圓捆式殘膜打包機纏網裝置的設計與試驗

摘要：為解決現有殘膜打包機打出的膜包在運輸過程中易于膨脹松散、散捆的問題，設計一種與其相配套的圓捆式纏網裝置。闡述該纏網裝置的基本結構與工作原理，通過對網繩的受力與運動分析，確定關鍵部件的結構參數。結合纏網裝置的結構特點，以打包輥轉速、網繩纏繞圈數與網繩初始預緊力為試驗因素，以膜包抗摔率和膜包體積穩定系數為評價指標，開展三因素三水平正交試驗研究。試驗結果表明：對膜包抗摔率的貢獻率從大到小依次為網繩纏繞圈數、網繩初始預緊力、打包輥轉速；對膜包體積穩定系數貢獻率從大到小依次為網繩纏繞圈數、網繩初始預緊力、打包輥轉速；在保證膜包體積穩定的情況下，最大限度提升膜包抗摔率，確定纏網裝置的最優工作參數組合：打包輥轉速為270r/min、網繩纏繞圈數為6圈、網繩初始預緊力為50N。田間試驗表明，纏網裝置作業性能穩定，能夠滿足設計和作業要求。為殘膜打包機纏網裝置的設計提供參考。

關鍵詞：圓捆式殘膜打包機；纏網裝置；網繩；抗摔率；體積穩定系數

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0020-10

Design and test of winding device for round bale residual film baler

Zhou Jinbao^{1， 2}， Xie Jianhua¹， Zhao Weisong^{1， 3}， Zhang Yi^{1， 2}， Cao Silin^{1， 4}， Yue Yong¹

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China;

2. Xinjiang Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment， Urumqi， 830052， China;

3. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China；

4. Mechanical Equipment Research Institute， Xinjiang Academy of Land Reclamation Sciences， Shihezi， 832000， China）

Abstract：

In order to solve the problem that the film bales made by the existing film baler are easy to swell and loosen， or even fall apart during transportation， a round bale type net wrapping device is designed. The basic structure and working principle of the net-wrapping device are described， and the structural parameters of the key components are determined through the analysis of the force and movement of the net rope. Combined with the structural characteristics of the net wrapping device， a three-factor， three-level orthogonal test was carried out with the baling roller speed， the number of wrapping turns of the net rope and the initial preload force of the net rope as the test factors， and the bale drop resistance rate and the bale volume stability coefficient as the evaluation indexes. The test results show that the contribution rate to the bale drop resistance is the number of turns of net rope winding， the initial preload force of net rope and the speed of baling roller in descending order， the contribution rate to the bale volume stability factor is the number of turns of net rope winding， the initial preload force of net rope and the speed of baling roller in descending order. Under the condition of ensuring the stability of bale volume and maximizing the bale drop resistance， the optimal combination of working parameters of the net winding device is determined as follows： the baling roller speed is 270 r/min， the number of wrapping turns of net rope is 6， and the initial preload of net rope is 50 N. The field test shows that the operational performance of the net wrapping device is stable and can meet the design and operational requirements. The research results can provide a reference for the design of the web wrapping device of the residual film balers.

Keywords：

round bale residual film baler； netting device; rope; anti-fall rate; volume stability coefficient

0"引言

我國殘膜污染問題突出，在殘膜回收過程中采用殘膜打包技術對殘膜進行壓縮打捆處理，是治理田間殘膜污染，提高殘膜資源二次利用的有效手段^［1］。

圓捆式殘膜打包裝置，具有結構簡單、維修方便、配套動力小等優點，因此，其多與殘膜撿拾機構配套使用，被廣泛應用在新疆地區^［2］。郭笑歡等^［3］研制了全膜雙壟溝廢膜撿拾打捆機；張海春等^［4］在4JLM-1800（A）型殘膜回收機的基礎上加裝鋼輥式殘膜打包裝置，研制成的棉田殘膜回收打包一體機；這些典型的殘膜打包機械有良好的作業效果與工作性能，但所打包壓縮成型的膜包普遍存在易于膨脹松散、在搬運輸送過程中容易出現散捆等問題，不利于殘膜膜包的運輸、存儲以及二次利用^{［5， 6］}。近年來，國內外學者對秸稈纏網技術進行了大量研究。其中，國外的研究主要集中在作業效果、干草捆打捆機的纏網損失和提高自動化水平等方面^［7-9］；國內的研究主要集中在對控制系統的設計、優化以及與執行機構的適配方面^［10］。但是國內外對輥軸式殘膜打包機纏網技術的相關研究報道較少，主要的研究方向是膜面清雜與高效成捆方面^［11］。因此，開展殘膜打包機纏網技術的研究，設計膜包纏網裝置，進一步降低殘膜膜包松散、散捆風險，是提高圓輥式殘膜打包機工作可靠性的關鍵。

針對現有殘膜打包機存在的問題，在已研制的圓捆式殘膜打包機基礎上，借鑒已有秸稈纏網技術，通過選擇機構的型式綜合、尺寸綜合與結構形狀，采用數字化、機構獨立化等設計理念，設計一種殘膜膜包纏網裝置，確定主要機構及參數，并對纏網裝置進行田間性能試驗。

