捡拾器试验台性能参数分析与优化

郁志宏，达布其力吐，王文明，崔红梅，莫日根毕力格

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；2.邢台职业技术学院 机电工程系，河北 邢台 054035)



捡拾器试验台性能参数分析与优化

郁志宏1，达布其力吐1，王文明2，崔红梅1，莫日根毕力格1

(1.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；2.邢台职业技术学院 机电工程系，河北 邢台 054035)

捡拾率和功率消耗是捡拾器两大性能指标，影响捡拾器性能的工作参数很多，如弹齿离地高度、滚筒转速、机器前进速度及草条密度。为此，对改进前后的实验台性能做了对比分析，试验发现，滚筒转速、前进速度、草条密度对捡拾器工作性能参数影响最为明显。应用正交试验方法，在相同工作参数下对改进前后试验台进行对比试验，通过IBM SPSS软件对正交实验数据进行方差分析，结果表明：改进后试验台性能优于改进前试验台。

捡拾器；性能参数； 捡拾率； 功率消耗； 草条密度

0 引言

弹齿滚筒式捡拾器是小方草捆、大方草捆、小圆草捆、大圆草捆等牧草收获机械的常用工作部件，作为牧草捡拾压捆机重要组成部分，其捡拾效果对机器的生产效率有一定的影响[1]。目前，国内捡拾压捆机基本靠引进国外捡拾压捆机机型，在此基础之上多为仿制研究。国内学者研究重点在于理论分析捡拾器运动模型，并结合计算机仿真优化改进捡拾器机构[2-7]。

捡拾器性能取决于整机的前进速度、滚筒转速及弹齿离地高度等工作参数。实际工作环境下，搂集成条的牧草每段密度都不相同，即捡拾器在同一工作参数下不能保证每段草条捡拾效果达到其性能要求。故本文在考虑以上工作因素的同时，将搂集成条的牧草以每米长度上的质量作为工作参数，对比测试分析了内蒙古农业大学牧机实验室的改进前后捡拾器试验台[8-9]性能。

1 试验项目

改进后的捡拾器试验台(见图1)主要由草条车、弹齿滚筒式捡拾器、输送带及集草箱4部分组成，其工作幅宽为1.4m。

捡拾器试验台的工作原理：将滚筒捡拾器对草条车的相对运动视为其在地面上的运动。弹齿滚筒式捡拾器按一定转速运转，将铺有一定密度草条的草条车在轨道上移动至滚筒捡拾器底部，草条接触弹齿，弹齿将其升运，抛送至输送带，最后运至集草箱。

1.轨道 2.草条车 3.三相异步电机(小) 4.滚筒 5.输送带 6.三相异步电机(大) 7.限位弹簧 8.集草箱 9.JN338型数字式扭矩传感器 10.弹齿 11.凸轮轨道 12.滚轮

2 试验过程

2.1 试验材料及处理方法

试验所用牧草为紫花苜蓿，含水率的测定方法：将紫花苜蓿割完后在室内晾晒，对晾晒后的紫花苜蓿不定期进行含水率测定，达到试验要求的数据则停止晾晒。豆禾本科和豆科牧草的含水率一般为15%～25%，试验所用紫花苜蓿含水率为17%。牧草处理所用设备型号为宏诺202-005电热恒温干燥箱，其温度波动量为±1℃；牧草由上海浦春计量仪器有限公司型号为JY1002电子天平称重，其精度为0.01g量程为1 000g。将干燥箱预热至80℃，将经过晾晒的紫花苜蓿，取出少许，分为4组，对其称重记录，置于干燥箱内。在不同时间段内取出牧草，并进行称重，直到质量不变，最后测定含水率为17%(见表1)。干燥后紫花苜蓿含水率计算[10]根据公式(1)，有

(1)

式中 Hc—牧草含水率(%)；

Wcs—样品烘干前质量(g)；

Wcg—样品烘干后质量(g)。

2.2 其他设备及参数标定

2.2.1 滚筒转速标定

滚筒转速由VARISPEED-616G5变频器控制，不同频率下转速由台湾Lutron公司型号为DT-2234B光电式非接触转速计进行记录，选出试验所用因素的转速及其频率。具体方法为在滚筒中间轴齿轮上贴反光贴，并转速表对准，记录不同频率下转速的平均值。电机频率与滚筒转速关系如表1所示。

