秸秆草捆灌装机设计与试验

2023-10-17宋玉玺吕严柳王德福王万章张志刚

农机化研究 2023年12期

何勋,宋玉玺,吕严柳,王德福,,王万章,张志刚

(1.河南农业大学机电工程学院,郑州 450002;2.河南省纤维饲料产地加工装备工程技术研究中心,河南临颍 462600)

0 引言

我国推进农作物秸秆资源化利用,关键途径主要集中在饲料化、肥料化、原料化、基料化和能源化等方面[1-3]。秸秆还田肥料化利用能够达到蓄水保墒、增加地表积温及土壤肥力的目的,但带病秸秆未经高温发酵,易导致病虫害蔓延,影响出苗率和作物产量[4-8];秸秆饲料化利用时,受到秸秆量大、分散且体积蓬松、收集窗口期等条件制约。近年来,将秸秆添加生物菌剂打捆、裹包发酵制成饲料,以及将秸秆添加沼液等打捆、裹包或通过堆沤发酵制成肥料,为节约运输成本、稳定农业生态平衡、推动农业绿色健康发展提供了新的思路[9-10]。

吸收欧美发达国家牧草贮存技术[11-12],我国早期开发了袋式灌装青贮技术,将青贮饲料或经切碎、喷施添加剂的秸秆经高压灌装机装入塑料拉伸膜制成的青贮袋中密封保存,以获得优质粗饲料。随后,单包袋装青贮[13]、秸秆-粪污微贮[14-16]、智流膜生物发酵[17]等类似灌装技术与装备也相继出现,但受到配套设备成本高或工艺流程复杂的影响,并未大面积推广。为促进秸秆肥料化或饲料化应用,本文基于秸秆田间打捆快速收获技术,考虑不同草捆的适用性、工作效率、转场作业等因素,设计了可移动的袋式草捆灌装机,将喷施添加剂的秸秆草捆灌装,放在田间地头或闲置地块进行发酵,为提高秸秆综合利用率提供装备与技术支持。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

草捆灌装机主要由推送机构、撑袋机构、机架倾斜角度调节机构、传动部分和液压系统组成,如图1所示。草捆灌装机的主要技术参数,如表1所示。

表1 草捆灌装机技术参数Table 1 Technical parameters of bale filling machine

1.后轮 2.机架倾斜液压缸 3.撑袋机构 4.龙门架 5.推送架 6.液压马达 7.挂接杆 8.机架 9.前轮图1 草捆灌装机结构图Fig.1 Structure of Bale filling machine

1.2 工作原理

草捆灌装机整机动力由燃油发动机提供,将动力传输至液压泵,再经电磁换向阀、手动换向阀分别向液压马达、撑袋液压缸、机架倾斜液压缸、前轮转向液压缸供油,使其动作。灌装作业前,根据灌装后的草捆铺放方向及长度,调整好机器的前进方向,将灌装袋套在撑袋机构上,调整撑袋液压缸的伸出长度到适当位置,使草捆能顺利推进袋中;操纵控制机架倾斜液压缸的手动换向阀,调整后轮底盘与地面间的距离,完成机器的准备工作。作业时,将第1个草捆放在推送平台上见[见图2(a)],触动平台上的行程开关,控制液压马达旋转的三位四通电磁换向阀电磁铁1YA得电,使液压马达持续旋转,从而带动推送架工作;推送草捆向后方移动,直到推送架触碰到设置在龙门架一端的行程开关,使电磁换向阀回到中位,做短暂停留后电磁铁2YA得电,液压马达反向供油,带动推送架回到初始位置,触碰到前端的行程开关,电磁换向阀回到中位,马达停止转动,完成一个灌装作业循环,见图2(b)所示;灌装的草捆落入灌装袋中间接触地面后,在后续草捆推送下,接触地面的草捆形成与草捆推送推力相反的作用力,使草捆灌装机克服车轮滚动阻力相对于草捆灌装移动方向反向运动,如图2(c)所示;在完成最后一个作业循环后,由于推送架的运动行程限制,最后草捆仍未完全离开灌装机平台,此时需要在推送架上安装可拆卸推杆,增加推送长度,使得草捆完全进入灌装袋中,完成连续灌装作业,如图2(d)所示。

