9YYB12型青飼料打捆纏膜一體機的整機設計與研發

張德學,閔令強,劉學峰,李青江,任冬梅,亓紅祥,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,隨著我國畜牧業的不斷發展,青貯飼料的的需求量在逐年加大,國內對于青貯飼料的研究和應用也在逐漸展開和深入[1-2]。其中,青貯飼料的貯存是嚴重影響飼料品質和利用率的因素之一[3-4]。在各種青貯方式中,裹包青貯有著適用原料多樣、青貯飼料質量好、易于實現全程機械化、儲存取飼方便和保質期長等優點,在國外已得到廣泛應用,近年來在國內也逐步得到用戶認可,市場前景比較廣闊[5-8]。

目前,國內已經開展機械裹包青貯相關技術的研究,打捆機主要是以500mm 的小捆裹包青貯為主[9]。國內已經開始了打捆纏膜集成線的生產,撿拾打捆包膜一體機、集料打捆一體機、集料打捆包膜一體機、收獲打捆一體機等多功能打捆包膜設備的吸收、引進、研發和生產工作都已相繼開始[10-11]。然而,我國機械青貯裹包作業中仍然存在著諸多問題:①對作物品種、青貯工藝、種植模式研究不足,農機和農藝融合較差;②國內裹包青貯機械種類較少、性能差,特別是打捆機、裹包機和運輸車輛的研究都基本處于空白;③國內拖拉機前動力輸出等功能缺失,不能適應裹包青貯機械化的作業需求;④成套設備的系統性研究不足,模塊化設計有待提高[12-13]。

針對以上問題,采用消化吸收國外有關先進技術和自主創新相結合的方法,設計了一種集青飼料收集、運輸、打捆、纏膜于一體的9YYB12型青飼料打捆纏膜一體機。該機的設計研發將有效縮短青貯作業時間,提升飼料品質,提高工作效率,降低勞動成本,可替代進口產品,節約購機資金,有效促進畜牧業機械化和規模化的發展。

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集料倉總成、牽引架總成、二級輸送裝置總成、送網裝置總成、打捆裝置總成、落料回送總成、纏膜裝置總成、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.料倉總成 2.牽引架總成 3.傳動系統總成 4.落料回送總成 5.二級輸送裝置總成 6. 送網裝置總成 7.液壓系統總成 8.打捆裝置總成 9.電控系統總成 10.纏膜裝置總成

1.2 工作過程

該機與48.5kW以上拖拉機配套使用,由拖拉機牽引運動,可采用固定作業或者跟隨青貯機收獲作業模式。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:青貯機械收獲粉碎后的作物秸稈送至集料倉內,料倉底部輸送裝置將物料間歇性地向后輸送至后方的二級輸送裝置總成;二級輸送裝置總成將物料高速輸送至打捆裝置,打捆鏈的內圈順時針轉動從而使物料能夠跟隨其翻滾進行打捆作業。物料在打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,前方撥料輥和物料輸送裝置暫停工作,送網機構開始送網、纏網;當網纏到設定層數時,送網機構自動斷網,纏網作業完成;打捆室后蓋自動打開,釋放已纏網草捆,草捆輸送與落料回送總成將圓捆滾入后方的纏膜機構上,打捆機構倉門關閉,打捆作業完成。底部輸送和二級輸送總成繼續物料的輸送,打捆機構則開始下一個草捆成型作業。這時纏網機構開始工作,將草捆纏膜至固定層數后釋放草捆包;打捆和纏膜過程中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方料倉,同新進入料倉的物料一起再進行下一個打捆包膜作業,從而完成整個物料裹包青貯作業。