表1 频率与滚筒转速关系

2.2.2 前进速度标定

轨道在原有的基础之上加长1.5m，总长变为9.5m；车长不变，3.4 m；车宽，1.94m。机器生产率由草条单位长度质量来确定，由CNT800-4T0075G多功能全数字式变频器控制草条车的前进速度，标定一定范围内不同频率下前进速度，找出频率范围，以供下一步的试验。

具体方法为将草条车滚轮端面贴反光贴，在不同电机频率下的转速由DT-2234B光电式非接触转速计测定得出。由于转速计显示的是转速，经公式[11](2)计算，有

(2)

式中 Vt—草条车前进速度(km/h或m/s)；

R—滚轮半径(m)，取0.05m；

n—滚轮转速(r/min)。

牧草捡拾器前进速度根据公式[12](3)计算，有

(3)

式中 Vt—机器前进速度(km/h)；

Q—生产率(kg/s)， Q=20～30；

G—喂入量(kg/次)， G=2～3；

g—每米草条质量(kg/m)， g=2.5～3.5；

n—活塞压缩次数(次)， n=80～100。

计算得出，机器前进速度为3.85～5.15km/h。一般拖拉机牵引捡拾压捆机时机器前进速度为3～6km/h(见表2)。

表2 频率与机器前进速度关系

2.3 试验参数确定

2.3.1 草条密度对捡拾器工作性能的影响

根据牧草捡拾装置技术条件[13]，试验用牧草每米草条质量为2.5～3.5kg/m，本单因素试验中选取范围在此基础之上考虑到不同草条密度对漏捡率和功率消耗的影响，试验参数为2.5、3、3.5、4kg/m，测试长度为2m，试验用牧草为紫花苜蓿，含水率为17%。

捡拾率是指捡拾装置捡拾物料的质量占测定地段全长上物料质量的百分比，即捡拾率为1- Sj。为分析与计算方便，引用漏捡率，其计算公式为

(4)

式中 Sj—漏捡率(%)；

Wj—捡拾漏捡牧草质量(g)；

L—测定长度(m)；

Pt—每米草条质量(kg/m)。

根据经验，拖拉机牵引捡拾器的前进速度为5km/h，滚筒转速为60r/min，工作过程中保持不变。草条密度选取4个参数进行试验。草条密度对功率消耗的影响较小，则对漏捡率的影响较大，漏捡率随着草条密度增加而减小。如图2所示，改进前后试验台在草条密度为3、3.5、4kg/m等3个参数下功率消耗和漏捡率变化对比，漏捡率有所下降，功率消耗增加。

图2 不同草条密度试验

2.3.2 前进速度对捡拾器工作性能的影响

根据前进速度范围，在试验中选出3.5、4、5、6km/h等4个参数。对改进前后试验台试验结果分析，前进速度对功率消耗的影响较小，对漏捡率的影响较大，而且漏捡率变化较平缓。如图3所示，改进前后试验台在前进速度为3.5、4、5km/h等3个参数下功率消耗和漏捡率变化对比，漏捡率下降，功率消耗增加，前进速度为4km/h时最明显。

图3 不同前进速度试验

2.3.3 滚筒转速对捡拾器工作性能的影响

根据滚筒式捡拾器转速范围初选5个转速进行了试验。结果表明：滚筒转速的变化对功率消耗的影响最为明显，线性增加，对漏捡率的影响同样明显。如图4所示，改进前后试验台在滚筒转速为42、60、67r/min等3个参数下功率消耗和漏捡率变化对比，漏捡率下降，功率消耗增加。

图4 不同滚筒转速试验

2.4 正交试验

根据滚筒转速、前进速度及草条密度对捡拾器工作性能影响试验，确定了正交因素水平，如表3所示。

表3 因素水平表

最终选定三因素三水平的9组重复正交试验，选L9(34)正交表，在各组因素水平组合下牧草漏捡率及功率消耗情况进行记录并计算。其中，每组试验重复两次，漏捡率和功率消耗均取平均值，如表4所示。

表4 改进前后试验台正交实验

3 结果分析与评价

3.1 显著性分析

试验数据由IBM SPSS Statistics 19数据分析软件分析，找出其工作参数影响因素顺序及显著性。

改进前试验台双变量方差分析结果(见表5)，Sig.值均小于0.05，具有统计学意义。变量为漏捡率，Sig.值均在0.01、0.05之间，各工作参数差异性显著。其中，滚筒转速最为明显，其影响主次顺序为滚筒转速>草条密度>前进速度；变量为功率消耗，滚筒转速Sig.值小于0.01，差异性极显著，其它工作参数Sig.值均在0.01、0.05之间，差异性显著，其影响主次顺序为滚筒转速>草条密度>前进速度。两个变量各工作参数下主次顺序一致。

