9YYB12型青飼料打捆纏膜一體機落料回送總成的設計

張德學，任冬梅，秦喜田，梁榮慶，李青江，劉學峰，張琦峰，周秋來

(1.山東省農業機械科學研究院，濟南 250100；2.國家肉牛牦牛產業技術體系生產與環境控制研究室，濟南 250100)

0 引言

當前，收獲完果穗的農作物的秸稈被堆積、焚燒的現象依然存在，不僅污染了大氣的環境，還造成了營養物質和生物資源的大量浪費[1-3]。目前，通過將農作物秸稈進行收獲、打捆、包膜、發酵等工序的青貯作業，可有效提高秸稈的利用率和生產效率，為秸稈青貯提供一種先進的儲藏技術[4-6]。機械裹包青貯可以很好地保存飼料的營養，由于青貯發酵后的飼料口味芳香適口，能夠增進牛羊等草食家畜的食欲，很好地解決了冬春季節飼草供應不足等問題[7-8]。

然而，國內裹包青貯大多數還是采用收獲、打捆、包膜分開作業模式，且主要以小型機械為主，機械化、智能化程度比較低，作業效果和效率都還不盡如人意[9-11]。因此，研究設計一種集青飼料的收集、運輸、打捆和包膜功能等于一體的青貯機械勢在必行。目前，市場上可以實現打捆纏膜的機械普遍還存在著未成捆物料散落于地造成物料浪費的弊端。針對此類問題，設計了一種集料捆輸送、包膜驅動及落料回送功能于一體的散料回送總成，能夠輸送成捆的圓柱料捆且輔助料捆的包膜作業，并能將散落的物料及時回送到前料倉內，有效地提高了青貯物料的利用率，為9YYB12型打捆纏膜一體機底盤和整機的后續研發設計奠定了基礎。

1 整機總體結構和工作過程

1.1 總體結構

9YYB12型青飼料打捆纏膜一體機主要包括底盤總成、前料倉總成、輸送裝置總成、送網裝置總成、打捆裝置總成、包膜裝置總成、側蓋板總成、傳動系統總成、液壓系統總成、電控系統總成和自動潤滑系統總成等，如圖1所示。

1.前料倉總成 2.底盤總成 3.傳動系統總成 4.輸送裝置總成 5.送網裝置總成 6. 液壓系統總成 7.打捆裝置總成 8.電控系統總成 9.包膜裝置總成

1.2 工作過程

本機的結構形式為牽引式，與50～60 kW的拖拉機配套使用，拖拉機后輸出軸為該機提供動力，PTO輸出轉速540r/min。其工作原理為：作物秸稈由青飼料收獲機收獲后，經拋送筒拋入前料倉總成內，料倉底部的鏈條刮板將物料間歇性地向后輸送；在后方的輸送裝置總成的輸送下，物料最終進入一個鏈板式半封閉的圓柱形成捆室內；物料在成捆室內經層層擠壓，形成圓柱捆，待其擠壓密度達到設定值時，前方的撥料輥和物料輸送裝置停止工作，配置于成捆室和前料倉之間的送網裝置開始送網、纏網；當網纏到設定層數時，割刀自動將網割斷，送網完成，成捆室后蓋自動打開，圓捆卸出，打捆完成；纏網后圓捆滾入后方的包膜架上，由包膜固定輥固定其位置，包膜機自動開始工作，纏上可伸縮塑料膜完成對圓柱捆的高密度壓實捆包；包好的捆將由包膜平臺上的輸送刮板將其推出平臺，通過落草架滾到地面；成捆室內未被打捆而散落的物料則落到下方的落料托板上，由落料回送總成將物料回送到前料倉，同新進入料倉的物料一起再進行下一個打捆包膜作業，減少了物料的浪費，實現了物料的高效利用。