1.3 主要技術參數

尺寸/mm:8 780×2 870×3 100

質量/kg:6 500

配套拖拉機功率/kW:≥48.5

料倉容量/m3:4

輸入轉速/r·mim-1:540

圓捆尺寸(直徑×寬度/cm):Φ120×100

作業效率/包·h-1:≥30

纏膜厚度/層:4～6

成捆率/%:≥99

1.4 動力傳遞系統設計

圖2為本機的動力傳遞系統示意圖。該機的動力傳遞過程如下:拖拉機后PTO將動力傳輸給分動箱,分動箱橫向向兩側分別傳遞動力:一方面,橫向向一側帶動驅動帶輪,當打捆倉門關閉后,控制系統驅動電動伸縮拉桿,嚙合張緊式主動離合器帶動從動帶輪,從動帶輪經過驅動鏈輪、過渡鏈輪和打捆機構驅動鏈輪的兩級減速后,驅動打捆鏈驅動鏈輪帶動打捆鏈進行打捆作業;二級輸送裝置驅動鏈輪鏈傳動二級輸送從動鏈輪驅動二級輸送工作;當打捆室滿室后,控制系統將控制送網驅動裝置離合器使帶輪和皮帶結合,送網驅動帶輪帶動送網從動帶輪驅動送網機構送網,網進入料捆開始送網時,控制系統控制送網驅動離合器分離,送網由主動送網轉為料捆拖拉式被動送網,從而纏網更加緊密;纏網到規定的層數后,斷網刀下落斷網,完成草捆的纏網工作。另一方面,動力橫向向另一側通過鏈傳動和帶傳動驅動液壓泵Ⅰ和液壓泵Ⅱ工作,從而驅動料箱底部鏈板輸送、纏膜機構和落料回送系統工作。

1.驅動帶輪 2.主離合器 3.驅動鏈輪 4.從動帶輪 5.過渡鏈輪 6.打捆機構驅動鏈輪 7. 送網從動帶輪 8.送網驅動離合器 9.二級輸送裝置驅動鏈輪 10. 送網驅動帶輪 11.打捆從動鏈輪 12.二級輸送裝置從動鏈輪 13. 液壓泵Ⅰ 14. 液壓泵Ⅱ 15.分動箱

2 主要工作部件簡介

2.1 車架總成

1)總體結構設計。車架為本機的一個重要的部裝,主要起到支撐、運輸、回料、包膜和卸料的作用。車架總成主要包括牽引架總成、落料回送總成、鏈板傳動機構、車輪裝配、草捆導向焊合、纏膜總成支撐架、草捆固定輥、斷膜機構和卸料支架等,如圖3所示。

2)落料回送總成的設計。為了將料捆輸送、包膜驅動及落料回收等功能融合為一體,設計了落料回送總成,主要包括草捆固定輥、鏈板輸送裝置、 輸送支撐架、 落料托板、縱向絞龍輸送系統和橫向絞龍輸送系統,如圖4所示。

具體工作過程為:青貯物料被打成捆后經導向板滾入鏈板輸送裝置,并由底部鏈板輸送裝置將成捆物料運至包膜臺處開始包膜,鏈板輸送裝置與草捆固定輥相配合,輔助料捆自傳,幫助其完成包膜作業;而散落物料則落到下方的落料托板上,鏈板逆時針方向旋轉,將落料并撥入到橫向絞龍輸送系統內;在絞龍的輸送作用下,落料被輸送到縱向絞龍輸送總成內,在縱向絞龍的提升作用下,落料被輸送回料倉內,實現散落物料的回收利用。

1.草捆固定輥 2. 鏈板輸送裝置 3.輸送支撐架 4.落料托板 5.縱向絞龍輸送系統 6.橫向絞龍輸送系統

2.2 集料倉總成

集料箱主要包括集料箱、鏈板式輸送裝置和上下勻料輥,如圖5所示。

1.下勻料輥 2. 上勻料輥 3. 底部鏈板輸送裝置 4. 集料箱

集料箱采用廣口結構,以方便物料的接料收集。為了防止集料箱內青貯物料造成堆積,在料倉前部上下交錯放置1對勻料輥,上、下兩個勻料輥在鏈條的帶動作用下通過兩組旋轉的撥齒逆時針旋轉分層將進入集料倉的青貯物料反方向撥動,從而將物料均勻鋪灑在料倉底部。集料箱底部設置鏈板式輸送裝置,將已被勻料輥撥均勻的物料不連續地輸送到后方的物料輸送裝置,從而完成青貯物料的收集和初級輸送工作。