1"整機結構與工作原理

1.1"整機結構

利用已有的輥軸式殘膜撿拾打包機進行纏網裝置的試驗研究。該殘膜撿拾打包機主要由牽引架、限深輥、變速箱、撿拾裝置、螺旋輸送器、殘膜打包裝置以及纏網裝置組成，其中打包裝置的成捆室形狀為圓柱形，尺寸為Φ1200mm×1200mm，整機結構如圖1所示。

纏網裝置主要由切網復位總成、上導網夾輥、下導網夾輥、電機控制系統、導網輥、放網機構與網繩卷、切網執行總成組成，其中切網執行總成包括割刀觸發機構與割刀執行機構。下導網夾輥一端與電機控制系統相連接，另一端與切網執行總成中的驅動部件相連。纏網裝置結構示意如圖2所示。

1.2"工作原理

纏網裝置工作時，位于打包裝置側板上的霍爾式開關傳感器對殘膜膜包的密度進行檢測，霍爾式開關傳感器初始狀態下其檢測端前方側板上裝有磁鐵塊，傳感器能夠檢測到電磁信號，隨著殘膜膜包密度的增大，傳感器檢測端與磁鐵塊間的距離增大，當膜包密度符合纏網要求時，傳感器檢測不到此信號，此時傳感器將此信息反饋至電機控制系統，電機控制系統警示燈閃爍、蜂鳴器發聲，提示駕駛員進行纏網作業。駕駛員選定網繩纏繞圈數，按動電機控制系統開關，電機控制系統根據打包輥轉速傳感器返回的信息，結合纏繞圈數信息，依據設定程序確定電機工作轉速，在電機的帶動下，上、下導網夾輥轉動將網繩喂入成捆室中，且下導網夾輥將動力傳至切網執行總成使其開始工作，其內割刀觸發機構運行一段時間后，觸發割刀執行機構作業將網繩割斷。上述放網作業完成后，當殘膜膜包被排出時，成捆室后艙蓋掀起，帶動切網復位總成對切網執行總成進行復位，至此纏網裝置完成殘膜膜包纏網作業，并復位至初始狀態。

2"主要部件設計

2.1"切網執行總成

切網執行總成是實現膜包纏網的關鍵部件，其主要結構包括割刀觸發機構和割刀執行機構，其中，割刀觸發機構是由“搖桿+連桿+偏心輪”組成的曲柄搖桿機構、內接式棘輪機構、卡鉤、凸輪盤、旋轉軸、卡鉤預緊拉簧所構成的，割刀執行機構則是由割刀、割刀控制輪、輔助板與割刀拉簧組成。切網執行總成結構如圖3（a）所示，平面機構運動圖如圖3（b）所示。搖桿一端與內接式棘輪裝置外殼相連，另一端與連桿鉸接在一起；內接式棘輪裝置與凸輪盤均安裝在旋轉軸上；切網執行總成在初始狀態下，卡鉤與割刀控制輪在卡鉤預緊拉簧、割刀拉簧的作用下實現接觸配合。

切網執行總成工作，偏心輪帶動曲柄搖桿機構進行往復運動，在搖桿的上下擺動作用下內接式棘輪裝置做順時針間隙運動，從而帶動旋轉軸旋轉從而使得凸輪盤轉動，凸輪盤旋轉將卡鉤與割刀控制輪的接觸配合打斷，此時割刀拉簧工作拉拽割刀控制輪逆時針轉動，進一步帶動割刀逆時針轉動并與輔助板配合將網繩割斷，完成網繩的切割作業。

2.1.1"割刀觸發機構

對割刀觸發機構中的關鍵部件進行設計與分析?；诟畹队|發機構的作業機理可知，割刀觸發機構運轉的穩定性直接影響纏網作業的效果，故結合其安裝位置，設計了一種無急回特性的曲柄搖桿機構，其結構簡圖如圖4所示。AB為曲柄，繞點A勻速轉動，AD為機架，CD為虛擬搖桿（在點D處安裝有內接式棘輪裝置，搖桿與該棘輪裝置相連），CH為實際搖桿，BC為連桿，各桿件鉸接在一起。

根據無急回特性曲柄搖桿機構特性可得^{［12， 13］}

sinρ2=ac

bc=ac²+dc²－1（1）

式中：

a——曲柄長度，mm；

b——連桿長度，mm；

c——虛擬搖桿長度，mm；

d——機架長度，mm；

ρ——搖桿擺角，（°）。

為了使該機構在工作中有較好的工作效果并且保證結構強度與輕量化，確定虛擬搖桿長度c=150mm，搖桿擺角ρ=40°。由式（1）取整計算可得曲柄長度a=50mm。

在曲柄搖桿機構中，傳動角γ用來衡量機構的傳力性能，許用傳動角［γ］一般為40°～50°^［14］，而最小傳動角要大于許用傳動角［γ］才能發揮機器的傳動性能。γ值越大，傳力性能越好。令z=d/c，結合式（1）可得最小傳動角隨桿比變化情況關系如式（2）所示^［15］。

γmin=arccoszsin²ρ2z²－cos²ρ2

（2）

將相關參數代入式（2）可得，當z=2時機構有較好的傳動性能和較為合適的結構尺寸，代入式（1）中，可確立a=50mm，b=260mm，c=150mm，d=300mm，考慮內接式棘輪裝置安裝在點D處，且其外殼與搖桿相連接，根據機構的工作要求，設計其外殼直徑為70mm，因此，與內接式棘輪裝置連接的搖桿長度為CH=115mm。