2 底盤主要工作部件簡介

底盤總成是9YYB12型青飼料打捆纏膜一體機的重要組成部分，主要由牽引架裝配、散料回送總成、輪胎裝配和包膜臺裝配等組成，如圖2所示。

1.牽引架裝配 2.落料回送總成 3. 輪胎裝配 4.包膜臺裝配

2.1 牽引架裝配

牽引架裝配主要包括拖鉤架焊合、伸縮支腿、傳動輪組合和拖架焊合等，如圖3所示。

1.拖鉤架焊合 2. 伸縮支腿 3. 傳動輪組合 4. 拖架焊合

拖鉤架焊合上的托鉤與拖拉機牽引拖掛裝置相連接，通過上下調整拖拉機拖掛裝置的高度位置，使機器的牽引桿處于水平狀態，從而方便地調整到利于工作的位置。為了保證拖架的穩定性及強度、剛度的要求，設計拖架焊合主體框架由左右兩根18號的槽鋼和后面的一根130×6的方管成三角形焊接而成。拖架焊合主體的前部支撐架和中部的支撐架用于托起和固定前料倉總成；托架焊合后方的支撐板與打捆裝置總成固定連接，支撐打捆部裝的正常工作；伸縮支腿裝配主要由一根80×7.5的鋼管和一根65×5的鋼管套接而成，并可以通過手搖臂來實現支腿的上下伸縮，起到支撐作用。

2.2 包膜臺裝配

包膜臺位于機架的后方，包括包膜臺架、包膜裝置固定管、橡膠固定輥、滾動鋼輥、切膜部裝及落草架等。它與上方的包膜機構配合，完成圓捆包膜工作，如圖4所示。

1.落草架焊合 2.滾動鋼輥 3.切膜部裝 4.橡膠輥 5.包膜側架 6. 鏈條刮板 7.包膜總成支撐架 8.草捆導向板

當圓捆打完捆后，經過圓捆導向板進入到后方的包膜平臺，由包膜臺架前方兩個橡膠固定輥和后方的兩個滾動鋼輥將圓捆固定并輔助圓捆自傳，開始包膜作業；待包膜層數達到設定值后，包膜臂回位；切膜部裝工作，切斷塑料膜，完成纏膜作業；接著后方的兩個鋼輥左右打開，由轉動的鏈條刮板將圓捆通過后方的落草架運送到地上，完成包膜過程。

2.3 輪胎裝配

輪胎裝配也是底盤機架上較為重要的一個部裝。輪胎裝配主要由輪胎、輪胎架，軸承等組成，分布于機架的左右兩側，負責對整機起到支撐和行走的作用，如圖5所示。

輪胎是車輛部件中唯一接觸地面的部件,整車的經濟性、噪聲、振動、穩定性和制動性能等都與輪胎有著密切的關系。因此，車架輪胎的選型需要考慮輪胎的負荷、行走速度、通過性、附著能力和穩定性等因素。

輪胎設計時，主要考慮輪胎的負荷和穩定性的問題。由于整機設計的質量大約在3 400kg左右，整機通過拖架連接在拖拉機的后面，所以說大部分的質量會集中在左右兩側的輪胎裝配上。為了支撐整機質量，實現整機平穩工作，通過資料的查詢和計算，選擇輪胎的型號為295/60-15。

1. 輪胎 2.支撐軸 3.輪胎支架 4.軸承

2.4 落料回送總成

物料打捆完成后，成捆室內還有些散料沒有被打成捆，傳統的打捆設備中圓捆從成捆室滾出來后會有不少的未成捆物料散落于地上，積少成多，造成了很大的浪費，不利于提高物料的有效利用。為了實現青飼料打捆、包膜的聯合作業，本機在底盤上創新性地設計了一種融合了料捆輸送、包膜驅動及落料回收等功能的落料回送總成，主要包括落料托板、鏈條刮板輸送裝置、橫向絞龍輸送總成、縱向絞龍輸送總成等，如圖6所示。

