小型秸秆饲料打捆机液压系统设计

董云哲 耿欣 谭杰 徐慧磊 周建宇 李君兴

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022)

引言

我国秸秆年产量约为8.65亿t[1]，预计2025年仅玉米秸秆理论资源量为2.53亿t左右[2]。巨量的秸秆处理一直是农业生产的难题，秸秆饲料化是处理秸秆且提升秸秆价值的重要手段之一[3，4]，秸秆饲料打捆机是能够直接将机收后田地上的秸秆进行捡拾、粉碎、除尘、压缩成可直接作为粗饲料的设备，近年来发展迅猛[5]。相比于传统的打捆机，通过秸秆饲料压缩使松散的秸秆饲料压缩成具有一定密度的方捆，大大减少了所占空间，降低了运输和存储成本[6，7]；同时还通过除尘工作，使得捡拾的秸秆更洁净，适口性更好。市场常用的小型秸秆饲料打捆机秸秆压缩大多数采用液压驱动压缩，而大多数秸秆饲料打捆机生产厂家通常根据同类产品或经验对打捆机液压系统进行设计，往往忽略秸秆饲料的压缩特性，常常出现配套动力不合理，压缩设备功率消耗大等问题，针对这种情况，根据秸秆压缩理论和液压理论公式对秸秆饲料压缩系统进行计算和设计，并对设计的秸秆饲料打捆机的压缩性能进行了使用试验，以期为打捆机厂家提供借鉴。

1 液压系统设计

1.1 秸秆压缩理论

由于秸秆类物料属于粘弹性体，自身具有复杂的物理特性[8]，许多学者都做了大量的秸秆压缩研究。1938年德国学者卡维特(Skalweit)[9]首次开始研究纤维物料的压缩机理，其通过在密闭容器内以低速压缩牧草，得出了压缩力和压缩后物料容积密度之间的关系式：

P=Cγm

式中，P为秸秆压缩压强，MPa；C为试验常数；γ为压缩后秸秆捆密度，kg·m-3；m为试验系数。

1959年德国学者麦威斯(Mewes)[10]对上述公式进行了完善，认为纤维物料在压缩过程中压缩力还与物料的初始密度有关，并给出了不同压缩条件下压缩力与物料密度之间的数学模型：

P=C(γ-γ0)m

式中，P为秸秆压缩压强，MPa；C为试验常数；γ为压缩后秸秆捆密度，kg·m-3；γ0为物料初始密度，kg·m-3；m为试验系数。

1964年德国学者莎哈特(Sacht)[11]通过试验认为，物料湿度对秸秆压缩过程有很大影响。水在秸秆压缩过程中起到粘合剂的作业，一些研究证明，适度的含水率可提高秸秆块的耐久性[12]，当然秸秆含水率对压缩能耗影响显著[13]。20世纪60年代苏联学者赫达帕奇(Hulapaqi)[14]研究认为，纤维物料在压缩过程中压缩力不仅与压缩后密度、物料湿度有关，还与压缩速度有关，经过大量试验提出了包含含水率、压缩速度等参数新的压缩公式。此外，我国学者杨明韶[15]进行了牧草压缩试验研究，山东农业大学赵何[16]进行了碎玉米秸秆压缩试验并得到了碎玉米秸秆压缩应力和压缩密度的数学模型。纵观国内外学者的研究和理论分析，秸秆压缩是一个复杂弹塑性过程，在压缩过程中会受到秸秆类型、含水率、压缩力、粒径、压缩量、温度、压缩速率、压缩室尺寸、震动、压缩频率等诸多因数影响，为了便于分析计算，本文采用苏联学者赫达帕奇的植物纤维压缩公式作为秸秆压缩理论公式。

1.2 秸秆饲料打捆机压捆装置结构

1.2.1 压捆装置结构

具有捡拾、揉搓粉碎、除尘、压捆和缠网或装袋(包括人工)功能的秸秆收获机械，称之为捡拾秸秆饲料打捆机。小型秸秆饲料打捆机压捆机构一般由送料机构、压缩机构和推捆机构3部分组成，如图1所示。

1.机架；2.推料缸；3.压缩室；4.缠网装置；5.推送缸；6.压缩缸；7.料仓图1 秸秆饲料打捆机压捆装置

1.2.2 秸秆饲料打捆机工作过程

耕地上的秸秆被捡拾揉搓装置捡拾揉搓成粉碎秸秆，通过风机输送装置，输送到压缩室内，当压缩室中秸秆质量达到规定重量时，称重传感器发出信号，推送缸带动推料活塞进行推料动作，将落在压缩腔内的秸秆饲料进行初步压缩，当推料活塞到达到指定位置后，推送缸保持静止，同时压缩缸进行压缩动作，将秸秆饲料由上而下进行压缩，压缩活塞到指定位置时，推料缸、压缩缸都保持静止，推送缸进行推送草捆动作，本次草捆将上一次含在压缩腔的草捆挤出出料口，同时缠网机构工作，将上一次的草捆进行缠网包裹，当本次草捆位置达到上一次草捆位置时，缠网马达停止工作，同时切网液压缸工作，将网切断，同时推送缸开始复位，推送缸复位后，压缩缸再复位，压缩缸复位后，推料缸最后复位。待料仓秸秆达到规定重量后再进行下一个工作循环。