內接式棘輪裝置齒數的設計需滿足棘輪的最小轉動角大于等于棘輪的齒距角，根據內接式棘輪的布置情況，結合搖桿擺動角度ρ=40°，查閱《機械工程師手冊》^［16］，選定棘輪轉動角等于齒距角（20°），內盤直徑為40mm，其主要尺寸如圖5所示。

2.1.2"割刀執行機構

割刀執行機構主要由割刀、輔助板、割刀控制輪與割刀拉簧組成，割刀作為切割網繩的關鍵零件，其采用開刃的橫刀作為割刀，并且焊接在割刀安裝軸上；輔助板作為輔助切割網繩的零件，考慮到其所受的沖擊與磨損問題，選用輔助板材料為硬質橡膠板。割刀執行機構進行網繩切割作業時，割刀拉簧拉拽割刀控制盤使與其相連接的割刀產生旋轉的沖擊力，在此沖擊力的作用下，割刀與輔助板之間的網繩被割斷。由此可知，割刀拉簧的結構參數是保證割刀割斷網繩的關鍵。割刀執行機構的結構簡圖如圖6（a）所示，割刀的結構簡圖如圖6（b）所示。

基于其工作原理可知，割刀拉簧的預緊力提供了割刀轉動的勢能，割刀拉簧預緊力

Fl=kx

（3）

式中：

k——彈性系數；

x——彈簧伸長量，m。

割刀拉簧作業產生的彈性勢能

E₁=12kx²

（4）

根據能量守恒定理，可得到割刀的旋轉動能與割刀拉簧作業產生的動能之間關系為

E₂≈E₁

（5）

式中：

E2——割刀轉動時獲得的初始旋轉動能，J。

割刀下落與網繩接接觸碰撞時會對網繩產生一定的沖擊，沖擊力計算如式（6）所示。

Fs=E₂S

S=2πr′σ360

（6）

式中：

Fs——割刀與網繩接觸時的沖擊力，N；

σ——割刀完成網繩切割需轉動的角度，（°）；

r′——割刀轉動半徑，取r′=70mm；

S——割刀轉動的位移，m。

根據整體空間結構，確定轉動角度σ=30°，割刀拉簧的伸長量為x=20mm。本裝置使用的網繩抗剪切力約為60N，故當沖擊力Fs≥60N時就能將網繩割斷。將相關參數代入式（4）和式（6）中，計算出拉簧需滿足的最小預緊力Fl=185N。查閱《機械設計手冊》^［16］，根據上述分析，選取拉簧的參數為：拉簧材料選用碳素彈簧鋼絲SL型，鋼絲標準直徑為4mm，拉簧中徑為18mm，拉簧有效圈數為26圈，拉簧長度為118.4mm。

2.2"切網復位總成

切網復位總成是實現纏網裝置連續作業的關鍵部件，其主要由弧形盤、連接桿、旋轉軸、弧形盤安裝軸和連接板組成，該總成結構示意圖如圖7所示。其中，旋轉板上存在安裝孔，安裝孔到旋轉軸中心的距離就是曲柄長度；連接桿一端安裝在安裝孔上，另一端安裝在弧形盤的導軌滑道中；弧形盤安裝軸一端安裝有弧形盤，另一端安裝有割刀驅動盤。

打包室后艙蓋掀起，切網復位總成開始運動，與打包室后艙蓋安裝在一起的連接板繞旋轉軸逆時針旋轉，進一步帶動連接桿推動弧形盤逆時針轉動，從而使得弧形盤安裝軸以及固定在其上的割刀驅動盤逆時針轉動復位，完成切網執行總成的復位功能。

根據切網復位總成的安裝位置以及需實現的功能，設計一種雙搖桿機構，建立結構簡圖如圖8所示。其中，A′、B′、C′、D′為曲線導軌式雙搖桿機構連接點；a′為曲柄，即安裝孔到旋轉軸中心點的距離，mm；b′為連接桿長度，mm；c′為虛擬搖桿長度，mm；d′為機架，即旋轉軸中心位置至弧形盤安裝軸中心位置的距離，mm；h為機架在水平方向上的投影，mm；i為機架在豎直方向上的投影，mm；ψ為初始狀態下，曲柄與水平方向的夾角，（°）。

切網復位總成在初始狀態下，點D′、C1′、B1′在一條直線上，可以得到各桿長之間的關系如式（7）所示。

b′+c′=h+a′cosψ

ψ=arcsinia′

d′=i²+h²

（7）

基于切網復位總成布置特點，建立其結構分析圖如圖9所示。其中ζ1為曲柄角位移，rad；ζ2為搖桿角位移，rad；E′為搖桿在豎直方向的投影與連桿在水平方向上的投影之間的交點；F′為桿C′D′在豎直方向的投影與切網復位總成初始狀態下位置投影的交點。

基于幾何關系可以得到C′E′的長度

C′E′=csinζ₂+asinψ－asin（ζ₁+ψ）

（8）

B′E ′的長度

B′E′=b′+c′+a′cos（ζ₁+ψ）－a′cosψ－c′cosζ₂

（9）

基于勾股定理可得

（b′）²=（C′E′）²+（B′E′）²

（10）

根據打包室后倉升起時繞轉點所旋轉的角度，結合各機構的實際安裝位置，可得ζ1變化范圍為0°～60°，取曲柄長度a′為100mm，機架在水平方向與豎直方向的投影分別為h=400mm，i=50mm，將相關參數代入式（7）中可得，ψ=30°，b′+c′=490mm。