1.前料倉 2.縱向絞龍輸送總成 3.橫向絞龍輸送總成 4.鏈條刮板輸送裝置 5.落料托板

落料回送總成工作過程圖如圖7所示。青飼料成捆后經導向板滾入鏈條刮板輸送裝置，并由鏈條刮板輸送料捆至包膜的合適位置，開始包膜。在包膜的過程中，鏈條刮板輸送裝置與前后輥配合，輔助料捆自傳，幫助其完成包膜作業；而未被打成捆的物料則落到下方的落料托板上，鏈條刮板如圖順時針方向旋轉，由托板上方的鏈條刮板將散落物料往前料倉方向撥回，并撥入到橫向絞龍內。在橫向絞龍的輸送作用下，散料進入到縱向絞龍輸送總成的進料口，在縱向絞龍的提升作用下，落料最終被輸送回前料倉內，與新進入料倉的物料共同參與下一個打捆纏膜作業。

1.絞龍輸送總成 2.落料托板 3.鏈條刮板 4.鏈輪

3 落料回送總成的設計

3.1 鏈條刮板輸送裝置的設計

3.1.1 結構的設計

鏈條刮板輸送裝置主要包括刮板，鏈輪、鏈條和鏈輪軸等，如圖8所示。

圖8 鏈條刮板輸送裝置Fig.8 Chain scraper conveyor assembly

設計兩根鏈條以中心距A排布，將刮板沿鏈條轉動方向均勻、等距(設計距離為兩個鏈條節距)地焊接于兩根鏈條中間。工作時，動力傳遞給主動鏈輪，主動鏈輪帶動鏈條和刮板整體轉動，在刮板下方固定有落料托板，散落物料在鏈條刮板的回撥作用下被刮到后方的橫向絞龍輸送總成中，實現散落物料的回送工作。

考慮到落料的特性和鏈條的加工工藝與承載能力，設計鏈條為方框鏈，材料為鑄鋼，節距為P=60mm，鏈條寬度為65mm；根據圓捆尺寸Φ850～900×850，設計兩根鏈條中心距之間距離為1 260mm；為了既能托起并輸送草捆，又能順暢實現落料的回撥，設計刮板為中間有凹槽的長方體，材質20Mn，長度為1 195mm，寬度為80mm，厚度25mm，且相鄰兩個刮板之間的中心距離設計為S=2P=120mm。

3.1.2 鏈條線速度的確定

物料在輸送過程中要保持其形狀和大小適宜，若鏈條線速度過低，則不能及時地將散落物料運至絞龍內，浪費能源又達不到及時回料的目的。如果鏈條線速度過高，一方面將加大落料與落料托板之間的摩擦程度，不利于順暢的刮送工作，也將破壞物料的流動穩定性，產生阻塞現象；另一方面因物料本身堆積不夠緊實，在刮板推送物料運動的過程中，高速運動將加大刮板對落料的擠壓，落料可能會在絞龍輸送處擠壓成團，極易形成堵塞，對后續橫向和縱向絞龍的順暢輸送無益。經查閱資料，一般取轉速0.1～0.3m/s為宜[12-13]。

本設計中鏈條刮板輸送裝置與包膜總成配合使用，鏈條的轉速計算還要考慮到包膜的作業需要。設定兩個包膜臂進行包膜，每個包膜臂的轉速為30r/min，那么實際對于料捆的包膜轉速應該為60r/min。又知膜的寬度500mm，包膜的重合率設計為50%，則可計算出鏈條的線速度為0.25m/s，符合經驗速度區間要求。

3.2 絞龍輸送總成的設計

3.2.1 絞龍輸送總成簡介

絞龍具有對輸送物料適應性強、結構簡單、體積小、密封性好和造價低等優點，所以其在糧油、飼料加工及其他的行業都能得到比較廣泛的使用[14-15]。本文設計的絞龍結構圖如圖9所示。

圖9 絞龍結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of screw conveyor

本設計中，絞龍同時應用于橫向絞龍輸送總成和縱向絞龍輸送總成。工作時，物料先進入橫向的絞龍輸送裝置，在橫向絞龍葉片的輸送作用下，物料進入到縱向的絞龍輸送裝置的進料入口，在縱向絞龍和管壁的雙重作用下，物料被縱向提升輸送，最終通過卸料口回到前方的料倉內，完成落料回送的工作。絞龍輸送總成如圖10所示。

