秸稈草捆灌裝機設計與試驗

何 勛,宋玉璽,呂嚴柳,王德福,,王萬章,張志剛

(1.河南農業大學 機電工程學院,鄭州 450002;2.河南省纖維飼料產地加工裝備工程技術研究中心,河南 臨潁 462600)

0 引言

我國推進農作物秸稈資源化利用,關鍵途徑主要集中在飼料化、肥料化、原料化、基料化和能源化等方面[1-3]。秸稈還田肥料化利用能夠達到蓄水保墑、增加地表積溫及土壤肥力的目的,但帶病秸稈未經高溫發酵,易導致病蟲害蔓延,影響出苗率和作物產量[4-8];秸稈飼料化利用時,受到秸稈量大、分散且體積蓬松、收集窗口期等條件制約。近年來,將秸稈添加生物菌劑打捆、裹包發酵制成飼料,以及將秸稈添加沼液等打捆、裹包或通過堆漚發酵制成肥料,為節約運輸成本、穩定農業生態平衡、推動農業綠色健康發展提供了新的思路[9-10]。

吸收歐美發達國家牧草貯存技術[11-12],我國早期開發了袋式灌裝青貯技術,將青貯飼料或經切碎、噴施添加劑的秸稈經高壓灌裝機裝入塑料拉伸膜制成的青貯袋中密封保存,以獲得優質粗飼料。隨后,單包袋裝青貯[13]、秸稈-糞污微貯[14-16]、智流膜生物發酵[17]等類似灌裝技術與裝備也相繼出現,但受到配套設備成本高或工藝流程復雜的影響,并未大面積推廣。為促進秸稈肥料化或飼料化應用,本文基于秸稈田間打捆快速收獲技術,考慮不同草捆的適用性、工作效率、轉場作業等因素,設計了可移動的袋式草捆灌裝機,將噴施添加劑的秸稈草捆灌裝,放在田間地頭或閑置地塊進行發酵,為提高秸稈綜合利用率提供裝備與技術支持。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

草捆灌裝機主要由推送機構、撐袋機構、機架傾斜角度調節機構、傳動部分和液壓系統組成,如圖1所示。草捆灌裝機的主要技術參數,如表1所示。

表1 草捆灌裝機技術參數Table 1 Technical parameters of bale filling machine

1.后輪 2.機架傾斜液壓缸 3.撐袋機構 4.龍門架 5.推送架 6.液壓馬達 7.掛接桿 8.機架 9.前輪圖1 草捆灌裝機結構圖Fig.1 Structure of Bale filling machine

1.2 工作原理

草捆灌裝機整機動力由燃油發動機提供,將動力傳輸至液壓泵,再經電磁換向閥、手動換向閥分別向液壓馬達、撐袋液壓缸、機架傾斜液壓缸、前輪轉向液壓缸供油,使其動作。灌裝作業前,根據灌裝后的草捆鋪放方向及長度,調整好機器的前進方向,將灌裝袋套在撐袋機構上,調整撐袋液壓缸的伸出長度到適當位置,使草捆能順利推進袋中;操縱控制機架傾斜液壓缸的手動換向閥,調整后輪底盤與地面間的距離,完成機器的準備工作。作業時,將第1個草捆放在推送平臺上見[見圖2(a)],觸動平臺上的行程開關,控制液壓馬達旋轉的三位四通電磁換向閥電磁鐵1YA得電,使液壓馬達持續旋轉,從而帶動推送架工作;推送草捆向后方移動,直到推送架觸碰到設置在龍門架一端的行程開關,使電磁換向閥回到中位,做短暫停留后電磁鐵2YA得電,液壓馬達反向供油,帶動推送架回到初始位置,觸碰到前端的行程開關,電磁換向閥回到中位,馬達停止轉動,完成一個灌裝作業循環,見圖2(b)所示;灌裝的草捆落入灌裝袋中間接觸地面后,在后續草捆推送下,接觸地面的草捆形成與草捆推送推力相反的作用力,使草捆灌裝機克服車輪滾動阻力相對于草捆灌裝移動方向反向運動,如圖2(c)所示;在完成最后一個作業循環后,由于推送架的運動行程限制,最后草捆仍未完全離開灌裝機平臺,此時需要在推送架上安裝可拆卸推桿,增加推送長度,使得草捆完全進入灌裝袋中,完成連續灌裝作業,如圖2(d)所示。