2 主要部件设计与结构参数

2.1 推送机构

推送机构三维模型主要由推送架、推送平台、可拆卸推杆及传动装置组成,如图3(a)所示。其中,推送架距推送平台垂直高度h1=385mm,整机车架宽d1=2520mm,推送平台宽度d2=1670mm,推送架宽度d3=1520mm,如图3(b)、(c)所示。传动链条使用12A单排滚子链,推送链轮齿数Z1=18,传动链轮齿数分别为Z2=40和Z3=13。当草捆放在推送平台上之后,液压马达将动力通过链条传递到灌装机前端的转动轴,安装在转动轴的推送链轮转动,从而带动与推送链条相连的推送架动作。

1.可拆卸推杆 2.推送架 3.推送链轮 4.推送平台 5.转动轴 6.传动链轮 7.液压马达图3 推送机构示意图Fig.3 Schematic diagram of the push mechanism

1)推送行程确定。根据国内市场打捆机的草捆尺寸参数,设定灌装的圆草捆最大长度为1400mm,方草捆截面尺寸(高×宽)为360×420/460/480mm,长度调节范围均为0.5 ～1.2m(堆放两层两列)[18]。考虑推送平台上留有一定草捆放置裕量,确定推送平台长度L1=2500mm。其中,推送架推送行程L2=1520 mm,可拆卸推杆长度L3=1000 mm,如图3(b)所示。

2)草捆对灌装机推板的反作用力F的确定。推送机构不仅能推动平台上的草捆运动,且要提供推送草捆的反作用力F使灌装机向前移动。由此可知,灌装机车轮所受的力有草捆与灌装平台之间的摩擦力f2和f3、车轮的滚动阻力f5、草捆与灌装机的一个反向推动力F。对整个过程进行受力分析,如图4所示。

注:Ⅰ区为触地草捆,Ⅱ区为完成推送尚未离开机器接触地面草捆,Ⅲ区为灌装机平台上放置的草捆;F1为Ⅱ区草捆对Ⅰ区草捆推送力(N);G1为Ⅰ区草捆重力(N);N1为Ⅰ区草捆所受地面支持力(N);f1为Ⅰ区草捆所受地面摩擦力(N);F2为Ⅲ区草捆对Ⅱ区草捆推送力(N);G2为Ⅱ区草捆重力(N);N2为Ⅱ区草捆所受灌装机支持力(N);f2为Ⅱ区草捆所受灌装机摩擦力(N);F3为Ⅰ区草捆对Ⅱ区草捆的阻力(N);F4为Ⅲ区草捆受推板推送力(N);G3为Ⅲ区草捆重力(N);N3为Ⅲ区草捆受灌装机支持力(N);f3为Ⅲ区草捆受灌装机摩擦力(N);F5为Ⅱ区草捆对Ⅲ区草捆的反作用力(N)。图4 推送过程受力分析图Fig.4 Force analysis diagram of the push process

草捆灌装作业初始阶段,主要完成第1草捆在作业平台上的推送工作。推送过程中,推送的第1草捆主要受到推送架推送力F4、草捆与平台间的摩擦力f3,灌装机保持静止;随着新放入草捆的推送,第1草捆继续向后移动,当放上第n捆时,灌装的草捆与地面接触一定程度,推送架继续推送(触地草捆与地面间的摩擦阻力f1大于地面对灌装机车轮的滚动阻力f5和平台上草捆与平台间的摩擦力f2、f3的合力时,Ⅰ区草捆和Ⅱ区草捆看作固定于地面的一个整体),此时平台上的草捆处于由Ⅲ区位置到Ⅱ区位置移动的过程中,且已与上一草捆接触,平台上草捆受推板推送力F4和Ⅱ区草捆的反作用力F3而挤压,压缩达到一定程度后随着推送机构继续向后推送草捆,已完成灌装的触地草捆相对于地面静止,而灌装机在草捆对推送机构的反作用力F下相对于作业平台上的草捆向前移动,移动过程是匀速运动或加速度很小的加速运动。

