自走式汉麻打捆机的设计与试验

张治国，朱浩，于革

（黑龙江省科学院大庆分院，黑龙江大庆163318）

近年来全球汉麻种植面积稳步增长，汉麻产业发展迅速，黑龙江省汉麻的种植面积不断扩大，2017年黑龙江省汉麻种植面积达到3万公顷［1］，种植面积已占全国的60%以上，是重要的汉麻生产与初加工基地［2］。

在黑龙江地区，汉麻收割后铺放在田间进行雨露脱胶，晒干后打捆收集到原料加工车间进行纤维加工，但目前汉麻割晒雨露之后仍依靠人工进行打捆收获，导致收获成本高。对于大面积种植户来说，人工打捆收获不仅耽误生产周期，而且收获成本高，雇佣大量人工较为困难。因此专用汉麻打捆机研制与设计是十分必要的。

1 总体方案设计

自走式汉麻打捆机整机由底盘行车系统、捡拾机构、输送机构、打结机构及送绳机构等几部分组成［3］。在整机的设计中，行车底盘的设计要考虑到机器的工作环境，确保机器可适应各种恶劣的工作环境。捡拾机构和输送机构要保证麻杆的有效捡拾和避免麻杆缠绕问题，同时要使捡拾和输送的麻杆相对整齐，为后续的麻杆打捆、运输及初加工奠定基础。打结机构选用禾杆打结技术成熟且市场应用广泛的D型打结器，送绳机构应保证捆绳的松紧张力，这样可保证麻杆打结工作的顺利进行。打捆机的工作流程设计见图2。

图1 打捆机Fig.1 Balingmachine

图2 工作流程图Fig.2 Working flowchart

2 关键部件设计

2.1 捡拾器的底盘设计

汉麻打捆机设计采用自行走式底盘设计，田间的工作环境恶劣，打捆机的设计为四驱行车系统，可有效保证在打捆时机器的行走能力，打捆机的轮胎采用八字形农用车轮胎，提升抓地力，以适应田间恶劣的作业环境。机器工作时需将割晒平铺的汉麻杆捡拾并输送到打捆平台上，故底盘的设计不能过高，平台高低应在80～100 cm为佳，轮胎高度应在65 cm左右，最小离地间隙应大于20 cm，以此适应田间各种工作状况。机器底盘的设计采用北京吉普20的前后桥，有效的保证了底盘的稳定性能和可靠性能，机器后桥可采用摇摆轴悬挂，前桥保持与地面平行，提高捡拾器与地面的仿形能力。转向系统设计为液压助力转向系统，对比传统的机械式转向，使用户操作更加省力与精准。变速箱应有前进和后退档位，并有快慢速变换来适应不同地形条件的工作速度，与发动机转速相匹配，工作速度设计为6～10 km／h。

汉麻打捆机的底盘框架长宽设计为：300 cm×310 cm，框架使用5 cm×10 cm标准槽钢进行焊接，保证底盘框架的强度，框架设计可载重量为1.5 t。框架的主体划分为两个区域，即安装操作区和打捆输送区，将发动机、发电机、液压泵等部件放置在一侧，放置安装的位置占用平台宽度100 cm，平台的其余空间设计为麻杆的输送平台，来完成打结器等打捆部件的安装及动作。

图3 底盘示意图Fig.3 Chassis schemati

图4 输送平台和安装区示意图Fig.4 Conveying platform and installation area schematic

2.2 捡拾器与输送平台

汉麻杆中含有大量纤维，且韧性较高，对于转动的部件机构极容易造成缠绕，所以捡拾器的设计应充分考虑到麻杆缠绕问题。捡拾器是汉麻打捆机最为关键的部件之一，其捡拾性能直接影响打捆机的捡拾质量，对打捆机的打捆性能也有较大影响。

目前市场上常见的禾杆捡拾器可分为弹齿式捡拾器、滚筒式捡拾器和带式捡拾器，弹齿捡拾器由于弹齿与侧壁有间隙的存在，麻杆很容易进入捡拾器内部发生缠绕，不能顺利的输送到打结平台上，并且缠绕的麻杆难以脱离出来，越积越多，最终造成捡拾器不能转动，故弹齿捡拾器并不适合汉麻杆的捡拾［4］。

滚筒式捡拾器的大小受摆齿长短限制和底盘高度的影响，麻杆平铺的厚度不一，打捆机若使用滚筒捡拾器，需较大的直径，捡拾的坡度也随之增大，安装后与平铺的麻杆之间和麻杆输送平台之间，会有很大空隙，不适合汉麻杆的捡拾［5］。

带式捡拾器没有缝隙，能有效避开缠麻问题，而且坡度可控，能将平铺的麻杆较好地捡拾到输送平台，且捡起的麻杆非常整齐，经多次试验捡拾效果良好［6］。

带式拾禾器与弹齿滚筒式拾禾器相比，还具有结构简单，安装维修成本低且简单方便等优点［6］。

图5 滚筒捡拾器Fig.5 Roller pick－up

图6 带式捡拾器Fig.6 Belt Pick－up

打捆机的带式捡拾器长度为200 cm，安装到100 cm高的平台上，工作时与地面的夹角为26.5°，汉麻的高度一般在150～200 cm之间，故带式捡拾器的宽度设计为170 cm，来适应较高的麻杆捡拾。

