新型牽引式雙捆秸稈撿拾壓捆機(jī)液壓壓縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張亞振，王春芳，李立輝，張秀平，陳 林

（1.河北省農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所有限公司，河北石家莊 050051；2.石家莊市中州機(jī)械制造有限公司，河北石家莊 051530）

0 引言

農(nóng)作物秸稈資源化綜合利用的重要步驟是秸稈的高效收集和離田，不論秸稈后續(xù)怎么處理，能夠快速離田、方便運(yùn)輸和保存是首先要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。近年來(lái)，秸稈打（壓）捆機(jī)發(fā)展較快，傳統(tǒng)的方捆打捆機(jī)、圓捆機(jī)在小麥、玉米秸稈和牧草收獲方面的使用快速增長(zhǎng)，代表性產(chǎn)品有華德9YFQ系列方草捆壓捆機(jī)、9YGJ系列圓捆機(jī)以及中農(nóng)機(jī)5120K圓捆打捆機(jī)等，還有很多國(guó)外品牌產(chǎn)品。其中，在東北地區(qū)，以收獲玉米秸稈為主的牽引式液壓壓捆機(jī)異軍突起，發(fā)展迅速，代表性產(chǎn)品有天朗、順邦等品牌的9YFZ系列秸稈飼料壓捆機(jī)。相較于傳統(tǒng)打捆機(jī)，牽引式液壓壓捆機(jī)的適用范圍更廣泛，更具優(yōu)勢(shì)；其技術(shù)水平更新?lián)Q代較快，已從最初的人工套袋，發(fā)展到現(xiàn)在的自動(dòng)纏網(wǎng)全自動(dòng)作業(yè)，并具備秸稈揉搓、除塵等多項(xiàng)功能。通過(guò)對(duì)牽引式液壓壓捆機(jī)的系統(tǒng)研究，我們發(fā)現(xiàn)要進(jìn)一步提高其作業(yè)效率有兩個(gè)技術(shù)方案：一是增大作業(yè)幅寬，增大草捆體積，單位時(shí)間壓縮出更大的草捆；二是提高出捆效率或增加一套壓捆系統(tǒng)，單位時(shí)間壓縮出更多的草捆。但是草捆體積增大，會(huì)導(dǎo)致搬運(yùn)不便，需要配套搬運(yùn)設(shè)備，以目前已經(jīng)形成的市場(chǎng)情況來(lái)考慮，選擇第二種技術(shù)方案，風(fēng)險(xiǎn)更低。本文重點(diǎn)研究新型牽引式雙捆秸稈撿拾壓捆機(jī)的液壓壓縮系統(tǒng)。

1 總體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

在常規(guī)牽引式液壓打捆機(jī)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)優(yōu)化壓縮系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)雙捆”同時(shí)作業(yè)。該機(jī)可連續(xù)完成撿拾秸稈，粉碎和揉搓秸稈，秸稈除塵，壓縮成捆，自動(dòng)纏網(wǎng)等多個(gè)工序。雙出料口的撿拾器和“一機(jī)雙捆”壓縮系統(tǒng)，可以同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)壓捆作業(yè)，并自動(dòng)纏網(wǎng)，互不影響，相較于傳統(tǒng)機(jī)具，擬提高效率1倍以上。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。機(jī)架的前端設(shè)置有拖拉機(jī)牽引機(jī)構(gòu)，拖拉機(jī)牽引機(jī)構(gòu)的上方設(shè)置有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；機(jī)架的前部下方設(shè)置有雙出料口撿拾粉碎機(jī)構(gòu)；機(jī)架的上方設(shè)置有2套秸稈除塵系統(tǒng)，緊隨其后為2套秸稈成捆壓縮系統(tǒng)；機(jī)架的后部設(shè)置有2套自動(dòng)纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)；壓縮系統(tǒng)和自動(dòng)纏網(wǎng)機(jī)構(gòu)連接有液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的受控端連接有電氣控制系統(tǒng)。

