打捆机捡拾机构设计分析

赵一荣

（中国一拖集团技术中心，河南 洛阳 471039）

中国的秸秆资源非常丰富、数量巨大、种类繁多。据农业部统计数据显示：2015年，我国秸秆总量达9×108t。其中，水稻秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆分别占全国秸秆总量的25%、24%、12.73%；长江中下游、黄淮海区、东北区、西南区秸秆总量分别占全国秸秆总量的25.63%、23.48%、17.19%、13.74[1]。黑龙江是秸秆产出大省，2017年有1.37×108t各种作物秸秆,秸秆资源总量占全国1/8左右，占东北4省区1/2左右[2]。由于缺乏多功能、高效和智能化秸秆收集装备，每年焚烧掉的秸秆超过2×108t，这不仅造成秸秆资源的巨大浪费，还会对环境造成严重污染[3]。

随着国家对优质牧草政策重视程度日益增加，以及针对国内环境污染整治力度的加大，严禁秸秆进行焚烧，进一步地推进了农作物秸秆的综合利用，促使牧草以及作物秸秆的机械化收获作业快速普及，打捆机得到广泛应用。目前国内打捆机行业正在蓬勃发展，捡拾机构作为打捆机的前端工作装置，其捡拾效率的高低直接影响打捆机的工作效率，是打捆机最重要的工作部件之一[2]。

国内目前打捆机技术水平和美国等发达国家相比，仍处于相对落后的水平。本文对打捆机的捡拾机构进行系统分析计算，解决捡拾机构出现漏捡草料的问题，为行业发展提供一定的理论分析和相应的数据支持，助力提升国内打捆机技术水平。

1 捡拾机构工作原理

打捆机主要由底盘、捡拾器、秸秆输送机构、喂入机构、成捆室、卸捆机构等组成。其工作原理是由捡拾器把秸秆收集起来，通过输送链将秸秆输送给成捆室喂入口处，再通过喂入机构将草捆强制喂入，最后草捆成型，卸捆及完成一个工作循环[3]。

捡拾器是打捆机的关键工作部件之一，主要用来捡拾牧草草条、作物秸秆等，属于滑道滚筒式。两端由轨道盘支撑旋转中心轴，中心轴单边由链条或者皮带驱动。中心轴两端固联法兰盘，法兰盘联接曲柄。弹齿固定在弹齿固定轴上，当驱动捡拾器中心轴时，曲柄上的滚轮在轨道内运动，滚轮的运动路线直接保证弹齿的运动轨迹。具体结构如图1、图2所示。

捡拾器的横向示意图如图3所示，其结构尺寸直接影响捡拾效果。

弹齿在单个运动循环内必须完成捡拾草料、举升草料、卸料和空回四个工作过程，完成草料的捡拾和卸料工作，如图4所示。

当弹齿处于A处，理论相位，开始捡拾草料。举升草料至高点附近后进入卸料阶段，弹齿相对相位向后倾，端部相对固定点的速度降低，草料平稳脱离弹齿进入二级输送机构。进入空回阶段后，弹齿从相对相位后倾快速回到理论相位位，重新进入下一个循环。

2 捡拾机构运动分析

捡拾器工作时，弹齿相对捡拾器中心轴（机体）做不规则的圆周运动，捡拾器轴角速度ω；机体沿草料铺条直线运动，速度Vj，二者叠加，分析弹齿的绝对运动轨迹，如图5所示。

为使捡拾器工作过程中不漏捡草料，需要满足：

式中：H——弹齿间隔护圈离地间隙；d——弹齿离地间隙；h——相邻两排弹齿端运动轨迹交线高度差；λ——弹齿端部线速度与机体直线前进速度之比，不得小于1；V——弹齿理论旋转线速度；ω——捡拾器中心轴转速；R——弹齿顶端旋转半径；Vj——机体直线运动速度。

通过上式可以看出，捡拾器的弹齿排数影响h值，相邻两排弹齿的运动轨迹的交线存在高度差h，这是机构本身固有的间歇式运动形成的死区造成的，只能通过降低机体直线速度，或者提高捡拾器中心轴转速，和增加弹齿排数等机构设计手段，来减小h值，而不能消除。

由于作业对象，草料本身的物理属性，和沙土等粉末类属性完全不同。一般而言，无论豆科还是禾本科，草料茎秆收获长度都在0.3 m以上，远远大于h值；而且作为饲草类草料，含水率要求在18%左右，草料有很强的韧性。而捡拾小麦秸秆比较困难，原因就是捡拾小麦秸秆季节时，秸秆含水率普遍低于10%，非常干脆，容易折断，当秸秆长度普遍低于h值时，捡拾效果就很差了，甚至捡拾不起来死区部分秸秆。

λ值大于1，意味着草料被举升至捡拾器顶部瞬时，依然在“绝对”运动进入卸料阶段，没有停滞堵塞草料流。

弹齿离地间隙d过小，容易触碰土层，捡拾起的草料含灰土率过高；d太大，捡拾效果差，可能遗漏草料。机械或液压装置可以调节d值大小，对于平坦田地，草料茎秆短，d值可以小一点；对于田地表面平整度差的，草料茎秆长，d值需要调节大一点。捡拾器两端的支撑轮具有地面仿形功能，保证d值。

3 弹齿运动轨迹模拟及机构参数计算

经过对捡拾器进行结构优化，并经过计算机模拟运动，分析弹齿的绝对运动轨迹以及参数计算。当机体以8 km/h直线运动，捡拾器中心轴理论设计转速96 rpm时，弹齿的绝对运动轨迹如图6所示。

可以看出 H=120≥h+d=85，满足条件。λ＞1，满足要求，而且有27%的机体速度提升空间。拖拉机后PTO动力输出转速常用的有540 rpm、720 rpm和1 000 rpm，可以选择合适的转速并据此进行传动系统设计。

4 捡拾效率分析

捡拾器捡拾宽度的设定和草料铺条宽度息息相关，草料铺条宽度由搂草机作业后形成，和割草机作业幅宽也有一定关系[5]。按照目前主流配合机具（割草机、搂草机等），对于小方捆打捆机，捡拾宽度一般不超过2 m；大方捆打捆机捡拾宽度在2.3 m左右。

打捆作业对象，包括苜蓿、芦苇、天然草、水稻秸秆、麦秸秆、玉米秸秆等各种作物秸秆。本文选取苜蓿来计算，据估算，苜蓿草条的直线密度大概在0.6 kg/m左右。根据理论设计计算，不考虑转场、地头等各种停机因素，机体以8 km/h行驶，纯理论作业效率可以达到2.27 hm2/h。

5 结论

提高弹齿端部线速度，可以提高机体作业速度，提高作业效率，但相应部件离心力会以平方级增大，造成轨道盘（滚轮）加剧磨损。增加弹齿排数也有利于捡拾效率，减小h值，提高机体作业速度，提高作业效率，但成本随之增加，噪音也会提高，轨道盘（滚轮）会额外磨损。综合以上考虑，4排弹齿，转速96 rpm，机体速度8～9 km/h是合理的选择。

经过对捡拾机构进行建模，优化调整轨道参数，对弹齿的绝对运动轨迹进行分析，和参数计算，最终确定运动方案。

样机经过实际苜蓿地作业，符合参数设计和设计预期。样机直线运动速度达到9.5 km/h时，没有出现漏捡草料的现象，且打捆机的各项性能指标都满足甚至高于国标要求。由于地块大小、转场、维护等实际情况，每天作业12 h，实际作业效率可达平均16.67 hm2/d。