圖10 絞龍輸送總成Fig.10 Screw conveyor assembly

3.2.2 絞龍的參數設計

前文所述，絞龍主要應用于橫向的絞龍輸送總成和縱向的絞龍輸送總成中。本文絞龍的設計仍以橫向絞龍為例，縱向絞龍的計算方法與之相同。

絞龍的設計主要包括絞龍螺旋葉片和絞龍軸的設計。其中，絞龍軸設計時主要確定其材質、軸徑和轉速等因素；絞龍葉片作為物料輸送的主要部件，由于需要承受來自物料旋轉、傳輸帶來的反作用力，所以需要綜合考慮其材料形狀、聯結的形式、葉片的厚度、直徑和螺距等因素。

1)葉片的材料確定。參考文獻和資料可知，螺旋葉片一般采用不銹鋼、40Cr和45鋼等材料，三者均可以滿足強度、剛度和耐磨性的要求。由于不銹鋼的價格較高，本設計選擇45鋼作為其加工的材料。

2)葉片的形狀確定。絞龍葉片一般有全葉式、葉片式、帶式和齒型式4種形狀；旋向分為左旋和右旋；線數分為單線、雙線和三線[16-17]。為了既保證絞龍有良好的傳輸能力和順暢的輸出效果，又不至于結構太復雜，耗費成本過高，設計其形狀為全葉式、單線、左旋。

3)葉片聯結形式的確定。設計時，依據計算好的螺旋葉片展開圖進行下料(計算見下文)，將下好的所有毛坯堆疊，按一定距離牽拉焊接于絞龍軸上，完成葉片與絞龍軸的聯結。

4)螺旋葉片直徑的確定。螺旋葉片的直徑是絞龍輸送的重要參數，決定著其輸送效率和輸送能力。

根據經驗公式得

Q=47K1AφλCD5/2

(1)

(2)

(3)

(4)

式中D—螺旋葉片直徑(m)；

K—反應物料綜合特性的經驗系數；

Q—物料的輸送量(t/h)；

φ—水平輸送物料的填充系數；

λ—物料的堆積密度(t/m3)；

C—傾斜輸送系數。

本機的設計作業效率30～40包/h，單件捆包體積約為0.48～0.54m3，按設計要求落料率1%計算，可得需要輸送的散料體積最大約為0.22 m3/h。根據落料的物料特性和所用絞龍的輸送安全系數，為了既滿足絞龍的輸送能力，又盡量節約能源，設定絞龍的工作效率4 m3/h，則

(5)

經查閱資料，當傾斜角度為0°時，φ=0.5，K=0.0558，C=1。帶入數據可得：D=0.13m=130mm。按照螺旋葉片的規范標準系列D=120、150、200、250、300、400、500、600，將所得數據進行圓整，取D=150mm。

5)螺旋葉片螺距的確定。螺旋葉片的螺距影響著物料的輸送過程，一方面其數值決定螺旋升角的大小，另一方面影響著物料運行的滑移面[18]。其計算公式為

S=KlD

(6)

式中S—螺旋葉片的節距(mm);

D—螺旋葉片的直徑(mm);

Kl—螺旋節距與直徑之比，其數值通常取0.7～1.0，本設計取1。

所以，S=KlD=150mm

另外，根據底盤的設計要求，設計絞龍的輸送寬度1 550mm，經計算葉片螺旋圈數為10.5圈。

6)螺旋葉片的厚度確定。查閱資料可知，螺旋葉片一般是由薄鋼板切割或者沖壓制成，要求其具有一定的強度和耐磨性，取用的厚度一般為2～8mm[19]。

本設計中，由于輸送物料為青貯的秸稈飼料顆粒，所以取其值為δ=4mm，材料選取Q345即可。

7)絞龍軸的材料選擇。絞龍的旋轉軸材料根據使用場合的不同有不同的選擇，常用的材料主要有碳素鋼、合金鋼、灰鑄鐵、不銹鋼和高分子聚合物等。

本設計中，綜合使用的物料性質、材料的使用性能，考慮到使用性能和制造成本的平衡，螺旋軸采用Q235材質的空心結構管即可，管厚4mm；兩邊的軸頭采用45鋼。

8)絞龍軸直徑的確定。螺旋軸徑的大小與螺距是相關的，軸徑和螺距共同決定螺旋升角，并影響著物料的滑移的速度和方向。查閱資料得知，一般軸徑與螺距的關系為

d=(0.2～0.3)D

(7)

