打捆试验台设计与试验
2019-05-24张泽璞段宝成陶桂香衣淑娟刘春香
张泽璞，段宝成，陶桂香，衣淑娟，刘春香
(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江工程学院，哈尔滨 150008)
0 引言
水稻是我国四大商品粮之一[1]，种植面积大、产量高，也是我国居民的主要食用商品粮。水稻收获后稻秆自身结构疏松、质软、密度小及占用空间大，导致运输不方便[2]。我国在打捆方面发展较晚，配套机械还存在不足，打捆机械设计多参照国外机械同时理论还不健全[3-6]。虽然国外机械较为健全，工作性能稳定，但是其高昂的价格当前还不能被农户所接受[7-9]。综合各原因使我国水稻秸秆回收与利用造成严重浪费，还间接阻碍了我国打捆机械的发展。
为了探究打捆装置在设计与研发中存在的问题，设计了一套打捆试验台，旨在方便后续的试验研究。
1 打捆试验台设计
1.1 试验台组成
打捆试验台由打捆装置、动力装置、输送装置、检测系统与控制装置等组成，如图1所示。试验台采用电源为动力源，带动各工作装置进行工作。其主要工作流程为：电动机通过控制装置转动，带动输送装置与打捆装置工作；输送装置将秸秆输送到打捆装置的喂入口，喂入口的拨禾轮将秸秆送入到压捆室内，通过压缩活塞往复压缩将秸秆压缩成高密度的草捆，同时被推出到压缩室外部；草捆带动棘轮控制装置，控制草捆的长度及控制打结器工作，打结器工作将捆绳缠绕在草捆上完成一次打结，完成一次打捆工作。
1.打捆装置 2.输送装置 3.动力装置图1 打捆试验台Fig.1 The baling test rig
1.2 打捆装置
打捆装置是打捆试验台最主要的工作装置，主要包括压捆室、压缩机构(飞轮、连杆、压缩活塞)、减速机、打结器、出口高度调节装置、打结器及拨禾轮等主要工作部件，如图2所示。
打捆装置的主要工作过程为：电动机带动减速机，将电动机转速按照减速机传动比1∶7降速，减速机输出轴一端与压缩机构的飞轮连接，另一端连接传递机构的链轮，飞轮带动压缩机构的连杆与活塞运动，将拨禾轮拨入压捆室内的秸秆压缩成块并不断地推出压捆室内；同时，链传动带动传递机构运动，草捆被推出压捆室时带动草捆调节装置的棘轮机构运动，棘轮机构控制打结器凸轮转动，带动打结器运动，完成一次打捆工作；草捆连续不断地被推出打捆室，打结器不断地完成打捆工作。由于打结器价格昂贵，同时国产打结器不能满足使用要求，打结器选择进口D型打结器。虽然D型打结器结构比C型打结器复杂，但是D型打结器具有传动灵活、工作协调性好[10-12]。
1.压缩活塞 2.连杆 3.飞轮 4.减速机 5.拨禾轮 6.压捆室 7.打结器 8.草捆长度调节装置 9.出口高度调节装置图2 打捆装置Fig.2 The baling device
1.3 动力装置
打捆装置采用电源为动力源，使用电动机提供动力，采用带传动将动力传输给打捆部件。动力装置由电动机、框架、防护罩、联轴器、扭矩传感器及轴承座等组成，如图3所示。
1.框架 2.电动机 3.护罩 4.轴承座 5.传感器 6.底座 7.带轮图3 动力装置Fig.3 Power device
1.4 输送装置
输送装置采用输送带代替秸秆传输，将秸秆摆放到输送带上，输送带将秸秆送入拨禾轮的送入口，完成算数工作。输送装置如图4所示。
1.支架 2.主动辊 3.皮带 4.电动机 5.辅助辊图4 输送装置Fig.4 Conveying device
1.5 检测系统
检测系统主要采用扭矩传感器进行动态数据检测，是为了实现试验数据的采集、处理及分析自动化而设计的。检测系统基于MCGS工控组态软件开发，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线，以及报表输出。该系统将检测结果以动态文本方式显示，实时曲线显示，可直接输出工作状态功率消耗。
1.6 辅助部件
打捆试验台辅助原件主要是一些装置控制部件，如出口调节装置、捆针、辅助拉杆和定位块等。捆针与打结器、压缩活塞协调工作，工作时有相对的位置管制关系。出口高度调节装置通过转动手柄可以控制草捆出口高度的大小，辅助部件在打捆试验台中是不可或缺的部件。
2 试验研究
为了验证打捆试验台的工作性能，对打捆试验台进行试验研究，并依据方草捆打捆机 《GB/T 25423-2010》标准进行。试验秸秆选用含水率为30%～40%秋季水稻秸秆。试验仪器为米尺、电子秤、手推车及其安全防护用品等。
2.1 试验设计
通过对打捆装置的结构与分析，选取打捆试验台的变化因素为草捆长度、喂入量及飞轮转速；试验指标为草捆密度，因素水平编码表[13-15]如表1所示。
表1 分体式小麦免耕播种机试验性能结果Table 1 Experimental factors and levels
2.2 试验方案与结果
