皮帶式青貯圓草捆打捆機打捆室設計與試驗

中圖分類號：S225；TP242.6 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）07-0247-06

Abstract： To address common issues with existing silage round baling machines in China，such as material scatering， frequentblockagesatthefeedinlet，lowbalingdensity，andhighfailurerates，thisstudypresentsthedesignofabelttype baling machine.The machine consisted of a primary silo，a secondary upper silo，a baling chamber，a mesh device，a blanking and recycling unit，a film wrapping system，a wrapping table，a film-cuting tool holder，as well asintegrated electronic control systemandahydraulic system.First，theoretical calculations and3D parametric modeling were employed to carry out the dynamicanalysisand structural design of the baling chamber.Next，the material baling mechanism was studied in depth，witha focus on the force conditions acting on the grasscore andbaleduring the three keystages：core formation，belt deformation，andbaleroling.Finally， using silage corncrushedmaterial asthe test subject，a field trial was conductedat a planting base in Gansu to evaluatehow variousbaling parameters affect bale density.The results showed that under optimal conditions where baling pressure was 0.72MPa ，belt speed was 1.4m/s ，and feeding rate was 3.4kg/s ，thebaling density reached （204號 733kg/m³ ，which falls within the standard range for silage corn crushing material （730-740kg/m³? .Thebaling efficiency achieved was ?50 bales per hour. This research provides both theoretical and empirical support for thedesignand optimization of baling machines in China，thereby contributing toimproved performance and reliability in silage baling operations.

Keywords：belt binding machine；silage corn；forming mechanism；bundle density；feed amou：

0 引言

圓捆機是機電液技術緊密配合的智能化農機，用戶可通過手機或觸摸屏監測機具作業過程中的各種參數，也可遠程調節喂料速度、打捆壓力、草捆直徑以及裹膜參數等，實現飼料豆科牧草、禾本科牧草、灌木類牧草、農業廢棄物等物料的打捆裹包。

國外畜牧業機械化研究起步早，第一臺圓捆機是由美國研制，采用內纏繞式長膠帶結構，解決了當時牧草存儲轉運難的問題[1]。歐美在機械結構、控制系統、配套動力等方面進行深入研究，極大地提高了卷捆效率和成捆密度。進口設備動輒上百萬元，國內養殖戶和合作社購買能力有限2。為實現打捆機的國產化，國內專家學者在打捆裝置結構上做了大量的基礎研究，通過對比分析鋼輥式、輥筒式、膠帶式、合輥杠式結構發現，鋼輥式打捆機結構簡單、性能穩定、制造成本低，但存在物料易散落、喂料口易堵塞、成捆密度低和故障率高等問題[3]。王成軍等[4]設計的螺線型打捆裝置可增強草捆成型的緊實度。在鋼輥式打捆機的基礎上，雷軍樂等[5]設計了一種輥盤式成捆機構，降低了物料成捆功耗，提高了成捆工作效率，喂料口也無堵塞。叢宏斌等6利用液壓油缸與鋼輥相組合的結構，設計了成捆直徑可調節的小型變腔室打捆裝置，打捆室直徑為 0.57～0.65m 。邵利國等設計了短膠帶與鋼輥組合的結構形式，有利于物料更好地進入打捆室，增強成捆效果。Lei等8設計的打捆室采用皮帶與鋼輥組合結構，避免了物料堵塞情況，增加草捆的密度。盡管國內專家學者在打捆裝置結構研究方面取得了一定成果，但目前的研究多聚焦于單一結構改進，缺乏對不同結構在復雜作業環境下綜合性能的深人對比分析，且多數研究僅針對打捆過程的部分環節進行優化，未形成完整系統的打捆機設計理論體系[9-11]。此外，在智能化控制方面的研究相對滯后，難以滿足現代精準農業對打捆設備高效、智能、精準作業的需求[12，13]。