在持续灌装阶段,作业平台Ⅲ区持续放入草捆,推送其接触至Ⅱ区位置草捆,该草捆进入推送挤压变形阶段;随着推送机构继续向后推送草捆,已完成灌装的Ⅰ区触地草捆相对于地面静止,而灌装机在草捆对推送机构的反作用力F下相对于作业平台上的草捆向前移动,灌装好的草捆达到筒状铺放的效果。

草捆灌装机移动时,前后车轮都受到灌装机重力G4、车架上草捆整体重力G5与车轮滚动阻力f5的作用,且后轮姿态调整后所承受的整体重力相比前轮更大。

草捆灌装机在灌装行进过程中,不考虑空气阻力、坡度阻力、加速阻力,则

Fcosα≥f5+f4cosα

(1)

f5=fr(G4+G5)

(2)

f4=μG5cosα

(3)

式中F—草捆对灌装机推板的反作用力(N);

f4—平台上草捆对灌装机的摩擦力(N);

f5—灌装机作业前进过程中的滚动阻力(N);

G4—灌装机重力(N);

G5—Ⅱ区草捆和Ⅲ区草捆的重力(N);

N4—地面支持力(N);

α—机架倾斜角,即灌装机作业时车架与水平地面的夹角(°);

fr—滚动阻力系数,取fr=0.1[19];

μ—玉米秸秆与金属的滑动摩擦因数,取μ=0.47[20]。

灌装机质量由SolidWorks2017赋予材质测定质量为1320kg,按圆草捆尺寸Φ1300×1400mm设计,圆草捆质量m由于打捆时秸秆含水率不同,结合有关标准和试验测试数据[21],取m最大值为400kg、g=9.8m/s2、α=0°,则F最大值为5762.4N。为此,考虑液压马达机械效率,选用BM1-100型摆线马达,额定扭矩158N·m,最大扭矩176N·m。根据设计选用液压马达型号和性能参数,计算可知草捆推送速度≤0.189m/s。

2.2 撑袋机构设计

袋口调节装置撑袋机构主要由正多边形龙门架和设置在上面的袋口调节装置组成。袋口调节装置由液压缸和组合套筒构成,组合套筒由内、外套筒组成;袋口调节装置分上、中、下3对,并左右对称固定在龙门架上,如图5所示。

1.上袋口调节装置 2.中袋口调节装置 3.下袋口调节装置 4.撑瓦 5.内套筒 6.外套筒 7.液压油缸图5 撑袋机构图Fig.5 Diagram of bag holding mechanism

液压缸无杆腔耳环销接固定于外套筒,活塞杆用耳环与内套筒连接,内套筒一端设置有撑瓦用于挂接灌装袋口;通过液压缸活塞杆往复动作,调节内套筒沿外套筒伸出的长短,根据草捆外形尺寸调节灌装袋口直径大小。

不同类型草捆需要不同规格的灌装袋,按需要使用相应的袋口调节装置。以推送平台上平面为水平基准,距水平基准上方650mm处的中垂线上,绘制与水平基准线相切Φ1300mm的草捆轮廓线。考虑草捆灌装过程中草捆外缘需与灌装袋口留有余量,设计灌装袋口轮廓为Φ1600mm的圆,其圆心与直径为Φ1300mm圆草捆的圆心重合。在此基础上,确定龙门架为内切圆直径Φ2000mm的正八边形轮廓,其内切圆圆心与Φ1300mm圆草捆圆心重合。为降低重心并防止推送过程中散捆,根据方草捆外形尺寸确定方草捆长度方向调节范围为0.5～1.2m。灌装时可放置两层两列草捆,其灌装袋口与草捆留有间隔150mm,只需调节使用中、下两组袋口调节装置,即可满足方草捆灌装作业要求。根据不同类型草捆灌装袋口尺寸设计参数,确定灌装袋的袋口周长在3000～5000mm范围内。针对不同类型草捆,撑袋机构液压缸工作行程如表2所示。