2.2.1 集料箱的尺寸參數設計

本設計中,集料箱體積的設計需考慮與該機正常工作時的打捆和包膜作業效率相匹配,如圖6所示。按照設計要求,料捆打捆尺寸為Φ1.2m×1m,則其體積為1.13m3,試驗測定壓實料捆每捆質量為750kg,青貯散料的密度約為300kg/m3。為了保證物料輸送、打捆和纏膜作用的連續性,以集料箱體積夠打1～2個草捆(以1.5個草捆的量)來設計計算,得到集料箱體積為3.75m3。考慮本機特點,根據設計要求,最終取集料箱的體積為4m3為宜。為了便于物料收集減少物料的浪費,設計集料箱為廣口結構;為了保證集料箱與后方的打捆裝置結構及尺寸匹配,設計集料箱內部寬度為B=1 200mm。

圖6 集料箱尺寸設計圖Fig.6 Dimension design diagram of aggregate bos assembly

2.2.2 底部鏈板輸送裝置

底部鏈板輸送裝置安裝在集料箱的底部、木質托板的上方,用于運輸集料倉內的青貯物料至后方的二級輸送裝置。其主要包括鏈輪、鏈條、主動軸、被動軸、刮板和鏈板等,如圖7所示。為了實現物料輸送、喂料、打捆和纏膜的設備作業匹配,本文設計鏈板式輸送裝置的輸送模式為不連續輸送。

本設計中,考慮到青貯物料的物理特性和鏈條的承載能力,設計鏈條為方框鏈,材料為鑄鋼,節距為P=65mm,鏈框寬度為70mm,厚度為7mm。此外,為了實現送料與打捆作業的效率匹配,設計、計算時應該考慮在最大喂入量時保證物料能順暢地進入到后方的打捆室內,即輸送帶輸送物料效率應該不小于打捆機的打捆效率。已知本機打捆裝置的效率要求值為大于等于30捆/h,計算可得輸送鏈線速度v≥0.19m/s。再綜合考慮物料輸送連續性、截面物料的充滿程度和能效的節約利用等方面[14],最終得到速度為v=0.23m/s。查閱相關資料,轉速一般取0.1～0.3 m/s為宜[15],滿足設計要求。

1.被動軸 2.刮板 3.鏈板 4.主動軸 5.鏈輪

2.3 打捆裝置總成

打捆裝置在設計時需充分考慮機器的適應性、通用性、簡化結構、增強喂入輸送能力、布網能力和草捆密實度的控制能力[16]。

打捆機構主要包括打捆后倉室、自動鎖緊開倉裝置、打捆鏈、固定打捆倉和開倉油缸等,如圖8所示。打捆倉為一高壓封閉空間,采用閉環鋼輥打捆系統[17],由一圈鋼輥與傳動鏈條構成。鋼輥通過鏈傳動工作,并可以通過打捆裝置上的開倉油缸、自動開倉鎖緊裝置及與之相連的傳感器實現對打捆室內圓草捆緊實度的判斷,從而實現對草捆密度的實時監控。

1.打捆后倉 2. 開倉油缸 3. 自動鎖緊開倉裝置 4.打捆鏈 5.固定打捆倉 6.連接架

工作時,物料由二級輸送裝置經固定打捆倉下方輸入到打捆倉內;粉碎后的物料將在可自由旋轉的鋼輥的摩擦作用下被慢慢擠壓,逐漸排除內部的水分和空氣,初步形成草芯;隨著后方物料的不斷喂入,草芯體積增大,壓力逐漸升高,草捆逐漸成型、密實度逐漸增加;當草捆的打捆尺寸和壓力達到預設值后,自動鎖緊開倉裝置發送信號給控制系統,控制送網裝置送網;纏網完成后,控制系統控制開倉油缸伸出,打捆后倉室打開釋放草捆;開倉釋放草捆過程中,系統檢測自動鎖緊開倉裝置狀態,控制集料倉鏈板輸送裝置停止送料;打捆后倉室完全關閉后,系統控制集料倉鏈板輸送裝置繼續送料,開始新一輪的打捆作業。

本設計的打捆裝置傳動方式采用機械和液壓相結合的傳動方式,打捆室的打捆作業由機械傳動帶動完成,打捆室的倉門開啟與閉合由液壓部分控制完成。這種兩種傳動方式相結合的方式有助于實現打捆裝置的自動化控制[18]。

