BCS140型割捆機(jī)切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析及油菜打捆試驗(yàn)

楊文敏，彭 智

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

油菜收獲有聯(lián)合收割機(jī)收獲和分段收獲兩種方式。由于地塊、種植模式及經(jīng)濟(jì)條件不同，當(dāng)前及今后一段較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，聯(lián)合收割機(jī)收獲和分段收獲將同時(shí)存在和發(fā)展[1]。考慮到南方冬油菜收獲期間要搶插早稻，為了解決油菜收獲和搶插早稻的季節(jié)性矛盾，筆者提出采用割捆機(jī)將臘熟期油菜切割打捆并及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)至?xí)駡?chǎng)后熟，可提前4～7天騰地以搶插早稻。因此，需設(shè)計(jì)或選用一款性能優(yōu)良的割捆機(jī)。BCS140型割捆機(jī)是意大利BCS公司的產(chǎn)品。該機(jī)具設(shè)計(jì)巧妙，制造精良，主要用于收割小麥、稻子、芝麻、薰衣草、藥草、蘆葦?shù)茸魑铩樘骄科淝懈钚阅埽疾槟芊駥⑵溆糜谂D熟期油菜的切割打捆作業(yè)，本文對(duì)該割捆機(jī)的切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析研究，并在實(shí)驗(yàn)室開展油菜稈切割打捆試驗(yàn)。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

BCS140型割捆機(jī)如圖1所示，主要由機(jī)架、行走系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、變速箱、操控機(jī)構(gòu)、座椅尾輪、割臺(tái)等組成。機(jī)架為框架結(jié)構(gòu)，支承各工作部件；行走系統(tǒng)為自走式；采用帶傳動(dòng)加多級(jí)齒輪傳動(dòng)變速，有四個(gè)前進(jìn)檔和一個(gè)反向檔；采用干式手動(dòng)控制的單圓盤摩擦離合器。

割臺(tái)布置在機(jī)具的前部，是割捆機(jī)的主要工作部件，由傳動(dòng)箱、鏈傳動(dòng)系統(tǒng)、左右集禾機(jī)構(gòu)、切割機(jī)構(gòu)、送繩機(jī)構(gòu)、捆結(jié)離合器、打結(jié)器、放捆臂等組成。鏈傳動(dòng)系統(tǒng)、送繩機(jī)構(gòu)和捆結(jié)離合器均布置在傳動(dòng)箱內(nèi)；打結(jié)器為C型打結(jié)器；切割機(jī)構(gòu)布置在割臺(tái)的右側(cè)。

經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)減速后，將動(dòng)力傳給割臺(tái)上的動(dòng)力輸入V帶輪，再分成兩路：一路經(jīng)鏈傳動(dòng)分別傳給集禾機(jī)構(gòu)、送繩機(jī)構(gòu)、捆結(jié)離合器和打結(jié)器，另一路經(jīng)切割驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞給切割器，帶動(dòng)切割器往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)切割功能。切割器為往復(fù)式切割器、標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型切割器，可選配低割型和中間型切割器。整機(jī)的主要性能參數(shù)見表1。

表1 主要性能參數(shù)

2 切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

稻麥?zhǔn)斋@機(jī)械的切割裝置分為往復(fù)式和圓盤式，其中往復(fù)式切割裝置應(yīng)用更廣。常見的切割驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有曲柄連桿式、曲柄滑塊式和擺環(huán)式。李建平等對(duì)小型收割機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[2]。陳昆昌等對(duì)全喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)的一種臥軸式曲柄連桿組合切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析[3]。李杰等對(duì)聯(lián)合收割機(jī)中的一種擺環(huán)切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析[4]。BCS140型割捆機(jī)的切割機(jī)構(gòu)不是簡(jiǎn)單的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，而是一種立軸式曲柄連桿組合機(jī)構(gòu)。如圖2所示，切割機(jī)構(gòu)由一個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)與一個(gè)正切機(jī)構(gòu)串聯(lián)而成。

以搖桿的固定鉸鏈為坐標(biāo)原點(diǎn)，以割刀往復(fù)移動(dòng)的方向?yàn)閤軸，與之垂直的為y軸，建立如圖2所示的右手坐標(biāo)系。定義各構(gòu)件的轉(zhuǎn)角零度為x軸正向，逆時(shí)針轉(zhuǎn)角為正。圖中X、Y1、Y2為機(jī)架位置常量，曲柄、連桿、搖桿的長(zhǎng)度分別用 l1、l2、l3表示，其轉(zhuǎn)角分別用 φ1、φ2、φ3。則曲柄搖桿機(jī)構(gòu)成兩個(gè)封閉的矢量環(huán)，用復(fù)數(shù)形式寫出矢量環(huán)方程為[5]：

向 x、y軸分解，得：

消掉中間變量φ2，得：

則（4）式簡(jiǎn)化為三角方程：

解得，搖桿的角位移為：

在正切機(jī)構(gòu)中，φ4=180°-φ3，則割刀的位移方程為：

對(duì)位移方程求一次導(dǎo)數(shù)得到速度方程，對(duì)速度方程再次求導(dǎo)得到加速方程，分別為：

用Matlab編程，代入數(shù)值計(jì)算得到割刀動(dòng)刀片的位移線、速度和加速線圖。切割器動(dòng)刀片的位移線如圖3所示，切割器動(dòng)刀片左右移動(dòng)的行程為53.26mm，略大于低割型切割器的節(jié)距值（51mm）。