表2 撑袋机构调节参数Table 2 Adjusting parameters of bag holding mechanism

参照有关文献,草捆灌装作业使用的灌装袋材料要有一定的物理机械性能,包括拉伸强度、耐撕裂强度和耐穿刺性[22]。在此取纵向撕裂强度约34MPa、横向撕裂强度约33MPa、纵向撕裂强度约16N、横向撕裂强度约22N,由此确定袋口调节装置液压缸的负载为30N、工作压力为1MPa。同时,并进行缸径、杆径等参数的设计计算,确定撑袋液压缸内径为50mm,杆径为30mm。

2.3 机架倾斜角度调节机构

机架倾斜角度调节机构可调整草捆灌装时机架姿态,使装进袋子的草捆逐渐平缓落地,以减少灌装袋的破损[23]。由设置在后轮架与机架上的机架倾斜液压缸调节,如图6所示。

草捆灌装机在转场过程中,机架呈水平状态,工作时呈倾斜状态。其倾斜液压缸状态如图6(a)所示。机架倾斜机构角度调节如图6(b)所示。其中,A点为前轮轴心点,B点和C点分别为后轮架、倾斜液压缸在机架上的铰接点,D点为倾斜液压缸与后轮架铰接点,F点为液压缸伸出、机架呈水平状态时后轮轴心所处位置。此时,机架与地面距离为i1,机架与后轮架BF的夹角γ1。由于灌装需要,工作时倾斜液压缸CD闭合为C1D1,后轮架与车架铰接点B下落至B1,后轮轴心点移至F1;此时,铰接点B1和地面距离为i2,机架与后轮架B1F1的夹角γ2,后轮架随液压缸调节,其绕B点转动角为β。上述角度参数之间的关系为

γ1=90°+β1

(4)

γ2=90°+α+β2

(5)

β=γ2-γ1=α+β2-β1

(6)

草捆灌装机机架的离地间隙主要由前轮决定。根据农业机具通过性,考虑灌装机作业高度和稳定性,后轮端尽可能的离地更近,使草捆平缓落地而减少灌装袋的破损。因此,草捆灌装机在作业过程中机架的倾斜角度不宜过大,前轮离地间隙不宜过高。为此,前轮选配4.00-8型轮胎,其轮轴中心距地面高度r1=190mm;后轮选用7.00-9型轮胎,轮胎半径为r2=280mm。袋口调节装置宽度l=150mm,考虑安装在龙门架上的下袋口调节装置干涉,采用图解法[24]确定倾斜液压缸的安装位置参数、行程,如图6(a)所示。由此可得,倾斜液压缸缸体铰接点与车轮架铰接点的竖直距离a=630mm,车轮架铰接点与杆吊耳铰接点水平距离b=332.5mm,轮胎中心距车架铰接点距离c=682.5mm,倾斜液压缸根据完全伸出至闭合可使车轮架转动角度β取值范围0～32°,液压缸的闭合安装距为530mm。

在后轮倾斜液压缸完全闭合状态下,为便于灌装袋下部套在机架上,机架倾斜后的最低位置应有一定的离地间隙。根据前轮转动轴心与地面距离r1、车架水平与地面距离i1、A点与B点的水平距离L4,利用图解法可得机架倾斜角α调节范围为0°～8.02°。