由于設計要求所打草捆為圓捆,尺寸為φ1 200mm(直徑)×1 000m(寬度),因此設計打捆倉室的形狀為圓柱形,尺寸為φ1 280mm×1 120mm。本機預設生產率不小于30捆/h,按30捆/h來計算,則打好1捆草捆時間需要控制在2min內。為了實現草捆的進一步壓實,鋼輥與草捆在接觸運動時則應主要是靜摩擦力的作用。此時,鋼輥表面的線速度應該大體等于圓捆最外側的線速度,即大體等于物料喂入的最大線速度。根據文獻,一般擠壓鋼輥的線速度為0.2～0.3m/s,本文考慮喂料與打捆的作業匹配及工作狀況,結合本機自身特點,計算分析得鋼輥線速度為v=0.24m/s。

2.4 送網裝置總成

送網裝置主要由凸輪機構、驅動帶輪、張緊機構、送網機架、網架軸、送網膠輥、斷網刀和收網機構等組成,如圖9所示。

1.凸輪機構 2.驅動帶輪 3.張緊機構 4.送網機架 5.網架軸 6.送網膠輥 7. 斷網刀 8.收網機構

當打捆倉內的料捆達到一定得尺寸和壓力后,控制系統通過電機驅動凸輪機構,經連桿張緊驅動皮帶,驅動張緊帶輪和送網膠輥主動送網;送網至一定時間后,控制系統驅動凸輪機構松開驅動皮帶,送網由主動送網變為被動送網;送網結束后,控制系統驅動收網機構使網向中間收縮,同時控制凸輪機構通過連桿放下斷網刀斷網,完成纏網作業。根據設計要求,本機設計草捆的打捆寬度為1 000mm,由于纏網過程中絲網受拉力作用幅寬會變窄,因此設計時應該讓絲網兩邊適當寬出一些,使其能夠包裹在兩個端面的外緣處[19]。最終確定選用幅寬為1 200mm的絲網,現場試驗表明能夠滿足纏網的需求。

2.5 纏膜裝置總成

纏膜裝置采用雙纏臂結構,主要包括纏膜架、纏膜驅動、纏膜臂、安全桿、張緊輥組、行程開關、切膜刀、卸捆裝置等,如圖10所示。

1.纏膜架 2.纏膜臂 3.安全桿 4. 纏膜驅動 5.張緊輥組 6.纏膜安裝架

工作過程為:料捆到位后,料捆底部驅動使料捆原地滾動,纏膜臂做水平圓周運動進行纏膜,當有人或物碰撞安全桿,觸發行程開關,纏膜臂停止轉動,保證人員和設備的安全;張緊輪組起到對膜的張緊作用,使膜保持一定的拉伸度;繞至設定圈數,纏膜臂回歸初始位置,切膜裝置將膜切斷,釋放草捆,卸捆裝置回位等待下一個草捆。

根據設計要求,為了更好地完成纏膜作業任務,并盡量與前面的物料運輸、打捆作業實現較好的作業匹配,采用兩個包膜臂進行包膜,并設計每個包膜臂的轉速為30 r/min,包膜的重合率為50%,纏膜層數4～6層。經過試驗測定,包膜機構包好一個草捆用時為30s,包膜的效果較好。

2.6 電控、液壓系統的設計

1)液壓系統設計。液壓系統是本機非常重要的一部分,主要包括物料運輸液壓系統、纏膜裹包液壓系統及輔助液壓系統,如圖11所示[20]。拖拉機后 PTO 輸出動力給打捆纏膜一體機液壓站提供動力源,整機采用雙開式液壓系統,并配有獨立散熱的裝置。拖拉機后PTO 傳動軸將動力傳遞到分動箱,分動箱的一側通過一系列機械傳動,實現物料喂入、打捆、纏網等工作;在另外一側,分動箱則通過一級鏈輪傳動和二級皮帶傳動將動力傳遞給打捆纏膜一體機整機液壓動力元件。其中,該機液壓系統采用4個低速擺線馬達、6個雙作用油缸和2個單作用油缸,它們統一協作完成預定工作。