因此，本文對皮帶式物料成捆原理進行分析，設計一種皮帶式圓草捆打捆機。以青貯玉米粉碎物料為研究對象，探究不同打捆條件對成捆密度的影響，改善國內現有圓捆機性能低、易堵塞、成捆密度低等問題，提高青貯飼料成捆品質，以期為后續青貯飼料打捆機的設計和改造提供參考。

1 總體結構

皮帶式青貯圓草捆打捆機主要由一級集料倉、二級上料倉、打捆室、布網裝置、落料回收裝置、裹膜裝置、裹包臺、切膜刀架、電控系統與液壓系統等組成，結構如圖1所示，主要設計參數如表1所示。

圖1皮帶式青貯圓草捆打捆機結構Fig.1Structure of belt type silage roundgrass baling machine1.切膜刀架2.裹包臺3.裹膜裝置4.落料回收裝置5.布膜裝置6.打捆室7.上料裝置8.集料倉

表1主要技術參數

Tab.1Main technical parameters

皮帶式打捆機作業流程包含進料打捆、布膜、開倉送捆、纏外膜等環節，進料打捆時先啟動打捆室，隨后上料裝置與集料倉啟動快速進料，達到設定壓力后集料倉與上料裝置停止輸料并開始布內膜，布內膜是指打捆成型后停止進料，2s后輸送內膜，當下網計數傳感器檢測到設定層數時，切斷內膜；開倉送捆是下網結束延時1s打開活動倉，并開啟落料回收裝置送捆，轉包臺稱重傳感器感應到捆包信號后倉門關閉；在倉門關閉且轉臺稱重傳感器達到設定重量后開始纏外膜，裹膜圈數達標后關閉轉包電機，打開切膜刀，旋轉臂轉動將膜轉至切膜刀架下切膜，進料打捆與纏外膜可同時進行，從進料到打捆成型布內膜，再到放倉運送捆包及裹膜切斷，整個流程約 1min ，即可完成1個青貯包的生產。

2 打捆室設計

2.1打捆動力計算

打捆室由固定倉和活動倉組成，打捆時環形皮帶纏繞固定傳動輥揉搓物料成捆。根據式 （1）～ 式（12）確定輥筒自轉功率和打捆室驅動功率。

F=ma

式中： P 所有輥筒自轉功率，W；N 1 成捆室輥筒數量，個；P₁ 一單個輥軸自轉功率，W；F 輥筒受到的向心力，N；v 輥筒線速度， m/s m 輥筒質量， kg ：a 輥筒向心加速度， m/s² ：D 輥筒回轉直徑， m 。

已知輥筒線速度 υ 為 1.0m/s 、輥筒質量 Ψ_m 為9.55kg 、成捆室輥軸數量 N 為17個、直徑 D 為112mm ，計算可得單個輥軸自轉功率 P₁ 為 170W 、輥筒自轉功率 P 為 2 890W 。

式中： P_# 一 打捆有效功率， kW ：P總 電機輸出總功率， kW ：η 1 傳動效率；T輸出 電機輸出扭矩， N?m ：n_⊕⊕*11 電機輸出轉速， r/min n 固定傳動輥轉速， r/s d 固定傳動輥直徑， m M₁ 驅動輥筒自轉力矩， N?m ：M₂ 物料成捆驅動力矩， N?m ：P₂ 1 輥筒驅動物料成捆所需功率， w ：r 草捆半徑， m ρ 中 草捆密度， kg/m³ ;V -草捆體積， m³ 。

已知單個草捆重量為 150kg 、體積為 0.2025m³ .輥筒轉速為 170.4r/min ，電機傳動效率 η 取0.9，計算可得打捆室所需電機輸出的總功率 P_⊥ 為6.18kW ，綜合考慮選取Y系列 132M-4 型三相異步電動機，配傘齒輪減速電機，其額定功率為 7.5kW ，減速機傳動比為8.46，額定電壓為 380V 。