3 草捆灌装作业试验

3.1 试验材料与设备

试验用草捆灌装机样机选配航天巴山170F型汽油发动机,额定转速2500r/min。试验用草捆为临颍县颍机机械制造有限公司销售的9YQ-0.9A型圆捆机、9YQ-2.3型圆捆机、9YQ-2.3A型圆捆机生产的含水率为20%、成型密度≥115kg/m3的玉米秸秆草捆;灌装袋选用安阳达邦塑业生产的农业用聚乙烯吹塑薄膜,厚度0.14mm,袋口周长4000mm,袋长15000mm。其他试验仪器和设备包括秒表、米尺、秸秆水分测量仪、机械磅秤、数显倾角仪、电子秤、激光测速仪以及5ZC-1004型抓草机等。

3.2 试验方法及评价指标

1)试验设计。草捆灌装机设计时,机架倾斜角在0°～8.02°范围可调,草捆推送速度在0.0～0.189m/s范围内可调,撑袋机构可根据草捆尺寸调整灌装袋口大小(即草捆质量随草捆尺寸发生变化)。为此,需进一步明确机架倾斜角度、草捆推送速度及不同草捆尺寸对灌装作业的影响,从而选取机架倾斜角、草捆推送速度、草捆质量为试验因素,以生产率、吨草油耗、灌装袋破损率作为草捆灌装机作业效果的评价指标[25-26]。考虑草捆抓取和机器转运时间,在试验因素取值范围内,采用Box-Behnken试验设计方法进行响应面试验, 10个草捆为1组试验,每组重复3次。试验因素及水平如表3所示。

表3 试验因素水平编码表Table 3 Codes of experimental factors and levels

2)评价指标。在草捆连续放置并稳定推送条件下,在同一条灌装袋内灌装10个草捆所需的时间,取平均值,则生产率为

(7)

式中C—生产率(t/h);

∑Q10—10个草捆的总质量(t);

T10—从第1个草捆放在作业平台上开始到第10个草捆装入袋口且推送架返回到起始位置所需的时间(h)。

在无故障的条件下,采用试验前后称重方法测定耗油量,即试验前、后将油箱加满,记录试验后加入油箱后油的质量,则吨草油耗为

(8)

式中Gy—吨草耗油(kg/t);

Ghy—试验时间内耗油量(kg);

Qst—试验时间内灌装作业量(t)。

因灌装袋为筒状,根据灌装袋的袋口直径和长度,计算灌装袋的使用表面积,之后测得灌装作业后灌装袋破损的孔洞面积,则

(9)

式中YP—灌装袋破损率(%);

SP—灌装袋破损孔洞总面积(m2);

S0—灌装袋子总表面积(m2)。

3.3 试验结果与分析

草捆灌装试验结果如表4所示。利用Design-Expert8.0.6软件对试验结果进行回归分析和响应面分析,建立各评价指标的回归模型,并预测最佳的试验因素参数组合。

通过对建立的多元二次回归模型符合度分析可知:模型P值都小于0.01,且决定系数R2都接近于1。在试验因素水平编码范围内,以生产率最大值、吨草耗油最小值、灌装袋破损率最小值为优化目标,利用Design-expert8.0.6软件得到试验因素参数的最优组合为机架倾斜角3.26°、草捆推送速度0.15m/s、草捆质量107.6kg,此时生产率最大值为22.19t/h、吨草耗油最小值为0.213kg/t、灌装袋破损率最小值为0.225%。

3.4 验证试验

选用草捆尺寸为Φ1000mm×1250mm小麦秸秆草捆,根据最优参数组合方案进行验证试验,如图7所示。在草捆质量为107.6kg、草捆推送速度为0.15m/s、机架倾斜角α=3.26°条件下,根据评价指标测试方法进行测试,并通过回归方程对评价指标进行预测。结果表明:生产率、吨草耗油、灌装袋破损率与预测值之间的相对误差分别为0.542%、0.166%和1.286%,说明各评价指标的回归模型及最优参数组合方案是可靠的。