BCS140型割捆机切割机构的运动分析及油菜打捆试验

杨文敏，彭 智

（1.湖南农业大学机电工程学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128）

油菜收获有联合收割机收获和分段收获两种方式。由于地块、种植模式及经济条件不同，当前及今后一段较长的时期内，联合收割机收获和分段收获将同时存在和发展[1]。考虑到南方冬油菜收获期间要抢插早稻，为了解决油菜收获和抢插早稻的季节性矛盾，笔者提出采用割捆机将腊熟期油菜切割打捆并及时转运至晒场后熟，可提前4～7天腾地以抢插早稻。因此，需设计或选用一款性能优良的割捆机。BCS140型割捆机是意大利BCS公司的产品。该机具设计巧妙，制造精良，主要用于收割小麦、稻子、芝麻、薰衣草、药草、芦苇等作物。为探究其切割性能，考查能否将其用于腊熟期油菜的切割打捆作业，本文对该割捆机的切割机构进行运动分析研究，并在实验室开展油菜秆切割打捆试验。

1 结构及工作原理

BCS140型割捆机如图1所示，主要由机架、行走系统、传动系统、变速箱、操控机构、座椅尾轮、割台等组成。机架为框架结构，支承各工作部件；行走系统为自走式；采用带传动加多级齿轮传动变速，有四个前进档和一个反向档；采用干式手动控制的单圆盘摩擦离合器。

割台布置在机具的前部，是割捆机的主要工作部件，由传动箱、链传动系统、左右集禾机构、切割机构、送绳机构、捆结离合器、打结器、放捆臂等组成。链传动系统、送绳机构和捆结离合器均布置在传动箱内；打结器为C型打结器；切割机构布置在割台的右侧。

经传动系统减速后，将动力传给割台上的动力输入V带轮，再分成两路：一路经链传动分别传给集禾机构、送绳机构、捆结离合器和打结器，另一路经切割驱动机构传递给切割器，带动切割器往复运动，实现切割功能。切割器为往复式切割器、标准Ⅰ型切割器，可选配低割型和中间型切割器。整机的主要性能参数见表1。

表1 主要性能参数

2 切割机构的运动分析

稻麦收获机械的切割装置分为往复式和圆盘式，其中往复式切割装置应用更广。常见的切割驱动机构有曲柄连杆式、曲柄滑块式和摆环式。李建平等对小型收割机的曲柄滑块机构进行了运动学和动力学分析[2]。陈昆昌等对全喂入水稻联合收割机的一种卧轴式曲柄连杆组合切割机构进行了运动学和动力学分析[3]。李杰等对联合收割机中的一种摆环切割机构进行了仿真分析[4]。BCS140型割捆机的切割机构不是简单的曲柄连杆机构，而是一种立轴式曲柄连杆组合机构。如图2所示，切割机构由一个曲柄摇杆机构与一个正切机构串联而成。

以摇杆的固定铰链为坐标原点，以割刀往复移动的方向为x轴，与之垂直的为y轴，建立如图2所示的右手坐标系。定义各构件的转角零度为x轴正向，逆时针转角为正。图中X、Y1、Y2为机架位置常量，曲柄、连杆、摇杆的长度分别用 l1、l2、l3表示，其转角分别用 φ1、φ2、φ3。则曲柄摇杆机构成两个封闭的矢量环，用复数形式写出矢量环方程为[5]：

向 x、y轴分解，得：

消掉中间变量φ2，得：

则（4）式简化为三角方程：

解得，摇杆的角位移为：

在正切机构中，φ4=180°-φ3，则割刀的位移方程为：

对位移方程求一次导数得到速度方程，对速度方程再次求导得到加速方程，分别为：

用Matlab编程，代入数值计算得到割刀动刀片的位移线、速度和加速线图。切割器动刀片的位移线如图3所示，切割器动刀片左右移动的行程为53.26mm，略大于低割型切割器的节距值（51mm）。

