弹齿滚筒式牧草捡拾器性能参数对比试验研究

郁志宏，莫日根毕力格，王文明，崔红梅，达布其力吐，吴淑红

(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)



弹齿滚筒式牧草捡拾器性能参数对比试验研究

郁志宏1，莫日根毕力格1，王文明2，崔红梅1，达布其力吐1，吴淑红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)

在改进前后弹齿滚筒式牧草捡拾器实验台上进行了紫花苜蓿的对比单因素和正交试验，研究了滚筒转速、机器前进速度和牧草含水率对于功率消耗和漏捡率的影响。单因素试验结果表明：滚筒转速、机器前进速度和含水率对功率消耗和漏捡率的影响显著；随着滚筒转速和含水率的增大，功率消耗呈上升趋势，漏捡率呈下降趋势；随着机器前进速度的增加，功率消耗呈上升趋势，漏捡率呈先下降后上升的趋势。正交试验结果表明：改进前后试验台对于功率消耗和漏捡率影响的主次顺序是滚筒转速、机器前进速度和含水率。采用综合平衡法最终得到改进前后试验台的最优组合。

牧草；捡拾器；弹齿滚筒式

0 引言

我国对畜牧业发展非常重视，国家投入大量资金进行技术改进来促使畜牧业的发展。目前，国内牧草种植、收获加工生产等急需的机械设备多为国外进口，很少对设计理论进行系统研究[1]。弹齿滚筒式捡拾装置是捡拾压捆机的主要工作部件之一，对捡拾装置进行深入研究对于提高捡拾压捆机的工作性能、提高机具可靠性和整机的工作效率、实现牧草收获机械化具有重要的现实意义[2-9]。

本试验以紫花苜蓿为捡拾对象，以正交试验方法通过取不同因素和水平条件下做改进前后试验台[10]的对比试验。对弹齿滚筒式捡拾装置进行性能参数研究，以不同含水率的紫花苜蓿及不同的滚筒转速和机器前进速度为性能参数进行试验，确定捡拾损失率和功率消耗，寻求捡拾器性能指标的最优组合，以改善捡拾装置的工作性能，提高捡拾压捆机的工作质量及生产率，减少损失，提高经济效益，促进畜牧业的发展，同时为弹齿滚筒式捡拾装置的设计制造提供理论依据。

1 试验装置

捡拾器试验台主要由草条车、草条车电机、轨道、捡拾器、捡拾器电机、带式输送器及集草箱等组成，如图1所示。

1.轨道 2.草条车 3.电机 4.滚筒 5.输送带 6.电机 7.限位弹簧 8.集草箱 9.JN338型转速转矩测量仪1.0.弹齿 11.凸轮轨道 12.滚轮

牧草在田间收割完以后用搂草机搂成草条，在田间晾晒一定时间，当含水率达到适合捡拾值时，用捡拾压捆机进行捡拾并压捆，以便运输和储藏。

工作时，电动机驱动主轴旋转，用链传动的滚筒随其转动，使固定在滚筒上的弹齿按特定的凸轮轨道运动从而完成牧草的捡拾。利用CNT800-4T0075G 型多功能全数字式变频器控制滚筒转速，利用VARISPEED-616G5型变频器控制草条车的前进速度。牧草的捡拾过程分3个步骤：放齿、升运和收齿阶段。通过迅速放齿，平稳升运，快速收齿可有效地避免牧草捡拾过程中叶子被打断和草脱落等现象，从而提高捡拾效率；将捡拾的牧草通过输送带输送到压捆机，进行压捆。

2 试验方法与试验内容

2.1 试验材料及仪器设备

2.1.1 试验材料

本文选用内蒙古蒙草有限公司提供的紫花苜蓿作为试验对象。

2.1.2 仪器设备

改进后的捡拾器试验台，3kW 和2.5kW电动机，北京三晶创业科技有限公司生产的 JN338转矩转速测量仪JN338型智能数字式转矩转速测量仪表，深圳市康泰科技有限公司生产的CNT800-4T0075G 多功能全数字式变频器，VARISPEED-616G5变频器，宏诺202-005电热恒温干燥箱，以及电子天平、秒表等。

2.2 试验方法

测量实际田间每米草条的质量、宽度和高度之后，按照试验台草条车实际长度，计算出草条测定长度为2m，铺设草条质量为6kg。

将转矩转速测量仪安装在电机输出轴与主轴间，对捡拾装置的功耗进行实时测试，配套使用的 JN338 型智能数字式转矩转速测量仪表进行数据采集并输出。采用电子秤称重的方法测出捡拾器捡拾过程中的损失，通过计算得到捡拾率。

本试验为新旧试验台轨道的单因素试验和正交试验对比试验：旧试验台为装有9KJ-1.4型压捆机的捡拾器凸轮轨道的试验台[11-12]，新试验台为装有优化改进后的凸轮轨道的试验台[13]。