根據機構的運動特點可知，割刀控制輪與卡鉤脫離接觸配合，并相對于接觸配合位置向下旋轉的角度約為35°，切網復位總成中的虛擬搖桿變化角度能夠達到35°以上時就能夠實現裝置的復位，因此取ζ2=45°，ζ1=60°，將相關參數代入式（7）～式（10）中，取整計算可得，曲柄a′=100mm，連桿b′=280mm，搖桿c′=210mm，機架d′=400mm。

2.3"放網機構

網繩纏繞殘膜膜包時需要將網繩拉緊纏繞，這樣能夠有效地對殘膜膜包進行包裹，掛網機構可為網繩提供有效的拉緊力，使其達到理想的拉緊情況。掛網機構結構示意圖如圖10所示。

該機構主要由左放網軸、連接件、網繩卷、圓臺管套、鎖緊件、預緊螺母、右放網軸、網繩卷預緊彈簧組成，網繩卷套在圓臺管套上，并通過鎖緊件、網繩卷預緊彈簧和預緊螺母安裝在放網軸上，網繩的松緊程度通過預緊螺母調節。

對纏網過程網繩的運動情況進行分析，建立動力學分析示意圖如圖11所示。其中，ω₁表示纏網角速度，R_e表示纏網軸半徑，R_s表示最大回轉半徑。

依據質點動系動量矩定理，網繩系統的運動微分方程

MT-Mf=Jd²θdt²

（11）

式中：

MT——纏網力矩，N·m；

J——纏網總轉動慣量，kg·m²；

θ——網繩卷轉動角度，rad；

t——網繩卷轉動時間，s。

其中網繩的力矩為網繩的拉力和回轉半徑的乘積，即

MT=FT·Rk

（12）

式中：

FT——繩子的拉力，N；

Rk——纏網任意時刻的回轉半徑，m。

為滿足網繩卷在不同時期下可正常工作，最大纏網力矩應小于網繩在最大回轉半徑時的最大拉斷力矩，且從整個纏網系統中力的守恒角度分析，可知所受到的最大摩擦力矩近似等于網繩在最大回轉半徑時的最大拉斷力矩。

MTmax=FT·Rslt;Msmax=Mf

（13）

式中：

MTmax——最大纏網力矩，N·m；

Mf——最大摩擦力矩，N·m；

Msmax——

網繩在最大回轉半徑時的最大斷裂力矩，N·m；

Rs——纏網的最大回轉半徑，m。

選用網繩的最大斷裂力為300N，從結構上可知，最大回轉半徑Rs為50mm，將參數代入式（13）中可得纏網作業中網繩能夠承受的最大摩擦力矩為15N·m。

當進行放網作業時，圓臺管套與網繩卷總成克服與鎖緊件、連接件以及對放網軸的摩擦阻力進行轉動，總摩擦力矩為鎖緊件、圓臺管套以及網繩卷三者之間的摩擦力矩之和。鎖緊件與外側圓臺套及內側圓臺套與連接件之間的摩擦力矩分析如圖12所示。

在摩擦轉動過程中，由于網繩卷外圈的圓周速度大于內圈，導致外圈的磨損較大，緊密程度和壓強小于內側，也因此又使內側磨損較大，往復自動調整，故基本符合“p·λ=常數”規律^［17］，可得

Fk=∫^RxrxpdS=∫^Rxrx2πpλdλ=2πpλ（Rx-rx）

（14）

式中：

Fk——預緊力，N；

p——單位面積上的預緊力，N；

S——摩擦接觸面積，m²；

λ——接觸面半徑，m；

Rx——鎖緊件的外徑，m；

rx——鎖緊件的內徑，m。

右側圓臺管套與鎖緊件之間的摩擦力矩為

Mf1

=2πf₁pλ∫^Rxrxρdλ=2πpλ∫^Rxrxdλ

=πf₁pλ（Rx²-rx²）（15）

式中：

Mf1——

圓臺管套與鎖緊件之間的摩擦力矩，N·m；

f1——

鎖緊件與右側圓臺管套之間的摩擦系數。

經化簡整理可得

Mf1=12f₁F（Rx+rx）

（16）

同理可得左側圓臺管套與連接件之間的摩擦力矩為

Mf2=12f₂F（Rx+rx）

（17）

式中：

Mf2——

左側圓臺套與連接件之間的摩擦力矩，N·m；

f2——圓臺管套與連接件之間的摩擦系數。

左、右放網軸承受圓臺管套與網繩卷整體的動態質量，由此可得摩擦力矩計算如式（18）所示。

Mf3=mgf₃rx

（18）

式中：

Mf3——

圓臺套與放網軸之間的摩擦力矩，N·m；

f3——當量摩擦系數。

查閱相關文獻［18，19］并結合放網機構的結構特點可知，對有較大間隙的轉動，當量摩擦系數f3取最小值，故經綜合考慮本文取f₃=f₂=0.4，f₁=0.2。結合上述分析可得，總的摩擦力矩為

