打捆試驗臺設計與試驗

張澤璞，段寶成，陶桂香，衣淑娟，劉春香

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319；2.黑龍江工程學院，哈爾濱 150008)

0 引言

水稻是我國四大商品糧之一[1]，種植面積大、產量高，也是我國居民的主要食用商品糧。水稻收獲后稻稈自身結構疏松、質軟、密度小及占用空間大，導致運輸不方便[2]。我國在打捆方面發展較晚，配套機械還存在不足，打捆機械設計多參照國外機械同時理論還不健全[3-6]。雖然國外機械較為健全，工作性能穩定，但是其高昂的價格當前還不能被農戶所接受[7-9]。綜合各原因使我國水稻秸稈回收與利用造成嚴重浪費，還間接阻礙了我國打捆機械的發展。

為了探究打捆裝置在設計與研發中存在的問題，設計了一套打捆試驗臺，旨在方便后續的試驗研究。

1 打捆試驗臺設計

1.1 試驗臺組成

打捆試驗臺由打捆裝置、動力裝置、輸送裝置、檢測系統與控制裝置等組成，如圖1所示。試驗臺采用電源為動力源，帶動各工作裝置進行工作。其主要工作流程為：電動機通過控制裝置轉動，帶動輸送裝置與打捆裝置工作；輸送裝置將秸稈輸送到打捆裝置的喂入口，喂入口的撥禾輪將秸稈送入到壓捆室內，通過壓縮活塞往復壓縮將秸稈壓縮成高密度的草捆，同時被推出到壓縮室外部；草捆帶動棘輪控制裝置，控制草捆的長度及控制打結器工作，打結器工作將捆繩纏繞在草捆上完成一次打結，完成一次打捆工作。

1.打捆裝置 2.輸送裝置 3.動力裝置圖1 打捆試驗臺Fig.1 The baling test rig

1.2 打捆裝置

打捆裝置是打捆試驗臺最主要的工作裝置，主要包括壓捆室、壓縮機構(飛輪、連桿、壓縮活塞)、減速機、打結器、出口高度調節裝置、打結器及撥禾輪等主要工作部件，如圖2所示。

打捆裝置的主要工作過程為：電動機帶動減速機，將電動機轉速按照減速機傳動比1∶7降速，減速機輸出軸一端與壓縮機構的飛輪連接，另一端連接傳遞機構的鏈輪，飛輪帶動壓縮機構的連桿與活塞運動，將撥禾輪撥入壓捆室內的秸稈壓縮成塊并不斷地推出壓捆室內；同時，鏈傳動帶動傳遞機構運動，草捆被推出壓捆室時帶動草捆調節裝置的棘輪機構運動，棘輪機構控制打結器凸輪轉動，帶動打結器運動，完成一次打捆工作；草捆連續不斷地被推出打捆室，打結器不斷地完成打捆工作。由于打結器價格昂貴，同時國產打結器不能滿足使用要求，打結器選擇進口D型打結器。雖然D型打結器結構比C型打結器復雜，但是D型打結器具有傳動靈活、工作協調性好[10-12]。

1.壓縮活塞 2.連桿 3.飛輪 4.減速機 5.撥禾輪 6.壓捆室 7.打結器 8.草捆長度調節裝置 9.出口高度調節裝置圖2 打捆裝置Fig.2 The baling device

1.3 動力裝置

打捆裝置采用電源為動力源，使用電動機提供動力，采用帶傳動將動力傳輸給打捆部件。動力裝置由電動機、框架、防護罩、聯軸器、扭矩傳感器及軸承座等組成，如圖3所示。

1.框架 2.電動機 3.護罩 4.軸承座 5.傳感器 6.底座 7.帶輪圖3 動力裝置Fig.3 Power device

1.4 輸送裝置

輸送裝置采用輸送帶代替秸稈傳輸，將秸稈擺放到輸送帶上，輸送帶將秸稈送入撥禾輪的送入口，完成算數工作。輸送裝置如圖4所示。

1.支架 2.主動輥 3.皮帶 4.電動機 5.輔助輥圖4 輸送裝置Fig.4 Conveying device

1.5 檢測系統

檢測系統主要采用扭矩傳感器進行動態數據檢測，是為了實現試驗數據的采集、處理及分析自動化而設計的。檢測系統基于MCGS工控組態軟件開發，用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統，為用戶提供了解決實際工程問題的完整方案和開發平臺，能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、報警和安全機制、流程控制、動畫顯示、趨勢曲線，以及報表輸出。該系統將檢測結果以動態文本方式顯示，實時曲線顯示，可直接輸出工作狀態功率消耗。

1.6 輔助部件

打捆試驗臺輔助原件主要是一些裝置控制部件，如出口調節裝置、捆針、輔助拉桿和定位塊等。捆針與打結器、壓縮活塞協調工作，工作時有相對的位置管制關系。出口高度調節裝置通過轉動手柄可以控制草捆出口高度的大小，輔助部件在打捆試驗臺中是不可或缺的部件。

2 試驗研究

為了驗證打捆試驗臺的工作性能，對打捆試驗臺進行試驗研究，并依據方草捆打捆機 《GB/T 25423-2010》標準進行。試驗秸稈選用含水率為30%～40%秋季水稻秸稈。試驗儀器為米尺、電子秤、手推車及其安全防護用品等。