2.3 试验因素水平的确定

本文主要研究机器的前进速度、滚筒转速和牧草的含水率对功耗及捡拾率的影响。弹齿滚筒式捡拾装置工作时，机器前进速度一般为4～8km/h，而弹齿端点的线速度应为机具前进速度的1.4～2.4倍才能正常捡拾，本试验选择了3.5、4 、5、6、7km/h这5个速度。紫花苜蓿在田间收割，晾晒后含水率一般在15%～25%之间，本试验选取了15.13%、17.27%、19.83%、22.25%、24.87%等5个含水率。滚筒转速一般在40～90r/min范围内[14]，本试验选择42、50、60 、70 、81r/min这5个转速。各因素水平如表1所示。

表1 因素水平表

续表1

首先分别选取滚筒转速、前进速度和牧草含水率进行单因素试验，通过分析得出3个较优水平，在此基础上进行正交试验。通过极差分析得到了因素较优水平组合。

3 试验结果与分析

3.1 机器前进速度与功率消耗和漏捡率的关系

在滚筒转速为60r/min、牧草的含水率为23%的情况下，对5种不同机器前进速度下测试功耗和捡拾器的漏捡率，测试次数为3，对3次试验数据进行平均，结果如图2、图3所示。

图2 机器前进速度与功率消耗关系曲线

图3 机器前进速度与漏捡率关系曲线

从图2和3可以看出：当牧草含水率和滚筒转速一定时，随着机器前进速度的增大，功率消耗增大。对于漏捡率，旧试验台随着机器前进速度增加而变化更明显；改进后的试验台比旧试验台功率消耗大一点，但漏捡率明显减小，在满足额定捡拾率的前提下机器前进速度不宜过高。

3.2 滚筒转速与功率消耗和漏捡率的关系

在机器前进速度为5km/h、牧草的含水率为23%的情况下，对5种不同滚筒转速下测试功耗和捡拾器的漏捡率，测试次数为3，对3次试验数据进行平均，结果如图4、图5所示。

图4 滚筒转速与功率消耗关系曲线

图5 滚筒转速与漏捡率关系曲线

从图4和图5可以看出：当牧草含水率和机器前进速度一定时，随着滚筒转速的增大，漏捡率增大，功耗急剧增大。改进前后试验台相比较，功耗相差不大，改进后试验台在最低转速和最高转速下的漏捡率更低。因此，满足低损失率及低功耗运行的条件是：在前进速度不变的情况下，滚筒转速尽量要小，从而有效地避免因打掉茎叶和花瓣而增大漏捡率。

3.3 牧草含水率与功率消耗和漏捡率的关系

在机器前进速度为5km/h、滚筒转速为60r/min的情况下，对5种不同含水率下测试功耗和捡拾器的漏捡率，测试次数为3，对3次试验数据进行平均，结果如图6、图7所示。

图6 牧草含水率与功率消耗关系曲线

图7 牧草含水率与漏捡率关系曲线

从图6和图7可以看出：当滚筒转速和机器前进速度一定时，随着含水率的增加，捡拾器的漏捡率减小，功率消耗增大。改进前后试验台的功耗相差不是很大，但漏捡率后者更低。因此，在较高的含水率下捡拾能有效地降低漏捡率，但在实际运输过程中会出现草捆发热而导致发霉，给生产带来更大的经济损失。因此，满足损失率较低、低功耗运行的条件是：在一定的前进速度和滚筒转速情况下，牧草含水率尽量要低，从而有效地避免草捆发霉等情况。

3.4 正交试验结果与分析

综合分析单因素试验结果，分别选取使功耗和漏捡率较低的3个因素下的3个较优水平进行正交试验。试验选定的因素水平如表 2所示。

表2 正交试验因素水平表

根据选定的因素水平选用 L18(37)正交表进行正交试验，试验结果如表3和表4 所示。从表 3和表4可以看出:空列的极差和各交互作用列的极差值很小，影响不明显，可以忽略。从表3可以看出：对于功率消耗，各因素对功耗影响的主次顺序是A 、B、C，即滚筒转速、机器前进速度、牧草含水率; 使功率消耗最小的最优水平组合是A1B2C1。对于漏捡率，各因素对漏捡率影响的主次顺序是 A、C、B，即滚筒转速、牧草含水率、机器前进速度; 使漏捡率最小的最优水平组合是A3B1C2。从表4可以看出：对于功率消耗，各因素对功耗影响的主次顺序是A 、C、B，即滚筒转速、牧草含水率、机器前进速度; 使功率消耗最小的最优水平组合是 A3B1C2。对于漏捡率，各因素对漏捡率影响的主次顺序是 A、C、B，即滚筒转速、牧草含水率、机器前进速度; 使漏捡率最小的最优水平组合是 A1B2C1。

由于本试验是多指标试验，为了找出各项指标组合下性能尽可能好的水平组合，采用综合平衡法[15]。从表3可以看出：因素A 对功率消耗是主要因素，对漏捡率也是主要因素，故取 A3；因素 B 对漏捡率不是主要因素，对功率消耗是次要因素，满足功率消耗的前提下，选取水平应保证漏捡率小，故取 B1；因素 C 对功率消耗是次要因素，对漏捡率不是主要因素，满足漏捡率要求下功率消耗要低且含水率要低，防止草捆发霉，故取C1。采用经综合平衡法，最终得到的较优水平组合是 A3B1C1，即滚筒转速60r/min、机器前进速度3.5km/h、牧草含水率15.13%。