2 主要部件設計與結構參數

2.1 推送機構

推送機構三維模型主要由推送架、推送平臺、可拆卸推桿及傳動裝置組成,如圖3(a)所示。其中,推送架距推送平臺垂直高度h1=385mm,整機車架寬d1=2520mm,推送平臺寬度d2=1670mm,推送架寬度d3=1520mm,如圖3(b)、(c)所示。傳動鏈條使用12A單排滾子鏈,推送鏈輪齒數Z1=18,傳動鏈輪齒數分別為Z2=40和Z3=13。當草捆放在推送平臺上之后,液壓馬達將動力通過鏈條傳遞到灌裝機前端的轉動軸,安裝在轉動軸的推送鏈輪轉動,從而帶動與推送鏈條相連的推送架動作。

1.可拆卸推桿 2.推送架 3.推送鏈輪 4.推送平臺 5.轉動軸 6.傳動鏈輪 7.液壓馬達圖3 推送機構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the push mechanism

1)推送行程確定。根據國內市場打捆機的草捆尺寸參數,設定灌裝的圓草捆最大長度為1400mm,方草捆截面尺寸(高×寬)為360×420/460/480mm,長度調節范圍均為0.5 ～1.2m(堆放兩層兩列)[18]。考慮推送平臺上留有一定草捆放置裕量,確定推送平臺長度L1=2500mm。其中,推送架推送行程L2=1520 mm,可拆卸推桿長度L3=1000 mm,如圖3(b)所示。

2)草捆對灌裝機推板的反作用力F的確定。推送機構不僅能推動平臺上的草捆運動,且要提供推送草捆的反作用力F使灌裝機向前移動。由此可知,灌裝機車輪所受的力有草捆與灌裝平臺之間的摩擦力f2和f3、車輪的滾動阻力f5、草捆與灌裝機的一個反向推動力F。對整個過程進行受力分析,如圖4所示。

注:Ⅰ區為觸地草捆,Ⅱ區為完成推送尚未離開機器接觸地面草捆,Ⅲ區為灌裝機平臺上放置的草捆;F1為Ⅱ區草捆對Ⅰ區草捆推送力(N);G1為Ⅰ區草捆重力(N);N1為Ⅰ區草捆所受地面支持力(N);f1為Ⅰ區草捆所受地面摩擦力(N);F2為Ⅲ區草捆對Ⅱ區草捆推送力(N);G2為Ⅱ區草捆重力(N);N2為Ⅱ區草捆所受灌裝機支持力(N);f2為Ⅱ區草捆所受灌裝機摩擦力(N);F3為Ⅰ區草捆對Ⅱ區草捆的阻力(N);F4為Ⅲ區草捆受推板推送力(N);G3為Ⅲ區草捆重力(N);N3為Ⅲ區草捆受灌裝機支持力(N);f3為Ⅲ區草捆受灌裝機摩擦力(N);F5為Ⅱ區草捆對Ⅲ區草捆的反作用力(N)。圖4 推送過程受力分析圖Fig.4 Force analysis diagram of the push process

草捆灌裝作業初始階段,主要完成第1草捆在作業平臺上的推送工作。推送過程中,推送的第1草捆主要受到推送架推送力F4、草捆與平臺間的摩擦力f3,灌裝機保持靜止;隨著新放入草捆的推送,第1草捆繼續向后移動,當放上第n捆時,灌裝的草捆與地面接觸一定程度,推送架繼續推送(觸地草捆與地面間的摩擦阻力f1大于地面對灌裝機車輪的滾動阻力f5和平臺上草捆與平臺間的摩擦力f2、f3的合力時,Ⅰ區草捆和Ⅱ區草捆看作固定于地面的一個整體),此時平臺上的草捆處于由Ⅲ區位置到Ⅱ區位置移動的過程中,且已與上一草捆接觸,平臺上草捆受推板推送力F4和Ⅱ區草捆的反作用力F3而擠壓,壓縮達到一定程度后隨著推送機構繼續向后推送草捆,已完成灌裝的觸地草捆相對于地面靜止,而灌裝機在草捆對推送機構的反作用力F下相對于作業平臺上的草捆向前移動,移動過程是勻速運動或加速度很小的加速運動。