2.2 打捆室結構設計

目前，國內生產的小型圓草捆打捆機多采用鏈條傳動式結構，比皮帶式打捆機的結構簡單、成本低，但在鏈條潤滑、張緊調節、捆包重量控制、工作效率及維護保養等方面存在設計缺陷。與傳統圓草捆打捆機的打捆室結構類似，皮帶式打捆機結構如圖2所示?；顒觽}主要由9根打捆鋼輥與2根活動倉張緊輥構成，外部纏繞與固定倉等寬的皮帶；固定倉由7根打捆鋼輥和2根固定倉張緊輥構成，外部纏繞與壓縮倉等寬的皮帶。打捆室的活動倉與固定倉閉合后，倉室為圓柱形，壓縮成型的草捆尺寸與設計值一致。

圖2打捆室結構

1.固定倉皮帶張緊部件2.固定倉皮帶3.打捆鋼輥4.固定倉5.活動倉6.活動倉皮帶張緊部件7.活動倉皮帶

3 打捆成型分析

細碎物料進入鋼輥式圓捆機，打捆成型過程主要分為3個階段，即旋轉草芯堆積階段、旋轉草芯填充階段、草芯滾動階段。物料進入鋼輥式打捆裝置的腔室后，需要一個不斷累積的過程才可形成旋轉草芯，物料在打捆室內累積時間不宜過長，時間長易造成堵塞。

3.1草芯形成初始階段

物料進入皮帶式打捆室后，在皮帶摩擦力的作用下快速旋轉，很快形成初步草芯，但此時物料較輕，草芯、皮帶未發生變形，不產生擠壓力，初始階段如圖3所示。此時物料草芯受力情況如圖4所示，這個階段皮帶未發生形變，初步草芯的作用力主要有自身重力和在2根皮帶上的摩擦力，初步草芯在活動室皮帶上的摩擦力 f₁ 與固定室皮帶上的摩擦力 f₂ 作用下克服自身重力，在打捆室內順時針旋轉，草芯旋轉的線速度近似等于皮帶的速度。

圖3初始階段 Fig.3Initial stage

圖4初始階段草芯受力分析

Fig.4Initial stage grass core force analysis

式中： f ——打捆室2根皮帶對草芯摩擦力 f_i 、 f₂ 的合力，N；m₁ 號 初步草芯的質量， kg r₁ 初步草芯的半徑， m ：U皮 皮帶速度， m/s 。

物料在皮帶式打捆過程中并未經過草芯堆積階段，在很短的時間內便出現滾動草芯，極大地改善物料在打捆室內出現堵塞的情況。由式（13）可知，皮帶的速度受皮帶與草芯的摩擦力影響較大。摩擦力越大，有助于物料在打捆室內形成旋轉草芯，避免因草芯形成不及時而造成物料堆積，影響后續成捆。

3.2 皮帶變形階段

物料不斷地喂入，物料開始向打捆室兩側擠壓，皮帶發生變形，同時皮帶給物料反作用力，使物料草芯更緊實。物料在兩皮帶反向摩擦力作用下，在打捆室內不斷旋轉，如圖5所示。

圖5皮帶變形階段Fig.5Belt deformation stage

皮帶變形階段物料草芯受力情況如圖6所示，這一階段皮帶發生形變，草芯受到2根皮帶的擠壓力F₁，F₂ 。隨著物料的喂人，草芯的重量也逐漸增加，為 m₂ 。此時2根皮帶對草芯的摩擦力也逐漸增加，為f₃、f₄ 。此階段的草芯依舊在打捆室內順時針旋轉，草芯受到皮帶的擠壓，愈來愈緊實。

圖6 ? 皮帶變形階段草芯受力分析

Fig. 6 Belt deformation stage grass core force analysis

f₄=μF₂

式中： α?β —兩根皮帶摩擦力與草捆切線方向夾角， （^°） ：

μ —物料與皮帶之間的摩擦系數。

皮帶對草芯的擠壓力取決于皮帶變形的程度，皮帶變形程度越大，擠壓力越大，即隨著物料的喂入，草芯越大，受到皮帶的擠壓力也越大，此時草芯也越緊實。若喂入量越大，物料草芯被皮帶擠壓越緊實，致使后續物料成捆密度也越大，此時草芯所受的摩擦力受擠壓力影響較大，物料增多，由式（16）和式（17）可知，摩擦力 f₃ 、f₄ 也增加，有助于物料在打捆室內持續旋轉。