从表4可以看出：因素A 对功率消耗是主要因素，对漏捡率也是主要因素，故取 A2；因素 B 对漏捡率和功率消耗都不是主要因素，满足漏捡率的前提下，选取水平应保证功率消耗少，故取 B2；因素 C 对漏捡率是次要因素，对功率消耗是次要因素，满足漏捡率和功耗要求下含水率要低，防止草捆发霉，故取C1。采用经综合平衡法，最终得到的较优水平组合是 A2B2C1，即滚筒转速50r/min、机器前进速度5km/h、牧草含水率15.13%。

表3 正交试验结果

续表3

表4 改进以后试验台正交试验结果

4 结论

1) 滚筒转速、机器前进速度和含水率对功率消耗和漏捡率的影响显著；随着滚筒转速和含水率的增大，功率消耗呈上升趋势，漏捡率呈下降趋势；随着机器前进速度的增加，功率消耗呈上升趋势，漏捡率呈先下降后上升的趋势。

2)正交试验结果表明：对改进前后试验台来说，影响功率消耗和漏捡率的主次顺序是滚筒转速、机器前进速度和含水率。采用综合平衡法最终得到的最优组合，改进后试验台最终得到的较优水平组合是 A3B1C1，即滚筒转速60r/min、机器前进速度3.5km/h、牧草含水率15.13%。改进前的试验台最终得到的较优水平组合是A2B2C1，即滚筒转速50r/min、机器前进速度5km/h、牧草含水率15.13%。总体上看，改进后的试验台时功率消耗比改进前试验台有所增加，但漏捡率有所减小。

[1] 杨世昆，苏正范.饲草生产机械与设备[M].北京：中国农业出版社,2009.

[2] 麻硕士.草原牧区畜牧业机械化发展战略研究[J].农村牧区机械化，2008(5):11.

[3] 盛凯. 弹齿滚筒捡拾器运动参数的解析分析[J]. 吉林工学院学报,1989(3)：26-33.

[4] 盛凯，曾南宏. 弹齿滚筒捡拾器的机构特性及其运动数学模型[J].农业机械学报，1991(3)：51-57.

[5] 肖子学.弹齿滚筒式捡拾装置的参数化设计及运动学仿真研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2014.

[6] 王振华，王德成，刘贵林，等.方草捆压捆机捡拾器参数设计[J].农业机械学报，2010(S1)：107-109.

[7] 乌吉斯古楞，刘伟峰，包那日那.滚筒式捡拾器的运动仿真[J].农机化研究，2010，32(9)：50-53.

[8] 王文明，王春光. 弹齿滚筒式捡拾装置的研究与发展[J].农机化研究，2012，34(10)：221-225.

[9] 范云霄，尤振环. 基于ADAMS的凸轮设计[J]. 煤矿机械，2011，32(2)：35-37.

[10] 丁海泉，郁志宏，刘伟峰，等.弹齿滚筒式捡拾装置运动学特性的理论分析[J].农机化研究，2015，37(10):76-82.

[11] 刘伟峰，王春光. 捡拾器实验台的研制[J]. 内蒙古农牧学院学报,1997(2)：77-81.

[12] 乌吉斯古楞，刘伟峰.改进设计滚筒式捡拾器实验台[J].内蒙古农业大学学报，2010(3)：227-230.

[13] 王文明，邓伟刚，郁志宏，等.弹齿滚筒式捡拾器试验台的设计[J]. 内蒙古农业大学学报：自然科学版，2015(3):88-92.

[14] 王文明，王春光.弹齿滚筒式捡拾装置的研究与发展[J].农机化研究，2012,34(10):221-225.

[15] 赵选民．试验设计方法[M]． 北京: 科学出版社，2005: 253．

Comparison Test and Research on the Performance Parameter of the Spring-Finger Cylinder Pickup Collector

Yu Zhihong1, Morigenbilige1, Wang Wenming2, Cui Hongmei1, Dabuqilitu1, Wu Shuhong1

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

Alfalfa pickup tests were carried on Test bench of Spring-Finger Cylinder Pickup Collector before and after modification. The impact of the roller speed, forage machine speed, moisture content on power consumption and the leakage rate of picking up was studied. The result of single factor tests showed that the impact of Roller speed, machine forward speed and moisture content on power consumption and leakage rate were significant. With the increase of the roller speed and moisture content, the power consumption increases and the leakage rate decreases. With the increase of the speed of the machine, the power consumption increases and the leakage rate decreases. The result of orthogonal tests showed that the impact of the order on power consumption and leakage rate was the roller speed, machine forward speed and moisture content. The optimal work parameters combination of pickup device before and after modification is reached by using the comprehensive balance method. The performance of the pickup device after modification is better than that of the former.

forage grass; pickup; elastic tooth drum type

2015-12-25

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。

S817.11+4

A

1003-188X(2017)02-0122-06