在持續灌裝階段,作業平臺Ⅲ區持續放入草捆,推送其接觸至Ⅱ區位置草捆,該草捆進入推送擠壓變形階段;隨著推送機構繼續向后推送草捆,已完成灌裝的Ⅰ區觸地草捆相對于地面靜止,而灌裝機在草捆對推送機構的反作用力F下相對于作業平臺上的草捆向前移動,灌裝好的草捆達到筒狀鋪放的效果。

草捆灌裝機移動時,前后車輪都受到灌裝機重力G4、車架上草捆整體重力G5與車輪滾動阻力f5的作用,且后輪姿態調整后所承受的整體重力相比前輪更大。

草捆灌裝機在灌裝行進過程中,不考慮空氣阻力、坡度阻力、加速阻力,則

Fcosα≥f5+f4cosα

(1)

f5=fr(G4+G5)

(2)

f4=μG5cosα

(3)

式中F—草捆對灌裝機推板的反作用力(N);

f4—平臺上草捆對灌裝機的摩擦力(N);

f5—灌裝機作業前進過程中的滾動阻力(N);

G4—灌裝機重力(N);

G5—Ⅱ區草捆和Ⅲ區草捆的重力(N);

N4—地面支持力(N);

α—機架傾斜角,即灌裝機作業時車架與水平地面的夾角(°);

fr—滾動阻力系數,取fr=0.1[19];

μ—玉米秸稈與金屬的滑動摩擦因數,取μ=0.47[20]。

灌裝機質量由SolidWorks2017賦予材質測定質量為1320kg,按圓草捆尺寸Φ1300×1400mm設計,圓草捆質量m由于打捆時秸稈含水率不同,結合有關標準和試驗測試數據[21],取m最大值為400kg、g=9.8m/s2、α=0°,則F最大值為5762.4N。為此,考慮液壓馬達機械效率,選用BM1-100型擺線馬達,額定扭矩158N·m,最大扭矩176N·m。根據設計選用液壓馬達型號和性能參數,計算可知草捆推送速度≤0.189m/s。

2.2 撐袋機構設計

袋口調節裝置撐袋機構主要由正多邊形龍門架和設置在上面的袋口調節裝置組成。袋口調節裝置由液壓缸和組合套筒構成,組合套筒由內、外套筒組成;袋口調節裝置分上、中、下3對,并左右對稱固定在龍門架上,如圖5所示。

1.上袋口調節裝置 2.中袋口調節裝置 3.下袋口調節裝置 4.撐瓦 5.內套筒 6.外套筒 7.液壓油缸圖5 撐袋機構圖Fig.5 Diagram of bag holding mechanism

液壓缸無桿腔耳環銷接固定于外套筒,活塞桿用耳環與內套筒連接,內套筒一端設置有撐瓦用于掛接灌裝袋口;通過液壓缸活塞桿往復動作,調節內套筒沿外套筒伸出的長短,根據草捆外形尺寸調節灌裝袋口直徑大小。

不同類型草捆需要不同規格的灌裝袋,按需要使用相應的袋口調節裝置。以推送平臺上平面為水平基準,距水平基準上方650mm處的中垂線上,繪制與水平基準線相切Φ1300mm的草捆輪廓線。考慮草捆灌裝過程中草捆外緣需與灌裝袋口留有余量,設計灌裝袋口輪廓為Φ1600mm的圓,其圓心與直徑為Φ1300mm圓草捆的圓心重合。在此基礎上,確定龍門架為內切圓直徑Φ2000mm的正八邊形輪廓,其內切圓圓心與Φ1300mm圓草捆圓心重合。為降低重心并防止推送過程中散捆,根據方草捆外形尺寸確定方草捆長度方向調節范圍為0.5～1.2m。灌裝時可放置兩層兩列草捆,其灌裝袋口與草捆留有間隔150mm,只需調節使用中、下兩組袋口調節裝置,即可滿足方草捆灌裝作業要求。根據不同類型草捆灌裝袋口尺寸設計參數,確定灌裝袋的袋口周長在3000～5000mm范圍內。針對不同類型草捆,撐袋機構液壓缸工作行程如表2所示。