输送平台也采用履带传送方式，并在输送平台上方安装了滚筒拨禾器，以辅助麻杆的输送，可保证麻杆进入平台后依然整齐，为后续麻捆打结做准备。输送平台采用两段式，中间预留出打结器送绳大针摆动的空间，从两段履带的中间穿过，将麻捆缩紧并进行打结工作。

2.3 打捆机的打结器设计

近年来打结器在牧草、作物秸秆收获方面得到广泛应用。打结器作为打捆机的核心部件，其空间结构复杂，关键零部件的制造难度大，致使目前国内的打捆机上应用的打结器普遍依赖进口。虽然国内很多厂家进行了打结器的仿制，但因打结器制造精度、疲劳强度难以保证，致使打结器快速失效，达不到进口打结器工作寿命要求。现在国际上较为流行的打结器是由德国生产的D型打结器［7］，在欧美技术成熟，应用普遍，效果良好。

打结器是汉麻打捆机的核心部件［8］，它的作用是将麻捆的捆绳打成牢固可靠的绳结，D型打结器是一种结构复杂、传动灵活、工作协调性好且完全依靠机械传动实现其功能的机构。结构主要包括打结器架体、夹绳器、打结钳嘴、小锥齿轮、拨绳板、割绳刀片、脱绳杆和齿盘等［9］。其原理为模仿人手打结的动作，具有传动性好、工作灵活、协调性好等优点［7］，适宜汉麻麻杆的打结。但在工作时，打结器的每个部件几乎都要承受压、剪、扭转等较为复杂的作用力，加之露天工作，环境恶劣，致使打结器极易损坏。根据方草捆机作业统计，打结器易损件主要有齿盘、架体、脱绳杆、钳嘴、锥齿轮等［9］。

图7 打结器结构示意图Fig.7 Structure composition of knotter

打结器的安装方式是侧壁安装，悬空并平行于麻杆输送平台，与平台距离大约在25～30 cm，距离打结器20 cm左右，这样可保证捆好的麻捆直径在30 cm左右。打结器后方安装挡板，挡板与打结器设计为工位工作方式，挡板动作与打结器大针动作相匹配，挡板挡住足量的麻杆后，达到一定的压力后触动开关，打结器结合工作，打捆大针向上摆动，当大针上升到打结器底板上方时，拨绳板将捆绳拨向钳嘴表面，为打结做好准备，当大针上升到夹绳盘时，夹绳盘将捆绳夹住，当大针上升到极限位置时，钳嘴开始工作，将两股捆绳进行绕绳打结，钳嘴工作完成，割绳刀片及拨绳板进行割绳并将系好的绳结从钳嘴上脱离开，同时挡板脱离，麻捆从平台上输送到后方并落地，所有打结系统的部件处于初始工作位置，等待下一捆工作。

图8 打结器安装示意图Fig.8 Knotter installation position

2.4 送绳机构设计

汉麻打捆机的绳箱设计在机器的尾部，应尽量与送绳大针在同一垂面的位置，距离送绳大针不宜过远并且方便更换、加装绳捆；捆绳经过若干个导向环到送绳大针上，导向环不宜过多，表面要光滑，摩擦系数越小，对捆绳的松紧张力控制越容易。送绳机构设计为弹片夹绳结构，弹片的弹力可调并有锁死结构，弹片的弹力控制捆绳的松紧度。捆绳的松紧张力直接影响到打结器的打捆成功率，捆绳过松会导致打好的绳结不能从钳嘴上脱离下来；捆绳过紧会出现捆绳断裂的情况。适宜的捆绳张力对打结器成结非常重要，在打结器应用中不容忽视。

3 打捆机的动力设计

整个打捆机的动力来源是一台30马力的柴油发动机，其功率是22 kW，发动机为行车、捡拾、输送、转向、打结等提供动力，发动机皮带带动液压泵、发电机、转向泵、变速箱及启机电瓶充电机。捡拾器的传动方式为液压马达传动，液压马达传动可通过液压流量阀门的控制，实时精准的控制捡拾器的转速。输送平台由于对动力的需求较多，采用电机传动方式，电机为4 kW变频电动机，经变频器和减速机输出适宜的转速，充足的动力能保证麻杆在平台上不断的缩紧，保证打结系统的有效打捆工作。打结器的动力来源为发电机，由变频器控制电机转动，变频电机的功率为2.2 kW，系统设计安装可编程控制器PLC，通过开关量信号来自动控制打结器的动作，可根据打捆机的工作速度，实时调整打结器工作频率，电气的引入及控制可使打结器工作状态更加合理化，同时还可避免机械控制的结构复杂问题。