Mf=Mf1+Mf2+Mf3

（19）

式（17）～式（19）中，Rx=43mm，rx=21mm，總的質量經測量約為10.15kg，將相關參數代入式中，可以得到最大預緊力為737.7N，由此可知，當預緊力小于737.7N時，在放網過程中網繩是不會斷裂的。

2.4"網繩包裹膜包時的受力分析

殘膜膜包的成型是在很多的殘膜片體與打包輥的相互卷壓力作用下完成的，其在成捆室內成型后，存在應力松弛現象、內松外緊的特點?；跉埬つぐ奶攸c可知，網繩對膜包的包裹緊實程度主要與殘膜膜包膨脹變形力、殘膜膜包自身旋轉而產生的離心力有關^［20］。忽略殘膜膜包不同位置處網繩對殘膜膜包包裹力的差異，假定網繩對殘膜膜包各位置處的包裹力大小相等，建立包裹力與膨脹力、離心力間的關系表達式

Fq=Fw+Fe=Fw+mωe²re（20）

式中：

Fq——網繩對殘膜膜包的包裹力，N；

Fw——殘膜膜包的變形恢復力，N；

Fe——殘膜膜包的離心力，N；

M——殘膜質量，kg；

ωe——殘膜膜包的角速度，rad/s；

re——殘膜膜包的半徑，m。

殘膜膜包的成型依賴于打包輥的摩擦導送作用，因此，結合課題組前期預試驗可知殘膜膜包的邊緣線速度近似等于打包輥線速度，二者的線速度計算如式（21）和式（22）所示。

Ve=πn₁re30

（21）

Vw=πn₂rw30

（22）

式中：

Ve——殘膜膜包邊緣線速度，m/s；

Vw——打包輥邊緣線速度，m/s；

n1——殘膜膜包轉速，r/min；

n2——打包輥轉速，r/min；

rw——打包輥半徑，m。

由式（21）和式（22）可以推導出殘膜膜包轉速與打包輥轉速的關系如式（23）所示。

n₁=n₂rwre

（23）

通過上述分析可以知道，影響網繩包裹力的主要因素為殘膜膜包的膨脹恢復力和打包輥轉速。結合其他學者的研究成果可知，殘膜膜包膨脹恢復力，在膜包密度、體積一定的情況下，其膨脹恢復力的大小接近為固定值，因此，打包輥轉速是影響網繩包裹力的重要因素。

2.5"網繩將膜包包裹后的受力分析

殘膜膜包的形成過程是在殘膜與打包輥的相互卷壓力作用下，殘膜體積減小、密度增加的成型過程。殘膜膜包在打包室中成型后，存在應力松弛現象，經應力松弛后在膜包內部殘留部分平衡應力，殘膜膜包離開打包室后，平衡應力轉化為使其產生膨脹變形的變形恢復力，并直接作用在網繩上，建立網繩的受力圖如圖13所示。

網繩均勻地包裹在殘膜膜包上，殘膜膜包提供的變形恢復力均勻的作用在網繩上，所以，在任一徑向截面上，網繩作用有相同的法向拉力FT。對模型進行合理簡化，對半網繩環的受力情況進行分析如圖14所示。

研究半網繩環的平衡，半環上的沿Y方向的合力FR計算如式（24）所示。

FR=∫π₀pRbRkR2dφ′sinφ′dφ′

=pRbRkR2∫π₀sinφ′dφ′=pRbRkR（24）

式中：

bR——網繩寬度，m；

kR——殘膜膜包半徑，m；

pR——網繩承受的壓力，N；

φ′——每弧段對應的角度大小，（°）。

由對稱關系可知，圖中兩側拉力FR相等，故由平衡方程可得

∑Fy=0

F′R=FR2=pRbRkR2（25）

由于網繩的厚度比殘膜膜包半徑小得多，可以近似地認為徑向截面的正應力分布均勻，因此可得每圈網繩徑向截面的正應力為

σ′=F′RA′R=pRbRkR2bRnkδ′=pRkR2nkδ′（26）

式中：

σ1——徑向截面的正應力，N；

A′R——橫截面積，m²；

nk——網繩纏繞圈數;

δ′——網繩厚度，mm。

若使得網繩能夠有效抑制殘膜膜包的變形復位，需滿足以下條件

Fu≥σ₁=F′RA′R=PRkR2nkδ′

（27）

式中：

Fu——網繩的拉斷應力，N。

綜上可知，網繩的斷裂與網繩纏繞圈數、網繩的拉斷應力以及其所受的壓力有關。因此，為提高網繩的包裹效果、降低殘膜膜包散捆風險，在纏網裝置使用中需選用合理的網繩材料，并纏繞適當的圈數。

3"田間試驗

3.1"試驗條件

在石河子大學試驗場開展田間試驗，田間作物為棉花，地膜厚度為0.01mm，鋪膜周期為兩個季度，試驗地面積為60hm²，打稈集條機具作業后，田間秸稈留茬高度低于120mm。纏網裝置安裝在輥軸式殘膜打包機上，工作時由科爾704B拖拉機提供動力。試驗儀器有圓盤電子天平、電子秤、卷尺、樣品袋和標簽紙等。