2.1 試驗設計

通過對打捆裝置的結構與分析，選取打捆試驗臺的變化因素為草捆長度、喂入量及飛輪轉速；試驗指標為草捆密度，因素水平編碼表[13-15]如表1所示。

表1 分體式小麥免耕播種機試驗性能結果Table 1 Experimental factors and levels

2.2 試驗方案與結果

試驗方案選擇正交旋轉組合試驗方案進行，選擇三因素五水平正交試驗進行實驗設計，進行23次，每組試驗重復5次進行，試驗結果取平均值，試驗方案與結果如表2所示。采用DPS數據出爐軟件處理得到方差分析如表3所示。

表2 試驗方案與結果Table 2 Test scheme and results

續表2

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

對表3中的結果分析可知：F1F0.01(5，8)顯著，方程有意義。根據方差分析處理結果進行二次多元回歸方程擬合，草捆密度Y對自變量回歸方程為

Y=-659.71+0.89X1+102X2+10.97X3-

0.00061X12-24.42X22-0.075X32

其中，X1為草捆長度(mm)；X2為喂入量(kg/s)；X3為飛輪轉速(r/min)。

回歸系數顯著性檢驗，表3中P值小0.05項是顯著項，影響因子X1、X2、X3、X12、X22、X32對草捆密度指標影響均為顯著項。

回歸模型失擬檢驗。失擬項P值為0.077 06>0.05，回歸方程不擬合，草捆密度模型實測值與預測值相接近界定系數與校正決定系數軍接近1，表明回歸方程精確、效果顯著。精密度值為80.155>4.17，表明該回歸方程在設計的區域內預測性能良好。

各影響因子對草捆密度的顯著性順序由大到小依次為草捆長度>喂入量>飛輪轉速。

應用Design-Expert軟件對回歸方程進行分析，分別固定3個因素中1個因素為0水平，考察其中兩個因素對草捆密度的影響，獲得草捆密度雙因素響應曲面圖[16-18]。當飛輪轉速為75r/min時，獲得草捆長度與喂入量對草捆密度響應曲面如圖5所示；當喂入量為2kg/s時，獲得草捆長度與飛輪轉速對草捆密度響應曲面如圖6所示；當草捆長度700mm時，獲得喂入量與飛輪轉速對草捆密度響應曲面如圖7所示。通過響應曲面圖分析兩兩因素交互作用關系。

圖5 草捆長度與喂入量對草捆密度響應曲面圖Fig.5 The response surface diagram of Baling length and feeding volume to baling density

圖6 草捆長度與飛輪轉速對草捆密度響應曲面圖Fig.6 The response surface diagram of Baling length and flywheel speed to baling density

圖7 喂入量與飛輪轉速對草捆密度響應曲面圖Fig.7 The response surface diagram of feeding volume and flywheel speed to baling density

由圖5可知：當飛輪轉速為零水平時，草捆長度與喂入量對草捆密度影響顯著。當喂入量一定時，草捆密度隨著草捆長度增大呈現出先快速增大，達到700mm后，草捆密度呈現出緩慢下降；當草捆長度一定時，草捆密度隨著喂入量的增大呈現出先逐步增大的趨勢，當喂入量達到2kg/s時，草捆密度呈現下降趨勢，二者交互作用影響關系明顯。

由圖6可知：當喂入量為零水平時，草捆長度與飛輪轉速對草捆密度影響較為顯著。當飛輪轉速一定時，草捆密度隨著草捆長度的增大呈現出先快速增加，長度超過700mm后草捆密度快速降低；當草捆長度一定時，草捆密度隨著飛輪轉速的增加呈現出先變化趨勢不明顯，當飛輪轉速達到75r/min時，草捆密度呈現出快速下降的趨勢，二者交互作用影響關系不明顯。

由圖7可知：當草捆長度為零水平時，喂入量與飛輪轉速對草捆密度影響顯著。當飛輪轉速一定時，草捆密度隨著喂入量的增大呈現出先快速增大，達到2kg/s時，草捆密度呈現出快速下降的趨勢；當喂入量一定時，草捆密度隨著飛輪轉速的增大先增大，當飛輪轉速達到75r/min時，草捆密度緩慢下降，二者交互作用影響關系明顯。

應用規劃求解得：當草捆長度為720mm、喂入量2.2kg/s、飛輪轉速78r/min時，草捆密度最大值為169.3kg/m3。

2.3 驗證試驗

依據規劃求解參數組合，進行驗證試驗，取草捆長度750mm、喂入量2.5kg/s、飛輪轉速80r/min，重復5次試驗結果取平均值，獲得最優草捆密度結果為165.8kg/m3。打捆試驗臺總成捆率達到95.3%，規則草捆率達到95%，抗衰率達到98%，各項指標符合方草捆作業條例，滿足農藝生產要求與打捆工作使用要求。

3 結論

1) 打捆試驗臺的設計符合實際的工作性能要求，打捆裝置能夠滿足草捆密度生產使用要求，為后續的打捆機整機開發與研究奠定了理論基礎。

2) 采用了正交旋轉組合的設計試驗方法，能夠快速獲得試驗的工作性能指標，正交試驗處理結果在設計的區域內指標性能良好，獲得了該試驗臺草捆密度與草捆長度、喂入量、飛輪轉速的回歸方程。

3) 應用響應曲面法分別分析了兩兩因素對草捆密度指標的影響關系，獲得最優草捆密度165.8kg/m3、打捆試驗臺總成捆率95.3%、規則草捆率95%、抗衰率98%。