小型棉秆收获机打捆装置的设计与试验

姚祖玉，全腊珍,2*，邹运梅,2，代振维，尹益文，李健，何学迎

(1.湖南农业大学工学院，湖南 长沙 410128；2.湖南省现代农业机械装备工程技术研究中心，湖南 长沙 410128)

中国是植棉大国，每年产生棉秆约3×107t[1–5]。南方产棉区棉秆收获主要靠手工完成，劳动强度大，生产效率低[6]。为了解决棉秆收获问题，郭振华等[7]、贾健[8]、花俊国[9]、唐遵峰等[10]、代振维等[11]对棉秆拔秆机进行了相关研究。为适应南方丘陵地区棉田地势复杂，田块形状差异大，单户作业，需方便机具搬运等特点[12]，笔者在自制的小型履带自走式棉秆收获机上设计了打捆装置，能实现将拔秆装置拔取的棉秆进行压缩、切断、再压缩后打捆的功能。选择影响棉秆打捆的主要参数(钉齿滚筒转数、牵引滚筒转数、锯片转数、压缩频率)进行了单因素试验和多因素正交试验，以实现打捆数量多、成捆率高、捆包密度大的设计目的。

1 棉秆收获机打捆装置结构与工作原理

1.1 结构

小型履带自走式棉秆收获机主要由履带自走式底盘、柴油机、拔秆装置、输送装置和打捆装置组成[11]。打捆装置与拔秆装置由输送装置连接，固定在履带自走式底盘上，由料斗、钉齿滚筒、链传动机构、牵引滚筒、带传动机构、万向节、减速器、锥齿轮箱、切割机构、压缩机构、打捆机构、机架组成，如图1 所示。

1.2 工作原理

打捆装置工作时，柴油机输出的动力经万向节传递给减速器，减速器传递的动力经锥齿轮箱将其分为两部分，一部分经过带传动和链传动传递给钉齿滚筒和牵引滚筒；另一部分经过链传动和带传动传递给切割机构、压缩机构及打捆机构。棉秆由料斗喂入，由钉齿滚筒将喂入的棉秆送至1 对牵引滚筒进行初步压缩后，继续输送至切割机构进行切割，切断的棉秆落入压缩室且在压缩机构的作用下形成棉秆捆，棉秆捆达到一定长度，由打结器打捆，完成打捆。

图1 打捆装置结构 Fig.1 The structure diagram of tying device

2 打捆试验

2.1 材料

选择 JX013 号棉花品种棉秆，含水率约为47.26%，棉秆平均直径为12.35 mm，平均高度为100.25 mm。

2.2 评价指标

根据《方草捆压捆机试验方法》[13–14]的要求，以打捆总数(L)、成捆率(P)、捆包密度(M)为棉秆打捆作业评价指标。

2.3 试验设计

选取钉齿滚筒转速、牵引滚筒转速、锯片转速、压缩频率4个因素，以打捆总数、成捆率、捆包密度为评价指标，进行单因素试验与多因素正交试验。启动打捆装置，待工作稳定后，连续不断向滚筒中喂入棉秆，打捆机工作1 h 后停机，统计棉秆捆包数，随机取相同数量的捆包，重复5次，记录每个捆包质量和截面尺寸，分别计算打捆总数和成捆率及捆包密度。

2.3.1 单因素试验

1) 根据机具的前进速度及拔秆送料速度，钉齿滚筒转速为250 r/min 时，保持牵引滚筒转速300 r/min、锯片转速1 000 r/min 不变，压缩频率分别取20、25、30、35、40次/min 进行试验。

2) 为使棉秆能够完全被喂入，则牵引滚筒转速需大于钉齿滚筒转速，牵引滚筒转速为300 r/min时，保持钉齿滚筒转速250 r/min、压缩频率30次/min 不变，锯片转速分别取 700、800、900、1 000、1 100 r/min 进行试验。

3) 根据一般木工圆锯机切断转速为 900～3 000 r/min，锯片转速为1 000 r/min 时，保持牵引滚筒转速300 r/min、压缩频率30次/min 不变，钉齿滚筒转速分别取230、240、250、260、270 r/min进行试验。

4) 根据国内外对打捆机压缩频率的研究[15]，压缩频率为30次/min 时，保持锯片转速为 1 000 r/min 、钉齿滚筒转速为250 r/min 不变, 牵引滚筒转速分别取280、285、290、295、300 r/min 进行试验。均记录打捆总数和成捆率及捆包密度。

2.3.2 正交试验

根据单因素试验结果，选择钉齿滚筒转速(A)、牵引滚筒转速(B)、锯片转速(C)、压缩频率(D)作L9(34)正交试验[16](表1)，每组试验重复5次。

表1 正交试验因素及水平 Table 1 Influence factors and levels for the test

3 结果与分析

3.1 单因素试验结果

3.1.1 钉齿滚筒转速对试验指标的影响

图2 表明，当钉齿滚筒转速为230～250 r/min时，打捆总数随转速的提高呈上升趋势；转速大于250～270 r/min 时，打捆总数上升速率减缓，打捆总数趋于稳定。

