可視化繩打結裝置試驗系統研究

摘要：針對打結器國產化研究過程中缺乏試驗設備支撐打結器打結過程研究、打結器性能測試及可靠性試驗等問題，設計可視化繩打結裝置試驗系統。結合方草捆打捆機繩打捆機構的結構和工作原理，開展成結機械系統、控制系統、數據采集處理系統的設計及關鍵部件的選型，搭建該試驗系統。對試驗系統進行運行測試和對國產打結器進行可靠性試驗。結果表明，試驗臺能夠實現在實驗室模擬打結器連續打結作業，其打結效率為6結/min，并且可以獲得捆繩拉力、夾繩力、主軸扭矩和轉速等參數，采用高速攝影技術可以清晰對打結器的打結過程進行記錄；通過對自主研發的DJQ01D型打結器進行20 000多個打結試驗，驗證該打結器成結率≥99%，平均首次故障前工作時間MTTFF≥12 000結，并且在試驗過程中主要零部件未出現明顯磨損、變形、折斷等現象。

關鍵詞：打結裝置；高速攝影；可靠性；打捆機構；飼草產業

中圖分類號：S225.2+2； TP391.9" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0050?08

Research on test system of visual rope knotting device

Yang Li， Meng Yugang， Wang Qiang， Luo Donghui， Tian Feng， He Gang

（Hohhot Branch of Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Co.， Ltd.， Hohhot， 010010， China）

Abstract： In response to the lack of experimental equipment to support the research on the knotting process， performance testing， and reliability testing of the knotter during the localization of the knotter， a test system of visual rope knotting device was designed. Based on the structure and working principle of the rope tying mechanism of the square grass bundling machine， the design of the knotting mechanical system， control system， data acquisition and processing system， and the selection of key components were carried out， and the test system was established. Through running tests on the test bench and conducting reliability tests on domestic knotters， the test results show that the test bench can simulate the continuous knotting operation of the knotter in the laboratory， with a knotting efficiency of 6 knots per minute. It can also obtain parameters such as rope tension， rope clamping force， spindle torque， and rotational speed. The knotting process of the knotter can be recorded clearly by using high speed photography technology. Through more than 20 000 knot tying tests on the self?developed DJQ01D knot tying device， it is verified that the knot forming rate of the knot tying device is more than 99%， the average working time before the first failure is more than 12 000 knots， and the main parts do not appear obvious wear， deformation， break and other phenomena during the test.

Keywords： knotting device; high?speed photography; reliability; binding mechanism; forage industry

0 引言

飼草產業是農業的重要組成部分，是畜牧業發展最主要的物質基礎和一切畜產品安全生產的源頭[1]。飼草產業的高質量發展需強化科技和裝備支撐，尤其是推動飼草生產機械裝備關鍵核心技術攻關和基礎研究，加大裝備核心零部件研發應用，在關鍵核心技術方面不受制于人，實現農業科技自立自強。方草捆打捆機作為牧草及農作秸稈飼料化利用的主要收獲裝備，其適用性和可靠性直接影飼草的生產效率和草產品質量。打結器是方草捆打捆機的核心部件，也是衡量打捆機成捆率與穩定性的關鍵裝置[2]。打結器是一種完全依靠機械傳動實現打結功能的機構，其主要功能是將包絡草捆的捆繩打成牢固可靠的繩結[3]。由于打結器結構復雜、傳動精度高、時序嚴格、制造困難，目前主要依賴于進口，導致方草捆打捆機制造成本高，嚴重制約著我國方草捆打捆機的發展[4]。

國外打結器的研究始于19世紀末，形成了C型、D型、CD型等具有不同成結特點的打結器[5]。D型打結器分為單結打結器和雙結打結器，單結打結器捆繩所受拉力較大，雙結打結器捆繩所受拉力較小[6]。C型打結器的繩結較緊，捆繩所受拉力較小，但草捆密度較小[7]。從結構看，C型打結器與D型打結器結構復雜程度相差不多。從繩結的穩定性看，D型打結器的繩結穩定性要高于C型打結器，目前國內外使用最廣泛的是D型打結器[8]。我國對打結器的研究起步于20世紀70年代，對打結器的研究主要集中于打結器的結構及運動特性研究和關鍵部件結構性能分析[9]，在打結器試驗系統方面研究較少，已有的打結器試驗臺[10]雖能進行打結工作原理驗證研究，但是測量參數較少，需要在人工輔助下才能完成打結過程，不能滿足在實驗室條件下對打結器進行更多性能參數測試和可靠性試驗考核的要求。因此，打結器的試驗研究大多數是在田間進行，既不方便而且局限性大，限制了對打結器性能和可靠性等方面的試驗研究。