3.2"試驗因素

根據實際生產經驗，結合前文對網繩纏繞機理的分析可知，通過選用不同的網繩初始預緊力，調節纏網圈數、打包輥轉速等方式能夠有效抑制殘膜膜包回彈，降低膜包散包風險。根據纏網裝置的工作原理，選取打包輥轉速、網繩纏繞圈數、網繩初始預緊力作為試驗因素。

1） 打包輥轉速。查閱相關文獻［21］，并結合本機具的結構特點，設置打包輥轉速為240r/min、270r/min、300r/min。打包輥轉速的控制依靠拖拉機發動機轉速實現，每組試驗前需利用轉速表測試轉速達到穩定值后，再進行田間試驗，并且在試驗中保持發動機轉速恒定。

2） 網繩纏繞圈數。網繩纏繞圈數一般為2～10圈^［22］，根據本裝置的結構特點，結合課題組前期預試驗結果選取網繩纏繞圈數為5圈、6圈、7圈。網繩纏繞圈數的調節是依靠電機控制系統控制電機的工作速度來實現網繩圈數的控制。

3） 網繩初始預緊力。網繩初始預緊力的大小影響殘膜膜包的規則程度以及抗摔情況，初始預緊力過大則在后續搬運過程中網繩易發生斷裂；初始預緊力過小則對提高膜包的抗摔性影響較小。因此，根據前期預試驗結果，選取網繩初始預緊力為25N、50N、75N。通過觀察壓力傳感器的數值，根據數值對預緊螺母進行調整，實現對預緊力的選取。

試驗因素水平表如表1所示。

3.3"試驗指標

依照纏網裝置預期實現的設計功能，結合國家行業標準GB/T 25423—2010《方草捆打捆機》^［23］、圓捆式殘膜膜包抗摔率以及膜包體積穩定系數的測定方法進行性能試驗^［24］。選取膜包抗摔率與膜包體積穩定系數為試驗指標，同時觀察纏網裝置的工作運轉情況及整機穩定性。

在試驗獲得的殘膜膜包舉起高度800mm左右進行自由落體，重復3次，統計摔散的圓捆數，根據式（28）計算得到殘膜膜包抗摔率。

Y₁=Ic-IsIc×100%

（28）

式中：

Y1——膜包抗摔率，%；

Ic——被測殘膜膜包數，個；

Is——累計摔散殘膜膜包數，個。

膜包體積穩定系數是纏網裝置性能的重要指標之一，該指標可根據成型體積與殘膜膜包放置48h后的體積之差與成型體積之間的比值來衡量，其中放置48h后的膜包體積是通過從膜包的左端面起沿軸向每隔200mm測量殘膜膜包的周長，至膜包的右端面，共計7組周長，每組周長測量5次并取平均值，最后對7組直徑取平均值確定膜包的平均直徑，并計算靜置48h后的膜包體積。膜包體積穩定系數計算如式（29）所示。

Y₂=1－Ve-VsVs×100%

（29）

式中：

Y2——膜包體積穩定系數，%；

Vs——殘膜壓縮后的體積，m³；

Ve——殘膜膜包放置48h后的體積，m³。

3.4"試驗方案與結果分析

通過正交試驗探尋在不同作業參數組合下膜包抗摔率、膜包體積穩定系數的變化情況，設計正交試驗表L₉（3⁴），共進行9組試驗，每組試驗3次，數據選取平均值，根據式（28）和式（29）計算殘膜包成捆率和殘膜包含雜率，正交試驗方案與結果如表2所示，其中A、B、C為因素編碼值。

由表2可知，膜包抗摔率的范圍為91.6%～93.1%，膜包體積穩定系數范圍為74.0%～81.8%，各因素對膜包抗摔率影響的主次順序為B、C、A，較優水平為A2B2C2，即打包輥轉速為270r/min，網繩纏繞圈數為6圈，網繩初始預緊力為50N；各因素對膜包體積穩定系數影響的主次順序為B、C、A，較優水平組合為A2B2C3，即打包輥轉速為270r/min，網繩纏繞圈數為6圈，網繩初始預緊力為75N。

為評價各試驗因素對指標的顯著性影響程度，對上述試驗結果進行方差分析，結果如表3所示。

由方差分析可知，網繩纏繞圈數是影響纏網裝置性能的極顯著因素，這是因為殘膜膜包所產生的變形恢復力直接作用在網繩上，但隨著網繩圈數的增加能有效增大斷裂力和拉伸位移，防止網繩斷裂。同時可有效減小單根網繩的拉伸應力，使網繩的拉伸位移減小，從而減小殘膜膜包的回彈，提高殘膜膜包的抗摔率以及殘膜膜包的穩定系數，但纏網圈數過多，不僅會導致網繩的消耗增多增加成本，還會使得網繩對殘膜膜包提供更多的擠壓力。在受力平衡的影響下，網繩承受的殘膜膜包提供的恢復力也會增大，反而會增加網繩斷裂的風險；反之網繩纏繞圈數過少時，其承受力的情況變差，容易出現網繩斷裂、殘膜膜包松散的問題。

網繩初始預緊力是影響纏網裝置性能的顯著因素，這是因為網繩以一定的張緊力纏繞時，其能夠與殘膜膜包緊密貼合，將殘膜膜包牢牢包裹，但網繩初始預緊力越大，網繩所能夠伸長的變形量就越小，此時會影響殘膜膜包的抗摔性與體積穩定性；當網繩初始預緊力較小時，殘膜膜包上纏網的緊實度不足，影響纏網裝置的工作性能。