本設計取d=0.3D=45mm。

9)絞龍軸轉速的確定。絞龍軸的轉速大小影響著輸送量的多少。一般而言，絞龍軸轉速增大，輸送量增大，輸送能力增強；轉速減小，則輸送量降低。但并不是絞龍軸的轉速越快越好，因為物料在旋轉時受到離心力和自身重力的作用，當其轉速大于一定的轉速n時，離心力會大大增加，使得物料向外拋出，從而達不到輸送物料的目的。所以，對極限的轉速n界定顯得更加重要。

根據經驗公式，則

(8)

式中nmax—極限最大轉速(r/min);

A—物料的綜合特性系數，查表取A=46；

D—絞龍葉片旋轉直徑(mm)。

帶入數值，得到nmax=118 r/min。根據標準，取極限轉速為120r/min，即絞龍軸的轉速不能高于120r/min。

10)螺旋葉片下料展開尺寸計算。根據上文計算已知，葉片直徑D=150mm，螺距S=150mm，軸徑d=45mm。

由下料展開圖公式[20]，得

式中L—外螺旋線長度(mm);

l—內螺旋線長度(mm);

b—螺旋葉片的寬度(mm);

R—展開外圓半徑(mm);

r—展開內圓半徑(mm);

α—切缺角(°)；

c—切口弦長(mm)。

帶入數據得到：l=206mm，L=494mm，b=52.5mm，R=90mm，r=37.5mm，c=69mm，α=45.4°。

其下料展開圖如圖11所示。

圖11 下料展開圖Fig.11 Blanking unfurled figure

4 試驗驗證

本項目創新性地設計了一種具有料捆輸送、包膜驅動及落料回送功能的落料回送總成，樣機于2017年9月在德州平原地區進行了試驗研究與驗證。

通過試驗，得出下面的結論：

1)如圖12(b)所示：料捆從成捆室內滾出，經導向板到鏈條刮板上，在鏈條刮板的輸送和輔助下作用下，能夠順利、順暢實現料捆的輸送，并成功完成包膜作業，符合設計要求。

2)如圖12(c)所示：經試驗測定，每個纏膜臂的轉速是30r/min，刮板鏈條的線速度為0.24m/s,料捆的包膜重合度約為50%，均符合設計要求。

3)圖12(a)為刮板將落料托板上的物料往前料倉方向撥回的畫面。試驗結果表明：刮板能夠將落料托板上的物料刮干凈，并將物料順暢地運入到本機前部的橫向絞龍內。

4)圖12(d)為絞龍總成回料口回料畫面。試驗表明：通過計算選擇的絞龍回送總成結構合理，性能穩定，回料順暢；物料在絞龍內不堵塞，能夠順利完成其橫向和縱向的輸送工作，且落料的回送效率達99%以上。

圖12 落料回送總成試驗工作圖Fig.12 Test working diagram of the loopback assembly for the scattered materials

5 結論

1)簡述了9YYB12型青飼料打捆纏膜一體機的整機結構和工作原理，對其底盤結構進行了設計和參數化三維建模。

2)創新性地設計了一種融合料捆輸送、包膜驅動及落料回送功能于一體的落料回送總成，介紹了其工作過程和原理，并重點對絞龍輸送系統和鏈輪刮板傳輸系統進行了分析和計算。

3)對落料回送總成的工作效果進行了試驗驗證，結果表明：其工作性能穩定，料捆輸送、落料回送和輔助包膜效果良好，符合設計要求。

4)為使本機的落料回送總成和底盤結構更加合理，穩定性及安全強更高，后期將使用Adams等分析軟件對落料回送總成進行有限元分析，并根據分析結果對其進行優化改進，從而為底盤及整機的制作奠定基礎。