圖1 新型牽引式雙捆秸稈撿拾壓捆機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研，并綜合考慮企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)條件，確定雙捆機(jī)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)。如表1所示。

表1 新型牽引式雙捆秸稈撿拾壓捆機(jī)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 液壓壓縮系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

液壓壓縮系統(tǒng)是雙捆機(jī)的關(guān)鍵工作系統(tǒng)，其主要包括壓縮機(jī)構(gòu)、壓縮流程、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。

2.1 壓縮機(jī)構(gòu)和壓縮流程

雙包機(jī)的壓縮機(jī)構(gòu)包括左壓縮機(jī)構(gòu)和右壓縮機(jī)構(gòu)，左右壓縮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)相同，且左右對(duì)稱。圖2所示為左壓縮機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)示意，包括喂入口、壓縮腔、前油缸、定位油缸、上油缸、出包油缸和出料口等關(guān)鍵部件。

圖2 左壓縮機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)示意

壓縮流程：秸稈粉料通過(guò)除塵系統(tǒng)后從喂入口進(jìn)入壓縮腔，壓縮腔下方的稱重傳感器檢測(cè)壓縮腔中秸稈達(dá)到設(shè)定重量后，首先由前油缸攜帶出包油缸把秸稈推送至到上油缸的下方，然后定位油缸將前油缸的活塞鎖定，上油缸再對(duì)秸稈向下壓縮，最后出包油缸將壓縮后的秸稈推向出料口，同時(shí)完成纏網(wǎng)。各個(gè)油缸的退回順序按上述各油缸伸出次序的倒序進(jìn)行，待前油缸退回到原點(diǎn)位置時(shí)，至此完成一個(gè)循環(huán)。等壓縮腔中秸稈再次達(dá)到設(shè)定的重量后，再進(jìn)行一下個(gè)循環(huán)。

2.2 液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)是雙捆機(jī)工作效率高低的決定因素，更是秸稈成捆后緊實(shí)度是否合格的決定因素。液壓壓縮系統(tǒng)中包含的液壓部件是整機(jī)液壓系統(tǒng)中的重要部分，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的聯(lián)通性，無(wú)法單獨(dú)分析壓縮系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)。故此本文在分析液壓系統(tǒng)時(shí)，將從整機(jī)液壓系統(tǒng)入手，重點(diǎn)分析壓縮系統(tǒng)的液壓部件。液壓系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)秸稈壓縮系統(tǒng)工作之外，還為除塵系統(tǒng)、自動(dòng)纏網(wǎng)裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。液壓系統(tǒng)主要包括：液壓油箱、液壓管路、液壓接口、液壓泵動(dòng)力分配傳動(dòng)箱、左泵組、右泵組、前油缸、上油缸、出包油缸、除塵馬達(dá)、纏網(wǎng)馬達(dá)、割網(wǎng)油缸和電磁閥組，其中電磁閥組包括：前油缸電磁閥、上油缸電磁閥、出包油缸電磁閥、除塵馬達(dá)電磁閥、纏網(wǎng)馬達(dá)電磁閥和割網(wǎng)油缸電磁閥等。左泵組和右泵組的動(dòng)力輸入端均連接主傳動(dòng)變速箱的輸出端，左右泵組連接的液壓管路是結(jié)構(gòu)相同、左右對(duì)稱。根據(jù)雙捆機(jī)的壓縮順序與工作要求，單側(cè)液壓系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 單側(cè)液壓系統(tǒng)原理圖

控制系統(tǒng)由稱重傳感器、儀表、料位傳感器、電磁閥、行程開關(guān)、PLC、觸摸屏等構(gòu)成。主要用于檢測(cè)和控制液壓壓縮流程。系統(tǒng)配備24 V專用電源，兩塊觸摸屏。駕駛室主控屏及機(jī)后分控觸摸屏各一個(gè)，可單獨(dú)操作。行程開關(guān)或接近開關(guān)為數(shù)字量I/O信號(hào)，料位傳感器采用數(shù)字量輸出信號(hào)。

