1:8.6降低為1:9，使減速機輸出轉速由90行程/min降低至86行程/min。

3 打捆試驗

3.1 試驗數據

獲得該數據的試驗條件為：小麥秸稈含水率為16.8%左右，草捆長度調節至82～85cm，草捆截面尺寸約30×40cm，草捆體積0.1m3左右，聯合收割機作業效率為5～8畝/h。

表1 草捆壓縮密度數據

3.2 試驗分析

圖4 密度值分布圖

由圖4可知，對壓縮系統優化改進后，在測取的這5組40個數據中，草捆密度分布最為密集的區域為114～118kg/m3，在均值116.6kg/m3線上下離散分布。

4 結論

通過對聯合收割機配套秸稈打捆機壓縮系統的研究，采用了縮短壓縮行程、添加阻草板和降低壓縮頻率等改進措施，在總體尺寸不變的前提下，使草捆密度由改進前的102.4kg/m3提高到改進后的116.6 kg/m3，密度提高了13.87%，達到了優化目的。

[1]李耀明,成鋮,徐立章.4L-4.0型稻麥聯合收獲打捆復式作業機設計與試驗[J].農業工程學報,2016,32(23):29-35.

[2]李旭英.不同壓捆室截面對苜蓿壓捆時功耗的影響[A].中國農業工程學會.2007年中國農業工程學會學術年會論文摘要集[C].中國農業工程學會,2007:1.

[3]陳鋒.大方捆打捆機壓縮機構設計及壓縮試驗研究[D].中國農業機械化科學研究院,2007.

[4]于建國,趙洪剛.新型固定式半自動飼草壓捆機的設計[J].工程設計學報,2007,(02):108-111.