表2 撐袋機構調節參數Table 2 Adjusting parameters of bag holding mechanism

參照有關文獻,草捆灌裝作業使用的灌裝袋材料要有一定的物理機械性能,包括拉伸強度、耐撕裂強度和耐穿刺性[22]。在此取縱向撕裂強度約34MPa、橫向撕裂強度約33MPa、縱向撕裂強度約16N、橫向撕裂強度約22N,由此確定袋口調節裝置液壓缸的負載為30N、工作壓力為1MPa。同時,并進行缸徑、桿徑等參數的設計計算,確定撐袋液壓缸內徑為50mm,桿徑為30mm。

2.3 機架傾斜角度調節機構

機架傾斜角度調節機構可調整草捆灌裝時機架姿態,使裝進袋子的草捆逐漸平緩落地,以減少灌裝袋的破損[23]。由設置在后輪架與機架上的機架傾斜液壓缸調節,如圖6所示。

草捆灌裝機在轉場過程中,機架呈水平狀態,工作時呈傾斜狀態。其傾斜液壓缸狀態如圖6(a)所示。機架傾斜機構角度調節如圖6(b)所示。其中,A點為前輪軸心點,B點和C點分別為后輪架、傾斜液壓缸在機架上的鉸接點,D點為傾斜液壓缸與后輪架鉸接點,F點為液壓缸伸出、機架呈水平狀態時后輪軸心所處位置。此時,機架與地面距離為i1,機架與后輪架BF的夾角γ1。由于灌裝需要,工作時傾斜液壓缸CD閉合為C1D1,后輪架與車架鉸接點B下落至B1,后輪軸心點移至F1;此時,鉸接點B1和地面距離為i2,機架與后輪架B1F1的夾角γ2,后輪架隨液壓缸調節,其繞B點轉動角為β。上述角度參數之間的關系為

γ1=90°+β1

(4)

γ2=90°+α+β2

(5)

β=γ2-γ1=α+β2-β1

(6)

草捆灌裝機機架的離地間隙主要由前輪決定。根據農業機具通過性,考慮灌裝機作業高度和穩定性,后輪端盡可能的離地更近,使草捆平緩落地而減少灌裝袋的破損。因此,草捆灌裝機在作業過程中機架的傾斜角度不宜過大,前輪離地間隙不宜過高。為此,前輪選配4.00-8型輪胎,其輪軸中心距地面高度r1=190mm;后輪選用7.00-9型輪胎,輪胎半徑為r2=280mm。袋口調節裝置寬度l=150mm,考慮安裝在龍門架上的下袋口調節裝置干涉,采用圖解法[24]確定傾斜液壓缸的安裝位置參數、行程,如圖6(a)所示。由此可得,傾斜液壓缸缸體鉸接點與車輪架鉸接點的豎直距離a=630mm,車輪架鉸接點與桿吊耳鉸接點水平距離b=332.5mm,輪胎中心距車架鉸接點距離c=682.5mm,傾斜液壓缸根據完全伸出至閉合可使車輪架轉動角度β取值范圍0～32°,液壓缸的閉合安裝距為530mm。

在后輪傾斜液壓缸完全閉合狀態下,為便于灌裝袋下部套在機架上,機架傾斜后的最低位置應有一定的離地間隙。根據前輪轉動軸心與地面距離r1、車架水平與地面距離i1、A點與B點的水平距離L4,利用圖解法可得機架傾斜角α調節范圍為0°～8.02°。

3 草捆灌裝作業試驗

3.1 試驗材料與設備

試驗用草捆灌裝機樣機選配航天巴山170F型汽油發動機,額定轉速2500r/min。試驗用草捆為臨潁縣潁機機械制造有限公司銷售的9YQ-0.9A型圓捆機、9YQ-2.3型圓捆機、9YQ-2.3A型圓捆機生產的含水率為20%、成型密度≥115kg/m3的玉米秸稈草捆;灌裝袋選用安陽達邦塑業生產的農業用聚乙烯吹塑薄膜,厚度0.14mm,袋口周長4000mm,袋長15000mm。其他試驗儀器和設備包括秒表、米尺、秸稈水分測量儀、機械磅秤、數顯傾角儀、電子秤、激光測速儀以及5ZC-1004型抓草機等。