1.2.3 设计参数

结合市场需求和企业生产实际确定小型秸秆饲料打捆机主要技术参数，如表1所示。

表1 小型秸秆饲料打捆机主要技术参数

根据小型秸秆饲料打捆机压缩工艺，其压缩液压工作原理图如图2所示。

1.推料缸；2.三位四通阀；3.油泵；4.油箱；5.过滤器；6.安全阀；7.压缩缸；8.推送缸图2 液压原理图

由于秸秆饲料压缩过程中，压缩缸工作时系统所受负载最大，为此选择压缩缸工作对秸秆饲料进行力学计算。压缩装置结构如图3所示。

1.细限位杆；2.位置传感器；3.压缩缸；4.粗限位杆；5.压缩活塞图3 压缩装置

图4 试验场景

1.3 液压系统设计

1.3.1 压缩缸压强计算

1.3.1.1 秸秆压缩压强理论计算

秸秆压缩压力不仅与草捆密度有关，还与压缩速度、秸秆含水率有关[17]，根据苏联学者赫拉帕奇提出的公式进行计算。

P=CαβKγm

式中，P为秸秆压缩压强，MPa；α为秸秆的湿度系数；β为压缩过程中压缩速度系数；K为物流硬度系数，取1.0；γ为压缩后秸秆捆密度，kg·m-3，根据JB/T 12442-2015，γ取200kg·m-3；C和m均为试验系数，C取1.92×10-5，m取2.178。

α=[1-0.02×(W-15.3)]

式中，W为秸秆的含水率，根据东北秋季打捆时间和打捆机对含水率要求[18]，W取20%。

式中，V为压缩速度，m·s-1，为满足打捆机生产率要求，设定压缩速度为0.2m·s-1。

经计算，P=0.85MPa。

F=P×S活塞

式中，S活塞为压捆活塞面积，m2。

压捆活塞长为742mm，宽为310mm，面积为0.23m2；所以最大压缩力为195kN。

1.3.1.2 压缩缸径计算

公式：

式中，D为压缩缸径，mm；F为最大压缩力，N；η为液压缸机械效率，取0.93；P1为进油路初选压力，取18MPa；P2为油路背压，取0.3MPa；φ为杆径比，取0.707。

经计算，D=142mm。

考虑到安全系数和参照GB/T 321-2005行程第1系列，选择相应液压缸行程，考虑到推送缸压力小于液压缸，由于送料缸负载小于推送缸，并根据小型打捆机性能要求，确定各缸体参数，具体参数如表2所示。

表2 液压缸参数

1.3.2 液压泵的参数计算及选型

在打捆机工作过程中，由于三缸为顺序工作，因此流量按压缩缸所需流量计算即可。

公式：

Q=60A×V

式中，Q为压缩缸流量，L·min-1；A为压缩缸横截面积，m2。

经计算，Q=243L·min-1。

式中，q为泵排量，L·min-1；n为泵转数，r·min-1。根据拖拉机后输出轴最高转数760r·min-1和选取的变速箱传动比2.55∶1，则泵的转数为1938r·min-1。

经计算泵排量为125mL·r-1。考虑到打捆机的工作特点及成本，所以选用结构简单、体积小，工况稳定可靠的齿轮泵，泵体流量需大于125mL·r-1，压力大于18MPa，故选择型号为IPV7-160齿轮泵。

2 性能试验

2.1 试验结果

为了验证秸秆饲料压缩机构液压系统性能，对小型秸秆饲料打捆机做了使用试验。试验材料选用玉米收获机工作后晾晒30d的玉米秸秆(含水率16%)，工作0.5h，打捆20包，草捆尺寸及质量如表3所示。

表3 草捆尺寸及质量

除第1个草捆不成型外，剩余19个草捆平均体积0.11m3，草捆平均质量20.8kg。根据捆包密度公式[19]：

式中，Pd为草捆密度，kg·m-3；mk为被测捆包实际平均质量，kg；Hc为被测秸秆含水率；Vk为草捆体积，m3。

经计算，草捆密度为198kg·m-3，达到JB/T 12442-2015标准要求。

2.2 结果分析

由于压缩室出料口为开口，在推料缸工作时，第1个草捆出料方向无背压，所以第1草捆很难成形；由于地面上秸秆分布不均，使得单位时间秸秆捡拾量不同，所以落入压缩室的秸秆量也不同，同时地面上秸秆含水率略有差异，如向阳迎风的秸秆含水率低而垄沟处的秸秆含水率略高，使得秸秆密度有差异，上述2点原因使得方捆尺寸、重量有所偏差。

3 结论

介绍了秸秆压缩理论的发展和影响秸秆压缩的主要因素；根据苏联学者赫拉帕奇提出秸秆压缩理论和秸秆饲料压缩工艺，设计了小型秸秆饲料打捆机压缩液压系统，实现了草捆密度达到150kg·m-3以上，满足了JB/T 12442-2015秸秆方捆(压)机行业标准对草捆密度的技术要求；秸秆饲料打捆机工作过程中，第1草捆不成型，后续生产的草捆尺寸重量略有偏差。