打包輥轉速對殘膜膜包的抗摔性有顯著的影響，但對膜包的體積穩定系數影響不顯著。隨著打包輥轉速的變化會使得網繩對殘膜膜包的包裹力發生變化，基于力的相互作用原理，殘膜膜包對網繩的反作用力也隨之變化，因為殘膜膜包在進行抗摔性測試時，其會受到較大的沖擊力，此時若是殘膜膜包對網繩的反作用力越大，則殘膜膜包的抗摔性越差；但殘膜膜包對網繩的反作用力越小時，則說明網繩對殘膜膜包的包裹緊實程度不好，也存在散包的風險。打包輥轉速對殘膜膜包體積穩定系數的影響不顯著，是因為在不受到較大沖擊力時，網繩以一定張緊力對殘膜膜包纏繞了多圈，就已經能夠很好地抵消殘膜膜包的膨脹變形，此時打包輥的運動只是起到輔助纏網的功能，所以其對殘膜膜包體積穩定系數的影響不顯著。

在生產實踐中，殘膜膜包在運輸過程中會經常處于運動、停止、摔打的狀態，所以殘膜膜包的抗摔性是影響殘膜打包工作性能的主要指標，綜合考慮可知影響纏網裝置性能的主次因素是B、C、A，取較優水平為A2B2C2。

3.5"田間試驗驗證

通過前文分析選取較優參數組合：打包輥轉速為270r/min、網繩纏繞圈數為6圈、網繩初始預緊力為50N，利用該較優參數組合進行重復試驗驗證，試驗結果如表4所示。

由表4可知，取較優水平進行試驗后，殘膜膜包抗摔率為95.6%，膜包體積穩定系數為80.5%，前期試驗的平均結果殘膜膜包抗摔率為92.0%，膜包體積穩定系數為78.1%，與前期試驗相比殘膜膜包抗摔率提高3.1%，膜包體積穩定系數提高4.3%，較優參數組合相對合理，且各項指標均達到膜包纏網裝置的相關要求，有效解決地膜運輸、存儲、二次利用的難題。

4"結論

1） 設計適用于輥軸式殘膜打包裝置的纏網裝置，基于纏網裝置工作機理，分析纏網裝置中各工作部件，確定切網執行總成、切網復位總成與放網機構等關鍵部件的結構參數。分析網繩不同工作狀態下的受力情況，確定影響纏網裝置工作性能的主要因素。

2） 制作纏網裝置，以打包輥轉速、網繩纏繞圈數、網繩初始預緊力為影響因素，以膜包抗摔率和膜包體積穩定系數為指標，進行田間試驗。試驗結果表明，膜包抗摔率優水平的作業參數：打包輥轉速為270r/min、網繩纏繞圈數為6圈、網繩初始預緊力為50N；膜包體積穩定系數優水平作業參數：打包輥轉速為270r/min、網繩纏繞圈數為6圈、網繩初始預緊力為75N。

3） 以膜包抗摔率作為纏網裝置的主要響應指標，選取打包輥轉速為270r/min、網繩纏繞圈數為6圈、網繩初始預緊力為50N的較優作業參數組合進行田間驗證試驗。試驗結果表明：平均膜包抗摔率為95.6%，平均殘膜膜包體積穩定系數為80.5%，所設計的纏網裝置性能可靠，滿足作業要求。

參"考"文"獻

［1］ 王征， 王吉奎， 唐永飛， 等. 帶式殘膜揉搓打包機設計與試驗［J］. 農業工程學報， 2020， 36（19）： 11-18.

Wang Zheng， Wang Jikui， Tang Yongfei， et al. Design and test of the belt-type residual film rubbing and baling machine ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2020， 36（19）： 11-18.

［2］ 華榮江， 唐遵峰， 葉紅艷， 等. 國內外圓捆機械研究與發展趨勢［J］. 中國農機化學報， 2012（3）： 23-26.

Hua Rongjiang， Tang Zunfeng， Ye Yanhong， et al. Research and development tendency about baler in domestic and overseas ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2012（3）： 23-26.

［3］ 郭笑歡， 戴飛， 趙武云， 等. 全膜雙壟溝廢膜撿拾打捆機的設計［J］. 中國農機化學報， 2016， 37（9）： 32-36， 55.

Guo Xiaohuan， Dai Fei， Zhao Wuyun， et al. Design of the whole double furrow film picking baler machine ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2016， 37（9）： 32-36， 55.

［4］ 張海春， 張麗， 蔣永新， 等. 棉田地膜回收打捆機關鍵參數設計及試驗研究［J］. 中國農機化學報， 2017， 38（5）： 28-31.

Zhang Haichun， Zhang Li， Jiang Yongxin， et al. Design and experimental study on key parameters of plastic filmrecycling and bundling machine used in cotton field ［J］. Journal of Chinese Agricultural mechanization， 2017， 38（5）： 28-31.

［5］ Tang Z， Zhang B， Liu X， et al. Structural model and bundling capacity of crawler picking and baling machine for straw wasted in field ［J］. Computers and Electronics in Agriculture， 2020， 175： 105622.

［6］ 王學農， 劉杰， 劉旋峰， 等. 無芯卷膜式殘膜打包裝置設計與試驗［J］. 農業工程學報， 2022， 38（5）： 28-35.