動(dòng)刀片從開始切割到切割終止的速度是不同的[6]，可分別用（13）式、（14）式和（15）式求得平均切割速度vp、始切速度vjs和終切速度vjz：

式中：S為動(dòng)刀片行程，mm，由（10）式求得s5為53.3 mm；b為動(dòng)刀片底寬，mm，標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型切割器為76 mm；e為動(dòng)刀片頂寬，mm，標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型切割器為17 mm；b1為定刀片寬度，mm，標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型切割器為24 mm；n為曲柄轉(zhuǎn)速，r/min，由發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速及傳動(dòng)系統(tǒng)總傳動(dòng)比計(jì)算得到，取804r/min。

將各參數(shù)代入（13）式、（14）式和（15）式可得：平均切割速度vp=1.428 m/s、始切速度vjs=0.652 m/s和終切速度vjz=2.203 m/s。

3 油菜打捆試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2018年4月29日，在湖南省長(zhǎng)沙市芙蓉區(qū)韶光社區(qū)附近的油菜地里隨機(jī)選3塊1.4 m×1 m的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取10根油菜植株為樣本，測(cè)量其形態(tài)特性參數(shù)，計(jì)算取平均值。將樣本從距地表30cm處割斷，拖回實(shí)驗(yàn)室備用。該油菜品種為早熟420，測(cè)得莖桿的形態(tài)特性參數(shù)見表2。

表2 油菜植株的形態(tài)特性參數(shù)

3.2 試驗(yàn)用具

插置器（自制）、游標(biāo)卡尺（精度0.02 mm）、彈簧秤（品奧，量程 0.05～50 kg）、卷尺（3 m）、MB35 鹵素水分測(cè)定儀。

3.3 試驗(yàn)過程

（1）隨機(jī)抽取5根從田間手工收割來的臘熟期油菜莖稈，用剪刀將其剪碎，再用MB35鹵素水分測(cè)定儀測(cè)定其含水率（實(shí)驗(yàn)溫度105℃，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)間25 min）。將其余的莖稈插到插置器的圓鋼管中，以模擬田間直立的油菜植株。行距株距與田間種植密度相同，行距為40cm，株距為30 cm。所插莖稈共4行，每行長(zhǎng)6m，如圖4所示。

（2）手動(dòng)拉動(dòng)割捆機(jī)的第二級(jí)傳動(dòng)帶，手動(dòng)拉開放捆臂，使捆結(jié)離合器分離。通過送繩針將捆繩帶到打結(jié)器的夾繩盤，形成初級(jí)捆繩。啟動(dòng)割捆機(jī)，以Ⅰ檔勻速開動(dòng)割捆機(jī)，對(duì)插置器上的油菜稈進(jìn)行切割。在試驗(yàn)過程中觀察切割打捆放捆是否流暢，如圖5所示。收割完成后，檢查成捆情況，測(cè)量成捆直徑、成捆重量和留茬高度，如圖6和圖7所示。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

油菜莖稈含水率的測(cè)定結(jié)果為69.539%，含水率較高。割完插置器中的莖稈后，檢查發(fā)現(xiàn)共成捆4捆，其中1捆隨即散捆。實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)見表3。

表3 油菜莖桿的含水率

（1）在實(shí)驗(yàn)過程中，觀測(cè)到已打捆的油菜莖稈未被完全平放在地上，在放捆出口處引起了堵塞。另外，可見油菜莖稈分枝被扯斷、角果脫裂等現(xiàn)象。主要原因是油菜植株試樣較高，減去留茬高度40cm后還有約110 cm高，而割捆機(jī)框架內(nèi)可供放捆的最大縱向尺寸約為90cm。由于第一捆未完全放倒，導(dǎo)致后續(xù)成捆莖稈均堵在割捆機(jī)框架內(nèi)。

（2）從表4可見，留茬高度整齊，平均留茬高度為402.9mm。實(shí)驗(yàn)共成捆4捆，其中1捆隨即散捆，另3捆松緊合適。計(jì)算得到平均直徑為24 cm，平均每捆重量4.93 kg（見表5），捆扎高度為32cm。

表4 留茬高度/mm

表5 油菜成捆實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

（1）BCS140型割捆機(jī)設(shè)計(jì)巧妙，制造精良，主要適用于35～80 cm高度的稻麥和牧草等作物的收割打捆作業(yè)。經(jīng)運(yùn)動(dòng)分析與計(jì)算得知，該機(jī)的平均切割速度為1.428 m/s，與4LB-1.2型聯(lián)合收割機(jī)的切割速度相當(dāng)。

（2）試驗(yàn)表明：用BCS140型割捆機(jī)收割高度超過130 cm的油菜，成捆率高，成捆直徑為24 cm，成捆重量為4.93kg（含水率69.839%）。但在放捆口發(fā)生堵塞，連續(xù)放捆困難，另外可見油菜莖桿分枝被扯斷、角果脫裂等現(xiàn)象。故不宜直接采用BCS140割捆機(jī)收割油菜。

（3）BCS140型割捆機(jī)采用框架結(jié)構(gòu)，切割、集禾、送繩、打捆、放捆等動(dòng)作配合協(xié)調(diào)，其工作原理和結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)同類機(jī)具時(shí)值得借鑒。