表1 发动机功率分配表Tab.1 Engine power distribution kw

4 试验结果与分析

自走式汉麻打捆机样机研究与试验经过两年时间完成，研制过程中先后对样机的捡拾器与输送平台等部件进行了多次改进，并于2016年在齐齐哈尔克山县进行了样机性能测试。机器捡拾机构为弹出式捡拾器，在试验过程中，机器运转数分钟后，弹齿捡拾器内部被麻杆纤维缠绕无法转动，并且样机没有主动输送平台，麻杆很难被输送到打结器下方进行打结工作，导致试验无法进行，不能达到设计的要求。2017年在样机的捡拾、输送等方面做了较大的改进，使用带式捡拾器，并加装了带式输送平台、滚筒拨禾器，试验仍然在克山县进行。结果表明，带式捡拾器与输送平台可将麻杆较整齐地输送到打结器下方，并进行打结工作，试验有了较大的突破，基本实现打捆机的功能设计。

捡拾器的速度、输送平台的速度与打捆机的行车速度是样机的主要参数，3者之间的匹配关系到麻杆能否整齐的进入输送平台，关系到样机能否正常作业。经过多次试验与数据优化，确定了3者之间匹配参数（见表2）。

表2 速度匹配关系表Tab.2 Velocitymatching relation km／h

经过两年的研究改进与试验，样机可良好的完成捡拾、输送、打捆及脱捆动作，达到设计要求并可满足生产需求。在作业试验中，虽然样机的基本功能可良好实现，但仍然存在诸多问题：

（1）尽管应用了带式捡拾器，但仍然会有麻杆纤维缠绕问题出现。

（2）样机各个零部件的安装公差配合度不好，安装会有过紧或过松现象，机器运行的可靠性得不到保证。

（3）液压阀门型号选择有差异，不能精准的控制液压马达的转速。

（4）单缸柴油发动机的噪音较大，作业人员在工作中会有不适的感觉。

（5）样机的部件安装及整体布局还需进一步的优化设计。

5 展望

目前，麻类作物是黑龙江省的特色经济作物，黑龙江省汉麻纤维的产量和品质居国内领先地位［10］，汉麻种植面积逐年增加。在汉麻种植的主要生产环节中，从种植、割晒、种子收获、雨露脱胶、杆茎打捆、捡拾装运到剥麻［10］，大部分环节还需人工作业，机械设备配套一直没有发展，直接影响着种麻效益的提高；麻杆人工收割打捆效率低，成本居高不下，不能增收，制约汉麻产业的发展；汉麻收割期短，如延长收割期将影响麻纤维质量；由于没有专用的汉麻打捆机，导致雇工量非常大，种植户每年不得不支付高额的雇工费用，大大增加了汉麻种植的成本。

就汉麻生产过程各个环节机械化水平而言，我国与国外存在着较大的差距，主要表现为种植与初加工机械设备比较落后，没有专用的配套设备。在汉麻沤麻与打捆装卸方面，目前国内均采用人工打捆，没有配套的机器设备，人工打捆、捡捆、装运，成本高且效率低，专用汉麻机械化水平较低，制约着汉麻产业发展的步伐。

依据目前我国大麻产业发展的趋势，汉麻种植与初级工机械设备的市场需求非常迫切。种植600 hm2汉麻最低需要配备2套打捆机械。黑龙江省发展种植面积6万公顷，配备200套，全国将有上千台需求。故专用汉麻机械设备经济和社会效益分析可观，产业前景非常广阔。

参考文献：

［1］张桂英，吴利红.“2017年汉麻·哈尔滨论坛”召开［N］.黑龙江日报，2017－11－24（002）.

［2］王彦.龙江汉麻期待产业化［N］.黑龙江日报，2017－08－07（002）.

［3］周莹.方草捆打捆机发展现状分析［J］.南方农机，2016，47（5）：11＋13.

［4］郁志宏，王文明，莫日根毕力格，等.弹齿滚筒式捡拾器捡拾性能试验［J］.农业机械学报，2017，48（3）：106－112.

［5］乌吉斯古楞，刘伟峰，包那日那.滚筒式捡拾器的运动仿真［J］.农机化研究，2010，32（9）：50－53.

［6］鲁玲.带式拾禾器在山丹马场使用效果探讨［J］.农机使用与维修，2014（10）：28－28.

［7］李凤鸣，赵小娟，翟改霞.D型打结器关键部件及工作原理［C］／／2012中国农业机械学会国际学术年会.2012.

［8］尹建军，张万庆，陈亚明，等.打结器夹绳－绕扣－钳咬动作参数分析与打结试验［J］.农业机械学报，2015，46（9）：135－143.

［9］魏瑞涛，岑海堂，李沛文，等.D型打结器失效分析及研究进展［J］.中国农机化学报，2017，38（3）：14－18.

［10］肖湘.黑龙江省汉麻生产机械现状与发展建议［J］.科学技术创新，2016（12）：150－150.