Wang Xuenong， Liu Jie， Liu Xuanfeng， et al. Design and test of a coreless-roll packing device for residual film ［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2022， 38（5）： 28-35.

［7］ Borreani G， Bisaglia C， Tabacco E. Effects of a new-concept wrapping system on alfalfa round-bale silage ［J］. Transactions of the ASABE， 2007， 50（3）： 781-787.

［8］ Taylor R K， Blasi D A， Shroyer J P. Storage losses in net-wrapped， large， round bales of alfalfa hay ［J］. Applied Engineering in Agriculture， 1994， 10（3）： 317-320.

［9］ Shinners K J， Huenink B M， Muck R E， et al. Storage characteristics of large round and square alfalfa bales： Dry hay ［J］. Transactions of the ASABE， 2009， 52（2）： 409-418.

［10］ 叢宏斌， 李汝莘， 韓新月， 等. 青貯玉米收獲機打捆裝置自動控制系統設計［J］. 農業機械學報， 2009， 40（11）： 42-45， 54.

Cong Hongbin，Li Ruxin， Han Xinyue， et al. Design of automatic control system on baling apparatus for ensilage maize combine ［J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2009， 40（11）： 42-45， 54.

［11］ 李東， 趙武云， 辛尚龍， 等. 膜面清潔打捆自卸式殘膜回收機的設計［J］. 中國農業大學學報， 2020， 25（11）： 117-125.

Li Dong， Zhao Wuyun， Xin Shanglong， et al. Design of self unloading film recycling machine for film surface cleaning and bundling ［J］. Journal of China Agricultural University， 2020， 25（11）： 117-125.

［12］ 宗望遠， 黃木昌， 肖洋軼， 等. 板栗收獲拍打式落果裝置設計與試驗［J］. 農業工程學報， 2021， 37（18）： 1-10.

Zong Wangyuan， Huang Muchang， Xiao Yangyi， et al. Design and experiment of fruit-beating dropping device for chestnut harvesters ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2021， 37（18）： 1-10.

［13］ 劉志剛， 王德成， 翟改霞， 等. 往復式雙動刀灌木收割機設計與試驗［J］. 農業機械學報， 2013， 44（S2）： 102-106.

Liu Zhigang， Wang Decheng， Zhai Gaixia， et al. Design and experiment on reciprocating double knife shrub harvester ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2013， 44（S2）： 102-106..

［14］ 馮立艷， 關鐵成， 田姍姍， 等. 傳力性能最佳的有急回曲柄搖桿機構的設計［J］. 機械設計與制造， 2018（6）： 66-69.

Feng Liyan， Guan Tiecheng， Tian Shanshan， et al. Design of quick-return crank-rocker mechanism with optimum transmission performance ［J］. Machinery Design amp; Manufacture， 2018（6）： 66-69.

［15］ 蘇有良. 無急回特性曲柄搖桿機構的優化設計［J］. 長春師范大學學報， 2014， 33（4）： 24-27.

Su Youliang. The optimized design of crank rocker mechanism without the quick-returning characteristic ［J］. Journal of Changchun Normal University （Natural Science）， 2014， 33（4）： 24-27.

［16］ 機械工程師手冊編委會. 機械工程師手冊（第2版）［M］. 北京： 機械工業出版社， 2008.

［17］ 張策. 機械原理與機械設計［M］. 北京： 機械工業出版社， 2018.

［18］ 崔濤， 史智棟， 楊麗， 等. 彈簧預緊力可調式振動深松機設計與試驗［J］. 農業機械學報， 2016， 47（S1）： 96-102.

Cui Tao， Shi Zhidong， Yang Li， et al. Design and experiment of vibration subsoiler with adjustable spring pre-tightening force ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2016， 47（S1）：96-102.

［19］ 郭仁生. 機械設計基礎［M］. 北京： 清華大學出版社， 2006.

［20］ 張全超. 圓捆機捆繩機構的設計與試驗研究［D］. 哈爾濱： 東北農業大學， 2016.

Zhang Quanchao. Design and experimental research of the rope-wingding mechanism for round balers ［D］. Harbin： Northeast Agricultural University， 2016.

［21］ 張學軍， 黃爽， 史增錄， 等. 殘膜撿拾打包機的設計與試驗［J］.吉林大學學報（工學版）， 2023， 53（4）： 1220-1230.

Zhang Xuejun， Huang Shuang， Shi Zenglu， et al. Design and test of the remaining film picking and Baling machine ［J］.Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2023， 53（4）： 1220-1230.

［22］ 蔣延金. 自走式秸稈收獲壓捆機纏網裝置的設計與試驗研究［D］. 秦皇島： 河北科技師范學院， 2022.

Jiang Yanjin. Design and experimental study on the wrapping net device of self-propelled straw harvester baler ［D］.Qinhuangdao：Hebei Normal University of Science amp; Technology， 2022.

［23］ GB/T 25423—2010， 方草捆打捆機［S］.

［24］ 陳天佑. 玉米秸稈壓縮流變特性及壓捆關鍵技術研究［D］. 長春： 吉林大學， 2021.

Chen Tianyou. Research on rheological properties of corn stalk compression and key technology of baling ［D］. Changchu： Jilin University， 2021.