3.2 試驗方法及評價指標

1)試驗設計。草捆灌裝機設計時,機架傾斜角在0°～8.02°范圍可調,草捆推送速度在0.0～0.189m/s范圍內可調,撐袋機構可根據草捆尺寸調整灌裝袋口大小(即草捆質量隨草捆尺寸發生變化)。為此,需進一步明確機架傾斜角度、草捆推送速度及不同草捆尺寸對灌裝作業的影響,從而選取機架傾斜角、草捆推送速度、草捆質量為試驗因素,以生產率、噸草油耗、灌裝袋破損率作為草捆灌裝機作業效果的評價指標[25-26]。考慮草捆抓取和機器轉運時間,在試驗因素取值范圍內,采用Box-Behnken試驗設計方法進行響應面試驗, 10個草捆為1組試驗,每組重復3次。試驗因素及水平如表3所示。

表3 試驗因素水平編碼表Table 3 Codes of experimental factors and levels

2)評價指標。在草捆連續放置并穩定推送條件下,在同一條灌裝袋內灌裝10個草捆所需的時間,取平均值,則生產率為

(7)

式中C—生產率(t/h);

∑Q10—10個草捆的總質量(t);

T10—從第1個草捆放在作業平臺上開始到第10個草捆裝入袋口且推送架返回到起始位置所需的時間(h)。

在無故障的條件下,采用試驗前后稱重方法測定耗油量,即試驗前、后將油箱加滿,記錄試驗后加入油箱后油的質量,則噸草油耗為

(8)

式中Gy—噸草耗油(kg/t);

Ghy—試驗時間內耗油量(kg);

Qst—試驗時間內灌裝作業量(t)。

因灌裝袋為筒狀,根據灌裝袋的袋口直徑和長度,計算灌裝袋的使用表面積,之后測得灌裝作業后灌裝袋破損的孔洞面積,則

(9)

式中YP—灌裝袋破損率(%);

SP—灌裝袋破損孔洞總面積(m2);

S0—灌裝袋子總表面積(m2)。

3.3 試驗結果與分析

草捆灌裝試驗結果如表4所示。利用Design-Expert8.0.6軟件對試驗結果進行回歸分析和響應面分析,建立各評價指標的回歸模型,并預測最佳的試驗因素參數組合。

通過對建立的多元二次回歸模型符合度分析可知:模型P值都小于0.01,且決定系數R2都接近于1。在試驗因素水平編碼范圍內,以生產率最大值、噸草耗油最小值、灌裝袋破損率最小值為優化目標,利用Design-expert8.0.6軟件得到試驗因素參數的最優組合為機架傾斜角3.26°、草捆推送速度0.15m/s、草捆質量107.6kg,此時生產率最大值為22.19t/h、噸草耗油最小值為0.213kg/t、灌裝袋破損率最小值為0.225%。

3.4 驗證試驗

選用草捆尺寸為Φ1000mm×1250mm小麥秸稈草捆,根據最優參數組合方案進行驗證試驗,如圖7所示。在草捆質量為107.6kg、草捆推送速度為0.15m/s、機架傾斜角α=3.26°條件下,根據評價指標測試方法進行測試,并通過回歸方程對評價指標進行預測。結果表明:生產率、噸草耗油、灌裝袋破損率與預測值之間的相對誤差分別為0.542%、0.166%和1.286%,說明各評價指標的回歸模型及最優參數組合方案是可靠的。

4 結論

1)設計的可移動的袋式草捆灌裝機由推送機構、撐袋機構、傳動系統和液壓系統等部分組成,可適應多規格尺寸草捆的灌裝,實現草捆自動推送和連續灌裝作業。灌裝作業時,通過調整龍門架上的撐袋液壓缸工作行程和機架傾斜角度,使裝入袋口的不同類型秸稈草捆平緩落地,減少灌裝袋破損。

2)樣機試驗結果表明:當機架傾斜角為3.26°、草捆推送速度為0.15m/s、草捆質量為107.6kg時,生產率最大值為22.19t/h,噸草耗油最小值為0.213kg/t,灌裝袋破損率最小值為0.225%。