动刀片从开始切割到切割终止的速度是不同的[6]，可分别用（13）式、（14）式和（15）式求得平均切割速度vp、始切速度vjs和终切速度vjz：

式中：S为动刀片行程，mm，由（10）式求得s5为53.3 mm；b为动刀片底宽，mm，标准Ⅰ型切割器为76 mm；e为动刀片顶宽，mm，标准Ⅰ型切割器为17 mm；b1为定刀片宽度，mm，标准Ⅰ型切割器为24 mm；n为曲柄转速，r/min，由发动机额定转速及传动系统总传动比计算得到，取804r/min。

将各参数代入（13）式、（14）式和（15）式可得：平均切割速度vp=1.428 m/s、始切速度vjs=0.652 m/s和终切速度vjz=2.203 m/s。

3 油菜打捆试验

3.1 试验条件

2018年4月29日，在湖南省长沙市芙蓉区韶光社区附近的油菜地里随机选3块1.4 m×1 m的区域，每个区域内随机选取10根油菜植株为样本，测量其形态特性参数，计算取平均值。将样本从距地表30cm处割断，拖回实验室备用。该油菜品种为早熟420，测得茎杆的形态特性参数见表2。

表2 油菜植株的形态特性参数

3.2 试验用具

插置器（自制）、游标卡尺（精度0.02 mm）、弹簧秤（品奥，量程 0.05～50 kg）、卷尺（3 m）、MB35 卤素水分测定仪。

3.3 试验过程

（1）随机抽取5根从田间手工收割来的腊熟期油菜茎秆，用剪刀将其剪碎，再用MB35卤素水分测定仪测定其含水率（实验温度105℃，每次实验时间25 min）。将其余的茎秆插到插置器的圆钢管中，以模拟田间直立的油菜植株。行距株距与田间种植密度相同，行距为40cm，株距为30 cm。所插茎秆共4行，每行长6m，如图4所示。

（2）手动拉动割捆机的第二级传动带，手动拉开放捆臂，使捆结离合器分离。通过送绳针将捆绳带到打结器的夹绳盘，形成初级捆绳。启动割捆机，以Ⅰ档匀速开动割捆机，对插置器上的油菜秆进行切割。在试验过程中观察切割打捆放捆是否流畅，如图5所示。收割完成后，检查成捆情况，测量成捆直径、成捆重量和留茬高度，如图6和图7所示。

3.4 试验结果与分析

油菜茎秆含水率的测定结果为69.539%，含水率较高。割完插置器中的茎秆后，检查发现共成捆4捆，其中1捆随即散捆。实验测得数据见表3。

表3 油菜茎杆的含水率

（1）在实验过程中，观测到已打捆的油菜茎秆未被完全平放在地上，在放捆出口处引起了堵塞。另外，可见油菜茎秆分枝被扯断、角果脱裂等现象。主要原因是油菜植株试样较高，减去留茬高度40cm后还有约110 cm高，而割捆机框架内可供放捆的最大纵向尺寸约为90cm。由于第一捆未完全放倒，导致后续成捆茎秆均堵在割捆机框架内。

（2）从表4可见，留茬高度整齐，平均留茬高度为402.9mm。实验共成捆4捆，其中1捆随即散捆，另3捆松紧合适。计算得到平均直径为24 cm，平均每捆重量4.93 kg（见表5），捆扎高度为32cm。

表4 留茬高度/mm

表5 油菜成捆实验结果

4 结论

（1）BCS140型割捆机设计巧妙，制造精良，主要适用于35～80 cm高度的稻麦和牧草等作物的收割打捆作业。经运动分析与计算得知，该机的平均切割速度为1.428 m/s，与4LB-1.2型联合收割机的切割速度相当。

（2）试验表明：用BCS140型割捆机收割高度超过130 cm的油菜，成捆率高，成捆直径为24 cm，成捆重量为4.93kg（含水率69.839%）。但在放捆口发生堵塞，连续放捆困难，另外可见油菜茎杆分枝被扯断、角果脱裂等现象。故不宜直接采用BCS140割捆机收割油菜。

（3）BCS140型割捆机采用框架结构，切割、集禾、送绳、打捆、放捆等动作配合协调，其工作原理和结构在设计同类机具时值得借鉴。