表5 改进前试验台试验分析结果

改进后试验台双变量方差分析结果(见表6)，Sig.值均小于0.05，具有统计学意义。变量为漏捡率，前进速度Sig.值小于0.01，差异性极显著，其它工作参数Sig.值均在0.01～0.05之间，差异性显著，其影响主次顺序为前进速度>滚筒转速>草条密度；变量为功率消耗，滚筒转速和草条密度Sig.值均小于0.01，差异性极显著，前进速度Sig.值在0.01～0.05之间，差异性显著，其影响主次顺序为滚筒转速>草条密度>前进速度。

表6 改进后试验台试验分析结果

3.2 较优组合

已确定改进前后试验台各影响因素主次顺序，根据双变量方差分析，对其估算边界均值。

如图5所示，对改进前试验台影响漏捡率工作参数水平，滚筒转速第2水平最好，前进速度第3水平最好，草条密度第3水平最好，故其各因素优选水平组合为A2C3B3。

对改进后试验台漏捡率影响工作参数，滚筒转速第3水平最好，前进速度第1水平最好，草条密度第2平最好，故其各因素优选水平组合为B1A3C2。

图5 各工作参数漏捡率边界估算均值

如图6所示：改进前试验台影响功率消耗工作参数水平，滚筒转速第1水平最好，前进速度第3水平最好，草条密度第3水平最好，故各因素优选水平组合为A1C3B3；对改进后试验台影响功率消耗工作参数水平，滚筒转速第1水平最好，前进速度第2水平最好，草条密度第1水平最好，故各因素优选水平组合为A1C1B2。

图6 各工作参数功率消耗边界估算均值

4 结论

1) 捡拾率为评价指标。改进前试验台试验中各工作参数影响主次顺序为滚筒转速>草条密度>前进速度。当滚筒转速为60r/min，前进速度为5km/h，草条密度为4kg/m时捡拾率为最佳；改进后试验台试验中各工作参数影响主次顺序为前进速度>滚筒转速>草条密度，当滚筒转速为42r/min，前进速度为5km/h，草条密度为3.5kg/m时捡拾率为最佳。

2) 功率消耗为评价指标。改进前试验台试验中各工作参数影响主次顺序为滚筒转速>草条密度>前进速度，其工作较优条件是滚筒转速>草条密度>前进速度，其工作较优条件是滚筒转速为42r/min，前进速度为5km/h，草条密度为4kg/m时其功率消耗为最佳；改进后试验台试验中各工作参数影响主次顺序为滚筒转速>草条密度>前进速度，当滚筒转速为42r/min，前进速度为4km/h，草条密度为3kg/m时其功率消耗为最佳。

3)对比改进前后试验台，改进后试验台捡拾率提高百分比为14.74%，捡拾器功率消耗增加百分比为7.26%。捡拾率有所改善，功率消耗未得到改善，原因有待研究。

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The Performance Parameters Analysis and Optimazation of Pickup Test-Device

Yu Zhihong1,Dabuqilitu1,Wang Wenming2,Cui Hongmei1,Morigenbilige1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018，China; 2.Insititute of Mechanical and Electrical Engineering，Xingtai Polytechnic College，Xingtai 054035，China)

Pick up rate and power consumption are the two main performance indexes , such as spring tooth height from the ground ,the rotation speed of the roller, the machine forward speed and grass strip density are work parameters of pickup device. Through experimental performance analysis and comparison of the device before and after modification, it is found that impact of roller speed, forward speed and grass strip density on performance is the most obvious. By using orthogonal experiment method, the experimental data under the same work parameters is analyzed by SPSS IBM software, and the performance of the device after modification is better than that of before modification.

pickup; the performance parameters; pick-up rate; power consumption; swath density

2015-12-23

国家自然科学基金项目(51365035)；河北省自然科学基金项目(E2015108021)

郁志宏(1966-)，女，河北邢台人，教授，硕士生导师，(E-mail)yzhyqyzhyq@126.com。

S220.3

A

1003-188X(2017)01-0187-05