3.3滾動階段

隨著越來越多的飼草進入打捆室，飼草在打捆室內不斷堆積，皮帶發生變形，在皮帶反向摩擦力的作用下，飼草逐漸形成圓草捆。皮帶被擠壓至與鋼錕貼合時，鋼輥對物料草捆的徑向和切向壓力逐漸增大，物料被壓縮，并開始隨皮帶由慢到快地旋轉。圓捆形成的壓力分解給16根鋼輥，圓捆受鋼輥的反作用力逐漸被壓實，圓捆被壓實成近似于打捆室的形狀。打捆室內兩條皮帶反方向旋轉，飼草形成圓捆在打捆室內處于滾動階段，如圖7所示。

圖7滾動階段 Fig.7Rolling stage

當物料填滿打捆室后，草捆開始滾動。后續喂入的細碎物料在鋼輥和皮帶的作用下被壓成片，并隨著皮帶的運動被緊緊地包裹在已成型的物料草捆上。物料草捆的最終狀態主要受兩種力的影響：一是2根皮帶的摩擦力，已成型的物料草芯的外部草片表現出層狀包裹，包裹層的草片在皮帶摩擦力的作用下沿著圓草捆的轉動方向緩慢蠕動，使物料草捆層與層之間更加緊密；二是鋼輥產生的擠壓力，使物料草捆受到圓周上指向圓草捆軸線方向的壓力。

3.4 草捆受力分析

打捆過程中，皮帶對草捆受力分析，如圖8所示。固定倉與活動倉的皮帶在鋼錕的作用下繞鋼錕運動。受鋼輥徑向壓力 F_Ni～F_N16 的影響，物料逐漸被壓實，草捆徑向上受力平衡。物料滾動階段，草捆受皮帶沿圓周切線方向的摩擦力 f ，使得物料草捆在打捆室內不停地滾動，速度近似等于皮帶速度。

此階段草捆在皮帶的摩擦力作用下不停翻轉，成型的物料草捆已填滿整個打捆室，隨皮帶一起旋轉，由于皮帶對物料草捆的壓力分布不均勻，物料草捆各部分的密度也不盡相同。若提高皮帶的速度，可以提高物料草捆的旋轉速度，從而使物料草捆的表面盡可能均勻地受力，提高物料草捆的密度。

圖8皮帶對草捆作用力分析Fig.8Force analysis of belt on bale

3.5草捆內部物料受力分析

物料草層結構示意圖如圖9（a）所示。物料滾動階段，可將物料草捆分為卷壓層與擠壓層。皮帶與鋼輥接觸，物料草捆卷壓層會在皮帶作用下，受到沿圓周切線方向的摩擦力，受2根皮帶摩擦的作用，圓形物料草捆在打捆室中順時針旋轉，使其在卷壓層緩慢移動，草捆密度也隨之增加。物料草捆由外向里緩慢移動，擠壓層越壓越緊，物料草捆的擠壓層也逐漸變少，從而導致草捆擠壓層的密度增加。物料草捆的內外壓實密度存在梯度，即外緊內松。這是由于越靠近草捆中心，蠕動效應就越小，直至為0。

圖9草捆內部受力分析Fig. 9Bale internal force analysis

草層受力分析示意圖如圖9（b）所示。在徑向力的作用下，草捆逐漸被壓實。但是，壓力會隨著從外向內傳遞而減小。圖9（b）是草捆的微型截面，由于微型截面之間相對滑動非常小，因此可忽略兩邊切面之間摩擦力的影響。通過對卷壓層進行受力分析，可知 N₂ 小于 N₁ 。滾動階段，物料繼續填充，徑向力由卷壓層向擠壓層逐漸減小。到第 n 層（擠壓層）徑向力減小為 N_n ，因此，草捆中心的徑向力會隨著草捆向中心移動而減小，從而導致中心的緊密度降低。