3 液壓壓縮系統(tǒng)主要參數(shù)及元件設(shè)計(jì)選型

3.1 最大負(fù)載力計(jì)算

雙捆機(jī)在壓縮秸稈時(shí)，進(jìn)入壓縮腔內(nèi)的草料秸稈在受壓時(shí)其變化趨勢(shì)分3個(gè)階段，即松散階段（p=0～0.08 MPa）、過(guò)渡階段（p=0.08～0.2 MPa）和壓緊階段（p＞0.2 MPa）[1]。

O'Dogherty在研究秸稈和牧草等纖維物質(zhì)成型過(guò)程時(shí)，總結(jié)出秸稈和牧草壓縮密度最大條件即最佳成型條件：壓縮應(yīng)力是12～31 MPa；含水率（濕基）是10%～20%。并指出當(dāng)含水率大于25%時(shí)較難成型[2]。

由于草料秸稈本身固有特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，其所反映的壓縮及流變特性不盡相同，其整個(gè)過(guò)程可視為高壓壓縮成型試驗(yàn)，采用O'Dogherty所建立的有關(guān)高壓壓縮成型條件下，密度與壓力的關(guān)系式[3-4]：

式中，P為壓縮所需壓力；

γ為物料壓縮密度；

γ0為物料初始密度；

α、β為相應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)。

對(duì)式（1）中兩邊同時(shí)進(jìn)行積分可得：

式（2）表明，壓力是關(guān)于初始密度 0γ和壓縮比的函數(shù)，初始密度和壓縮比越大，則所需的壓力就越大，其中α的大小主要和物料本身的含水率與粒度有關(guān)。物料含水率越大，經(jīng)過(guò)初粉后粒度越大，則物料的體積模量也就越大，物料壓縮性能也就越好。試驗(yàn)參數(shù)β的大小主要與物料的種類以及壓縮過(guò)程中所使用的的模具的大小有關(guān)。

故在雙捆機(jī)草料秸稈壓縮試驗(yàn)中，對(duì)各個(gè)試驗(yàn)因素分層分析，采用單元素輪換法進(jìn)行秸稈壓縮試驗(yàn)，最終得出：在草捆成品尺寸為800×500×350 mm，草捆密度≥130 kg/m3，含水率為13%，物料粒度為5～10 cm時(shí)，壓縮力模型方程中試驗(yàn)參數(shù)α、β的數(shù)值，其中α=5.4241，β=17.325[5]。由式（2）可計(jì)算出壓縮過(guò)程中秸稈壓縮應(yīng)力范圍在18 MPa左右，出包油缸所需最大壓力約為45.78 t。

3.2 液壓缸參數(shù)確定

在雙捆機(jī)液壓系統(tǒng)中對(duì)物料起到壓縮作用的液壓油缸有前油缸、上油缸和出包油缸，下面對(duì)這三組液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)選型，由活塞直徑計(jì)算公式：

式中，D為活塞直徑（或?yàn)楦淄矁?nèi)徑，mm）；

F為液壓缸推力（N）；

η為液壓缸機(jī)械效率，取0.93；

P1為進(jìn)油路初選壓力，取18 MPa；

P2為油路背壓，簡(jiǎn)單系統(tǒng)取0.3 MPa；

Φ為桿徑比，取0.707。

由式（3）可計(jì)算出液壓缸無(wú)桿腔直徑，計(jì)算結(jié)果按照GB/T2348-1993圓整后，可得液壓缸相關(guān)參數(shù)，考慮到具體行程要求，參照GB/T321-2005行程第一系列，選擇相應(yīng)液壓缸行程，并確定液壓缸型號(hào)，具體參數(shù)如表2所示。

表2 液壓缸參數(shù)