針對打結器國產化研究過程中缺乏試驗設備進行深入探究打結過程、檢測打結器性能及開展打結器可靠性試驗研究的問題，本文通過研究基于高速攝影技術的可視化繩打結裝置試驗系統，為打結器能夠在實驗室開展試驗研究分析提供試驗條件。

1 試驗系統總體方案

試驗系統需滿足的設計要求：（1）具有模擬草捆運動功能，實現連續自動打結；（2）能夠采集、顯示與處理捆繩拉力、主軸扭矩等信號；（3）通過高速攝影記錄打結過程中各部件運動情況，并存儲數據；（4）結構簡單、性能可靠，打捆機構、控制系統完善，實現打結器性能測試與可靠性試驗。根據上述要求，結合方草捆打捆機繩打捆機構的工作原理，通過對比分析，設計可視化繩打結裝置試驗系統，其由成結機械系統、控制系統、數據采集處理系統等組成，技術參數見表1。采用變頻電機作為動力，通過變頻器調節變頻電機轉速，調節打結時間快慢。通過電磁離合器控制打結起始時間，通過扭矩儀、編碼器測量打結器主軸轉速及允許極限轉速、扭矩。采用氣動系統控制氣缸驅動機構，實現模擬打結后快速脫繩。采用高速攝影分析打結器工作時序。成結機械系統主要由架體、動力傳遞裝置、打結裝置、草捆運動模擬裝置等組成，如圖1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 打結裝置

為能夠真實模擬方草捆打捆機在田間的打捆過程，按照方草捆打捆機的繩打捆機構結構，設計本試驗系統的打結裝置，如圖2所示。

在打結裝置主軸上依次安裝曲柄連桿機構、打結器、撥繩板凸輪、制動器、帶座軸承、扭矩傳感器、編碼器、打結器驅動鏈輪。長度調節機構、步進電機、電機支架、打捆針架安裝在成結機械系統的架體上。打捆針安裝在打捆針架上。

打捆針架的輸出功率

由于打捆針架在送繩過程中，打捆針架對打捆針軸的力矩與繩對打捆針軸的力矩始終是在變化的，當打捆針運動至距離夾繩盤72 mm處，夾繩器盤夾緊捆繩，打結器開始打結，此時打捆針架受力最大，標記為極限點A，計算極限點的總力矩，取最大力矩記為總力矩。把打捆針頂住捆繩時的點標定為A點。則A點的總力矩

打捆針架的重量包括針架焊合和捆針焊合兩部分的重量，約178.7 N，打捆針架的重心到打捆針軸的作用力臂L1A=0.32 m，所以打捆針架對打捆針軸的力矩為M1A為7.18 N ? m。

繩對打捆針軸的力矩

由式（3）可得，A點打捆針軸在轉動過程中產生的最大力矩約為196.25 N ? m。當打捆針軸的轉速n為100 r/min時，由式（1）可得，打捆針架需要的輸出功率P為2.06 kW。

2.2 動力傳遞裝置

2.2.1 驅動電機的選型

試驗臺動力傳動裝置如圖4所示，調頻電機通過聯軸器和編碼器將動力傳遞給電磁離合器，電磁離合器再將動力通過鏈傳動驅動打結器主軸轉動，打結器主軸帶動2臺打結器驅動齒盤轉動，驅動齒盤驅動打結器其他零部件運動以實現打結動作。電磁離合器信號的通斷由安裝在打結器主軸上的扭矩傳感器與編碼器獲取打結過程中的扭矩與主軸轉角進行控制。

電機為打結器試驗臺提供動力，其選型應在滿足各種機械特性要求的基礎上，使其功率能被充分利用，且可靠性高，便于維修。

電機的額定功率

經方草捆打捆機作業時檢測得到打結器所需功率P1為1.34 kW，由式（7）可得，P電機為3.4 kW，因此選擇額定功率為3.7 kW的電動機。

2.2.2 主軸動力傳遞裝置

由方草捆打捆機的繩打捆機構可知，打結器驅動鏈輪轉速n1=100 r/min，傳動比i=1.29，工作載荷平穩。電機主動鏈輪由平鍵裝配于直徑50 mm軸上，鏈傳動中心距為570 mm且不可調，兩輪中心連線與水平面夾角為1.3°，主軸動力傳遞裝置如圖5所示。