钉齿滚筒转速从230 r/min 增大到255 r/min 时, 捆包密度明显增大；转速为250～270 r/min 时，捆包密度下降，趋于平缓。

钉齿滚筒转速为230～250 r/min，成捆率不断增大；转速提高到250 r/min 以后，成捆率随转速的增加而减小。这是由于牵引滚筒间隙不变，较高转速使棉秆没有被完全喂入，反而被堵在牵引滚筒间隙处的另一端，成捆率有所下降。综合考虑，转速选取240～260 r/min 为宜。

图2 不同钉齿滚筒转速下的打捆总数和成捆率及捆包密度Fig.2 The total number of baling ,bundle rate and packing density with different tooth roller spe

3.1.2 牵引滚筒转速对试验指标的影响

如图3 所示，当牵引滚筒转速为280～300 r/min时，在压缩频率和锯片切割转速不变的条件下，被送入压缩室的棉秆不断增多，打捆总数与成捆率不断加大，捆包密度有所提高；当牵引滚筒转速大于280～295 r/min 时，打捆总数与转数成正比，转速为295～300 r/min 时棉秆送入增加不明显，打捆总 数上升幅度减小且趋于平缓；转速为280～300 r/min 时成捆率不断提高，转速为300 r/min 时，成捆率接近100%。表明牵引滚筒转速对3个试验指标的影响均明显，是影响试验指标的关键因素。牵引滚筒转速取295～300 r/min 为宜。

图3 不同牵引滚筒转速下的打捆总数和成捆率及捆包密度 Fig.3 The total number of baling, bundle rate and packing density with different traction roller speed

3.1.3 锯片转速对试验指标的影响

图4 结果表明，锯片转速为900～1 100 r/min，棉秆被切断，打捆总数随锯片转速增大而增加，捆包密度缓慢上升；当锯片转速大于1 100 r/min 时，捆包密度趋于平缓，随着锯片转速的增大成捆率也相应提高，当转速为1 100 r/min 时成捆率最高。因此锯片转速取900～1 100 r/min 为宜。

图4 不同锯片转速下的打捆总数和成捆率及捆包密度 Fig.4 The total number of baling ,bundle rate and packing density with different blade rotational speed

3.1.4 压缩频率对试验指标的影响

图5 结果表明，压缩频率为15～35次/min 时，棉秆打捆总数不断增加，压缩频率为15～20次/min时，成捆率增加幅度很大，20～35次/min 时，由于锯片切割速度不变，成捆率上升慢慢缓和且趋于平稳，而捆包密度也呈现出上升的趋势，当压缩频率达到30次/min 时捆包密度最高。如果继续增大压

图5 不同压缩频率下的打捆总数和成捆率及捆包密度 Fig.5 The total number of baling ,bundle rate and packing density with different compression frequency

频率，虽然捆包密度变大，但是频率过高振动大 且需要动力源也大，因此选压缩频率为25～35次/min。

3.2 正交试验结果

对正交试验结果(表2)进行极差分析，结果表明，影响打捆总数大小的因素依次为钉齿滚筒转速、牵引滚筒转速、压缩频率、锯片转速；影响成捆率大小的因素依次为钉齿滚筒转速、牵引滚筒转速、锯片转速、压缩频率；影响捆包密度大小的因素依次为压缩频率、钉齿滚筒转速、锯片转速、牵引滚筒转速。

增加捆数的较优组合为A3B3C2D1，加大捆包密度的较优组合为A3B1C3D2，提高成捆率的较优组合为A3B2C1D3。

综合考虑，确定较优组合A3B1C3D2，即压缩频率为30次/min，锯片转速1 100 r/min，牵引滚筒转速为280 r/min，钉齿滚筒转速为270 r/min。

表2 正交试验结果 Table 2 Results of orthogonal test

4 讨论

本试验结果表明，影响打捆总数的主次因素依次为钉齿滚筒转速、牵引滚筒转速、压缩频率、锯片转速；影响捆包密度的主次因素依次为压缩频率、钉齿滚筒转速、锯片转速、牵引滚筒转速；影响成捆率的主次因素依次为钉齿滚筒转速、牵引滚筒转速、锯片转速、压缩频率。综合分析得出一组较优的打捆参数：钉齿滚筒转速270 r/min，牵引滚筒转速280 r/min，锯片转速1 100 r/min，压缩频率30次/min。

压缩频率是增加捆包密度的关键因素，频率越大，需消耗的动力就越多，振动噪音越大。为能在较小动力的条件下得到合理的捆包密度，可将打捆装置进一步优化，将压缩频率适当减小。钉齿滚筒转速和牵引滚筒转速是影响打捆总数和成捆率的关键因素，如果使钉齿滚筒转速和牵引滚筒转速继续增大，棉秆将堵在牵引滚筒的入口端，不利于棉秆的喂入和牵引滚筒的牵引挤压，因此，可通过试验得出合理的转速。

牵引滚筒间距也对打捆机的打捆总数、成捆率、捆包密度产生一定影响，由于受到试验装备及条件的限制，试验未将其作为试验因素进行研究，而是根据棉秆的直径来确定其间距，在后续试验中，可将牵引滚筒的间距做成可调，以便得到最合理的牵引滚筒间距。

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