3.3 液壓泵的參數(shù)計(jì)算及選型

在雙捆機(jī)出包壓縮的過(guò)程中，秸稈壓緊階段所需的工作壓力是松散階段和過(guò)渡階段的數(shù)倍，故最大壓縮力由上油缸提供，設(shè)液壓缸直徑為D；活塞推桿直徑為d，液壓缸充液面積為A；動(dòng)作行程為L(zhǎng)；動(dòng)作時(shí)間為t；由上面可知最大負(fù)載力為45.78 t，則上油缸在快進(jìn)快退過(guò)程中所需的流量和最大壓力計(jì)算如下：

上油缸（伸出）：D=0.18 m，d=0.125 m，L=0.8 m，t=15 s，安裝方式為缸筒固定，活塞桿移動(dòng)，豎直安裝形式。

上油缸（退回）：L=0.8 m，t=8 s，其他參數(shù)不變。

上油缸和出包油缸的計(jì)算和上式相似，故分別計(jì)算出上油缸伸出速度為0.1 m/s，流量為147.19 L/min，退回時(shí)速度為0.2 m/s，流量為141.77 L/min；出包油缸伸出速度為0.053 m/s，流量為162.74 L/min，退回時(shí)速度為0.1 m/s，流量為158.04 L/min。

液壓泵的最大工作壓力應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，PP為泵的最大工作壓力；

P1為該液壓缸工作最大壓力（取上油缸壓力18 MPa）；

∑ΔP為工作過(guò)程中沿途壓力損失，參照《液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)》沿程壓力損失表，該系統(tǒng)屬于簡(jiǎn)單液壓系統(tǒng)，故選∑ΔP=0.25 MPa[8]。

由公式（4）計(jì)算出泵最大工作壓力為：

液壓泵的最大流量取決于系統(tǒng)所需流量VQ，流量公式為：

式中，VQ為系統(tǒng)所需流量；

K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，參照《液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)》其經(jīng)驗(yàn)值應(yīng)為1.1-1.3，該系統(tǒng)屬于大流量系統(tǒng)，取1.15；

本系統(tǒng)中，所有液壓缸處于先后工作狀態(tài)，其工作過(guò)程互不干擾，由公式（5）計(jì)算出泵最大流量為）：

考慮到樣機(jī)的工作特點(diǎn)與特性，所以選用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕且轉(zhuǎn)速高、自吸性能好，工況穩(wěn)定可靠的雙聯(lián)齒輪泵，根據(jù)上述計(jì)算，齒輪油泵額定壓力需要大于18.25 MPa，泵體供油量需要大于187.15 L/min，故選擇型號(hào)為R1-100/100BT11C24H6L的雙聯(lián)齒輪泵，額定壓力24 MPa，總排量為200 L/min。

4 試驗(yàn)與檢測(cè)

4.1 試驗(yàn)條件

2022年8月份，在石家莊市趙縣趙州鎮(zhèn)常家莊村玉米田進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)田總面積1.333 hm2。配套動(dòng)力為東方紅LX-2204拖拉機(jī)提供，雙捆機(jī)液壓油采用L-HM46眾杰牌抗磨液壓油，油液中固體顆粒污染不高于NAS10級(jí)。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在試驗(yàn)過(guò)程中，雙捆機(jī)的液壓壓縮系統(tǒng)工作穩(wěn)定，液壓系統(tǒng)主要性能指標(biāo)及作業(yè)效果檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 雙捆機(jī)液壓系統(tǒng)主要性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，基本確定了雙捆機(jī)液壓壓縮系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和主要液壓元件的參數(shù)。當(dāng)含水率為13%，物料粒度為5～10 cm時(shí)，壓縮過(guò)程中液壓系統(tǒng)壓強(qiáng)最高約為18 MPA，最大流量約為187.15 L/min，選用HSG125/90和HSG180/125兩種液壓缸作為主油缸，選用R1-100/100BT11C24H6L的雙聯(lián)齒輪泵，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。草捆密度能夠達(dá)到163 kg/m3，作業(yè)效約130包/h。相對(duì)于現(xiàn)有的牽引式液壓壓捆機(jī)，新型牽引式雙捆秸稈撿拾壓捆機(jī)能夠提高工作效率。