卷壓層受力平衡方程

擠壓層受力平衡方程

式中： N₁ ——卷壓層外側所受的徑向力，N；（20 N₂ ——卷壓層內側所受的徑向力，N，且 N₂1 ：F₁₁ ———卷壓層外側所受的切向力（與圓周運動

方向相關的力），N；

F_r1 ———卷壓層外側所受的另一個切向力（與F₁₁ 共同作用于卷壓層外側的受力分析），N；

N_n ——擠壓層第 n 層所受的徑向力，隨著層數增加，徑向力逐漸減小， N

N_n+1 -擠壓層第 n+1 層所受的徑向力， N，N_ngt;N_n+1 ：

F- 擠壓層第 n 層所受的切向力，N；

F_rn 1 擠壓層第 n 層所受的另一個切向力（與F_h 共同參與擠壓層第 n 層的受力分析），N。

通過分析滾動階段草捆內部受力可知，鋼輥對草捆的打捆成型力由外向內逐漸遞減。當皮帶速度一定、打捆壓力一定時，物料連續不斷地喂入打捆室內，草捆的直徑還會變大，如果物料喂入量增大，短時間內打捆室內的物料會急劇增加，鋼輥繼續施加打捆成型力，但由于打捆室的體積恒定，使物料草捆的密度越來越大。

4 試驗與分析

4.1 試驗方法

2024年8月上旬在甘肅某種植基地開展試驗，以青貯玉米粉碎物料為研究對象，探究打捆過程中的喂人量、打捆壓力和皮帶速度等參數對成捆密度的影響。打捆壓力可通過在打捆室張緊油缸回路加裝壓力表，讀取液壓油壓力測得。打捆室皮帶速度通過在皮帶外側安裝光電傳感器測得。喂人量是青貯飼料設備的主要技術特征之一，是表示機器各主要工作部件通過能力、負荷大小的重要指標。打捆室喂人量 q 計算如式（20）所示。

式中： m_k 草捆質量， kg （204號 t —單個草捆成捆時間，s。

4.2 試驗結果與分析

試驗前由轉運車將含水率 70% 左右的青貯玉米飼料送至集料倉，在控制臺上設置好相關的操作。啟動打捆室的同時上料裝置運作，隨后啟動集料倉，開始快速進料。當打捆室內的壓力達到打捆室設定的壓力時，集料倉與上料裝置停止輸料，布膜裝置開始布膜，完成后開倉放捆，一個草捆制作流程結束，并將試驗數據記錄在表2中。

由表2可知，當打捆壓力為 0.72MPa 、皮帶速度為 1.4m/s 、喂人量為 3.4kg/s 時，成捆密度為733kg/m³ ，符合青貯玉米粉碎物料成捆密度標準范圍730～740kg/m³ ，此時打捆效率 ?50 包/h。

表2試驗結果Tab.2 Test result

5 結論

1）鋼輥式圓捆打捆機易堵塞、工作效率低且成捆密度不高，基于此，采用鋼輥與皮帶相組合的方法，設計皮帶式圓捆打捆機。并對含水率 70% 的青貯玉米粉碎飼料進行打捆試驗。結果表明：當打捆壓力為0.72MPa 、皮帶速度為 1.4m/s 喂入量為 3.4kg/s 時，成捆密度為 733kg/m³ ，符合青貯玉米粉碎物料成捆密度標準范圍 730～740kg/m³ ，此時打捆效率 ?50 包/ 2）所設計的皮帶式圓捆打捆機在一定程度上改善物料散落、喂料口堵塞等問題，但在不同地域環境和物料特性差異下，其適應性仍有提升空間。未來可進一步研究優化打捆機結構與參數，結合智能化技術，使其能更好地滿足多樣化的作業需求，推動我國打捆裝備向更高效、智能、通用的方向發展。

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