试验方案选择正交旋转组合试验方案进行，选择三因素五水平正交试验进行实验设计，进行23次，每组试验重复5次进行，试验结果取平均值，试验方案与结果如表2所示。采用DPS数据出炉软件处理得到方差分析如表3所示。
表2 试验方案与结果Table 2 Test scheme and results
续表2
表3 方差分析Table 3 Variance analysis
对表3中的结果分析可知：F1
Y=-659.71+0.89X1+102X2+10.97X3-
0.00061X12-24.42X22-0.075X32
其中，X1为草捆长度(mm)；X2为喂入量(kg/s)；X3为飞轮转速(r/min)。
回归系数显著性检验，表3中P值小0.05项是显著项，影响因子X1、X2、X3、X12、X22、X32对草捆密度指标影响均为显著项。
回归模型失拟检验。失拟项P值为0.077 06>0.05，回归方程不拟合，草捆密度模型实测值与预测值相接近界定系数与校正决定系数军接近1，表明回归方程精确、效果显著。精密度值为80.155>4.17，表明该回归方程在设计的区域内预测性能良好。
各影响因子对草捆密度的显著性顺序由大到小依次为草捆长度>喂入量>飞轮转速。
应用Design-Expert软件对回归方程进行分析，分别固定3个因素中1个因素为0水平，考察其中两个因素对草捆密度的影响，获得草捆密度双因素响应曲面图[16-18]。当飞轮转速为75r/min时，获得草捆长度与喂入量对草捆密度响应曲面如图5所示；当喂入量为2kg/s时，获得草捆长度与飞轮转速对草捆密度响应曲面如图6所示；当草捆长度700mm时，获得喂入量与飞轮转速对草捆密度响应曲面如图7所示。通过响应曲面图分析两两因素交互作用关系。
图5 草捆长度与喂入量对草捆密度响应曲面图Fig.5 The response surface diagram of Baling length and feeding volume to baling density
图6 草捆长度与飞轮转速对草捆密度响应曲面图Fig.6 The response surface diagram of Baling length and flywheel speed to baling density
图7 喂入量与飞轮转速对草捆密度响应曲面图Fig.7 The response surface diagram of feeding volume and flywheel speed to baling density
由图5可知：当飞轮转速为零水平时，草捆长度与喂入量对草捆密度影响显著。当喂入量一定时，草捆密度随着草捆长度增大呈现出先快速增大，达到700mm后，草捆密度呈现出缓慢下降；当草捆长度一定时，草捆密度随着喂入量的增大呈现出先逐步增大的趋势，当喂入量达到2kg/s时，草捆密度呈现下降趋势，二者交互作用影响关系明显。
由图6可知：当喂入量为零水平时，草捆长度与飞轮转速对草捆密度影响较为显著。当飞轮转速一定时，草捆密度随着草捆长度的增大呈现出先快速增加，长度超过700mm后草捆密度快速降低；当草捆长度一定时，草捆密度随着飞轮转速的增加呈现出先变化趋势不明显，当飞轮转速达到75r/min时，草捆密度呈现出快速下降的趋势，二者交互作用影响关系不明显。
由图7可知：当草捆长度为零水平时，喂入量与飞轮转速对草捆密度影响显著。当飞轮转速一定时，草捆密度随着喂入量的增大呈现出先快速增大，达到2kg/s时，草捆密度呈现出快速下降的趋势；当喂入量一定时，草捆密度随着飞轮转速的增大先增大，当飞轮转速达到75r/min时，草捆密度缓慢下降，二者交互作用影响关系明显。
应用规划求解得：当草捆长度为720mm、喂入量2.2kg/s、飞轮转速78r/min时，草捆密度最大值为169.3kg/m3。
2.3 验证试验
依据规划求解参数组合，进行验证试验，取草捆长度750mm、喂入量2.5kg/s、飞轮转速80r/min，重复5次试验结果取平均值，获得最优草捆密度结果为165.8kg/m3。打捆试验台总成捆率达到95.3%，规则草捆率达到95%，抗衰率达到98%，各项指标符合方草捆作业条例，满足农艺生产要求与打捆工作使用要求。
3 结论
1) 打捆试验台的设计符合实际的工作性能要求，打捆装置能够满足草捆密度生产使用要求，为后续的打捆机整机开发与研究奠定了理论基础。
2) 采用了正交旋转组合的设计试验方法，能够快速获得试验的工作性能指标，正交试验处理结果在设计的区域内指标性能良好，获得了该试验台草捆密度与草捆长度、喂入量、飞轮转速的回归方程。
3) 应用响应曲面法分别分析了两两因素对草捆密度指标的影响关系，获得最优草捆密度165.8kg/m3、打捆试验台总成捆率95.3%、规则草捆率95%、抗衰率98%。