綜上所述，主動鏈輪為31齒，從動鏈輪為40齒，鏈節為108節，所選驅動電機為3.7 kW三相異步電動機。

2.3 草捆運動模擬裝置

方草捆打捆機工作時，捆扎好的草捆在后續物料的推動下逐漸移動到壓捆室出口，經放捆板跌落到地面。在試驗系統上若只讓草捆向后移動，則無法進行下一次的打捆試驗。為能夠在試驗系統上實現連續自動打捆動作，設計由電機驅動的草捆運動模擬裝置，如圖6所示。該裝置由脈沖電機、上滑板、下滑板、運動絲杠、滑軌和滑塊等組成。2個脈沖電機分別與2個絲杠通過聯軸器聯接，分別為上滑板、下滑板的運動提供動力。上、下滑板通過運動絲杠分別沿各自的滑軌移動。為使機構運動更精準，減少運動時滑軌摩擦帶來的不必要功耗，運行更平穩，選擇線性導軌和運動絲杠并使用脈沖電機直驅運動絲杠進行傳動，帶動上滑板、下滑板實現連續自動打捆模擬運動。

驅動運動絲杠轉動的電機為脈沖電機，試驗系統工作過程中有一定負載，脈沖電機為保持一定轉矩，其轉速不會太高，假設啟動后電機轉速n'=500 r/min，暫定絲杠導程H=5 mm，電機與運動絲杠直連，傳動比i'=1。則最大運動速度

草捆運動模擬裝置設計總行程為1 080 mm，按照上述絲杠導程[H=5] mm，30 s可以完成1次拉繩循環，滿足設計要求。初選草捆運動模擬裝置的脈沖電機的步距角為1.8°，則每轉的脈沖數S為200 ppr。

3 測控系統設計

3.1 測控系統組成與功能

試驗系統的測控系統主要電器元件有計算機、脈沖電機、扭矩傳感器、拉力傳感器、編碼器、接近開關、數據采集卡等。脈沖電機是2.3節中選定的型號為110BYG350GH-SAKSMA-0501全閉環步進電機。系統采用BK-2B型和BK-2BX型傳感器，量程為0.2 t，精度等級為0.1。由脈沖電機配合編碼器、接近開關和計算機軟件上的按鈕，實現打結針送繩、打結、打結針返回、落繩等動作，最終完成模擬打結器打結動作。由PLC內的控制程序，配合脈沖電機控制器，驅動電機，實現草捆運動模擬裝置按照設定速度和預定位置的定位移動。數據采集處理，采用高精度拉力傳感器，實現打結器結繩受力的采集，可啟動實時曲線，實時顯示檢測到的捆繩拉力變化曲線。采用計算機、PLC和高速采集卡的方式，通過控制臺控制成結機械系統的運動機構和傳感器的數據采集、計算與分析，并且在控制臺的系統主界面上顯示試驗系統的作業信息、數據檢測結果等。檢測軟件包括：打結器性能檢測軟件主程序、參數配置文件、統計數據的樣式表文件。軟件采用微軟的VB.net 2010高級編程語言編寫，運行于試驗系統中的PC主機上，運行環境為Windows7 32位操作系統，可以在打結運行過程中顯示各個傳感器傳回的數據，并根據需求進行處理和記錄，用以分析打結器性能。測控系統控制原理如圖7所示。

3.2 草捆運動模擬裝置的設定

草捆運動模擬裝置在測試系統主界面上的運動過程如圖8所示。試驗系統啟動后，草捆運動模擬裝置從①段的起始位置開始向前移動到②段右側最遠端，再向左平移到③段最上端。在③段，草捆運動模擬裝置向后移動的同時完成第一步掛繩，然后行進到第二步掛繩起始位。在④段，草捆運動模擬裝置繼續向后移并完成第二步掛繩，行進到第三部步掛繩起始位。在⑤段，草捆運動模擬裝置完成第三步掛繩，當草捆運動模擬裝置運動到⑤段的最下端時，系統完成打結過程。最后，草捆運動模擬裝置在⑤段的最下端向右移動到⑥段最右端的起始位置，再進行下一個打結過程。如此往復循環，實現自動連續打結功能。由草捆運動模擬裝置運移過程可知，③段、④段、⑤段之和等于①段，②段與⑥段相同。試驗系統可以分別對草捆運動模擬裝置的①段～⑥段移動距離、左右移動速度和前后移動速度進行設定（單位為脈沖數）。在⑥段包括打結后的捆繩脫落時間2 s。根據以上設定，一個打結過程所用時間為9.6 s，則試驗臺打結效率為6結/min。