物料運輸液壓系統通過集料箱底部輸送鏈和后端部的撥料輥將設備料斗中的青貯原料輸送至打捆倉喂入傳送帶,進行輸送并喂入打捆倉。纏膜裹包液壓系統主要由齒輪定量泵、電磁控制閥組及馬達等液壓元件組成,主要完成將輸送到纏膜裹包位置的草捆進行纏膜裹包作業,并能夠根據要求調整纏膜重疊率、改變纏膜速度和纏膜圈數。液壓輔助系統作為完成本機作業過程不可缺少的輔助裝置,工作主要包括輔助完成集料箱底部鏈板輸送器的物料輸送工作,輔助完成打捆倉倉門的開閉動作、完成裹包纏膜前后定位輥的動作、膜片夾持和切斷等工作,并輔助完成落料回收系統水平和垂直鉸龍的物料運輸工作等。

1.吸油精濾器 2.恒壓柱塞變量泵 3.先導二聯閥組 4.輸、撥料馬達 5.截止閥 6.艙門油缸 7.粗濾器 8.齒輪泵 9.油冷器 10.溢流閥 C 11.壓油精濾器 12.壓力表 13.調速閥 A 14.插裝閥 15.優先閥 16.調速閥 B 17.溢流閥 D 18.手動轉閥 19.輸送回收馬達 20.纏膜驅動馬達 21.電磁換向閥 22.溢流閥 E 23.節流閥 24.液壓鎖 25.后輥油缸 26.前輥油缸 27.切膜刀油缸

2)電控系統設計。該機電控系統較為復雜,作用在整機的各個環節,作用很大,主要通過電機、電磁閥及傳感器等電器元件控制本機的物料輸送、打捆、纏網和包膜等重要環節。整機具體控制流程圖如圖12所示。

圖12 整機控制流程圖

3 試驗驗證

本項目創新性地設計了一種青飼料打捆纏膜一體機。圖13為試驗樣機的工作圖片,圖14為本機在試驗過程中完成打捆纏膜作業的圓草捆堆積圖片。

圖13 樣機工作圖

圖14 打捆纏膜后的圓草捆

3.1 試驗條件

田間性能試驗選址在山東省德州市農惠農牧專業合作社,試驗條件如表1所示。

表1 試驗條件列表

3.2 試驗方法

為驗證 9YYB12 型智能青飼料打捆纏膜一體機的可靠性及工作穩定性,以粉碎的青貯玉米秸稈為原材料,對整機的性能進行了測試。性能試驗采用固定打捆作業模式,共計打捆青貯青飼料3 500包多,約2 600 t余 ,按平均60t/hm2青貯玉米計算,折合青貯玉米40hm2。試驗過程重點對圓捆打捆尺寸、作業效率、纏膜厚度和成捆率等參數進行了測定,最終測定結果采用所有試驗結果的平均值。

3.3 試驗結果

經過多次試驗,測定整機作業效率和自動化程度較高,動力消耗少,工作穩定可靠,打捆密實度高,裹膜密封性好。此外,本機的可靠性較高,性能較為穩定,完全滿足大規模、高效率優質青貯飼料生產,試驗參數如表2所示。

表2 樣機試驗結果

4 結論

1)設計了一種打捆纏膜一體機械。通過研究收集、打捆、纏膜一體化裹包青貯技術,解決了目前國內大型圓捆裹包青貯設備短缺、現有裹包青貯設備自動化程度低、效率低和勞動強大的問題。本機的研發填補了國內此領域的技術空白,改變傳統青貯作業模式,提升了國內裹包青貯質量,降低了功率消耗,提高了工作效率。

2)通過研究集料打捆纏膜一體機智能控制技術,有效協調控制物料輸送、打捆、送網、纏膜等作業環節,實現裹包青貯自動化。通過作業傳感器的采集設備運行狀態,系統能有效地對故障進行報警、指示,并控制設備運行,保證設備和人員的安全;對作業狀態、纏網層數、纏膜層數、作業效率等進行統計,方便故障排除和作業統計。

3)打捆機對物料細碎度和含水量都有一定的要求,太碎且太干的物料不易于草捆的成型,含水率過高的飼料又會造成汁液擠出,營養流失。所以,著力提高打捆纏膜一體機的通用性成為以后研究的重點。