4 試驗系統搭建與試驗

4.1 試驗系統搭建

經過對成結機械系統、控制系統、數據采集處理系統的自制件進行加工、采購外購件和調試測控程序，搭建可視化繩打結裝置試驗系統，如圖9所示。

4.2 試驗與分析

4.2.1 試驗方法

對可視化繩打結裝置試驗系統開展運行測試、打結程序試驗和國產打結器可靠性試驗。（1）試驗系統運行測試：在該試驗系統上對國外的6003型打結器進行打結試驗，測試該試驗系統的功能和打結效率。（2）打結程序試驗：通過高速攝影技術記錄打結器的打結過程，測試打結器各構件的運動關系與時序，為打結器研發提供參考。（3）國產打結器可靠性試驗：在該試驗系統上對自主研發的DJQ01D型打結器進行打結試驗，測試打結器的成結率和平均首次故障前工作時間。

4.2.2 試驗指標

4.2.3 試驗結果與分析

1） 試驗臺運行測試。在測試過程中，采集到捆繩拉力、夾繩力、主軸扭矩和轉速等數據，如表2和圖11所示，為打結器的關鍵零部件疲勞強度分析提供計算依據。

2） 打結器打結程序試驗。利用高速攝影技術對打結器的打結過程進行記錄，如圖12所示。打捆針由起始位置向上擺動，將次級捆繩引向打結器。當打捆針上升到打結器底板上方時，撥繩板將打捆針引上來的次級捆繩撥向打結鉗嘴，如圖12（a）所示。驅動鉗嘴開始傳動，鉗嘴在轉動過程中“抓住”靠緊它的兩股捆繩開始繞繩打結，鉗嘴旋轉一定角度后，上卡爪滾輪與打結器架體上的外凸輪接觸，使閉合著的上卡爪被強行打開，如圖12（b）所示。隨著鉗嘴和夾繩盤的繼續轉動，首先夾繩器下方的捆繩被引入上卡爪與鉗嘴下腭之間，繼而上卡爪滾輪與上卡爪壓緊凸輪接觸，使上卡爪強行閉合，從而緊緊咬住引入上卡爪下方的兩股捆繩，如圖12（c）所示。隨著脫繩桿的繼續擺動，首先固定在脫繩桿上的割繩刀割斷夾繩器下方的兩股捆繩，然后再將纏繞在鉗嘴上的捆繩脫下來，形成繩結，如圖12（d）、圖12（e）所示。

3） 國產打結器可靠性試驗。將DJQ01D型打結器安裝在試驗臺上開展臺架性能和壽命試驗。由式（24）計算得到該打結器的成結率為99.2%，符合行業標準[12]規定的成結率≥99%的要求。在對DJQ01打結器進行可靠性考核試驗過程中，打結到28964結時，打結器出現上卡爪固定銷折斷故障，驅動齒盤、脫繩桿、打結鉗嘴等工作部件均未在此試驗期間內出現明顯磨損、變形、折斷等現象。因此，該打結器可靠性考核指標符合行業標準[13]中規定的[MTTFF≥12 000]結。

5 結論

針對打結器國產化研究過程中缺乏試驗設備支撐打結過程研究、打結器性能測試及可靠性試驗的問題，基于方草捆打捆機的繩打捆機構結構，提出可視化繩打結裝置試驗系統的設計目標，開展試驗臺架設計和關鍵部件的選型，并且搭建該試驗系統。

1） 采用高速攝影技術對打結器的打結過程進行記錄，得到其工作過程中每一個關鍵動作圖，可直觀、清晰地表示打結器工作過程，為研究打結過程提供條件。

2） 通過對試驗系統進行運行測試和對國產打結器進行可靠性試驗。結果表明：試驗臺能夠實現打結器連續打結作業，其打結效率為6結/min，能夠測得捆繩拉力、夾繩力、主軸扭矩和轉速等參數。通過對自主研發的DJQ01D型打結器進行20 000多個打結試驗，驗證該打結器成結率≥99%，MTTFF≥12 000結，并且在試驗過程中主要零部件未出現明顯磨損、變形、折斷等現象。在試驗過程中該試驗系統運行良好，工作可靠，為打結器研發及其性能、可靠性測試提供試驗設備。

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